水利水電工程中生態(tài)護(hù)坡比選方法研究

摘 要：本文針對(duì)水利水電工程建設(shè)過程中生態(tài)護(hù)坡方式的選擇問題，結(jié)合層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法，提出了一種考慮生態(tài)護(hù)坡穩(wěn)定性、造價(jià)、施工以及生態(tài)效益等多方面因素的生態(tài)護(hù)坡比選方法，并對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行分析。研究表明建立的生態(tài)護(hù)坡評(píng)價(jià)方法在實(shí)際工程中能對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化分析，具有很好的適用性；同時(shí)案例分析結(jié)果表明在此工程護(hù)坡方案中，生態(tài)混凝土護(hù)坡計(jì)算所得關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.612，遠(yuǎn)高于另外2種方式，即采用生態(tài)混凝土護(hù)坡時(shí)的效益最佳。本文研究結(jié)果對(duì)相關(guān)工作具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：水利工程；生態(tài)護(hù)坡；比選方法；灰色關(guān)聯(lián)度法

中圖分類號(hào)：TV 861 " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)的目的不再只是滿足自身需求，而是要考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)間的密切聯(lián)系。在水利水電工程中，使用生態(tài)護(hù)坡能在滿足邊坡自身穩(wěn)定性和防洪需求的同時(shí)兼具生態(tài)效益，并與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展。眾多專家學(xué)者對(duì)生態(tài)護(hù)坡進(jìn)行了豐富的研究，劉俊熠[1]對(duì)水利工程河道生態(tài)護(hù)坡施工要點(diǎn)進(jìn)行了深入研究；張麗娟[2]對(duì)水利水電工程中生態(tài)護(hù)坡的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究；姚璐等[3]對(duì)3種生態(tài)護(hù)坡新技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并對(duì)其未來的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。歐徽彬[4]對(duì)生態(tài)堤防設(shè)計(jì)在水利工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，闡述了生態(tài)護(hù)坡的功能，并對(duì)現(xiàn)階段常用護(hù)坡形式進(jìn)行分析，對(duì)水利水電工程建設(shè)中生態(tài)護(hù)坡比選方法進(jìn)行了深入研究，最后提出綜合各因素的生態(tài)護(hù)坡比選方法，研究結(jié)果可給后續(xù)大型工程生態(tài)護(hù)坡比選工作提供一定參考。

1 生態(tài)護(hù)坡形式比選方法

1.1 灰色關(guān)聯(lián)度法

灰色關(guān)聯(lián)度法能對(duì)前期規(guī)劃和假設(shè)的對(duì)象與實(shí)際對(duì)象間的契合度進(jìn)行表述，其主要特點(diǎn)是通過規(guī)劃與實(shí)際對(duì)象間的接近程度并進(jìn)行排列，具有計(jì)算方法簡(jiǎn)單、對(duì)信息要求不高、受主觀因素影響較小和準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)[5]。而水利水電工程生態(tài)護(hù)坡方式比選過程是對(duì)眾多不確定性因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此灰色關(guān)聯(lián)度法能很好地適用于這個(gè)過程?；疑P(guān)聯(lián)度法的計(jì)算步驟如下。構(gòu)建“參考序列”：假設(shè)分析對(duì)象中第i個(gè)單位的所有指標(biāo)（共m項(xiàng)）的實(shí)際序列如公式（1）所示。

xi=（xi1，xi2，...xim），（i=1，2，...，n） （1）

式中；xim為第i個(gè)單位的第m項(xiàng)指標(biāo)；xi為第i各單位的所有指標(biāo)的實(shí)際序列。

公式（1）對(duì)應(yīng)的參考序列如公式（2）～公式（4）所示。

x0=（x01，x02，...，x0m） " " " （2）

正向指標(biāo)：x0j=max（xij/i=1，2，...n） " " （3）

逆向指標(biāo)：x0j=min（xij/i=1，2，...n） " " "（4）

式中：x0為參考序列（同是繼續(xù)序列一致，共m項(xiàng)）；x0j為均質(zhì)化處理，第i個(gè)單位的指標(biāo)均值，正向指標(biāo)取最大值，逆向指標(biāo)取最小值。

