鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)方法

呂宋 魏少偉 蔡德鉤 姚建平 曹淵東 陳乾

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京100081；3.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，昆明650500

我國將生態(tài)環(huán)境建設(shè)上升到國家戰(zhàn)略，京張高速鐵路、杭黃高速鐵路建立了高標(biāo)準(zhǔn)鐵路生態(tài)廊道，鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)是未來發(fā)展趨勢(shì)［1］。為保證鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果，達(dá)到穩(wěn)固邊坡、保持水土、防御災(zāi)害、改善環(huán)境的目的，有必要建立一套完整的鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)方法。

公路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)主要采用基于層次分析法的綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法等［2］。杜智民等［3］基于環(huán)境、功能和景觀三方面，建立了山區(qū)公路景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；龍鳳等［4］針對(duì)巖質(zhì)邊坡噴播綠化，采用基于層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其護(hù)坡效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括生長基質(zhì)、防護(hù)功能、景觀文化功能、物質(zhì)循環(huán)功能等；弓成等［5］針對(duì)華北平原區(qū)高速公路在不同尺度上從環(huán)境、安全、景觀、經(jīng)濟(jì)等方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選取京石高速公路、廊涿高速公路等為對(duì)象進(jìn)行邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)。公路領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)路基邊坡生態(tài)防護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法進(jìn)行了闡述，如JTG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》綠化工程章節(jié)中明確了質(zhì)量檢驗(yàn)檢查項(xiàng)目及指標(biāo)。DB62/T 25-3101—2015《公路綠化施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、DB34/T 1741—2012《公路綠化工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定規(guī)范》等地方規(guī)范對(duì)綠化質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)分及等級(jí)評(píng)定進(jìn)行了細(xì)致的規(guī)定。

鐵總建設(shè)〔2013〕94 號(hào)《鐵路工程綠色通道建設(shè)指南》統(tǒng)一了鐵路綠色通道建設(shè)技術(shù)要求。Q/CR 9526—2019《鐵路工程綠化設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)（南方地區(qū)）》和Q/CR 9527—2020《鐵路工程綠化設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)（北方地區(qū)）》（簡稱《鐵路綠化工程南北方標(biāo)準(zhǔn)》）分區(qū)域?qū)β坊吰律鷳B(tài)防護(hù)工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)驗(yàn)收進(jìn)行了說明，規(guī)定南方地區(qū)植物建植不少于12個(gè)月或北方地區(qū)植物建植不少于一個(gè)生長季，建設(shè)單位應(yīng)對(duì)邊坡生態(tài)防護(hù)工程進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，評(píng)定以覆蓋率、成活率為主?，F(xiàn)有規(guī)范未規(guī)定鐵路運(yùn)營期路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)方法。

綜上，鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)研究有待于進(jìn)一步深化，尤其是針對(duì)邊坡生態(tài)防護(hù)工程質(zhì)量評(píng)定、養(yǎng)護(hù)管理不同階段確定相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果的全面評(píng)價(jià)，促進(jìn)邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)的發(fā)展。

1 邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的提出

鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)是在保證鐵路安全運(yùn)營的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)邊坡綠化美化，構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、生態(tài)高效、不影響鐵路運(yùn)營的生態(tài)防護(hù)系統(tǒng)。因此，路基邊坡生態(tài)防護(hù)應(yīng)遵循安全可靠和兼顧生態(tài)效益的原則。安全可靠一方面指邊坡防護(hù)工程的穩(wěn)定，另一方面是確保植物的生長高度、冠幅、根系等不影響行車安全和通信、電力線路的安全使用。生態(tài)效益是指營造良好的鐵路沿線生態(tài)環(huán)境，建立穩(wěn)定的植物群落，抵御病害和自然災(zāi)害。

基于此，結(jié)合鐵路工程綠色通道建設(shè)的要求，從護(hù)坡功能、生態(tài)效益、安全要求三個(gè)方面對(duì)鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選應(yīng)遵循科學(xué)性、獨(dú)立性、可操作性、簡潔性等原則，使所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能綜合反映路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果。

層次分析法的基本步驟包括構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判斷矩陣、權(quán)重計(jì)算、一致性檢驗(yàn)。鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)體系包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層三個(gè)層次。

