基于模糊層次-主成分分析法的河道生態護坡綜合評價

汪綠培，陳新新

(1.溫州市甌海區水利局，浙江 溫州 325000； 2.溫州市甌海區人民政府 瞿溪街道辦事處，浙江 溫州 325016)

流域河道承載著河流之間的防洪、排澇、引水、供水、生態、景觀水系之間的作用，是水利工程建設與水資源可持續發展利用的樞紐。流域河道的建設不僅發揮著堤岸、護坡等重要水利工程的功能，而且還包括河道景觀、河道文化、河道環境等人文內容，從而實現人與水的和諧發展。

近年來，生態環境建設成為熱點問題，在生態環境中生態護坡與生態功能成為重點。國內研究方面，主要對生態護坡概念、技術、方法、材料等內容進行研究，研究方面比較單一，對護坡綜合評價方面研究尚少，對護坡工程類持續研究也存在一定的局限性。如劉萌[1]以晏黃溝河道進行實地調查與分析，篩選出生態護坡最佳材料組合，并采用層次分析法優化護坡方案；王梅婷等[2]建立了合肥市城市河道生態護坡評價指標體系，運用層次分析法進行實例分析，評價結果反映了四里河和南淝河生態護坡的特性；卑志鋼等[3]運用主成分回歸分析方法和MATLAB 軟件對上海市青浦區進行計算對比，分析的河道淤積成因；許士國等[4]引入模糊多屬性決策模型，建立平原河道生態型護坡評價指標體系，對沈陽市西塘河生態護坡工程方案優選決策；束波峰[5]運用現澆透水生植物高強生態混凝土技術在合肥市南淝河某段河堤改造中對其與加固方案的綜合使用，進行了一定的探索。

根據研究區域特點和社會經濟發展狀況，考慮到浙江省位于華中地區特殊的地理區域，從生態環境與生態功能的重要性出發，以紅旗河片區河道生態綜合治理為研究區域，采用模糊層析-主成分分析法，將兩個方法的主觀分析與客觀分析相結合，對河道的生態護坡進行綜合評價，對研究區域的可持續利用具有一定的參考借鑒。

1 評價指標體系

邊坡的穩定是流域形態穩定的重要基礎，引入生態概念，形成生態系統功能的可持續發展的統一整體。生態護坡綜合評價指標體系主要從功能性評價、安全性評價、環境性評價、適宜性評價、經濟效益評價等5個方面內容進行綜合選取。考慮到各個評價指標的收集與選取量綱不統一，結合水利功能性作為生態護坡建設的基礎，重點從安全性、生態環境、適宜性、經濟效益4個方面進行生態護坡綜合評價。

評價指標的選取方法多種多樣，選取原則應該滿足科學性、靜態與動態相結合、易選取性、獨立性、層次性、預測性，在運用指標量化方法的基礎上，構建十字港河水庫水源區河道生態護坡綜合評價指標體系，具體指標體系見圖1。

圖1 生態護坡綜合評價指標體系

根據指標量化方法，定量指標相關公式進行計算的指標值，并設有與指標值呈線性關系的分值；定性指標是采用一種主觀性打分方法 ，即德爾菲法，選取一定專業領域的專家，根據專家經驗和主觀性進行打分，預測統計分布特征并反饋，專家進行修正打分，經過反復修正打分，最終確定打分值。根據河道特點和經驗，評價指標等級標準分為4個級別，即1級、2級、3級、4級，具體各個評價指標等級標準見表1。

表1 生態護坡綜合評價各個指標等級標準

2 評價方法[6-7]

目前，區域河道生態護坡評價方法研究的主要方法有多目標決策法、灰色關聯度法、模糊綜合評價法、投影尋蹤法、數據包絡分析(DEA)、主成分分析法等，每種方法都有具有相應的適用范圍和條件。本文選用模糊層次分析和主成分分析法對生態護坡進行綜合評價，考慮到各個指標間的相互獨立性和量綱不統一性，避免權重的均一性導致指標之間的非公平。

具體計算步驟如下：

1) 模糊層析分析主要是權重的確定，存在對各個評價指標的主觀性，采用Z-Score法進行數據標準化處理，運用層次分析法中0.1～0.9標度法，通過轉換來判斷模糊矩陣的一致性。