指標(biāo)無量綱化處理。計(jì)算第i個(gè)單位中第y項(xiàng)指標(biāo)與參考序列相比的關(guān)聯(lián)系數(shù)如公式（5）所示。

（5）

式中：ξi（y）為關(guān)聯(lián)系數(shù)；Δmin、Δmax分別為最大值與最小值；Δiy為絕對(duì)誤差；ρ通常取0.5。

計(jì)算關(guān)聯(lián)度γi如公式（6）所示。并綜合計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)排序。

（6）

式中：γi為關(guān)聯(lián)度；Wy為權(quán)重。

經(jīng)計(jì)算得出，若γi越大，則表示與最佳目標(biāo)值越接近。

1.2 指標(biāo)權(quán)重賦值方法

在運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)生態(tài)護(hù)坡方案進(jìn)行比選的過程中，需要采用層析分析法構(gòu)建層析判斷矩陣對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值，具體賦值方法如下[6]。

層析分析法層析結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，根據(jù)圖1，層析結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較矩陣，可根據(jù)標(biāo)度要求采用九分位數(shù)值標(biāo)度值明確指標(biāo)的重要程度，建立判斷矩陣如公式（7）所示。

A={aij} " " " （7）

式中：A為判斷矩陣；aij為第i項(xiàng)準(zhǔn)則中第j項(xiàng)子準(zhǔn)則的九分位數(shù)值標(biāo)度值。

將所建立的權(quán)重矩陣元素相乘，得出公式（8）。

Mi=∏bij，i=1，2，...，n " " " " （8）

式中：Mi為權(quán)重矩陣乘積；bij為權(quán)重矩陣值。

計(jì)算Mi的n次方根，如公式（9）所示。

（9）

對(duì)矩陣W=[w1，w2….，wn]T進(jìn)行歸一計(jì)算，如公式（10）所示。

（10）

式中：為歸一化計(jì)算后的W=[w1，w2….，wn]T。

對(duì)上式求取最大特征根，如公式（11）所示。

（11）

式中：λmax為矩陣的最大特征根。

由于層析分析法在對(duì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值的過程中可能存在不合理現(xiàn)象，因此采用層析分析法需要對(duì)所建立的判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)一致性檢驗(yàn)滿足需求時(shí)說明建立的判斷矩陣具有實(shí)際意義，若不通過一致性檢驗(yàn)則說明建立判斷矩陣不合理，不滿足一致性要求，需要重新建立權(quán)重矩陣[7]。一致性檢驗(yàn)公式如公式（12）所示。

（12）

式中：CR為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)值；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值見表1；n為判斷矩陣階數(shù)。

計(jì)算所得CR=0認(rèn)為一致，當(dāng)CRlt;0.1時(shí)認(rèn)為滿足一致性要求。

2 生態(tài)護(hù)坡比選評(píng)價(jià)流程

2.1 生態(tài)護(hù)坡比選評(píng)價(jià)流程

當(dāng)對(duì)生態(tài)護(hù)坡方式進(jìn)行比選時(shí)，首先，需要針對(duì)實(shí)際情況建立比選指標(biāo)體系模型，并計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。其次，利用灰色關(guān)聯(lián)度法計(jì)算指標(biāo)值的關(guān)聯(lián)度，最后，根據(jù)指標(biāo)值關(guān)聯(lián)度對(duì)生態(tài)護(hù)坡方式進(jìn)行比選。具體比選流程如圖2所示[8]。

