河道生態(tài)護坡工程的綜合評價模型構建與應用研究

鄧 龍

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展,我國河流治理工程的建設不斷加快,但同時也帶來了河流環(huán)境污染、水體質量下降、河道淤積、洪水沖刷、生態(tài)破壞等一系列問題［1］。為了解決上述問題,保護河道生態(tài)環(huán)境,必須采取有效措施,如河道整治中的生態(tài)護坡技術。

為此,許多學者針對生態(tài)護坡技術展開了相關研究。秦蕾［2］針對河道整治,運用生態(tài)水利工程技術,研究了河道整治的可行性和可持續(xù)性,結果表明生態(tài)水利工程在河道整治中能夠有效恢復河道的自然環(huán)境,改善河道環(huán)境,從而達到河道整治的目的。任金龍等［3］針對河道整治工程施工管理的問題及對策,對河道整治工程施工管理的現(xiàn)狀進行了分析,結果表明:①通過比較和研究發(fā)現(xiàn),河道整治工程施工管理存在許多不足;②根據(jù)實際情況,分析河道整治工程施工管理的問題及對策,從技術、管理、質量等方面提出了若干有效對策。

因此,本文運用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、粗糙集理論(Rough set theory,RST)和模糊綜合評價法(Evaluation method of fuzzy mathematics,EMFM),對河道整治中生態(tài)護坡技術及應用進行了研究。并以賈河治理工程為例,通過賈河治理工程實施過程中生態(tài)護坡技術的應用,對水利水電項目的影響進行模糊綜合評判,保護河道生態(tài)環(huán)境。

1 基于層次分析法和粗糙集理論的河道生態(tài)護坡工程評價

1.1 評價指標體系的確立

河道生態(tài)護坡綜合評價指標體系屬于一個多層次、多準則、多指標的復雜、巨大的系統(tǒng),其組成指標較多,且受到的影響也較多,各指標之間的層次結構比較顯著。因此,以護坡的特征和其結構特征為基礎,選取科學合理、具有代表性的評價指標,構建一個具有代表性的綜合評價指標［4-5］。

根據(jù)賈河綜合生態(tài)治理工程的具體條件,對該項目的生態(tài)護坡形式及工程質量的影響進行分析,將其劃分為結構形式(A)、經(jīng)濟特征(B)、施工特征(C)及生態(tài)效應(D),構建包括4個評價準則、19個評價指標的河道生態(tài)護坡系統(tǒng)綜合評價指標體系模型。

結構形式(A)劃分為4項指標,即防洪能力A1、排水能力A2、穩(wěn)定能力A3、抗沖刷能力A4;經(jīng)濟特性(B)劃分為兩個指標,即建造及后期維修成本B1、運行時間B2;施工特性(C)分解為施工及維修的難易程度C1、施工進度的快慢C2、材料獲取難度C3以及施工對環(huán)境的影響C4共4個指標;生態(tài)影響(D)分解為9個指標,分別是透水性和涵水性D1、水文調蓄功能D2、水土保持效益D3、水質凈化性D4、生物多樣性D5、可持續(xù)性D6、親水性D7、蓋度D8以及綠期D9［6］。

其中,量化的評估指數(shù)有穩(wěn)定性、抗沖刷性、建設及后期維護費用、滲透和涵養(yǎng)能力、水質凈化性、覆蓋度、綠化年限。定性的評估指標有防洪、排澇、運行期限、施工進度快慢、施工對環(huán)境的影響、施工及維護難易程度、材料獲取難度、水文調蓄功能、水土保持效益、生物多樣性、可持續(xù)性和親水性。見表1。

表1 河道生態(tài)護坡系統(tǒng)綜合評價體系架構

在確定完特定標準之后,收集、整理、分析所在地區(qū)各評價指數(shù)的績效(即目前的價值),根據(jù)已制定的相關準則進行評估,將其評定為10個等級,即-5～+5。結合其他相關評估工作所采用的分類方法,綜合分析生態(tài)影響的正負兩種類型特征,提出了采用分級體系和指標體系進行評估的方法［7-8］。因此,對河道生態(tài)護坡工程的工程治理效果進行綜合評估,將其分為5個層次,見表2。

表2 河道生態(tài)護坡綜合評價指數(shù)

1.2 基于層次分析法和粗糙集理論的綜合評價模型構建

基于AHP-RST-EMFM綜合評判方法,建立一個適用于河道整治中生態(tài)護坡技術的評價體系,將層次分析法(AHP)、粗糙集理論(RST)和模糊綜合評價法(EMFM)相結合,對生態(tài)護坡技術進行進一步研究。其技術路線圖見圖1。

圖1 AHP-RST-EMFM河道生態(tài)護坡工程評價模型

河道生態(tài)護坡效果評價的影響因子很多,各因子之間邏輯關系復雜,但往往是一個層級結構;各要素對綜合效益的貢獻都由其本身的特性所決定,在實際測量中則呈現(xiàn)出模糊的特點［9-10］。因此,運用AHP與RST判斷的基本原則相結合,建立一套生態(tài)影響評估的方法。

