基于AHP的塔里木河邊坡生態(tài)修復(fù)決策分析

梁 軍

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

由于極端氣候的出現(xiàn)，滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降和地裂縫、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害頻繁出現(xiàn)[1-2]。地質(zhì)災(zāi)害會(huì)造成環(huán)境污染、植被破壞和生態(tài)退化，項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)和人類生存環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。生態(tài)恢復(fù)是預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要措施，其主要形式是簡(jiǎn)單的種植植被，現(xiàn)在它發(fā)展為種植措施和工程措施的結(jié)合。不同的生態(tài)修復(fù)技術(shù)在成本和生態(tài)效果上差異很大，如何根據(jù)氣候、地質(zhì)、地形等因素選擇合適的生態(tài)修復(fù)技術(shù)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本文以塔里木河上游河岸邊坡為例，采用AHP對(duì)邊坡生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行決策分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河地處新疆，河流自西向東繞塔克拉瑪干大沙漠貫穿塔里木盆地，最終流入臺(tái)特馬湖，它是中國(guó)第一大內(nèi)流河，全長(zhǎng)2137 km，總面積43.55×104km2。和田河、葉爾羌河、阿克蘇河和開都河-孔雀河等四條源流匯聚進(jìn)入塔里木河干流，共同組成了塔里木河流域。因地理位置處于亞洲大陸中部，四面環(huán)山，造成塔里木河流域成為一個(gè)封閉的內(nèi)陸水循環(huán)區(qū)域。塔里木河干流上段從阿拉爾到曲毛格金河段屬游蕩型河道，河勢(shì)的變化非常頻繁，岸邊泥沙屬沙壤土，易發(fā)生河岸崩退現(xiàn)象，使得河道的走勢(shì)不斷變化，從平面上看在河道彎曲面凹岸在不斷崩退而凸岸則有泥沙淤積的現(xiàn)象。

1.2 邊坡修復(fù)技術(shù)

1.2.1 現(xiàn)澆網(wǎng)格生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

現(xiàn)澆格柵是一種新型的邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù),它通過(guò)一個(gè)特殊的模具在斜坡表面澆鑄鱗片狀網(wǎng)格,鋼筋按比例設(shè)置，如圖1所示。在邊坡內(nèi)部建造錨固件，錨固件與鱗片狀網(wǎng)格牢固結(jié)合，形成三維結(jié)構(gòu)。在鱗狀網(wǎng)格內(nèi)種植植被和鋪設(shè)基質(zhì)是提高穩(wěn)定性和促進(jìn)植被恢復(fù)的有效措施。

圖1 現(xiàn)澆網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

1.2.2 土壤外噴播種技術(shù)

外部土壤噴霧播種技術(shù)來(lái)自日本，20世紀(jì)90年代引入中國(guó)。基本方法是通過(guò)專用噴播機(jī)械將一定比例的基材混合物噴在網(wǎng)覆蓋的坡面上，形成外部土壤，然后在基材上噴灑植被種子。它在斜坡內(nèi)建造不同長(zhǎng)度的錨，并可在其上懸掛鋼網(wǎng)或土工網(wǎng)。錨和鋼網(wǎng)或土工網(wǎng)構(gòu)成承重框架。該技術(shù)的基材主要是由有機(jī)材料、肥料、木纖維、碎料劑、PH緩釋劑、黏合劑和保水劑組成的泥炭土或腐殖質(zhì)。因此，它可以形成一個(gè)植物生長(zhǎng)良好的環(huán)境。

1.2.3 植物袋技術(shù)

植物袋技術(shù)來(lái)自國(guó)外。近年來(lái)，它在我國(guó)公路邊坡生態(tài)修復(fù)中得到了應(yīng)用和推廣。該技術(shù)是將裝滿種植基料和種子的植被袋沿邊坡整齊堆放。袋子可以通過(guò)錨和鋼絲網(wǎng)有效固定。植物袋中的種子通過(guò)吸收基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)而生根發(fā)芽。植被袋為景觀綠化專用袋，包括植物種子和種植基材。袋子分為五層,內(nèi)層和最外層是尼龍纖維網(wǎng),第二層內(nèi)層是厚的無(wú)紡布,中間層為種植基質(zhì)和種子。種植基質(zhì)主要由種植土、有機(jī)物、河沙、肥料、保水劑、酸度調(diào)節(jié)劑、消毒劑等組成。通過(guò)固定在斜坡上的錨，在植物袋的外表面鋪設(shè)鋼網(wǎng)。

1.3 參數(shù)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試了四類參數(shù)，包括成本節(jié)約、生態(tài)效應(yīng)、穩(wěn)定性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。種植后計(jì)算直接成本節(jié)約和環(huán)境成本節(jié)約，兩年后計(jì)算維護(hù)成本節(jié)約。種植后應(yīng)每月調(diào)查植物成活率和覆蓋率。利用錨桿拉拔儀測(cè)試錨桿強(qiáng)度，計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)，并測(cè)量降雨引起的土壤侵蝕量。對(duì)這三項(xiàng)技術(shù)的專利數(shù)量進(jìn)行了調(diào)查，以獲得技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 基于AHP的模型分析

2.1 模型構(gòu)建

(1)問(wèn)題的定義和要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)——有必要確定分析的關(guān)鍵目標(biāo)，在這種情況下是環(huán)境脆弱性的定義。

(2)在決策者的幫助下構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)——在本研究中，這些標(biāo)準(zhǔn)是地形坡度、土壤類別、降雨量、地質(zhì)和排水層次結(jié)構(gòu)。

(3)根據(jù)式(1)構(gòu)建成對(duì)比較矩陣。

(4)使用與研究相關(guān)的分析師矩陣，將權(quán)重歸因于每項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以獲得具有特殊重要性的等級(jí)。