目標(biāo)層為鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果綜合指數(shù)。準(zhǔn)則層包括護(hù)坡功能、生態(tài)效益、安全要求。指標(biāo)層為各準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

護(hù)坡功能指標(biāo)包括覆蓋率、成活率、根系發(fā)育情況。生態(tài)效益指標(biāo)包括鄉(xiāng)土植物比例、植物多樣性、病蟲害狀況、抗逆性。安全要求指標(biāo)包括限界要求、防火要求。

上述3 個(gè)準(zhǔn)則及9 項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成了鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果綜合評(píng)價(jià)體系，見圖1。

圖1 鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)體系

1.2 指標(biāo)含義與標(biāo)準(zhǔn)

1）覆蓋率是指地面上全部植物莖葉的垂直投影面積與可綠化面積的百分比?！惰F路綠化工程南北方標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于植草區(qū)域使用覆蓋率指標(biāo)評(píng)價(jià)，覆蓋率采用尺量、記面積的方法。因氣候差異，邊坡植物覆蓋率指標(biāo)南方地區(qū)較北方地區(qū)一般高5%或10%。本指標(biāo)的評(píng)價(jià)以《鐵路綠化工程南北方標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)。

2）成活率是生態(tài)防護(hù)工程質(zhì)量檢驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo)之一?！惰F路綠化工程南北方標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于灌木栽植使用成活率指標(biāo)評(píng)價(jià)，成活率采用點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算的方法。同覆蓋率指標(biāo)，南北方地區(qū)邊坡植物成活率也存在5%或10%的差別。本指標(biāo)的評(píng)價(jià)以《鐵路綠化工程南北方標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)。

3）根系發(fā)育情況是指直根系和須根系的分布形態(tài)及其生長長度。植物根系對(duì)土體產(chǎn)生一定的加筋作用，根系發(fā)育良好將顯著增加坡面土體的黏聚力提高土體抗剪強(qiáng)度，使坡面有效地抵御雨水沖刷、侵蝕［6］。因此根系的發(fā)育情況將直接影響邊坡的防護(hù)效果?？紤]指標(biāo)數(shù)據(jù)采集的便捷性及可操作性，采用現(xiàn)場觀察根系并測(cè)量根系長度作為根系發(fā)育情況的評(píng)價(jià)方法，根據(jù)文獻(xiàn)［7］制定該指標(biāo)的評(píng)價(jià)依據(jù)。

4）鄉(xiāng)土植物為當(dāng)?shù)刈匀环植嫉闹参?，?duì)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境具有高度的適應(yīng)性。鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)植物選擇應(yīng)以優(yōu)良的鄉(xiāng)土植物為主，規(guī)范中并未對(duì)鄉(xiāng)土植物比例進(jìn)行明確規(guī)定，該指標(biāo)通過現(xiàn)場觀察統(tǒng)計(jì)確定，以北京市公路綠化中鄉(xiāng)土植物比例標(biāo)準(zhǔn)制定評(píng)價(jià)依據(jù)。

5）植物多樣性指植物種類的數(shù)量。植物多樣性高有利于維持植物群落的穩(wěn)定，保證邊坡生態(tài)防護(hù)的長期效果。鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)應(yīng)堅(jiān)持灌草結(jié)合的原則，合理進(jìn)行物種搭配，邊坡植物中宜包含四季有綠（青）的植物。植物多樣性以物種種類數(shù)量來表示，通過現(xiàn)場觀察統(tǒng)計(jì)確定種類數(shù)量，其評(píng)價(jià)依據(jù)參考文獻(xiàn)［8］，若植物種類中不包含四季有綠（青）的植物，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)扣分。

6）病蟲害狀況是指邊坡植物是否存在病蟲害侵?jǐn)_、枯枝、病枝的情況。《鐵路綠化工程南北方標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)其進(jìn)行了規(guī)定：草本植物不應(yīng)有病蟲害，木本植物生長健壯，無病蟲害，一般草地病蟲侵害應(yīng)小于15%。植物病蟲害情況可通過現(xiàn)場觀察評(píng)定。

7）抗逆性是指植物抵抗如干旱、寒冷、鹽堿等不利環(huán)境的能力。植物抗逆性好，將降低邊坡植物后期養(yǎng)護(hù)成本，提高邊坡生態(tài)防護(hù)質(zhì)量，該指標(biāo)無定量評(píng)價(jià)依據(jù)，通過現(xiàn)場觀測(cè)評(píng)定。