2.2 生態(tài)護(hù)坡比選內(nèi)容

2.2.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

生態(tài)護(hù)坡作為一種邊坡形式，要滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，邊坡穩(wěn)定性主要包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗沖刷性和防洪排澇等方面要求，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗沖刷性和防洪排澇是邊坡穩(wěn)定性比選指標(biāo)中的重要組成部分。邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)是生態(tài)護(hù)坡比選中十分重要的指標(biāo)，在生態(tài)護(hù)坡邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的過程中，不同類型的生態(tài)護(hù)坡采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不相同，但均須滿足相關(guān)規(guī)范要求。在生態(tài)護(hù)坡比選的過程中，由于結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)不同，針對(duì)同一建設(shè)位置，不同形式護(hù)坡在穩(wěn)定性的各方面有一定差異。因此在比選過程中要仔細(xì)把握穩(wěn)定性分析中的要點(diǎn)，對(duì)穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行全面考慮。

2.2.2 造價(jià)

生態(tài)護(hù)坡的造價(jià)問題主要分為3個(gè)部分：建設(shè)造價(jià)、維護(hù)造價(jià)和運(yùn)行年限。其中建設(shè)造價(jià)主要包括人工費(fèi)用、機(jī)械使用費(fèi)用和料費(fèi)等部分，可通過查詢相關(guān)定額得出這部分費(fèi)用，不同形式生態(tài)護(hù)坡在建設(shè)和維護(hù)的過程中采用的人、財(cái)和機(jī)使用數(shù)量和時(shí)間不同，因此有一定的差異。維護(hù)造價(jià)部分產(chǎn)生的費(fèi)用除去維護(hù)過程中產(chǎn)生的人、財(cái)和機(jī)使用費(fèi)用外，不同形式生態(tài)護(hù)坡維護(hù)頻率不同產(chǎn)生的費(fèi)用也有一定差異，同樣是比選過程中造價(jià)部分需要考慮的重要因素之一。使用年限問題也是決定生態(tài)護(hù)坡造價(jià)的一個(gè)重要因素，而使用年限主要取決于護(hù)坡原材料材質(zhì)好壞、尺寸大小、材料準(zhǔn)備以及護(hù)坡所在河道的地質(zhì)條件等因素。有關(guān)造價(jià)部分指標(biāo)評(píng)價(jià)主要取決于各形式護(hù)坡造價(jià)的高低。

2.2.3 施工

施工過程中的主要指標(biāo)包括施工和維護(hù)難度、施工過程對(duì)環(huán)境的影響、進(jìn)度以及原材料等部分。其中，施工及維護(hù)難度主要取決于施工過程采用的工法、施工環(huán)境以及外部因素等，維護(hù)難度主要取決于原材料的性質(zhì)、維護(hù)難度以及維修成本。施工過程對(duì)環(huán)境的影響主要包括施工過程中采用的工法對(duì)環(huán)境的影響程度和施工完成后對(duì)環(huán)境的恢復(fù)速度和恢復(fù)程度等方面。施工進(jìn)度的不同主要取決于護(hù)坡形式的不同，相同條件下工期最短的為純植被型護(hù)坡，工期最長(zhǎng)的為工程生態(tài)綜合性護(hù)坡。原材料主要取決于原材料獲取的難易程度，例如原材運(yùn)距和價(jià)格等。

2.2.4 生態(tài)效果

生態(tài)效果是生態(tài)護(hù)坡最顯著的特點(diǎn)，其包括的指標(biāo)較多，主要有透水性、涵水性、水土保持效果、生物多樣性、可持續(xù)性、親水性以及蓋度等指標(biāo)。其中，主要用結(jié)構(gòu)體滲透系數(shù)表征透水性和涵水性，由水土流失量判定水土保持效果，蓋度為植物覆蓋坡面的比例，其中＜55%為蓋度差；55%～65%為較差，65%～75%為中等；75%～85%為較好；85%～100%為蓋度好。

3 案例分析

3.1 工程簡(jiǎn)介

某河道治理工程全程為56.14km，河道沿線地勢(shì)起伏較小，河道沿線溝渠縱橫，存在較多農(nóng)田和村莊。工程建設(shè)區(qū)域第四系發(fā)育較為齊全，以河湖沉積相為主，并有一定的海陸過度沉積相，建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)不存在斷裂構(gòu)造。在此工程河道治理的過程中存在一高坎岸坡，岸坡高度為7.5m，岸度比為1∶0.15，岸坡為均值土坡，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表2。

