黃河下游堤防生態(tài)護(hù)坡試驗與效果評價

張 旭，陳 靜，黃 波

（1.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南250022；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟(jì)南250100）

黃河下游自2009年開始實施大規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)，目標(biāo)是把黃河下游堤防打造成“防洪保障線、搶險交通線和生態(tài)景觀線”［1］。目前標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)已全面完成，防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高，工程面貌得到了極大改善。在標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)中，堤防邊坡均采用葛巴草草皮防護(hù)，護(hù)坡草種單一，防護(hù)效果及工程外觀在部分段落已不能滿足當(dāng)前要求，需進(jìn)一步改進(jìn)。近年來，草種混播、三維網(wǎng)防護(hù)技術(shù)在生態(tài)護(hù)坡中被廣泛應(yīng)用。包慈華等［2］分析提出草種混播的遺傳背景更為廣泛，不同草種之間優(yōu)勢互補，適應(yīng)性更強(qiáng)；鄧立明［3］提出三維網(wǎng)的使用可以改善種植方式和生長條件，提高植草的成活率和防護(hù)效果。水土保持效益評價需要對植被群落的植物適應(yīng)性、植物群落特征、水土保持效益和可行性等多方面進(jìn)行綜合考慮，僅從單一指標(biāo)上進(jìn)行評價是不合理的；潘希等［4］通過分析國內(nèi)相關(guān)水土保持效益評價方法的應(yīng)用，總結(jié)歸納了各種評價方法的適用范圍，提出模糊綜合評價法尤其適合多目標(biāo)評價和具有模糊性、非確定性、難以量化的指標(biāo)區(qū)域；沈守權(quán)［5］、蔣必鳳［6］分別對模糊綜合評價法對水土保持及生態(tài)護(hù)坡效果評價進(jìn)行了應(yīng)用和改進(jìn)。本研究選取狗牙根、黑麥草、高羊茅、結(jié)縷草、胡枝子等護(hù)坡植物，采用草種混播、三維網(wǎng)防護(hù)技術(shù)進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡構(gòu)建，并采用模糊綜合評價方法對各措施防護(hù)效果進(jìn)行綜合評價。

1 試驗概況

1.1 試驗區(qū)概況

本次生態(tài)護(hù)坡的試驗段位于黃河下游濟(jì)南段左岸背河堤坡和淤背區(qū)外邊坡（樁號為151+065—151+665，長度600 m）。大堤邊坡坡比為1∶3，堤身填筑土料為壤土，黏粒含量26.6%～44.9%（平均33.21%），最大干密度1.61 g/cm3，最優(yōu)含水率19.67%，分層碾壓夯實，壓實度不小于95%；淤背區(qū)邊坡采用黏粒含量較大的壤土進(jìn)行包邊，水平寬度為1 m，土壤保水性較差，較干燥，除表層土外，堤身土壤含水率一般在10%以下。

1.2 試驗區(qū)布設(shè)

本次生態(tài)護(hù)坡的試驗草種選擇狗牙根、黑麥草、高羊茅、結(jié)縷草4類草種，灌木選擇胡枝子，試驗部位為淤背區(qū)外邊坡。試驗區(qū)草種播種時間為2017年7月，監(jiān)測期2 a，2019年10月試驗結(jié)束。試驗區(qū)坡長為12 m，共劃分為7個試驗段（見表1），每個試驗段均為100 m×12 m的矩形邊坡，選擇現(xiàn)狀葛巴草護(hù)坡作為對照組進(jìn)行同期播種及監(jiān)測。在各試驗段布設(shè)徑流小區(qū)，小區(qū)組成包括邊梗、集水池和集水槽，徑流小區(qū)尺寸為5 m×9 m，坡比為1∶3。

表1 試驗段布設(shè)方案

草種播撒前需對堤坡進(jìn)行整理，以減少坡面板結(jié)層和沖溝對草種萌發(fā)及生長的影響，在試驗段六進(jìn)行三維網(wǎng)的鋪設(shè)，用U形鐵絲固定三維網(wǎng)并覆土。按照試驗設(shè)計方案（見表1）進(jìn)行人工草種均勻播撒，隨后用園藝釘耙向前平趟，使種子和土壤緊密接觸，同時避免澆水沖走種子。草種撒播完畢后覆蓋可降解無紡布，起到保濕降溫、防止陽光暴曬、避免人工澆水或雨水沖刷草籽的作用。在萌芽期進(jìn)行適當(dāng)灑水養(yǎng)護(hù)，直到草種出芽并覆蓋成坪。

1.3 試驗監(jiān)測內(nèi)容

影響本試驗區(qū)坡面水土流失特征的主要因素包括降雨、土壤、植被、地形等。試驗主要對各試驗段的植被生物學(xué)性狀及土壤理化性狀相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行定位監(jiān)測，以獲取試驗區(qū)水土流失驅(qū)動因素本底資料，作為各項水土保持措施的效益評價依據(jù)。相關(guān)指標(biāo)及監(jiān)測方法如下。

