北京市永定河生態護岸效果評價

王 兵，高甲榮，王 越，楊建英，顧 嵐，高宇婷

(1.北京林業大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京市水土保持工作總站，北京 100036)

生態護岸評價是基于河流健康的定義和特征，通過建立合理綜合的評價指標、評價體系、評價方法，對生態護岸措施的效果進行客觀、綜合的分析和評價，目的是通過對措施效果的評價，更好地去認識護岸措施的綜合護岸效果，通過對評價結果的分析來更好地指導護岸生產實踐。近幾年北京市對境內的多條河流進行了綜合治理，其中就包括生態護岸治理措施。由于措施種類較多且治理效果不盡相同，因此迫切需要建立全面實用的生態護岸評價體系來對這些措施的效果進行綜合評價，這對北京市河流的保護與管理具有重要的現實意義。

在這種背景下，我們依據對北京市河流的實際調查，決定選取永定河作為研究對象。之所以選取永定河，是因為近些年永定河兩岸采取了多種生態護岸措施，另外永定河也是北京地區的代表性河流之一，選取它作為研究對象具有代表性和可行性。我們結合國內外河流評價體系的研究，根據北京地區的實際情況，從防洪安全效果、生態效果、社會經濟性效果3個方面選取9個評價指標建立了指標評價體系，并依據9個指標對永定河的11種生態護岸措施進行了實地調查和試驗，目的是建立一套合理可行的評價體系，對前期永定河生態護岸多項措施的治理效果進行評價，為今后北京地區河流生態護岸技術的實踐提供指導。

1 永定河護岸措施簡介

研究區域為永定河“蓮石湖—門城湖”段，河岸防護措施共11種類型，分別為：①SG生態磚扦插柳枝復合護岸；②塊石扦插柳枝復合護岸；③卵石扦插柳枝復合護岸；④山石護岸；⑤塊石護岸；⑥SG生態磚護岸；⑦扦插柳枝護岸；⑧松木樁護岸；⑨生態袋和仿木樁復合護岸；⑩卵石護岸；鉛絲石籠和生態袋復合護岸。

2 評價指標體系的構建

2.1 生態護岸的定義與健康特征

生態護岸是利用自然或人工材料在滿足護岸基本功能的基礎上，盡可能地為岸邊生物創造適宜的棲息環境的一種工程防護措施，既具有自然護岸的生態性、景觀性和滲透性，又具有硬質護岸的結構性和穩定性[1]。

河流生態護岸的健康指通過治理后的岸坡應具有良好的防護功能、生態效應、社會效應和景觀效應。一個健康的河流生態護岸應具有以下特征：一是具有保護岸坡的基本功能，即保持岸坡結構的穩定、抵抗河水沖刷侵蝕的能力；二是具有一定的生態功能，能夠增加河岸帶的生物多樣性，形成一個開放、復雜、穩定的生態系統；三是具有景觀適宜性，措施應盡量與河流的上下游自然景觀融為一體且相互協調；四是具有一定的經濟社會效益和美學價值，能夠為人們提供休閑娛樂的場所[2-3]。

2.2 指標選取原則

通過參考劉聯兵等[4]關于環境友好型護岸技術評價指標體系的研究和夏繼紅等[5]關于河岸帶生態系統綜合評價指標體系的研究，以及其他一些關于河岸評價指標研究的文獻，總結并稍作修改后形成八條原則，即：科學性原則、目標性原則、系統性原則、主成分性(主導性)原則、獨立性(不相容性)原則、定量指標與定性指標相結合的原則、可操作性原則、統一性原則。

2.3 指標體系的確定

指標體系中選取的每個單項指標，都要求能夠從不同的角度反映生態護岸的健康狀況，并且要求能夠定量化。參考高甲榮、王國玉、侯景艷等人的研究成果[6-8]，依據河流生態護岸的健康特征和指標選取原則，結合北京地區河流情況，從防洪安全效果、生態效果、社會經濟性效果3個角度選取了9個評價指標建立評價指標體系，具體見圖1。

圖1 生態護岸評價指標體系

2.4 評價指標的調查方法

2.4.1 基質類型

基質類型指構成河岸地層的巖性及物質組成。基質類型為岸坡的基本屬性，是河岸發揮其各種功能的基礎。基巖類河岸較為穩固，抗沖刷能力強，岸坡不易變形；巖土河岸次之。岸坡基質為土層的，單一黏性土或以黏性土為主、黏性土厚度占岸坡高度60%以上的，抗沖刷能力稍強；土層為單一砂性土，或砂性土厚度占坡高的40%以上的，抗沖刷能力弱，易侵蝕，易變形。

