金礦尾礦壩護坡植物定量評價與遴選

龔飛龍，江學良，楊 慧，張賢軍，趙少東，劉 凱，劉 勇

(1. 中南林業(yè)科技大學 土木工程學院，長沙 410004；2. 湖南天宇地環(huán)工程技術有限公司，長沙 410007;3. 湖南湘江建設工程有限公司，長沙 410017；4. 廣東中鄴山河建筑工程有限公司，廣東 佛山 528061)

自2012 年黨的十八大將“生態(tài)文明建設”列入國家戰(zhàn)略以來，礦山環(huán)境治理得到了前所未有的重視.據(jù)不完全統(tǒng)計，國家在“十三五”(2016―2020 年)期間投入的礦山環(huán)境修復治理的費用超750 億，其中約30%被用于尾礦庫的修復、治理[1].如今，“生態(tài)文明建設”再次被寫入國家十四五規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要，可見生態(tài)環(huán)境治理修復的重要性.作為尾礦庫最關鍵的部分，尾礦壩的邊坡穩(wěn)定性及生態(tài)修復就顯得尤為重要.

植物護坡能有效解決或緩解尾礦壩邊坡2 個方面的問題：一是通過植物根系加固尾礦邊坡表層土，防止?jié)巍⒒碌仁鹿实陌l(fā)生；二是通過植物修復尾礦的重金屬污染、尾礦堆積區(qū)植被恢復等生態(tài)環(huán)境問題[2-3].若不能科學全面地對尾礦壩護坡植物作評價和遴選，則植物護坡難以發(fā)揮其邊坡加固與生態(tài)修復應有的效果.應用層次分析法對護坡植物進行評價遴選，可根據(jù)尾礦壩的實際情況選擇護坡植物的各項指標作為評價因素，直觀地對護坡植物的作用效果進行對比，從而遴選出適宜尾礦壩生長的護坡植物.本文以金礦尾礦壩為例，采用層次分析法建立護坡植物層次分析模型，并遴選出合適的植物種植組合，以期為植物護坡在尾礦壩的工程應用提供參考.

1 層次分析法

1.1 方法簡介

層次分析法是一種常用的事物評價以及問題決策的方法.其核心內容是將問題按照一定的邏輯關系進行分解和排序，如目標、準則、方案等，形成具有高度組織性的樹形結構，最終達到可有序進行計算分析的目的[4-5].

1.2 基本步驟

1.2.1 建立層次分析模型

將評價對象或決策問題根據(jù)邏輯關系分解為多個要素，并劃分為頂層(目標層)、中間層(準則層)和底層(方案層或指標層)，得到初步的層次結構圖.

1.2.2 構建判斷矩陣

通過對同一層次的所有因素進行兩兩相互比較，采用“1-9 標度法”(見表1)確定每層各因素的權重占比，以達到各性質不同的因素可在同一評價體系中進行比較的目的.

表1 “1-9 標度法”判斷標準

各層次的比較結果可通過矩陣

進行數(shù)學處理.其中，Ai×j為判斷矩陣，表示本層各要素的相對重要性比較；要素i與j比較得到判斷矩陣的元素aij；要素j與i比較得到判斷矩陣的元素aji.根據(jù)各元素的相互比較情況以及矩陣的性質，矩陣中aij與aji具有以下性質：

1.2.3 層次單排序及其一致性檢驗

計算判斷矩陣最大特征根λmax的特征向量，并將特征向量歸一化處理后，得到權向量W=[W1,W2,W3, …,Wn]T.這一過程稱為層次單排序.

一致性檢驗可判斷層次單排序的合理性和有效性.采用一致性指標CI、隨機一致性指標RI以及一致性比率CR等指標進行檢驗.

一致性指標CI采用式(2)計算.

CI具有以下特征：CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有滿意的一致性；CI越大，不一致性越嚴重.

隨機一致性指標RI采用式(3)計算.

其中，CIi為隨機構造的判斷矩陣一致性指標.

“1-9”階矩陣RI值計算結果見表2.

表2 隨機一致性指標RI 值

1.2.4 層次總排序及其一致性檢驗

層次總排序是在層次單排序的基礎上，自上而下地計算出各層次要素相對于系統(tǒng)目標層的相對重要性權值.

對某一層要素(Bi)的層次總排序：假設其上一層要素(Aj)層次總排序已經(jīng)完成，那么，B層次的總排序結果為

其中，aj為要素Aj的總體權重值，即[a1,a2,…,aj,…,am]T為Aj的層次總排序結果；bi j為要素Bi對應其上一層次Aj的排序權值，即Bi層次單排序結果為[b1j,…,bi j,…,bnj]T.

B層次總排序計算見表3.

表3 B 層次總排序計算

檢驗層次總排序的一致性采用式(4)計算.

其中，CIj和RIj分別為B層次單排序一致性指標和隨機一致性指標.

一般CR＜0.1，則層次總排序一致性通過檢驗.

