寒區(qū)河道生態(tài)護坡優(yōu)選研究

張明勝，王笑峰，杜 崇，劉 濤，溫玉強

(1.黑龍江大學 水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080； 2.黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟職業(yè)學院，黑龍江 牡丹江 157041)

長期以來，我國的河道綜合治理工作重點強調(diào)提高行洪速度、減輕河道沖刷、增強水土保持能力等方面，一直追求河岸的全面硬化。這種傳統(tǒng)的硬質(zhì)化護坡對減輕坡面修建初期的不穩(wěn)定性效果良好，但是硬質(zhì)化護坡將河岸表面封閉起來，阻隔了水陸的連接通道，破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)的整體平衡[1-2]。尤其是在寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)的硬質(zhì)化護坡在經(jīng)受凍脹和融沉作用后，會發(fā)生斷裂、破碎甚至坍塌[3]。發(fā)達國家對傳統(tǒng)硬質(zhì)化護坡造成的問題認識較早，自20世紀30年代開始就提出了有關的生態(tài)護坡技術，并且從20世紀60年代開始逐漸有了各自的技術理念，相關研究也逐漸增多[4-5]。我國對生態(tài)護坡技術的研究于20世紀90年代才開始[6-7]，且有關寒區(qū)河道生態(tài)護坡的研究較少。本研究在松花江干流治理工程通河段13、14、15標段，根據(jù)寒區(qū)特有植物綜合搭配9種生態(tài)護坡進行現(xiàn)場試驗，調(diào)查測試植物生長指標、抗沖刷能力指標等，并采用層次分析法構建綜合評價指標體系，運用綜合指數(shù)評價法優(yōu)選出適宜寒區(qū)河道生態(tài)護坡的設計方案，可為我國寒區(qū)河道生態(tài)護坡建設與相關研究提供理論和實踐參考。

1 研究區(qū)概況

松花江干流通河段位于黑龍江省中部，小興安嶺南麓，松花江中游，地理位置為東經(jīng)128°07′30″～129°24′30″、北緯45°52′30″～46°37′30″，堤防全長131.497 km，設計防洪等級2級，流速小于1 m/s。研究區(qū)屬大陸性季風氣候區(qū)，春季干燥多風，夏秋炎熱多雨，秋季降溫急劇，冬季嚴寒漫長，常有凍害發(fā)生；降水量年際變化較大，年內(nèi)分配不均，多集中在夏季，多年平均降水量為553 mm，汛期6—9月降水量占全年降水量的70%～80%。

2 研究材料與方法

2.1 試驗設計

本次研究的對象是松花江干流通河段13、14、15標段建設的9種生態(tài)護坡，具體形式見表1。

表1 9種生態(tài)護坡具體形式

在2017年6月至2018年5月進行了生態(tài)護坡的現(xiàn)場建設，如在松花江干流通河段15標段火炬村子堤建設完成了植生袋生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆+羊茅)，建設過程見圖1。

圖1 植生袋生態(tài)護坡建設過程

在2017年9月與2018年9月完成了9種生態(tài)護坡的植物生長指標、抗沖刷能力、工程造價等指標的相關試驗與現(xiàn)場調(diào)查，具體指標值見表2，9種生態(tài)護坡的植物生長狀況見圖2。生態(tài)護坡植物抗沖刷性能試驗采用裝配式有壓流沖刷裝置，在同樣的沖刷條件下，自1.0 m/s起沖，以0.5 m/s的流速逐級遞增，每級流速沖刷歷時1 h，直至參與抗沖刷試驗的生態(tài)護坡完全破壞。9種生態(tài)護坡的累計抗沖刷歷時為3.00～7.50 h，見表2。