8）限界要求是指植物成年后的高度、冠幅在任何情況下（包括大風(fēng)引起的植物枝干的搖擺）均不能侵入建筑限界。該指標(biāo)通過現(xiàn)場觀察并根據(jù)《鐵路綠化工程南北方標(biāo)準(zhǔn)》中的安全要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。

9）防火要求是指邊坡植物不選擇油脂性植物，冬季邊坡上無大量枯草。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)采用百分制表示，大于80分評(píng)價(jià)為優(yōu)良，60～80 分評(píng)價(jià)為達(dá)標(biāo)，低于60 分評(píng)價(jià)為未達(dá)標(biāo)。鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

1.3 權(quán)重的確定

鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)體系從三個(gè)方面提出了9 個(gè)定量或定性指標(biāo)，可采用層次分析法進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重的確定。權(quán)重確定須建立判斷矩陣，即針對(duì)某一因素的下屬層次因素進(jìn)行兩兩比較，判斷其相對(duì)重要性，從而建立各層次的判斷矩陣。判斷矩陣標(biāo)度及含義見表2。

表2 判斷矩陣標(biāo)度及含義

《鐵路綠化工程南北方標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：植物建植不少于12個(gè)月或一個(gè)生長季，建設(shè)單位應(yīng)對(duì)邊坡生態(tài)防護(hù)工程進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。此外，對(duì)于鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)的后續(xù)養(yǎng)護(hù)管理也應(yīng)制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，保證邊坡生態(tài)防護(hù)養(yǎng)護(hù)管理工作的質(zhì)量。因此鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)上述不同階段確定不同的指標(biāo)權(quán)重。

綠化工程質(zhì)量評(píng)定階段，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注植物成活率、覆蓋率等指標(biāo)，因邊坡植物群落尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)根系發(fā)育、限界等指標(biāo)可不關(guān)注；養(yǎng)護(hù)管理階段，邊坡植物根系發(fā)育成熟，群落基本穩(wěn)定，因此各項(xiàng)指標(biāo)均應(yīng)關(guān)注。

以綠化工程質(zhì)量評(píng)定階段準(zhǔn)則層3項(xiàng)因素權(quán)重計(jì)算為例，介紹基于層次分析法確定權(quán)重的過程。首先建立判斷矩陣，如表3 所示，A為鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果綜合指數(shù)；B1代表護(hù)坡功能；B2代表生態(tài)效益；B3代表安全要求；W為權(quán)重；CI為一致性指標(biāo)；CR為隨機(jī)一致性比率；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。Bi，j指因素Bi對(duì)Bj的重要性程度，根據(jù)表2 中的標(biāo)度進(jìn)行填寫，如表3 中B12= 5，代表護(hù)坡功能比生態(tài)效益明顯重要。然后進(jìn)行權(quán)重的確定，即求判斷矩陣的特征向量和最大特征值。特征向量和最大特征值采用方根法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為

表3 判斷矩陣A-B

式中：λmax為最大特征根；n為判斷矩陣階數(shù)。

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)以保證各元素重要度之間的協(xié)調(diào)性。隨機(jī)一致性指標(biāo)CR越小，判斷矩陣越接近完全一致性。通常認(rèn)為CR＜0.1 時(shí)判斷矩陣具有滿意的一致性［13］。

查同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表（表4）可知RI=0.58，計(jì)算得CR=0.022 ＜0.1，判斷矩陣具有滿意的一致性。因此，B1在準(zhǔn)則層中所占權(quán)重為0.68，B2所占權(quán)重0.12，B3所占權(quán)重0.20。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值

基于以上方法，分別得到綠化工程質(zhì)量評(píng)定階段、養(yǎng)護(hù)管理階段護(hù)坡功能、生態(tài)效益、安全要求三個(gè)準(zhǔn)則的權(quán)重以及各準(zhǔn)則下各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表5、表6。

表5 質(zhì)量評(píng)定階段鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)指標(biāo)權(quán)重

表6 養(yǎng)護(hù)管理階段鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)指標(biāo)權(quán)重

2 評(píng)價(jià)流程

鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)體系建立后應(yīng)制定完整的評(píng)價(jià)流程分述如下。