（1）植被生物學(xué)性狀。主要對植被成活率、保存率、生長速度、綠色期、覆蓋度、均一性、高度、景觀效果、生物量指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。采用無人機(jī)獲取的高分辨率正射影像對植被覆蓋度進(jìn)行監(jiān)測［7］；生物量觀測以1 m×1 m草地樣方為標(biāo)準(zhǔn)，取植物的地上莖葉部分測鮮重，3次重復(fù)取平均值。

（2）土壤理化性狀。主要對土壤侵蝕模數(shù)、徑流系數(shù)、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤滲透性指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。采用土壤水分測定儀Spectrum TDR 350測定土壤含水率；采用環(huán)刀浸水法取厚度20 cm土壤測定土壤孔隙度、容重、貯水量；采用電測法測定pH值；采用重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)質(zhì)含量；每次侵蝕降雨后分別測定不同試驗段徑流小區(qū)的徑流量、土壤侵蝕量等指標(biāo)；采用雙環(huán)法測定土壤滲透系數(shù)。

1.4 試驗結(jié)果

本次試驗的主要監(jiān)測內(nèi)容包括:成活率、保存率、越冬率、綠色期、覆蓋度、生長高度、生物量、徑流深、徑流系數(shù)、土壤侵蝕量、侵蝕模數(shù)、土壤孔隙度、土壤滲透系數(shù)、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水率、單位面積投入成本。對上述監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行為期2 a的現(xiàn)場及原狀土取樣監(jiān)測，觀測結(jié)果見表2。

表2 試驗指標(biāo)觀測結(jié)果

續(xù)表2

2 AHP-模糊綜合評價

由于監(jiān)測指標(biāo)眾多且復(fù)雜，僅從單一指標(biāo)進(jìn)行評價是不合理的，因此采用模糊綜合評價方法對各措施水土保持效益構(gòu)建綜合評價指標(biāo)并進(jìn)行綜合評價。各指標(biāo)權(quán)重的確定是較為困難的一個環(huán)節(jié)，通常由專家根據(jù)經(jīng)驗給出，往往帶有主觀性。層次分析法將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理，盡量減少評判中的主觀因素，是一種定量和定性相結(jié)合的決策方法。將模糊評價法和層次分析方法相結(jié)合，利用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，用模糊評價方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，這樣就克服了模糊評價方法的不足，提供更為可靠的評價結(jié)果［4，8］。

2.1 層次分析法

運用層次分析法進(jìn)行權(quán)重推求，可分為以下4個步驟［9］。

（1）構(gòu)造判斷矩陣。構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)的評價模型，將綜合評價指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、Ⅰ級指標(biāo)層、Ⅱ級指標(biāo)層3個層次，設(shè)某層有n個評價指標(biāo)，采用1～9標(biāo)度法對第i個指標(biāo)和第j個指標(biāo)之間的相對重要程度a i j（i，j=1，2，…，n）進(jìn)行兩兩比較，各級標(biāo)度含義見表3。

表3 兩兩指標(biāo)比較評定

（2）計算層次權(quán)重值。權(quán)重向量w是由判斷矩陣A求出的最大特征根λmax對應(yīng)的特征向量。

由式（2）解出λmax及對應(yīng)的w，將λmax對應(yīng)的最大特征向量歸一化，就得到下層指標(biāo)相對于上層指標(biāo)的層次權(quán)重值。

（3）一致性檢驗。計算一致性指標(biāo)CI:

查表4得平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，計算一致性比率CR:

當(dāng)CR＜0.1時，認(rèn)為層次單排序結(jié)果具有滿意的一致性。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI評定

（4）各層次組合權(quán)重的計算。由各判斷矩陣求得的權(quán)重值是下層指標(biāo)相對于其上層指標(biāo)的分離權(quán)重值，故將這些分離權(quán)重值組合為各具體指標(biāo)項相對于最高層的組合權(quán)重值Wkl:

式中:Wkl為Ⅱ級指標(biāo)相對于總目標(biāo)的組合權(quán)重值；wk為Ⅰ級指標(biāo)及權(quán)重值；wkl為Ⅱ級指標(biāo)及權(quán)重值。

按照上述步驟，根據(jù)已經(jīng)建立的層次結(jié)構(gòu)模型，得到判斷矩陣，采用MATLAB軟件求得各層次指標(biāo)的權(quán)重，見表5。

各指標(biāo)的判斷矩陣的一致性比率均小于0.1，滿足一致性指標(biāo)，判斷矩陣可行。

由表5及式（5）可得，組合權(quán)重Wkl=（0.060 1，0.035 9，0.026 9，0.018 7，0.011 1，0.007 3，0.118 4，0.072 9，0.045 0，0.028 1，0.012 8，0.176 6，0.128 1，0.083 5，0.049 6，0.029 4，0.059 6，0.022 8，0.013 0）。