(1)

式中：i，j=1，2，…，n；i=j時(shí)，aij=1；i≠j時(shí)，aij=1/aji。

AHP需要三個(gè)假設(shè)：互易性(如果aij=x，則aji=1/x，且1/9≤x≤9)、同質(zhì)性(如果元素i和j被認(rèn)為同等重要，則aij=aji=1、一致性(一致性指標(biāo)和比率應(yīng)≤0.10)。

AHP方法允許我們分析、確定和決定影響決策的各種標(biāo)準(zhǔn)，從而生成信息，幫助決策者根據(jù)所分析的標(biāo)準(zhǔn)選擇最佳方案[3-5]。對(duì)于成對(duì)分析的數(shù)值分配，我們?cè)谒膫€(gè)子階段執(zhí)行矩陣的數(shù)學(xué)運(yùn)算：

(1)計(jì)算特征向量w和主特征向量λmax。將成對(duì)比較矩陣A=[aij]轉(zhuǎn)換為歸一化矩陣B=[bij]。bij按式(2)計(jì)算;w=[wi]為權(quán)重的特征向量按式(3) 計(jì)算，主特征向量λmax按式(4)計(jì)算。

(2)

(3)

(4)

式中：(Aw)i為由矩陣A與權(quán)重向量w的乘積產(chǎn)生的向量。

(2)一致性指標(biāo)(CI)的計(jì)算。利用式(5)計(jì)算一致性指標(biāo)：

(5)

式中：CI為一致性指標(biāo)；n為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量；λmax為特征值的主向量。

(3)程度或一致性比率(CR)的計(jì)算。CR表示決策數(shù)據(jù)的一致性，根據(jù)樣本的大小n而變化。如果比率<0.1或10%，則矩陣將保持一致，如式(6)：

(6)

式中：RI為一個(gè)常數(shù)值，取決于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量見表1。

表1 不同大小矩陣的RI值

(4)數(shù)據(jù)分析。當(dāng)CR值小于0.1時(shí)，一致性程度令人滿意。當(dāng)CR值高于0.1時(shí)，建議重新評(píng)估從專家處收集的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證在調(diào)查過(guò)程中沒(méi)有誤解或錯(cuò)誤。

綜合考慮現(xiàn)澆網(wǎng)技術(shù)、外部土壤噴播技術(shù)和植被袋技術(shù)，可根據(jù)成本節(jié)約、生態(tài)效應(yīng)、穩(wěn)定性、技術(shù)進(jìn)步等因素確定最佳生態(tài)修復(fù)方案。根據(jù)生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)，建立了基于AHP的分析模型，如圖2所示。

圖2 生態(tài)修復(fù)模型

2.2 參數(shù)計(jì)算

通過(guò)所有因素的相互比較，采用9種量表方法構(gòu)建判斷矩陣如下，各層的相對(duì)權(quán)重系數(shù)(W)、判斷矩陣的最大特征值(λmax)和一致性比(CR)如表2。

表2 各級(jí)參數(shù)計(jì)算

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)，得出了三種工藝的參數(shù)值。表3列出了與現(xiàn)澆格柵技術(shù)相比外部土壤噴播技術(shù)和植被袋技術(shù)的增值。

表3 與現(xiàn)澆網(wǎng)格生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相比參數(shù)值變化 %

3.2 權(quán)重分析

B級(jí)的權(quán)重順序?yàn)閃B2=WB3>WB1>WB4，如圖4(a)所示。生態(tài)效應(yīng)和穩(wěn)定性是影響邊坡生態(tài)修復(fù)方案選擇的最重要因素，權(quán)重之和高達(dá)78%。第二個(gè)因素是成本節(jié)約，最后一個(gè)因素是技術(shù)進(jìn)步，權(quán)重僅為8%。這表明生態(tài)效應(yīng)和穩(wěn)定性是衡量生態(tài)恢復(fù)方案的最重要因素。

C級(jí)的權(quán)重順序?yàn)閃C31>WC21>WC22>WC11=WC13>WC41>WC32>WC23>WC12>WC24，如圖4(b)所示。植被的整體穩(wěn)定性和成活率是影響邊坡生態(tài)修復(fù)方案選擇的重要因素。他們的權(quán)重之和高達(dá)50%，其次是景觀功效、直接成本節(jié)約、專利、水土保持能力以及覆蓋率。最后是節(jié)省成本的維護(hù)，生物社區(qū)的建設(shè)和環(huán)境成本的節(jié)約，它們的權(quán)重之和只有7%。這表明在衡量邊坡生態(tài)修復(fù)方案時(shí)，應(yīng)注意邊坡整體穩(wěn)定性和植被存活率。相反，節(jié)約成本的維護(hù)、生物社區(qū)的建設(shè)和環(huán)境成本非主要考慮因素。

D級(jí)的權(quán)重順序?yàn)閃D2> WD3> WD1，如圖4(c)所示。結(jié)果表明，干旱地區(qū)公路三種邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用順序?yàn)椋含F(xiàn)澆格柵技術(shù)、植被袋技術(shù)、外部土壤噴播技術(shù)。

圖4 權(quán)重分布

4 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)澆網(wǎng)格技術(shù)、外置噴播技術(shù)和植被袋技術(shù)在成本、生態(tài)效應(yīng)、邊坡穩(wěn)定性和技術(shù)進(jìn)步等方面具有不同的特點(diǎn)。在干旱地區(qū)，邊坡生態(tài)修復(fù)方案的選擇主要需要考慮生態(tài)效應(yīng)和穩(wěn)定性。生態(tài)效應(yīng)的主要因素是植被的成活率和整體的穩(wěn)定性?，F(xiàn)澆網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)為干旱地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的首選技術(shù)。