2.4.2 岸坡傾角

岸坡傾角指坡面上的傾斜線OD與其在水平面上投影線OD′之間的夾角或層面與水平面的最大銳角(如圖2所示的α角)。岸坡傾角是影響河岸穩定性的重要因素。

圖2 岸坡傾角立體圖

2.4.3 岸坡高度

岸坡高度為河岸距水面的垂直距離。岸坡傾角和高度合稱為岸坡形態。

2.4.4 洪水沖刷狀況

無沖刷跡象：近期內河岸不會發生變形破壞，無水土流失現象。

輕度沖刷：河岸結構有松動跡象，有水土流失跡象，但近期不會發生變形和破壞。

中度沖刷：河岸松動，裂痕發育趨勢明顯，一定條件下可能導致河岸坍塌，造成洪澇災害。

2.4.5 河岸植被覆蓋度

植被覆蓋度指植物群落總體或各個體的地上部分的垂直投影面積占樣方面積的百分比。

2.4.6 岸坡抗蝕性

通過野外人工模擬降雨試驗，對岸坡抗蝕性進行研究，具體方法為：對每種生態護岸措施選取3種坡度的1 m×1 m岸坡樣地；在樣地兩側設置擋水板，防止地表徑流從旁邊流失；在每一樣地下端設置1 m×0.5 m的集沙袋，收集泥沙。

設計降雨歷時為30 min。試驗開始以后，記錄每次降雨樣地的初始產流時間，等待地表徑流形成后，每隔3 min用集水瓶收集地表徑流并測量。對每一個類型的護岸進行3～4次重復試驗，直到徑流量接近某一固定值，同時選取相同坡地情況的裸岸樣地進行相同條件下的降雨模擬試驗，作為對比參照。將每次試驗收集到的徑流進行過濾，過濾后將收集到的泥沙帶回實驗室，采用烘干法進行烘干并稱重。最后計算每種護岸方式下單位面積減少的泥沙量，并依據結果進行評估。

2.4.7 建造與維護成本

通過查閱北京地區各類型河流生態護岸的材料費、人工費、管理費等，計算各類型生態護岸的建造成本和維護成本。

2.4.8 文化美學功能

用于衡量景觀設計是否能體現和滿足居民對自然和人文過程的認識。生態護岸營造多元化的生態情形，達到了引水、旅游和生態情形相統一的功效。

2.4.9 休閑娛樂功能

護岸措施應考慮居民的需求，形成景觀美感，為人們提供娛樂、休閑和親水的場所，改善人居環境。

3 評價指標權重的確立

經過對國內溫存等[9]和國外Pinto等[10]在相關評價技術中關于定權方法的研究，類比和分析其中的優點和缺點后，決定采用專家打分法和層次分析法相結合的方法確定權重。這種方法將專家打分法定性分析的優點和層次分析法定量分析的優點相結合，能夠較為客觀地判定河流生態護岸評價體系各指標的權重。通過以下5個步驟確定準則層和目標層的權重，即：①明確問題，建立層次結構；②通過專家打分法構造判斷矩陣；③對層次進行單排序；④層次總排序；⑤一致性檢驗。各指標權重見表1。

表1 河流生態護岸健康評價指標權重

4 評價標準及評價方法

4.1 評價標準的確立

根據河岸生態健康的標準，將河流生態護岸的健康程度劃分為4個等級：理想狀態(Ⅰ)、良好狀態(Ⅱ)、一般狀態(Ⅲ)和較差狀態(Ⅳ)[3]。

理想狀態：工程結構是穩定安全的，有較長的使用年限，工程防護效果好；能夠與河流景觀融為一體，具有較好的景觀適宜性；生態效果較好，能夠為河岸帶生物提供較好的棲息環境，形成開放、穩定的生態系統；造價較低，經濟上具有可操作性，施工也較為方便。

良好狀態：工程結構較為穩定，使用壽命也較長，具有較好的防沖刷能力；景觀適宜性較好，工程與河流自然景觀基本一致；河岸帶基本上可以形成穩定的生態系統，但開放性較弱，抗干擾能力也相對較低；經濟成本相對較低，施工難度也較低。

一般狀態：工程結構穩定性較差，使用壽命較短，不具備較好的抗水流沖刷的能力；河岸帶生物多樣性較差，抗干擾能力差，不具備良好的生態功能；同時與周圍景觀協調性較差，美學價值較低；造價較高，施工難度也較大，經濟上不太適宜推廣。

