寒區河道生態護坡優選研究

張明勝，王笑峰，杜 崇，劉 濤，溫玉強

(1.黑龍江大學 水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080； 2.黑龍江農業經濟職業學院，黑龍江 牡丹江 157041)

長期以來，我國的河道綜合治理工作重點強調提高行洪速度、減輕河道沖刷、增強水土保持能力等方面，一直追求河岸的全面硬化。這種傳統的硬質化護坡對減輕坡面修建初期的不穩定性效果良好，但是硬質化護坡將河岸表面封閉起來，阻隔了水陸的連接通道，破壞了河流生態系統的整體平衡[1-2]。尤其是在寒冷地區，傳統的硬質化護坡在經受凍脹和融沉作用后，會發生斷裂、破碎甚至坍塌[3]。發達國家對傳統硬質化護坡造成的問題認識較早，自20世紀30年代開始就提出了有關的生態護坡技術，并且從20世紀60年代開始逐漸有了各自的技術理念，相關研究也逐漸增多[4-5]。我國對生態護坡技術的研究于20世紀90年代才開始[6-7]，且有關寒區河道生態護坡的研究較少。本研究在松花江干流治理工程通河段13、14、15標段，根據寒區特有植物綜合搭配9種生態護坡進行現場試驗，調查測試植物生長指標、抗沖刷能力指標等，并采用層次分析法構建綜合評價指標體系，運用綜合指數評價法優選出適宜寒區河道生態護坡的設計方案，可為我國寒區河道生態護坡建設與相關研究提供理論和實踐參考。

1 研究區概況

松花江干流通河段位于黑龍江省中部，小興安嶺南麓，松花江中游，地理位置為東經128°07′30″～129°24′30″、北緯45°52′30″～46°37′30″，堤防全長131.497 km，設計防洪等級2級，流速小于1 m/s。研究區屬大陸性季風氣候區，春季干燥多風，夏秋炎熱多雨，秋季降溫急劇，冬季嚴寒漫長，常有凍害發生；降水量年際變化較大，年內分配不均，多集中在夏季，多年平均降水量為553 mm，汛期6—9月降水量占全年降水量的70%～80%。

2 研究材料與方法

2.1 試驗設計

本次研究的對象是松花江干流通河段13、14、15標段建設的9種生態護坡，具體形式見表1。

表1 9種生態護坡具體形式

在2017年6月至2018年5月進行了生態護坡的現場建設，如在松花江干流通河段15標段火炬村子堤建設完成了植生袋生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆+羊茅)，建設過程見圖1。

圖1 植生袋生態護坡建設過程

在2017年9月與2018年9月完成了9種生態護坡的植物生長指標、抗沖刷能力、工程造價等指標的相關試驗與現場調查，具體指標值見表2，9種生態護坡的植物生長狀況見圖2。生態護坡植物抗沖刷性能試驗采用裝配式有壓流沖刷裝置，在同樣的沖刷條件下，自1.0 m/s起沖，以0.5 m/s的流速逐級遞增，每級流速沖刷歷時1 h，直至參與抗沖刷試驗的生態護坡完全破壞。9種生態護坡的累計抗沖刷歷時為3.00～7.50 h，見表2。

表2 9種生態護坡現場調查測試指標值

圖2 9種生態護坡的植物生長狀況

2.2 綜合評價指標體系

生態護坡工程的評價是全面的、復雜的，需要結合工程實踐，且評價指標體系應符合整體性、系統性、科學性、動態性、可操作性、代表性及定性指標和定量指標相結合的原則[8]。層次分析法(AHP)可以將這種影響因素較多、有層次卻難以用定量描述的評價指標體系進行總目標層、各子目標層的劃分，形成清晰的結構。根據地域類型、生態護坡常用指標以及專家分析，綜合我國學者對護坡評價的研究經驗和影響護坡的因素[9]，采用層次分析法將寒區河道生態護坡綜合評價體系劃分為目標層、準則層和指標層，選取生態性、經濟性、施工綜合性和景觀綜合性4個準則及13個指標來構建生態護坡綜合評價指標體系，見圖3。