1）擬評(píng)價(jià)鐵路實(shí)地調(diào)查

搜集擬評(píng)價(jià)鐵路邊坡生態(tài)防護(hù)設(shè)計(jì)圖等基礎(chǔ)資料，對(duì)擬評(píng)價(jià)線路進(jìn)行初步了解；沿?cái)M調(diào)查鐵路起止里程進(jìn)行實(shí)地拍照記錄，回到室內(nèi)進(jìn)行研究分析并制定調(diào)查評(píng)價(jià)表。

2）確定擬評(píng)價(jià)邊坡生態(tài)防護(hù)抽樣標(biāo)準(zhǔn)和方法

①根據(jù)調(diào)查情況與生態(tài)防護(hù)評(píng)價(jià)精度確定擬評(píng)價(jià)鐵路抽取的樣本數(shù)，方便專家或技術(shù)人員進(jìn)行實(shí)地抽樣評(píng)分。

②確定待抽樣鐵路的起始里程和結(jié)束里程，明確鐵路的抽樣范圍。

③組織專家或技術(shù)人員對(duì)抽樣鐵路范圍內(nèi)綠化狀況進(jìn)行實(shí)地評(píng)分。專家或技術(shù)人員應(yīng)首先熟悉鐵路綠化評(píng)價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)分表等，然后進(jìn)行實(shí)地調(diào)查打分，評(píng)出各個(gè)樣本指標(biāo)的分值。

3）鐵路邊坡生態(tài)防護(hù)評(píng)價(jià)

根據(jù)專家對(duì)所抽樣本的現(xiàn)場評(píng)分，結(jié)合評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算得到系統(tǒng)目標(biāo)層鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果綜合指數(shù)，以此進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。生態(tài)防護(hù)效果綜合指數(shù)仍然采用百分制表示，采用優(yōu)良（大于80 分）、達(dá)標(biāo)（60～80 分）、未達(dá)標(biāo)（小于60 分）三個(gè)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果為“優(yōu)良”的邊坡，說明該邊坡的生態(tài)防護(hù)設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)管理等工作是值得借鑒參考的。評(píng)價(jià)結(jié)果為“達(dá)標(biāo)”的邊坡須改善不足，進(jìn)一步提高邊坡生態(tài)防護(hù)質(zhì)量；評(píng)價(jià)結(jié)果為“未達(dá)標(biāo)”的邊坡要及時(shí)分析總結(jié)原因，找到解決辦法，采取補(bǔ)救措施使其邊坡生態(tài)防護(hù)效果達(dá)到達(dá)標(biāo)要求。

3 應(yīng)用案例

為驗(yàn)證鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)體系的可行性，對(duì)京雄城際鐵路固安東站邊坡生態(tài)防護(hù)工程進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。

京雄城際鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)工程位于廊坊市固安縣，總長225.1 m，土質(zhì)邊坡坡率1∶1.5，最大坡高約5.0 m，生態(tài)防護(hù)面積約1 500 m2?，F(xiàn)場采用纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡［9］，植物配置采用灌草花結(jié)合的方式，植物配置見表7。其中高羊茅、苜蓿、紫穗槐等植物是北方地區(qū)常見的護(hù)坡植物。

表7 植物類型及特點(diǎn)

根據(jù)工程所處階段，采用質(zhì)量評(píng)定階段的生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，現(xiàn)場對(duì)覆蓋率、成活率等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，并通過測(cè)定植物生長高度結(jié)合現(xiàn)場觀察反映其抗逆性、抗病蟲害指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表8。

表8 鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算該邊坡生態(tài)防護(hù)效果綜合指數(shù)為86.92分，大于80分，因此其防護(hù)效果為優(yōu)良水平。

4 結(jié)論

1）建立了鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)方法，確定了邊坡生態(tài)防護(hù)工程質(zhì)量評(píng)定、養(yǎng)護(hù)管理不同階段相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果的全面評(píng)價(jià)。

2）邊坡植物覆蓋率、成活率及根系發(fā)育情況對(duì)路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果影響較大，其中根系發(fā)育情況指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法可在后續(xù)工程實(shí)踐中逐步完善。

3）鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于京雄城際鐵路固安東站路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)，證明了該方法的可行性，可供鐵路工程路基邊坡生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)參考。