在確定坡面生態(tài)護(hù)坡選擇方式的過程中，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求和工程地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境建設(shè)需求等方面選擇生態(tài)植被護(hù)坡、生態(tài)混凝土護(hù)坡以及土工格柵固土種植基護(hù)坡3種生態(tài)護(hù)坡方式參與比選。

3.2 確定指標(biāo)權(quán)重

在工程中，根據(jù)上文所述生態(tài)護(hù)坡比選內(nèi)容，選擇結(jié)構(gòu)特性、工程經(jīng)濟(jì)、施工難度以及生態(tài)效益4個(gè)方面作為權(quán)重分布方案的主要指標(biāo)層，并根據(jù)各類中的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化，得到12項(xiàng)準(zhǔn)則層指標(biāo)，指標(biāo)分類方法見表3。

表3中權(quán)重列為準(zhǔn)則層在指標(biāo)層中的權(quán)重分配，權(quán)重列復(fù)制方案為定量指標(biāo)，例如穩(wěn)定性系數(shù)、施工投入和運(yùn)維成本等根據(jù)工程實(shí)際計(jì)算值進(jìn)行權(quán)重賦值；定性指標(biāo)，例如生物多樣性和建筑材料獲取難度等，通過咨詢相關(guān)專家和工程參與人員進(jìn)行權(quán)重賦值。表3中總權(quán)重排序列首先是根據(jù)指標(biāo)層對(duì)工程建設(shè)的重要性對(duì)其進(jìn)行權(quán)重賦值，其次結(jié)合各指標(biāo)層內(nèi)部準(zhǔn)則層的具體權(quán)重值，計(jì)算準(zhǔn)則層相對(duì)整體而言的權(quán)重賦值。建立層次總排序后，按照上述內(nèi)容對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最后求出結(jié)果CR＜0.10，說明建立權(quán)重賦值方法通過合理性論證。

3.3 生態(tài)護(hù)坡比選結(jié)果

根據(jù)表3建立的護(hù)坡比選方案總體權(quán)重分布表結(jié)合工程案例，分別對(duì)工程生態(tài)植被護(hù)坡（形式A）、生態(tài)混凝土護(hù)坡（形式B）以及土工格柵固土種植基護(hù)坡（形式C）這3種護(hù)坡類型進(jìn)行比選。通過對(duì)定性指標(biāo)的量化和定量指標(biāo)比選，經(jīng)層次分析法確定判斷矩陣后，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度法計(jì)算的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大，對(duì)應(yīng)的生態(tài)護(hù)坡性能越好，根據(jù)表4，生態(tài)混凝土護(hù)坡（形式B）的關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)指標(biāo)最大，為0.612，其次是生態(tài)植被護(hù)坡（形式A），關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.513，土工格柵固土種植基護(hù)坡（形式C）最小，關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.382。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，選擇生態(tài)混凝土護(hù)坡方式的方案性能最好。

4 結(jié)論

本文對(duì)水利水電工程中有關(guān)生態(tài)護(hù)坡內(nèi)容進(jìn)行深入分析，并提出生態(tài)護(hù)坡比選方法，研究結(jié)果如下：1）采用層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法作為生態(tài)護(hù)坡比選方法，并結(jié)合水利水電工程生態(tài)護(hù)坡比選方法的重點(diǎn)內(nèi)容，研究給出生態(tài)護(hù)坡比選方法的核心計(jì)算思想。2）將工程實(shí)際作為研究對(duì)象，進(jìn)一步論證層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法在水利水電工程生態(tài)護(hù)坡比選中的實(shí)際應(yīng)用情況，結(jié)果表明此方法具有很好的適用性，同時(shí)提出了生態(tài)護(hù)坡方案。本文研究結(jié)果可為后續(xù)水利水電工程生態(tài)護(hù)坡比選工作提供一定借鑒。

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