生態(tài)修復(fù)邊坡水土保持效果評(píng)價(jià)方法研究

摘要：為科學(xué)合理地評(píng)價(jià)生態(tài)修復(fù)邊坡水土保持效果，選取8個(gè)與評(píng)價(jià)目標(biāo)緊密相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)建立了生態(tài)修復(fù)邊坡水土保持效果評(píng)價(jià)體系。首先采用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重，然后分別選擇向家壩水電站4個(gè)不同修復(fù)措施的邊坡，通過(guò)綜合指數(shù)模型計(jì)算得到邊坡水土保持效果的綜合評(píng)價(jià)值。結(jié)果表明，各個(gè)邊坡生態(tài)修復(fù)工程的水土保持效果綜合評(píng)價(jià)值為植被混凝土（0.923 4） >厚層基材（0.880 3） >框格梁植草（0.816 8） >草種撒播（0.090 6）。評(píng)價(jià)結(jié)果與邊坡樣地實(shí)際情況一致，說(shuō)明所構(gòu)建的指標(biāo)體系可以較好應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)邊坡水土保持效果的評(píng)價(jià)，可為以后水土保持效果的定量分析提供可行的方法。

關(guān)鍵詞：邊坡生態(tài)修復(fù)；水土保持；層次分析法；綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）16-4335-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.066

近些年，隨著生態(tài)道路、綠色礦山等理念的倡導(dǎo)，針對(duì)礦山、水電站、公路、鐵路、采石場(chǎng)等各類建設(shè)項(xiàng)目施工過(guò)程中的大量裸露坡面治理不再只是依靠單純的土木工程，而是要更注重生態(tài)理念，因此，邊坡生態(tài)修復(fù)成為當(dāng)下一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域[1]。針對(duì)這一狀況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)研制了一系列的邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)，如植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)（CBS）、框格梁植草技術(shù)、厚層基材植被修復(fù)技術(shù)（TBS）、客土噴播技術(shù)及植生袋技術(shù)等。調(diào)查表明，這些技術(shù)都有一定的水土保持效果，但這些技術(shù)目前也存在著一些較難避免的問題。

為了能夠科學(xué)地評(píng)判不同邊坡生態(tài)修復(fù)工程的水土保持效果，對(duì)水土流失防治動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，為水土流失的治理部署和決策提供依據(jù)，就必須對(duì)水土保持效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]。柳小強(qiáng)等[3]以金安橋水電站為例，用層次分析法和綜合指數(shù)法對(duì)金安橋水電站工程水土流失防治效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；余海龍等[4]以土壤-植被系統(tǒng)質(zhì)量和景觀質(zhì)量為構(gòu)建主體，建立了高速公路邊坡生態(tài)護(hù)坡工程效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；張艷等[5]對(duì)不同護(hù)坡類型的植被恢復(fù)過(guò)程中植被與土壤特征進(jìn)行了評(píng)價(jià)。然而，至今水土保持效果評(píng)價(jià)仍然停留在理論探討階段，具體措施的效果評(píng)價(jià)涉及較少[6]。總的來(lái)說(shuō)，有關(guān)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治效果的評(píng)價(jià)研究相對(duì)較少，評(píng)價(jià)指標(biāo)也缺乏統(tǒng)一性[3]。

本研究通過(guò)對(duì)向家壩水電站四個(gè)不同生態(tài)修復(fù)邊坡進(jìn)行水土保持效果綜合評(píng)價(jià)，為邊坡生態(tài)修復(fù)方法的選擇提供了科學(xué)依據(jù)，也為邊坡水土流失后續(xù)治理提供了參考，同時(shí)為其他生態(tài)修復(fù)邊坡的水土保持效果評(píng)價(jià)提供了可行的思路與方法。

1 邊坡樣地概況

向家壩水電站壩址位于金沙江干流下游的向家壩峽谷出口處。水電站壩址以上流域面積為45.88萬(wàn)km2，最大年降雨量在1 168.5 mm，年最小降雨量為852.4 mm。庫(kù)區(qū)土壤土層普遍較薄，一般厚度在30 cm內(nèi)；土壤質(zhì)地粗糙，存在大面積的石渣子或石骨子土；土壤的有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低。項(xiàng)目區(qū)水土流失較為嚴(yán)重，項(xiàng)目區(qū)6個(gè)縣水土流失面積共計(jì)4 660.49 km2，是長(zhǎng)江上游水土流失重點(diǎn)防治區(qū)。