較差狀態：工程結構不夠穩定；生態環境惡化，沒有形成生態效應和景觀效應；造價高、施工難度大，經濟上不可行。

同時，參考國內外相關研究的有關標準，提出了一個較為合理的評價標準，由于各指標計算方法及考核目標不同，因此分級標準也有所不同，具體見表2—4。

表2 防洪安全效果評價指標標準

表3 生態效果評價指標標準

表4 社會經濟性效果評價指標標準

4.2 評價方法的確立

目前，國內外的評價方法多種多樣，其中加權算術平均法、加權幾何平均法等[11]是較為綜合的評價方法。近年來，許多新的綜合方法也被應用于實際評價工作中，但在應用的過程中仍受到許多限制，其中包括灰色聚類法[12]和模糊數學法[13]，二者分別需要設計諸多的白化函數和隸屬函數，但往往這些函數的設計具有主觀任意性，計算量過于龐大，實際操作有一定的困難；而人工神經網絡評價法[14]的缺點是需要對標準樣本反復計算上千次以獲得最佳權值和閾值后，才能對新樣本進行評價，在實際應用的過程中顯得非常不方便。在這種情況下，本研究結合懷柔區河流生態護岸的實際特點，決定采用以層次分析法為基礎的綜合評價指數法對永定河的生態護岸措施進行評價。

綜合評價指標計算和健康等級劃分是根據各個指標因子的權重值與各個評價指標的等級值進行層次加權計算，計算公式為

(1)

式中：N為生態護岸健康度綜合評價指數；Di為第i個準則層的權重；Dj為第i個準則層選取的第j個指標在該準則層所占的權重；Fij為第i個準則層中選取的第j個指標的評分值；m為指標層中指標的個數。

本研究采用的綜合評價方法共有三個計算步驟：第一步，對各個評判指標進行審定，并對其中的評價指標進行規范化處理；第二步，通過層次分析法確定各個指標的權重；第三步，依據公式(1)對生態護岸健康度綜合評價指數N進行計算(當N值處于3.35～4.00時，護岸屬于理想狀態；當N值處于2.70～3.35時，護岸屬于良好狀態；當N值處于2.05～2.70時，認為可以判定該生態護岸能夠滿足基本需要，屬于一般狀態；而當N值低于2.05時，就判定該生態護岸功能較差，屬于較差狀態)。

5 結果與分析

實地對11種措施進行勘察，按照評價指標的標準將調查數據記錄在表，并對調查指標進行賦值，最后采用綜合評價指數法即公式(1)，對11種生態護岸的健康程度進行計算，得表5。

表5 永定河各生態護岸措施評價結果

依據評價標準，處于理想狀態的護岸措施有松木樁護岸；處于良好狀態的有鉛絲石籠和生態袋復合護岸、塊石扦插柳枝復合護岸、生態袋和仿木樁復合護岸、卵石扦插柳枝復合護岸；處于一般狀態的有山石護岸、SG生態磚扦插柳枝復合護岸、塊石護岸、扦插柳枝護岸；處于較差狀態的有SG生態磚護岸、卵石護岸。

總體上來講永定河的這11種生態護岸方式基本上達到了設計標準，但防護的綜合效果卻不盡相同。其中松木樁護岸技術最為突出，原因是松木樁在抗水流沖刷和防護坡面水土流失中能夠發揮較好的作用，同時由于采用自然材料且施工過程不破壞生態環境，自然植被易于恢復，加上施工簡便、價格低廉，因此這項措施可以在有條件的地區推廣。SG生態磚護岸和卵石護岸的總體評價效果不是很好，主要表現為生態效果較差，社會經濟性也較為一般，原因是卵石和塊石覆蓋地表不利于植物生長，得不到較好的生態修復效果，材料、施工也相對花費較高。另外，從表5中可以看出防洪效果較好的是鉛絲石籠和生態袋復合護岸、松木樁護岸，防洪效果較差的是卵石護岸、SG生態磚護岸；生態效果較好的是生態袋和仿木樁復合護岸、松木樁護岸、鉛絲石籠和生態袋復合護岸，生態效果較差的是卵石護岸、SG生態磚護岸；社會經濟性效果較好的是山石護岸、扦插柳枝護岸，較差的是SG生態磚護岸、鉛絲石籠和生態袋復合護岸。

6 結 語

從評價結果上來看，這套評價體系能夠從不同角度較為合理地反映不同生態護岸措施的治理效果，選取的評價指標具有較強的可操作性，也能較為客觀地反映生態護岸的實際情況，技術上基本可以作為北京市生態護岸評價的標準。但該套評價技術可能在某些地方還不太成熟，在實際應用的過程中應根據河流的實際情況做必要的調整。

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