表2 9種生態(tài)護坡現(xiàn)場調(diào)查測試指標值

圖2 9種生態(tài)護坡的植物生長狀況

2.2 綜合評價指標體系

生態(tài)護坡工程的評價是全面的、復雜的，需要結(jié)合工程實踐，且評價指標體系應符合整體性、系統(tǒng)性、科學性、動態(tài)性、可操作性、代表性及定性指標和定量指標相結(jié)合的原則[8]。層次分析法(AHP)可以將這種影響因素較多、有層次卻難以用定量描述的評價指標體系進行總目標層、各子目標層的劃分，形成清晰的結(jié)構。根據(jù)地域類型、生態(tài)護坡常用指標以及專家分析，綜合我國學者對護坡評價的研究經(jīng)驗和影響護坡的因素[9]，采用層次分析法將寒區(qū)河道生態(tài)護坡綜合評價體系劃分為目標層、準則層和指標層，選取生態(tài)性、經(jīng)濟性、施工綜合性和景觀綜合性4個準則及13個指標來構建生態(tài)護坡綜合評價指標體系，見圖3。

圖3 寒區(qū)河道生態(tài)護坡綜合評價指標體系

2.3 評價指標權重的確定與計算方法

依據(jù)層次分析法，在建立綜合評價指標體系后，采用1～9比例標度法來確定各評價指標的相對重要性。以生態(tài)護坡綜合評價指標體系為目標層(A)，根據(jù)專家和水利專業(yè)人士對生態(tài)性(B1)、經(jīng)濟性(B2)、施工綜合性(B3)和景觀綜合性(B4)兩兩比較重要性進行取值。再分別以B1、B2、B3、B4為準則層，根據(jù)專家和水利專業(yè)人士對指標層(C1，C2，…，C13)兩兩比較重要性進行取值,最后建立判斷矩陣，計算出各評價指標的權重，并進行一致性檢驗。

將各指標層(C1，C2，…，C13)相對于準則層(B1，B2，B3，B4)的權重與準則層(B1，B2，B3，B4)相對于目標層(A)的權重相乘,可得各指標層在生態(tài)護坡綜合評價中所占的權重。相應的指標評分的計算方法見表3。

表3 指標層總權重與對應的評分計算

2.4 指標的無量綱化

在評價過程中，參評的各項指標量綱不一致，不具可比性，因此對各子指標層指標進行歸一化處理，使其轉(zhuǎn)化為0～1的無量綱數(shù)值。具體的歸一化處理過程針對各項指標和數(shù)據(jù)特點分為兩類：一類是可定量化指標(見表2)，采用“min-max標準化”進行歸一化處理，處理結(jié)果見表4；另一類是無定量化數(shù)據(jù)的指標，采用專家打分法，建立打分標準，使指標評分為0～1，評分標準見表5。

表4 可定量化指標值歸一化處理結(jié)果

表5 無定量化數(shù)據(jù)的指標的量化方法和評分標準

2.5 綜合指數(shù)評價法

綜合指數(shù)評價法是將不同性質(zhì)的各指標層指標經(jīng)歸一化處理后，再通過權重疊加得出綜合評價值。生態(tài)護坡綜合評價值計算式為

(1)

式中：N為生態(tài)護坡綜合評價值；Bi為第i個準則層的權重；Cij為第i個準則層中第j個指標所占的權重；Xij為第i個準則層中第j個指標的評分值；n為準則層的指標數(shù)量；m為指標層中指標的數(shù)量。

3 結(jié)果及分析

依據(jù)各項指標的綜合權重及歸一化處理后的數(shù)值，采用式(1)開展綜合評價，得到參評的9種生態(tài)護坡準則層指標的評價值，見圖4。對9種生態(tài)護坡的準則層指標的評價值分別求和，計算得到9種生態(tài)護坡綜合評價值，見圖5。

圖4 9種生態(tài)護坡準則層指標評價值

由圖5可知，9種生態(tài)護坡綜合評價值排序為T3(0.688 0)>T4(0.649 1)>T2(0.585 0)>T9(0.540 9)>T7(0.449 2)>T6(0.433 1)>T1(0.385 1)>T5(0.371 6)>T8(0.363 7)。其中：得分最高的為T3環(huán)保草毯生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)，綜合評價值為0.688 0；T2植生袋生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆+羊茅)和T4雷諾生態(tài)護坡(紫花苜蓿)綜合評價值較高，分別為0.585 0和0.649 1；綜合評價值最低的為T8雷諾生態(tài)護坡(食用大黃)，綜合評價值為0.363 7。

