南水北調東線一期工程水土保持防護評價

馬士龍，葉茂盛，孟繁斌

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.南水北調東線總公司，北京 100071；3.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120）

生產建設項目作為人為水土流失的重要策源地，其水土保持措施一直以來都受到國家和社會高度重視。筆者以南水北調東線一期工程為例，采用層次分析法和綜合值法，從水土保持功能、景觀美化功能、生態保護功能和社會經濟4 個方面對山東省和江蘇省典型的工程單元水土保持措施防護效果進行評價，以期為生產建設項目水土保持措施防護效果評價提供量化理論借鑒。

1 研究方法

1.1 層次分析法

層次分析法（AHP 法）[1]的基本原理簡單說就是針對要解決的問題進行由復雜到簡單、由高到低的逐層分解。將每個層次每個因素互相比較，得到相對重要性，利用數學方法綜合計算各層因素相對重要性的權值以及特征根和一致性指標等，以此進行方案排序，作為評價及選擇方案的依據。最終利用每個層次以及每個因素的相對重要性權重建立綜合評價模型，達到對定性或半定性因素量化的目的。

層次分析法基本計算步驟包括3 個方面：①建立評價指標體系，通過現場調查以及資料查詢，根據工程實際情況，建立由最高層（目標層）、中間層（準則層）、最低層（指標層）組成的3層遞階指標體系結構，同一層次的各個元素之間不存在直接的關系，后兩層的元素都分別隸屬于上一層的某一元素；②確定指標權重，首先通過兩兩比較準則層以及指標層因素的相對重要性，得到因素判斷矩陣，然后計算判斷矩陣最大特征值及特征向量，得到準則層和指標層因素的相對重要權重，最后檢驗單層權重及合成權重的一致性[2]，最終確定準則層和指標層因素的權重；③依據準則層以及指標層權重，提出綜合評價模型。

1.2 綜合值法

通過層次分析法可以得到綜合評價模型，但是要更準確、方便評價水土保持措施防護效果還需要計算其綜合值[3]。

1.2.1 指標無量綱化

由于評價指標涉及多個層次、多個方面，因此其數值和量綱都不盡相同，為了能比較各指標要素和計算指標的綜合指數，需進行數據無量綱化處理。

數據無量綱化處理的過程實際上就是分級打分的過程，在劃定某一指標要素的上下限范圍后，根據統計數據對指標進行分級，采用極差標準型法和等級法對所有指標數據去量綱化。標準無量綱化公式如下：

式中：ai和bi分別是第i個指標的上、下限；Ri為基礎數據無量綱化處理之后的結果，取值范圍為0～1，它表示該指標距理想狀態值的接近程度。對于發展型指標，當基礎數據xi越大，對防護效果越具有促進作用，此時Ri按式（1）計算；對于制約性指標，當基礎數據xi越大，對防護效果越具有阻礙作用，此時Ri按式（2）計算；對于發展與限制同時存在的指標，當基礎數據xi在某個臨界值時，對防護效果所起的促進作用最大，此時Ri按式（3）計算。

1.2.2 綜合值計算

各指標通過無量綱化處理后得到數值Ri以及通過AHP 判斷矩陣法得到各指標權重Pi后，兩值相乘就得到各指標的綜合值：

式中：SQR為評價對象的綜合評價值；n為評價指標個數。

2 數據獲取及評價模型構建

2.1 數據獲取

2020年8月，由南水北調東線總公司、中水淮河規劃設計研究有限公司、中水北方勘測設計研究有限責任公司、江河水利水電咨詢中心、江蘇省水利勘測設計研究院有限公司及山東省水利勘測設計院組成調研組對南水北調東線一期工程植被綠化及棄渣場防護效果進行調研。調研組一共30余人，包括教授級高工、高級工程師和工程師。

