生態(tài)護坡系統(tǒng)結構綜合評價指標體系的建立與應用

朱明龍

(中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081)

生態(tài)護坡是在生態(tài)水利建設領域結合了“海綿城市”和“可持續(xù)發(fā)展觀”，需求解決河道生態(tài)治理工程與兩岸生態(tài)環(huán)境的矛盾和沖突，在現(xiàn)代生態(tài)河道治理工程中發(fā)揮著越來越重要的角色[1- 6]。

新中國成立以來，我國的水利事業(yè)取得了長足的發(fā)展，但是由于傳統(tǒng)開發(fā)利用模式，往往過分強調(diào)經(jīng)濟效益，忽視了對水生態(tài)環(huán)境的保護，例如在河道護坡工程中，傳統(tǒng)的設計方案多采用漿砌塊石、混凝土等硬質(zhì)化材料，這些方案不僅建設成本較高。而且穩(wěn)定性和抗沖刷性不強、且容易造成水生態(tài)環(huán)境的惡化，不利于兩岸生態(tài)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，為了改變這一現(xiàn)狀，政府逐漸開始重視水利工程建設中的“生態(tài)特性”，經(jīng)過多年發(fā)展，已提出多種生態(tài)護坡結構形式，如生態(tài)植被護坡、生態(tài)混凝土護坡、土工格柵固土種植基護坡等等。但是不同的河道的情況需采取不同的生態(tài)護坡才能達到最佳的效果，因此，就必須針對特定的工程對不同生態(tài)護坡方案進行綜合評價分析，以最終確定最佳的設計方案[7- 12]。

本文針對不同的生態(tài)護坡結構，建立綜合評價體系，并采用不同的評價方法進行綜合綜合評價，以期能為生態(tài)護坡工程的設計、施工提供借鑒。

1 生態(tài)護坡簡介

生態(tài)護坡是綜合現(xiàn)代水利工程、生態(tài)學、植物學等多門學科，對邊坡進行加固和防護的技術手段，其既要滿足對河道岸坡的工程防護需求，又要兼顧河道的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，體現(xiàn)了人與自然和諧發(fā)展的要求。傳統(tǒng)的護坡結構包括石材類護坡、混凝土護坡、噴漿類護坡、擋土護坡等，生態(tài)護坡根據(jù)使用的材料類型又可以分為植物護坡、木材護坡、生態(tài)型混凝土類護坡、土壤生物工程護坡以及土工復合材料種植基護坡。傳統(tǒng)護坡強調(diào)興利、除害，平面一般順直平滑，斷面幾何規(guī)整，主要功能是防洪、排澇、蓄水和航運。與傳統(tǒng)護坡相比，生態(tài)護坡還具有景觀、生態(tài)、娛樂等特性，同時平面一般蜿蜒曲折，斷面復雜多變，見表1。

表1 傳統(tǒng)與生態(tài)護坡對比

2 綜合評價體系的建立

2.1 評價指標體系

生態(tài)護坡結構形式的選擇應從結構特性、經(jīng)濟特性、施工特性和生態(tài)特性4個方面進行綜合考慮。其中，結構特性應考慮防洪功能、排澇功能、穩(wěn)定性功能、抗沖刷性；經(jīng)濟特性應考慮建設及后期維護費用、運行期限；施工特性應考慮施工和維護的難易程度、施工對環(huán)境的影響、施工速度以及施工材料的易得性；生態(tài)特性應考慮透水性和涵水性、水文調(diào)蓄功能、水土保持效益、水質(zhì)凈化性、生物多樣性、可持續(xù)性、親水性、蓋度以及綠期。從而可以構建得到包括4個評價準則層共計19個評價指標的生態(tài)護坡評價指標體系模型，如圖1所示。