2 金礦尾礦壩護坡植物評價遴選的層次分析模型

不同礦種的尾礦壩，對于植物護坡的需求不盡相同.下面以金礦尾礦壩的護坡植物評價、遴選為例，介紹層次分析模型的建立過程.

根據(jù)金礦尾礦壩的特點，將層次分析模型分為3 級，第1 級單元為護坡植物的防護效果(目標層)，為最終的評價目的，主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性加固、生態(tài)修復等方面；根據(jù)作用效果將根系深度、植被覆蓋程度、重金屬富集能力和景觀優(yōu)美度4 個要素作為第2 級單元(準則層)；通過收集、整理和分析相關研究成果，選擇香根草、高羊茅、白三葉、紫花苜蓿、小葉女貞、蜈蚣草、蘆葦和狗牙根8 種護坡植物作為第3 級單元即底層單元(方案層).由1 個目標層要素、4 個準則層要素和8個方案層要素構成金礦尾礦壩護坡植物評價體系的層次分析模型，見圖1.

圖1 層次分析模型

3 層次分析模型的應用

3.1 層次分析模型的指標計算

對模型中4 個指標層要素兩兩比較，得到準則層指標要素的判斷矩陣及權重，見表4.

表4 準則層判斷矩陣及指標權重

通過文獻綜合分析得到方案層護坡植物各評價指標的判斷矩陣及權重[6-11]，見表5～表8.

表5 B1 指標判斷矩陣及權重評價

表6 B2 指標判斷矩陣及權重評價

表7 B3 指標判斷矩陣及權重評價

表8 B4 指標判斷矩陣及權重評價

經(jīng)計算檢驗，上述各判斷矩陣均具有滿意的一致性.準則層(B)要素的層次單排序即為層次總排序，無需再次檢驗.根據(jù)準則層(B)中各要素權重得出方案層(C)的層次總排序結果，見表9.

表9 方案層(C)總排序結果

經(jīng)計算，CI=0.046 3，CR=0.032 9＜0.10，這說明層次總排序具有滿意的一致性.

3.2 評價與遴選

整理方案層的總排序得到護坡植物評價結果，見表10.

表10 護坡植物評價結果

由表10 可知，根系深度指標得分最高的植物為香根草，達40.7 分.發(fā)達的根系使其具備優(yōu)良的邊坡加固潛能，且其耐瘠、耐旱等抗逆性較強，可作為尾礦壩邊坡護坡植物的首選.其他護坡植物根據(jù)根系深度指標得分高低依次為蘆葦、紫花苜蓿、小葉女貞、白三葉、蜈蚣草、狗牙根和高羊茅.

植被覆蓋程度得分最高的植物為狗牙根，達31.8 分，可用于尾礦壩邊坡坡面防雨水沖刷及水土流失.其余護坡植物根據(jù)植被覆蓋程度指標得分高低依次為白三葉、小葉女貞、蜈蚣草、紫花苜蓿、高羊茅、蘆葦和香根草.

重金屬富集能力指標得分最高的植物為香根草，達32.7 分，可用于尾礦庫重金屬污染的生態(tài)環(huán)境治理.其余護坡植物根據(jù)重金屬富集能力指標得分高低依次為紫花苜蓿、小葉女貞、蜈蚣草、白三葉、狗牙根、蘆葦和高羊茅.

景觀優(yōu)美度指標得分最高的植物為小葉女貞和紫花苜蓿，達37.1 分.其余護坡植物根據(jù)景觀優(yōu)美度指標得分高低依次為白三葉、蘆葦、香根草、高羊茅、蜈蚣草和狗牙根.

由此可知，根系深度、植被覆蓋程度、重金屬富集能力和景觀優(yōu)美度4 項指標評價得分較高的分別是香根草、狗牙根、香根草、紫花苜蓿和小葉女貞，其中紫花苜蓿的權重評價總得分比小葉女貞更高.因此，推薦香根草、紫花苜蓿和狗牙根3種植物作為金礦尾礦壩護坡植物的種植組合.

4 結論

1)針對尾礦壩護坡植物的評價，層次分析法可以量化各項評價指標.根系深度、植被覆蓋程度、景觀優(yōu)美度等因素可作為金礦尾礦壩的評價指標，其中根系深度和重金屬富集能力2 項指標權重較大，在選擇護坡植物時，應更多地考慮此2 項指標.

2)通過層次分析法計算分析，能夠系統(tǒng)直觀地對護坡植物進行評價.從香根草、高羊茅、白三葉、紫花苜蓿、小葉女貞、蜈蚣草、蘆葦和狗牙根8 種植物中遴選出香根草、紫花苜蓿和狗牙根3 種植物作為金礦尾礦壩護坡植物的種植組合.

3)可用于評價護坡植物邊坡加固與生態(tài)修復效果的指標較多，為更加科學、客觀、合理地得到評價結果，在使用層次分析法建立層次分析模型時可根據(jù)實際情況選擇相關指標.