本次調研選擇典型工程段7處、典型樣地13處，其中江蘇省境內包括三陽河、潼河、寶應站工程段，典型樣地為寶應泵站和潼河河道段；長江至駱馬湖工程段，典型樣地為淮安四站；長江至駱馬湖其他工程段，典型樣地為金寶航道工程、金湖泵站、泗洪泵站以及徐洪河河道段。山東省境內包括南四湖至東平湖工程段，典型樣地為二級壩泵站和長溝泵站；穿黃河工程段，典型樣地為穿黃出湖閘河道段；濟平干渠工程段，典型樣地為刁山坡公路橋段；南水北調魯北工程段，典型樣地為魯北城區段和大屯水庫。

根據調研內容以及評價指標的特征，本次調研采用現場調查、樣方法、無人機航拍、會議座談、查閱資料等方式。

對于水土流失治理度、林草覆蓋率和追加投資比例等指標主要采用查閱工程單元水土保持設施驗收報告獲得；對于工程措施完好率、鄉土植物種比例、植物種保存率等指標主要采用現場調查以及樣方法進行研究計算獲得一手數據，本次共隨機布置草本樣方58 個、灌木樣方45 個、喬木樣方30 個、綜合樣方48個；對于美景度[4]、景觀多樣性指數[5]、景觀破碎化程度[6]等指標采用幻燈片研究法以及無人機航拍拼接法通過研究不同景觀類型斑塊，以及應用相關公式計算獲得；對于植物種配置方式、降低水質污染能力、項目整體運行狀況、文化傳承以及交通通達性等指標采用問卷調查以及專家現場評分法求平均值法進行研究分析獲得。通過現場實地調查以及室內計算，調研原始數據匯總詳見表1。

表1 調研原始數據匯總

2.2 指標體系

2.2.1 評價指標選取

南水北調東線一期工程水土保持措施防護效果評價指標主要分為3 個層次：第一層為目標層（A），即水土保持措施防護效果；第二層為準則層（U），主要針對水土保持措施實施后對水土保持、景觀美化、生態保護及社會經濟產生的效果；第三層為指標層（C），主要選取典型性和代表性的指標對防護效果進行指征。具體評價指標及獲取方法如下。

（1）水土流失治理度（%）。指工程水土流失防治責任范圍內水土流失治理達標面積與水土流失總面積的百分比，通過查閱工程水土保持設施驗收報告獲取。

（2）林草覆蓋率（%）。指工程建設征占地范圍內喬木林、灌木林與草地等林草植被面積之和占征占地土地面積的百分比，通過查閱工程水土保持設施驗收報告獲取。

（3）工程措施完好率（%）。指建成的水土保持工程設施中能有效發揮水土保持功能的工程措施數量（包括表土保護、土地整治、截排水工程以及棄渣場攔擋工程等，線性工程按長度、點狀工程按面積進行統計）占總水土保持工程設施數量的比例，通過現場調研、查閱相關統計資料分析研究獲取。

（4）鄉土樹種比例（%）。指工程建設征占地范圍內鄉土樹種的造林數量之和占所有造林樹種數量的比例，通過現場調研、查閱相關統計資料分析研究獲取。

（5）植物種保存率（%）。指現存活的植物種數量與實施造林時種植的植物種數量的百分比，通過現場調研分析研究獲取。

（6）美景度。指人類對自然景觀及人造景觀在主觀意識上的喜惡程度，通過SBE法進行計算獲取。

（7）植物種配置方式。指植物種配置的方式，主要包括純喬木林、純灌木林、純草本、喬木與灌木結合、喬木與草本結合、灌木與草本結合以及喬灌草相結合等。根據典型樣地不同功能分區內植物種配置的不同方式，將其分為3 個等級并設定不同分值。第一級植物種配置方式主要包括純喬木林、純灌木林或純草本，分值為1～2 分；第二級植物種配置方式主要包括喬木與灌木結合、喬木與草本結合或灌木與草本結合，分值為3～4 分；第三級植物種配置方式為喬灌草相結合，分值為5～6分。通過專家現場評分法對典型樣地植物種配置的方式進行打分，并計算其均值作為植物種配置的總評分。