圖5 9種生態(tài)護坡綜合評價值

由圖4、圖5可分析出9種生態(tài)護坡綜合評價值的施工綜合性與景觀綜合性得分沒有較大的差距，影響生態(tài)護坡綜合評價值的主要因素為生態(tài)性得分與經(jīng)濟性得分，如綜合評價值最高的T3環(huán)保草毯生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)，綜合評價值貢獻主要來源于最高的經(jīng)濟性得分、第二高的生態(tài)性得分；綜合評價值最低的T8雷諾生態(tài)護坡(食用大黃)，主要是因為最低的經(jīng)濟性得分和第二低的生態(tài)性得分。

由圖5可知，T2植生袋生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆+羊茅)、T3環(huán)保草毯生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)與T9雷諾生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草)3種多種植物搭配的生態(tài)護坡比只有單一植物的T5雷諾生態(tài)護坡(黃花菜)、T6雷諾生態(tài)護坡(委陵草)、T7雷諾生態(tài)護坡(草木樨)與T8雷諾生態(tài)護坡(食用大黃)的綜合評價值要高，主要原因：多種植物生態(tài)護坡的地表植物總鮮質(zhì)量以及豆科植物覆蓋度較高，改善土壤性能較強，改善土壤性質(zhì)評分較高；多種植物生態(tài)護坡的累計抗沖刷歷時普遍較長，降低災害能力較強，降低災害評分較高。而單一植物生態(tài)護坡不僅在以上兩方面處于劣勢，而且為了獲取經(jīng)濟效益需要定期采收，導致年維護費用較高，年維護費用評分較低。

T1框格綠化混凝土生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草)的綜合評價值較低的原因是：在框格綠化混凝土周圍的植被生長狀況較差，框格綠化混凝土生態(tài)護坡中的植被各項生態(tài)指標較低，導致生態(tài)性得分較低；框格綠化混凝土生態(tài)護坡盡管有極穩(wěn)定的護坡結(jié)構，但其工程造價最高，施工相較于其他生態(tài)護坡要求較高、難度較大，施工材料相較于其他生態(tài)護坡也不環(huán)保，導致其經(jīng)濟性得分較低，施工綜合性得分最低。

盡管T4雷諾生態(tài)護坡(紫花苜蓿)是單一植被護坡，但是在現(xiàn)場試驗過程中，可以觀察到紫花苜蓿具有極快的成坪速度、極強的水土保持能力與土壤改良功能，這使其獲得了最高的生態(tài)性得分及第二高的綜合評價值。

4 結(jié) 論

(1)采用層次分析法建立寒區(qū)河道生態(tài)護坡綜合評價指標體系，分為目標層、4個準則層、13個指標層，將定性指標與定量指標有機結(jié)合，使評價過程十分清晰明確，基本上可以從不同角度對現(xiàn)場建設的9種生態(tài)護坡做出合理的評價。在綜合評價過程中采用綜合指數(shù)評價法，將現(xiàn)場測試的不同性質(zhì)、不同單位的各種指標值進行歸一化處理，依據(jù)建立的寒區(qū)河道生態(tài)護坡綜合評價體系加權計算得出各生態(tài)護坡綜合評價值，能夠全面、高效、直觀地反映出每種生態(tài)護坡的實際情況。

(2)評價結(jié)果顯示，此次參與評價的9種生態(tài)護坡中，T3環(huán)保草毯生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)的綜合評價值最高，實際表現(xiàn)也最好，可以在未來寒區(qū)水利工程生態(tài)護坡建設中優(yōu)先選用。

(3)在現(xiàn)場試驗過程中，綜合評價值僅次于T3環(huán)保草毯生態(tài)護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)的T4雷諾生態(tài)護坡(紫花苜蓿)也有著較好的表現(xiàn)，表明紫花苜蓿較其他植物而言更加適宜寒區(qū)環(huán)境。在未來寒區(qū)河道生態(tài)護坡建設方案研究中，可采用紫花苜蓿與其他植物合理配比播種，以最大程度發(fā)揮其在寒區(qū)環(huán)境具有的獨特優(yōu)勢，設計出更高效的生態(tài)護坡方案。