圖1 綜合評價指標體系

2.2 評價分析流程

建立生態(tài)護坡綜合評價指標體系模型后，首先利用層次分析法AHP構造判斷矩陣，通過一致性檢驗分析過后，計算得到每個評價指標的權重；然后分別利用綜合評價指數(shù)法和灰色關聯(lián)度法計算綜合評價指數(shù)和關聯(lián)綜合評價計算；最后，根據(jù)計算結果，通過定性和定量評價，進行綜合評價分析，得出最佳的生態(tài)護岸設計方案[13- 15]，如圖2所示。

圖2 綜合評價分析流程

3 應用分析

3.1 工程概況

某河流全長254km(其中流經(jīng)縣城長度為40.9km)，流域面積為4219km2，流域多年平均低溫15.8℃，多年平均降雨量900mm，多年平均日照時長為2019h。河道兩岸多呈“U”型河谷，寬度為100～120m，平均坡降為1/900，河道兩岸多以片麻巖、石灰?guī)r、砂石土以及石碴土為主，飽水性能較差，兩岸的水土流失較為嚴重。

當前，該河流城區(qū)段護岸存在如下一些問題：①岸坡沖刷較為嚴重，穩(wěn)定性較差；②兩岸的水土流失現(xiàn)象嚴重，固水保水能力差；③局部護岸出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，影響河道的防洪排澇能力；④水質(zhì)較差，泥沙淤積嚴重，水生態(tài)遭到嚴重破壞；⑤護坡形式單一，美觀性和親水性不佳；⑥沿岸缺少植物配置，沒有穩(wěn)定的植物群落，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。為提高沿岸土地利用率，保護沿岸生態(tài)環(huán)境，改善兩岸居民的生活環(huán)境，故需對該河流城區(qū)段進行整治和生態(tài)護坡建設。

3.2 生態(tài)岸坡設計方案

本次河段整治的首要任務是提高城區(qū)河段的防洪和行洪能力，提高沿岸的抗沖刷能力和穩(wěn)定性，其次是提升兩岸的生態(tài)環(huán)境，改善水質(zhì)。因此，根據(jù)河道的工程地質(zhì)情況，結合相關設計原則，初步提出五種生態(tài)岸坡設計方案，分別是：預制混凝土護坡、生態(tài)植被護坡、生態(tài)混凝土護坡、土工格柵固土種植基護坡以及石籠—灌叢層插護坡，如圖3所示。

圖3 生態(tài)岸坡初步設計方案

3.3 結果分析

3.3.1AHP指標權重

邀請同行業(yè)的7位專家對上述5種設計方案進行打分，得到各評價指標的隸屬度值，然后構建判斷矩陣，并進行一致性檢驗分析，通過計算分別得到了準則層和指標層的權重值，如圖4所示。從圖4(a)中可以看到：從四個準則層的權重情況可以看出，生態(tài)護坡的結構特性權重值(0.3965)最高，其次為生態(tài)特性，權重值為0.2936，經(jīng)濟特性權重值(0.1866)和施工特性(0.1233)分別排名第三和第四，可見，對于河道生態(tài)護坡最重要的是滿足河道的結構特性，即提高防洪排澇能力和穩(wěn)定性，其次為改善河道的生態(tài)環(huán)境，提升水質(zhì)，這與河道整治的初衷相一致，因此，專家評分客觀合理。

圖4 權重值計算結果

從19個指標層的權重值可以看出：防洪指標、排澇指標、穩(wěn)定性指標以及抗沖刷性指標的權重值分別排名前4位，表明該河段生態(tài)護坡治理的最首要目標是滿足上述四項功能；運行期限(B2)、透水性和涵水性(D1)、水文調(diào)蓄功能(D2)以及水土保持效益分別排名五到八位，親水性(D7)、施工和維護難易程度(C3)、施工速度(C1)和施工材料的易得性(C4)的權重值排在末四位，表明相較于其它指標而言，這些指標并不是本次河道生態(tài)護坡治理主要考慮的因素。