（8）景觀多樣性指數。指工程單元內景觀類型的多樣性指數，在一定程度上反映景觀異質性以及生態穩定性的程度，通過用Simpson 多樣性指數（SHDI）計算獲取。

（9）景觀破碎化程度。指工程單元內景觀類型斑塊被分割的破碎程度，在一定尺度上反映人類活動對景觀的干擾程度，通過景觀格局指數計算獲取。

（10）降低水質污染能力。指植物綠化及水土保持措施合理有效的實施能減少水土流失，截留污染物進入水體，提高水環境質量等方面情況，將其分為4 個等級并設定不同分值。第一級植物綠化及其他水土保持防護措施合理有效的實施能減少水土流失，截留污染物進入水體，對南水北調工程水質能起到積極的改善作用，分值為7～8分；第二級植物綠化及其他水土保持防護措施實施后產生的防護效果較好，基本控制水土流失現象發生，對南水北調工程水質狀況只能起到較好改善作用，分值為5～6分；第三級植物綠化及其他水土保持防護措施實施后產生的防護效果一般，仍有水土流失發生或者植物出現斷帶等現象，降低水質污染能力水平一般，分值為3～4分；第四級植物綠化及其他水土保持防護措施實施后產生的防護效果較差，如產生植物落果或者飛絮、棄渣流失等現象對南水北調工程水質狀況產生不利影響，分值為1～2分。通過專家背靠背匿名打分方式，對典型工程樣地降低水質污染能力進行打分，按照評分標準分別對每一個指標進行打分，取其每一個級別平均值作為該級別的分值，并對每一個指標所有級別分值進行再一次平均得到該指標的評分值。

（11）項目整體運行狀況。指植物綠化及水土保持措施實施對項目整體穩定運行的時間、發揮的相關作用等方面影響情況，對發生安全事故的應單獨分析，將其分為3 個等級。第一級由于植物綠化及其他水土保持防護措施的實施，防護效果顯著，項目整體運行狀況良好，沒有發生過安全事故，沒有發生重大設計變更和追加大量投資情況，分值為5～6分；第二級由于植物綠化及其他水土保持防護措施的實施，防護效果一般，項目整體運行狀況處于穩定狀態，沒有發生安全事故，發生過重大設計變更或后期追加投資較高情況，分值為3～4 分；第三級由于植物綠化及其他水土保持防護措施的設計缺陷，防護效果基本處于較差水平，項目整體運行狀況不穩定，發生過安全事故，發生過重大設計變更或后期追加投資較高的情況，分值為1～2 分。通過專家背靠背匿名打分方式，對典型工程樣地項目整體運行狀況進行打分，按照評分標準分別對每一個指標進行打分，取其每一個級別平均值作為該級別的分值，并對每一個指標所有級別分值進行再一次平均得到該指標的評分值。

（12）追加投資比例（%）。指工程單元水土保持實施投資與水土保持方案批復投資之間差值占方案批復投資的百分比，通過查閱工程水土保持設施驗收報告獲取。

（13）文化傳承。根據典型樣地內植物綠化、景觀設計或者防護工程設計和實施中是否與運河文化以及沿岸歷史文化、民俗文化、風俗習俗等人文因素有較強的融合性，將其分為2個等級并設定不同分值。第一級植物綠化、景觀設計或者防護工程設計體現較高的運河文化以及沿岸歷史文化、風俗習俗、民俗文化，與當地人文具有較強的融合性，分值為3～4分；第二級景觀設計或者防護工程設計未考慮運河文化或沿岸歷史文化、民俗文化，與當地人文的融合性較弱，分值為1～2 分。通過專家背靠背匿名打分方式，對典型工程樣地項目文化傳承情況進行打分，按照評分標準分別對每一個指標進行打分，取其每一個級別平均值作為該級別的分值，并對每一個指標所有級別分值進行再一次平均得到該指標的評分值。