對(duì)于向家壩水電站裸露邊坡的水土流失治理，根據(jù)專家的建議主要采用了厚層基材噴播技術(shù)（TBS）、植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)（CBS）、客土噴播生態(tài)修復(fù)技術(shù)、框格梁植草護(hù)坡技術(shù)等，本次評(píng)價(jià)研究的邊坡樣地基本情況見表1。

2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇的原則

研究表明在不同流域與不同尺度下，水土流失的產(chǎn)生過(guò)程及影響機(jī)理并不相同，水土保持所采取的措施也不一樣，這很大程度限制了水土流失的過(guò)程分析和空間尺度外推[7]。所以評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇應(yīng)該因地制宜，需要突出各自的重點(diǎn)與特點(diǎn)。

生態(tài)修復(fù)邊坡水土保持效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇上除了遵循科學(xué)性、客觀性、系統(tǒng)性、有效性[8-11]的普遍原則外，還需遵循以下兩個(gè)原則：

1）主要效果原則。此次研究只重在評(píng)價(jià)邊坡生態(tài)修復(fù)工程的水土保持效果。但所采取的水土保持措施反映出來(lái)的效果都不是單一的，大多都是相互關(guān)聯(lián)的。所以就只需根據(jù)影響邊坡的重要因素選擇出可以較全面體現(xiàn)水土保持效果的主要指標(biāo)。

2）可量化原則。當(dāng)前水土保持效果評(píng)價(jià)總的形勢(shì)是以定性為主，定量的科學(xué)評(píng)價(jià)還比較缺乏[6]。為此，只有對(duì)所選的主要效果定量處理，得出的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)更有科學(xué)性與實(shí)用性。

2.2 具體指標(biāo)

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確定，根據(jù)上述的評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的原則構(gòu)建了由水土流失量、土壤-根系質(zhì)量和植被生長(zhǎng)效果三大類組成的水土保持效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體指標(biāo)、選取意義及測(cè)量方法見表2。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)以上所選擇的指標(biāo)，建立由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層構(gòu)成的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（圖1）。

3 評(píng)價(jià)方法

本次評(píng)價(jià)采用層次分析法（The analytic hierarchy process，AHP）。層次分析法[12，13]是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初在研究“根據(jù)各個(gè)工業(yè)部門對(duì)國(guó)家福利的貢獻(xiàn)大小而進(jìn)行電力分配”課題時(shí)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。該方法是將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個(gè)系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則，進(jìn)而分解為多指標(biāo)（或準(zhǔn)則、約束）的若干層次，通過(guò)定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序（權(quán)數(shù)）和總排序，以作為目標(biāo)（多指標(biāo)）、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。AHP方法不僅原理簡(jiǎn)單，而且具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，是定量與定性方法相結(jié)合的優(yōu)秀的決策方法，此方法對(duì)于那些難以完全用定量方法進(jìn)行分析的復(fù)雜問題特別適用。

3.1 確定指標(biāo)權(quán)重

在已經(jīng)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，從層次結(jié)構(gòu)模型的標(biāo)準(zhǔn)層開始，對(duì)于從屬于（或影響）上一層每個(gè)因素的同一層各個(gè)因素，用“成對(duì)比較法”和1-9比較度構(gòu)造成對(duì)比較陣[14]，直到最下層。根據(jù)專家評(píng)分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果構(gòu)造出判斷矩陣，層次分析法評(píng)價(jià)計(jì)算中的權(quán)重確定采用yaahp 6.0版本軟件，通過(guò)對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)[15]，得到的計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可以看出，生態(tài)修復(fù)邊坡水土保持效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中權(quán)重較大的是坡面植被覆蓋度和坡面侵蝕模數(shù)，分別為0.370 0和0.259 0，土壤根系干重增加率和土壤容重的權(quán)重較小。

4 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值

4.1 評(píng)價(jià)對(duì)象原始數(shù)據(jù)值

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)得到以下數(shù)據(jù)（表4）。

4.2 數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理

由于本評(píng)價(jià)體系所選用的指標(biāo)涉及方面、取值和單位不盡相同。為了能夠比較各指標(biāo)要素和計(jì)算指標(biāo)的綜合指數(shù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理。