表5 各指標(biāo)權(quán)重分布

2.2 模糊綜合評價

根據(jù)本項目8個試驗段及對照組的觀測結(jié)果，確定模糊評價集U=｛優(yōu)，良，中，差｝，對應(yīng)的數(shù)值集取N=｛90，70，50，20｝，邀請10位相關(guān)專家進(jìn)行評價，并建立各個試驗段的隸屬度矩陣R i。

本試驗采用MATLAB軟件進(jìn)行編程計算，采用M（·，⊕）算子，即將各評價指標(biāo)的權(quán)重值與相對隸屬度值對應(yīng)相乘再相加，可得模糊評價的綜合指標(biāo)值。例如試驗段五模糊評價計算結(jié)果為

B=W×R5=［0.486 2，0.381 6，0.132 3，0.000 0］

量化處理后得U5=77.08，說明試驗段五處于“優(yōu)（90）”和“良（70）”之間，狗牙根、黑麥草組合適宜作為黃河下游防洪工程護(hù)坡措施。其他試驗段計算方法同此，計算結(jié)果見表6。

表6 模糊合成算子計算結(jié)果

試驗段效果排序:試驗段五＞試驗段四＞試驗段六＞試驗段七＞試驗段三＞對照組＞試驗段二＞試驗段一。有5個試驗段評分高于對照組葛巴草措施，即優(yōu)于現(xiàn)行黃河下游防洪工程護(hù)坡措施，因此黃河下游防洪工程生態(tài)護(hù)坡最優(yōu)方案為狗牙根+黑麥草混播模式、狗牙根+高羊茅混播模式、狗牙根+三維網(wǎng)模式。

3 結(jié)論及建議

（1）各試驗段的監(jiān)測數(shù)據(jù)及AHP-模糊綜合評價結(jié)果表明，黃河下游堤坡較優(yōu)的生態(tài)效益水土保持措施類型為狗牙根+黑麥草混播、狗牙根+高羊茅混播、狗牙根+三維網(wǎng)模式。

（2）狗牙根+黑麥草混播、狗牙根+高羊茅混播的草種混播方案能夠發(fā)揮不同草種的環(huán)境適應(yīng)能力，攔截降雨徑流的作用明顯，且兩種草種混播方案為純植物護(hù)坡措施，成本低，施工簡便。

（3）狗牙根+三維網(wǎng)模式中，三維網(wǎng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠有效攔截和蓄滲降雨、徑流，并防止表土和草籽的沖刷，為植物萌芽提供了良好的土壤、水分條件，促進(jìn)草種定居，三維網(wǎng)小區(qū)草皮均勻度、覆蓋度較好，景觀和水土保持效果顯著。但是，該方案單價相對較高，施工程序相對復(fù)雜，在靠水概率較高的堤段可以考慮采用該方案。

（4）在華北地區(qū)，草坪播種的適宜季節(jié)一般為春、秋兩季，即在草種的萌芽和幼苗期避開夏季的高溫和多雨期，免受陽光暴曬和雨水的沖刷，以保證出芽率和覆蓋度。種子進(jìn)行適當(dāng)?shù)那捌诖哐刻幚恚ń荨⒆儨?、破殼等）會提高出芽率和縮短出芽時間，可以減少種子用量，進(jìn)一步降低成本。

（5）在后期管理方面，堤坡播種草坪的養(yǎng)護(hù)頻次與一般草坪有較大差異。在草種萌芽期應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)養(yǎng)護(hù)，以提高成活率和出芽率。草種出芽以后，在適宜季節(jié)和正常天氣條件下基本不需要進(jìn)行人工養(yǎng)護(hù)，可根據(jù)現(xiàn)場條件、溫度及降雨情況適時調(diào)整。如遇現(xiàn)場施工等特殊情況導(dǎo)致坡面草皮被破壞，可采用草種補播的方式進(jìn)行修復(fù)，若氣候條件已不適宜進(jìn)行補播，需采取人工移栽方式進(jìn)行修復(fù)，以保證整體覆蓋度和水土保持效果。

（6）在土壤條件方面，黃河下游不同河段與本試驗段落會稍有差別，尤其是在濱州以下河段，填筑大堤的土壤在酸堿性、有機(jī)質(zhì)含量、土壤肥力等方面會有差異，但是黃河下游防洪工程的筑堤土場主要是灘區(qū)的耕地，灘區(qū)土壤的來源、形成、性質(zhì)以及成分等各方面差異不大，不同堤段的土壤對草的生長影響基本沒有明顯差別。因此，在試驗段進(jìn)行的各類草種的播種方式、養(yǎng)護(hù)方式、生長條件和生長狀況在黃河下游河段的其他段落均能達(dá)到相似的效果。