AHP是將問題分成不同的影響因子,并按一定的邏輯性進行分類,構成一個分層的層級［11］。根據(jù)各因子之間的相關關系,來決定各決策的優(yōu)先次序。AHP是將定性和量化相結合的一種手段,將分析者和決策人的主觀評價以量化的方式表現(xiàn)出來并進行加工。其內容包括構建層次結構、構造判別矩陣、層次單排順序、層級總體順序等內容。其中,構建層次結構是指對問題的影響因素進行分類,一般分為最高層、中間層和最低層。上層代表目標確定,中層代表行動,底層代表問題解決。即最高層是目標層,僅包含一個單元,代表預先確定的目標或者期望的結果;中間層是標準層,可以分為幾個子層面,包含為達到目的而需要的中介環(huán)節(jié),如評估準則、子準則;最底層是一個方案層次,代表不同的可供實現(xiàn)目標的備選方案。構造判別矩陣是指構建AHP的體系結構,在此基礎上,通過定義各層級的從屬關系,并對其進行分類運算。對于最大次因子,按每一層單元間的相關關系進行二次分析。層次單排序是指在同一層級上某個要素的相對重要程度,包括兩個方面,即權重的確定和判定矩陣的一致性［12-13］。加權方法包括有根方法和特征根方法。有根方法是先將判斷矩陣(A)的列矢量進行幾何平均,再進行歸一化處理,所得的列矢量就是加權矢量。

Ri=(rij)ni×m

(1)

(2)

利用模糊矩陣操作,得出一個綜合的模糊評價模型,公式如下:

(3)

最后,按照最大隸屬原則,將AHP與分級(如二級)的模糊評判相結合,建立一個河道生態(tài)護坡的生態(tài)影響評估模型。采用AHP方法,得到準則層與目標層、指標層和規(guī)范層之間的評價結果(即判定矩陣);然后,利用第二層次的評價模型進行決策。在模糊判別中,一級因子集中采用基準層次和目標層次判定矩陣的權重矢量,二級要素集中采用指數(shù)級和基準級別的判定矩陣權重向量。通過這種方法,將層次分析和模糊判別相結合,從而建立一個綜合河道生態(tài)護坡影響評估模型［15］。

2 基于層次分析法和粗糙集理論的應用效果分析

賈河河段治理工作的主要內容是:改善該河段的防洪排洪性能,改善河岸坡體的結構性穩(wěn)定及抗沖刷性能;對河岸進行生態(tài)修復,確保河岸周圍的環(huán)境衛(wèi)生;改善水質,增加水的潔凈度。

為此,在分析河流地質條件、河流實際狀況的基礎上,按照有關設計原理,提出漿砌石護坡、生態(tài)混凝土護坡、格賓石籠網(wǎng)墊護坡、預制混凝土鏈塊護坡4種護坡的設計方案。4種護坡方式的設計斜率都是1∶2.5,斜坡頂部距河床底部的高差為3.6m左右,水位距河床底部的低差為2.4m左右。利用MATLAB,分別建立不同類型的評估模型,并由10名專家對不同級別的評估因子進行對比,得出不同級別的評估結果,計算出不同級別判定矩陣的最大特征值與最大特征根之間的正規(guī)化矢量,驗證判定矩陣的相容性。見表3。

以標準層次為基礎,求出最優(yōu)化的綜合權值。在構建粗糙集的評估模式時,必須先對其進行評估。將賈河河段分為5個部分,見表4。

表3 指標層權重結構表

表4 生態(tài)系統(tǒng)評價決策表

表4中,a、b、c、d、e分別為標準層面的5項指數(shù),表4所列數(shù)據(jù)均來自本地區(qū)的歷史資料及評分表,以1至5的數(shù)值代表(很好、較好、一般、較差、很差);D為決定因素,其中1表示對本地區(qū)水利建設的正面影響,2表示對水利工程在該區(qū)域的負面影響。

采用AHP分析法與粗糙集法求出一級指數(shù)權重,即為μ=0.383,并依據(jù)理論,將主客觀權重系數(shù)的比率設為“黃金分割”。賈河河段的生態(tài)影響評價結果為:整體上呈現(xiàn)出積極的生態(tài)效果,但其積極作用則比較平庸;盡管該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境沒有任何負面影響,但仍處在由弱向強的過渡期。由于氣候變化和人為因素的作用越來越大,若工程管理不合理或運營措施不當,將會產(chǎn)生負面影響。

引入模型系統(tǒng)連續(xù)引水l、2、3h之后,通過對河流進行分析,得出河流斷面濃度過程曲線。具體見圖2、圖3。

圖2 河道斷面20-26的COD及TP濃度沿河長的分布

從圖2(a)可以看到,河段閘門在1～3h內相繼開啟,導流能力15m3/s,各段的水體質量得到顯著改善。因此,可依據(jù)不同的水質指標需求,結合河閘調水規(guī)劃,利用水量水質模型及優(yōu)化調度評價模型來決定合適的調水流量。同時,對城市河道的水質演變進行預報,以達到對城市水系水環(huán)境進行科學的治理。由圖2(a)還可看出,在經(jīng)過3h的點閘門放水后,其COD濃度整體趨于4mg/L的水平,而經(jīng)過1或2h點閘門放水的河流COD濃度明顯高于經(jīng)歷3h的情況。同理,由圖2(b)可以看出,在經(jīng)過3h的點閘門放水后,其TP濃度整體趨于0.3mg/L的水平,而經(jīng)過1或2h點閘門放水的河流TP濃度明顯高于經(jīng)歷3h的情況。

圖3 河道斷面20-26的及TN濃度沿河長的分布

由以上分析可以看出,本研究所提出的生態(tài)決策模型應用性能相對較為良好。

3 結 語

本文對水利工程生態(tài)影響評估的內容進行了分析,并構建了相應的評價指標。將層次分析法、粗糙集理論與模糊綜合評判相結合,建立了生態(tài)影響評估模型。采用層次分析法和粗糙集理論相結合的方法進行評估。以飛來峽水電站為例,對其實際應用進行了分析。結果表明,賈河河段的區(qū)域生態(tài)影響綜合價值指數(shù)為三級,整體上呈現(xiàn)出積極的生態(tài)效果。盡管該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境沒有任何負面影響,但仍處在由弱向強的過渡期。由于氣候變化和人為因素的作用越來越大,若工程管理不合理或運營措施不當,將會產(chǎn)生負面影響。