3.3.2基于綜合評價指數(shù)法評價結果

基于AHP權重值分析結果，利用綜合評價指標法得到的評分結果如圖5所示。從圖中可以看到：從結構特性評分結果來講：方案1>方案3>方案5>方案4>方案2，方案1(預制混凝土護坡)的結構特性最好，方案2(生態(tài)植被護坡)的結構特性最差；從經(jīng)濟特性評分結果來講：方案5>方案2>方案3>方案4>方案1，方案5(石籠—灌叢層插護坡)的經(jīng)濟特性最好，方案1(預制混凝土護坡)的經(jīng)濟特性最差；從施工特性來講：方案5>方案2>方案3>方案1>方案4，方案5(石籠—灌叢層插護坡)的施工特性最好，方案4(土工格柵固土種植基護坡)的施工特性最差；從生態(tài)特性來講：方案3>方案2>方案4>方案5>方案1，方案3(生態(tài)混凝土護坡)的生態(tài)特性最好，方案1(預制混凝土護坡)的生態(tài)特性最差。從總評分結果來講：方案3>方案5>方案4>方案2>方案1，因此，從綜合評價指數(shù)評價結果來講，采用生態(tài)混凝土護坡的設計方案最佳。

圖5 綜合評價指標法評分結果

3.3.3基于灰色關聯(lián)度法的評價結果

同理，基于AHP權重值分析結果，利用灰色關聯(lián)度評價指標法得到的評分結果如圖6所示。從圖中可以看到：從結構特性評分結果來講：方案1>方案3>方案5>方案4>方案2，這與綜合評價指標法評價結果相一致；從經(jīng)濟特性評分結果來講：方案3>方案5>方案2>方案1>方案4，方方案3(生態(tài)混凝土護坡)的經(jīng)濟特性最好，方案4(土工格柵固土種植基護坡)的經(jīng)濟特性最差；從施工特性來講：方案5>方案2>方案3>方案1>方案4，這也與；從生態(tài)特性來講：方案3>方案4>方案2>方案5>方案1，方案3(生態(tài)混凝土護坡)的生態(tài)特性最好，方案1(預制混凝土護坡)的生態(tài)特性最差。從總評分結果來講：方案3>方案5>方案1>方案4>方案2，因此，從灰色關聯(lián)度評價指數(shù)評價結果來講，仍是采用生態(tài)混凝土護坡的設計方案最佳。

圖6 灰色關聯(lián)度評價指標法評分結果

3.3.4護坡方案選擇

經(jīng)層次分析法(AHP)對生態(tài)護坡各個指標進行賦權，然后分別通過綜合評價指標法和灰色關聯(lián)度評價指標法對5種不同護坡方案進行了分析和評價，從評價結果來看：雖然不同準則層的評價結果有不同之處，但最終得到的總評價結果大致相同，兩種評價方法得到的最佳方案均是采用生態(tài)混凝土護坡，此時能夠達到較大的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益，故建議在本工程中采用生態(tài)混凝土護坡作為最終的施工方案。

4 結語

建立生態(tài)護坡綜合評價指標體系，運用層次分析(AHP)法對各指標進行賦權，然后分別采用綜合評價指標法和灰色關聯(lián)度評價指標法對5種護坡方案的綜合性能進行了評價和分析，得出如下結論：

(1)從準則層來看，結構特性的權重值最大，從指標層來看，防洪指標的權重值最大。

(2)基于綜合評價指數(shù)法評價結果顯示：方案3>方案5>方案4>方案2>方案1，采用生態(tài)混凝土護坡的設計方案最佳。

(3)基于灰色關聯(lián)度法的評價結果顯示：方案3>方案5>方案1>方案4>方案2，也是采用生態(tài)混凝土護坡的設計方案最佳。

(4)綜合兩種評價方法的評價結果，認為在本工程中采用生態(tài)混凝土護坡作為最終的施工方案，能夠達到較大的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。