（14）交通通達性。根據典型樣地外部交通及工程單元內交通是否便捷、園區開放程度以及交通通達性是否可以滿足當地居民關于景觀游憩宜居功能的需求，將其分為3 個等級并設定不同的分值。第一級工程單元外部交通及內部交通便捷，通達性強，園區開放，植物綠化可以有較好的游憩宜居功能，分值為5～6分；第二級工程單元外部交通或內部交通便捷，通達性一般，園區開放，但是植物綠化只可以體現一部分居民的游憩宜居功能，分值為3～4 分；第三級工程單元外部交通及內部交通不便，通達性較弱，園區封閉，人類基本較少到達，分值為1～2分。通過專家背靠背匿名打分方式，對典型工程樣地交通通達狀況進行打分，按照評分標準分別對每一個指標進行打分，取其每一個級別平均值作為該級別的分值，并對每一個指標所有級別分值進行再一次平均得到該指標的評分值。

2.2.2 評價指標體系

綜合考慮各項影響因素，建立了水土保持措施綜合評價指標體系，對于其中某個具體指標在實際操作中如有困難，可適當增減或者調整指標，具體指標體系詳見表2。

表2 植被綠化及棄渣場防護效果綜合評價指標體系

2.3 指標權重

2.3.1 判斷矩陣標度及含義

構建判斷矩陣需要將同一層次評價因子兩兩進行重要性的相對性比較，判斷矩陣是相對于上一級元素來說，低層次因素的重要性比較。為了確定每個影響因素的重要性情況，采用1～9 標度法[7]構建判斷矩陣，每個標度都有不同的重要性判斷，標度值越大越會對判斷結果產生顯著影響，導致結果出現誤差，影響評價因子權重的確定。判斷矩陣標度及含義，詳見表3。

表3 判斷矩陣標度及含義

2.3.2 構建判斷矩陣及權重一致性檢驗

通過評價標度建立準則層和指標層判斷矩陣，并采用正規化求和法計算矩陣的特征根和特征向量，確定各個層次單排序（權重），并對各個層次權重進行一致性檢驗，以驗證權重的合理性。當所有層次單排序計算完成并通過一致性檢驗后，可以通過準則層權重與指標層權重分別相乘獲得最終指標權重，但最終權重也應該進行一致性檢驗，以便驗證權重結果的合理性。層次總排序及一致性檢驗，詳見表4。由表4看出，CR＜0.10，則權重滿足一致性檢驗。

表4 層次總排序及一致性檢驗

2.4 綜合評價模型

從水土保持防護效果、景觀美化效果、生態保護效果以及社會經濟效果考慮，運用AHP 法計算各個層次的權重，最終構建南水北調東線一期工程植被綠化與棄渣場防護效果綜合評價模型：

3 結果與分析

3.1 綜合值計算

3.1.1 數據無量綱處理

通過對本次調研指標進行分析討論，除景觀破碎化程度指數屬于制約性指標外，其余評價指標全部為發展型指標。因此，在確定所有指標上、下限基礎上，應用式（1）與式（2）計算指標無量綱數據Ri。評價指標無量綱數據，詳見表5。

表5 評價指標無量綱數據

3.1.2 防護效果綜合評價值

通過應用基于AHP 法構建的綜合評價模型，計算每個樣地所有指標的綜合值，最終得到所有樣地植被綠化及棄渣場防護效果的綜合值，詳見表6。

由表6 可以看出，山東省境內線狀工程樣地中穿黃工程段防護效果最好（綜合值0.724），點狀工程樣地中二級壩泵站防護效果最好（綜合值0.573）；江蘇省境內線狀工程樣地中徐洪河河道防護效果最好（綜合值0.529），點狀工程樣地中泗洪泵站防護效果最好（綜合值0.685）。

表6 防護效果評價綜合值及排序

3.2 結論與建議

（1）運用層次分析法（AHP）構建南水北調東線一期工程水土保持措施防護效果評價綜合模型，通過分析可知，從水土保持功能、景觀美化功能、生態保護功能和社會經濟4個方面評價其對整體防護效果的影響程度逐漸減弱。

（2）通過計算綜合值可以看出，南水北調東線一期工程水土保持措施防護效果整體上存在缺陷，防護效果合格率僅為31%。隨著國家生態文明建設的推進，生產建設項目水土保持措施應更加完備和系統，水土保持工程標準也需要進一步提高，投入也應加大，才能更好地發揮其防護效果，保障周邊生態安全和穩定。