3 應用實例

3.1 研究區概況

紅旗河片區位于京杭大運河與西塘河之間，下轄6條河流，面積超過11×104m2。自北向南依次為南洋河、周家河、紅旗河、后橫港、連通港以及貫通南北的十字港。

十字港河，南起西塘河，北至錢家浜，全長2 487m。現河寬6～30 m，規劃控制河寬20～25 m，規劃河底標高為0.00 m，常水位1.35 m，整體南北走向，屬于運河水系。

3.2 數據來源

參考紅旗河片區河道治理水利工程調查評價與水資源優化配置分析的評價指標體系相關研究成果，根據浙江省水資源公報與浙江省統計年鑒等相關資料的收集，以2016現狀年的數據為原始數據，進行生態護坡綜合評價。

3.3 穩定評價分析

針對紅旗河片區河道綜合治理，擬選取西塘河采用堤防河流生態帶、錢家浜采用生態混凝土護坡、十字港河采用石籠谷坊3中生態護坡形式，運用模糊層次-主成分分析法進行生態護坡綜合評價。根據模型層次分析法，通過分別確定定性分值和定量分值，以獲得相應的評價值。根據評價值與數據標準值，計算各個指標的隸屬度，確定模糊綜合矩陣，相應求出各個評價指標的權重值。運用德爾菲法確定打分值與權重進行計算，求出各個評價指標的評價值，具體計算結果見表2。

表2 各個評價指標權重及評價值

從表2可知，根據指標層的12個指標計算結果，在3中生態護坡形式中，采用堤防河流生態帶建設表現出較好的安全性、生態環境、適宜性，從成本角度考慮，堤防河流生態帶建設成本低，同時也易于維護施工。生態混凝土護坡建設表現出來較差，因為生產工藝比較不完美，成本高，對護坡周邊土壤與地下水交換存在一定障礙性。石籠谷坊生態護坡的優越性介于堤防河流生態帶和生態混凝土護坡之間，安全性和景觀性有待改善和提高。

運用主成分分析法進行計算分析，對原始數據進行數據標準化，并計算特征值與累計方差貢獻率，并提取主因子，得到主因子分析表，見表3。

表3 主成分提取分析

根據統計學中一般認為的累計貢獻率達到85%以上的要求，說明包含12項評價指標所有信息。為滿足更多的信息，故提取3個主因子，即第1主因子，特征值為10.509；第2主因子，特征值為1.806；第3主因子，特征值為1.589，作為綜合評價指標。具體主因子載荷矩陣見表4。

表4 主因子載荷矩陣

從表4載荷矩陣中可以看出，第1主因子中B11、B21、B23、B32、B33、B41具有較高的載荷。由此可見，影響生態護坡綜合評價的主要因素有安全穩定性、物種多樣性、水環境修復效果、整體協調性、植被覆蓋率、工程年費用。

根據3個主成分所確定各主成分的特征值與所提取主成分特征值之和的比值，建立主成分綜合評價模型，計算公式為:

P=0.756P1+0.129P2+0.114P3

綜合評價值計算結果見表5。

表5 河道生態護坡綜合評價值

由綜合評價值計算結果可知，西塘河的堤防河流生態帶綜合評價值最好，錢家浜的生態混凝土護坡相對較差，十字港河的石籠谷坊護坡效果處于兩者之間。堤防河流生態帶護坡具有傳統的河道護坡效果，同時還具有防止水土流失的功能，還融入了生態景觀和生態文化等諸多方面，實現了社會經濟效益和生態效益。

本文采用模糊層次分析和主成分分析法進行計算，模糊層次分析法對以上3種護坡進行綜合評價，西塘河的堤防河流生態帶得分2.364；錢家浜的生態混凝土護坡得分-1.936；十字港河的石籠谷坊護坡得分0.545。結果表明，西塘河的堤防河流生態帶表現效果好，與主成分分析法得到的排序結果一致。

4 結 論

生態護坡是河道建設的基本內容，關系到河道類型、河道環境、水文地質等具體情況。通過構建生態護坡綜合評價指標體系，運用模糊層次分析法-主成分分析法進行評價計算，由于兩種方法存在指標計算間的差異性，前者要求指標具有定量分析，具有一定的數量；后者需要指標數量不宜過多，因此指標選取尤為重要。生態護坡類型具有多樣性，考慮到每種生態護坡都具有各自的特點，進行評價方法的選取也尤為重要，采用多種方法進行評價比較，使評價結果更具有合理性，更能體現出生態護坡用于改善河道生態治理的建設水平。