數(shù)據(jù)無(wú)量綱化的過(guò)程實(shí)際上就是分級(jí)打分的過(guò)程，在劃出某一指標(biāo)要素的給分范圍后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)給指標(biāo)分級(jí)，采用極差標(biāo)準(zhǔn)型法和等級(jí)法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化。標(biāo)準(zhǔn)型無(wú)量綱化的公式為[16]：

Ri= 0 xi≤bixi-bi/ai-bi bi

Ri= 0 xi≥aiai-xi/ai-bi bi

Ri=x-ai/a-bi bi≤xi

式中，ai和bi分別為第i個(gè)指標(biāo)的上、下限，Ri為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化之后的結(jié)果，取值范圍為0～1，它表示該指標(biāo)值距理想狀態(tài)值的接近程度。

對(duì)于發(fā)展型指標(biāo)（如邊坡植被覆蓋度、土壤—根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度、土壤根系干重增加率、穩(wěn)定滲透率、物種多樣性），當(dāng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)值xi越大，對(duì)生態(tài)修復(fù)邊坡的水土保持效果越具有促進(jìn)作用，此時(shí)的Ri按式（1）計(jì)算。對(duì)于制約型指標(biāo)（如坡面最大沖刷深度、坡面侵蝕模數(shù)、土壤容重），當(dāng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)值xi越大時(shí)，對(duì)生態(tài)修復(fù)邊坡的水土保持效果越具有阻礙作用，此時(shí)的Ri 按式（2）計(jì)算。對(duì)于發(fā)展型與制約型同時(shí)存在的指標(biāo)，當(dāng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)值xi在某個(gè)值時(shí)，所起作用最為積極有效，此時(shí)的Ri按式（3）計(jì)算（本次所選指標(biāo)中沒有此類指標(biāo)）。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)的上下限值見表5（各指標(biāo)上下限值均來(lái)源于所有邊坡同指標(biāo)的最大和最小值，土壤容重指標(biāo)取值參照專業(yè)規(guī)范，坡面植被覆蓋度根據(jù)實(shí)際情況）。

4.3 綜合計(jì)算

各指標(biāo)的實(shí)際值經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理后，得到無(wú)量綱化數(shù)值Ri，以及通過(guò)AHP評(píng)判距陣法得到各指標(biāo)的權(quán)重Pi后，兩值相乘就得到各指標(biāo)的綜合值。即生態(tài)修復(fù)邊坡水土保持效果評(píng)價(jià)綜合指數(shù)計(jì)算模型為[17]：

SQR=Ri×Pi （i=1，2，…，n）

式中，SQR為評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

根據(jù)以上所得的數(shù)據(jù)，代入上式計(jì)算得到每個(gè)樣地的綜合評(píng)價(jià)值（表6）。

5 結(jié)論與討論

由表6的數(shù)據(jù)可以看出，四種邊坡生態(tài)修復(fù)工程中水土保持效果綜合評(píng)價(jià)值排序依次為：CBS>TBS>框格梁植草>草種撒播，植被混凝土生態(tài)防護(hù)邊坡的水土保持效果綜合評(píng)價(jià)值最高。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)厚層基材噴播樣地生物群落垂直結(jié)構(gòu)不完善、水平結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；框格梁植草坡面植被群落物種數(shù)少；草種撒播邊坡只有少量草本植物，致使水土流失嚴(yán)重；植被混凝土生態(tài)修復(fù)樣地生物群落層次復(fù)雜，結(jié)構(gòu)完善，坡面基質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度較高，水土保持效果較優(yōu)（圖2）。

可見運(yùn)用建立的生態(tài)修復(fù)邊坡水土保持效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)4塊樣地進(jìn)行綜合分析，評(píng)價(jià)結(jié)果基本符合邊坡樣地實(shí)際情況，以上研究結(jié)果表明所選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)和所構(gòu)建的指標(biāo)體系對(duì)生態(tài)修復(fù)邊坡水土保持效果的評(píng)價(jià)具有較好的實(shí)用價(jià)值，為以后邊坡水土保持效果的定量分析提供了可參考的方法，也可為生態(tài)修復(fù)邊坡后期的監(jiān)測(cè)與調(diào)控提供科學(xué)的支持。由于邊坡生態(tài)修復(fù)涉及多學(xué)科的理論，隨著對(duì)邊坡生態(tài)修復(fù)研究的不斷深入以及認(rèn)識(shí)更加全面，評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系還需要不斷地加以修正和完善，使各指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果更加精確。

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