圖3 寒區河道生態護坡綜合評價指標體系

2.3 評價指標權重的確定與計算方法

依據層次分析法，在建立綜合評價指標體系后，采用1～9比例標度法來確定各評價指標的相對重要性。以生態護坡綜合評價指標體系為目標層(A)，根據專家和水利專業人士對生態性(B1)、經濟性(B2)、施工綜合性(B3)和景觀綜合性(B4)兩兩比較重要性進行取值。再分別以B1、B2、B3、B4為準則層，根據專家和水利專業人士對指標層(C1，C2，…，C13)兩兩比較重要性進行取值,最后建立判斷矩陣，計算出各評價指標的權重，并進行一致性檢驗。

將各指標層(C1，C2，…，C13)相對于準則層(B1，B2，B3，B4)的權重與準則層(B1，B2，B3，B4)相對于目標層(A)的權重相乘,可得各指標層在生態護坡綜合評價中所占的權重。相應的指標評分的計算方法見表3。

表3 指標層總權重與對應的評分計算

2.4 指標的無量綱化

在評價過程中，參評的各項指標量綱不一致，不具可比性，因此對各子指標層指標進行歸一化處理，使其轉化為0～1的無量綱數值。具體的歸一化處理過程針對各項指標和數據特點分為兩類：一類是可定量化指標(見表2)，采用“min-max標準化”進行歸一化處理，處理結果見表4；另一類是無定量化數據的指標，采用專家打分法，建立打分標準，使指標評分為0～1，評分標準見表5。

表4 可定量化指標值歸一化處理結果

表5 無定量化數據的指標的量化方法和評分標準

2.5 綜合指數評價法

綜合指數評價法是將不同性質的各指標層指標經歸一化處理后，再通過權重疊加得出綜合評價值。生態護坡綜合評價值計算式為

(1)

式中：N為生態護坡綜合評價值；Bi為第i個準則層的權重；Cij為第i個準則層中第j個指標所占的權重；Xij為第i個準則層中第j個指標的評分值；n為準則層的指標數量；m為指標層中指標的數量。

3 結果及分析

依據各項指標的綜合權重及歸一化處理后的數值，采用式(1)開展綜合評價，得到參評的9種生態護坡準則層指標的評價值，見圖4。對9種生態護坡的準則層指標的評價值分別求和，計算得到9種生態護坡綜合評價值，見圖5。

圖4 9種生態護坡準則層指標評價值

由圖5可知，9種生態護坡綜合評價值排序為T3(0.688 0)>T4(0.649 1)>T2(0.585 0)>T9(0.540 9)>T7(0.449 2)>T6(0.433 1)>T1(0.385 1)>T5(0.371 6)>T8(0.363 7)。其中：得分最高的為T3環保草毯生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)，綜合評價值為0.688 0；T2植生袋生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆+羊茅)和T4雷諾生態護坡(紫花苜蓿)綜合評價值較高，分別為0.585 0和0.649 1；綜合評價值最低的為T8雷諾生態護坡(食用大黃)，綜合評價值為0.363 7。

圖5 9種生態護坡綜合評價值

由圖4、圖5可分析出9種生態護坡綜合評價值的施工綜合性與景觀綜合性得分沒有較大的差距，影響生態護坡綜合評價值的主要因素為生態性得分與經濟性得分，如綜合評價值最高的T3環保草毯生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)，綜合評價值貢獻主要來源于最高的經濟性得分、第二高的生態性得分；綜合評價值最低的T8雷諾生態護坡(食用大黃)，主要是因為最低的經濟性得分和第二低的生態性得分。

由圖5可知，T2植生袋生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆+羊茅)、T3環保草毯生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)與T9雷諾生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草)3種多種植物搭配的生態護坡比只有單一植物的T5雷諾生態護坡(黃花菜)、T6雷諾生態護坡(委陵草)、T7雷諾生態護坡(草木樨)與T8雷諾生態護坡(食用大黃)的綜合評價值要高，主要原因：多種植物生態護坡的地表植物總鮮質量以及豆科植物覆蓋度較高，改善土壤性能較強，改善土壤性質評分較高；多種植物生態護坡的累計抗沖刷歷時普遍較長，降低災害能力較強，降低災害評分較高。而單一植物生態護坡不僅在以上兩方面處于劣勢，而且為了獲取經濟效益需要定期采收，導致年維護費用較高，年維護費用評分較低。

T1框格綠化混凝土生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草)的綜合評價值較低的原因是：在框格綠化混凝土周圍的植被生長狀況較差，框格綠化混凝土生態護坡中的植被各項生態指標較低，導致生態性得分較低；框格綠化混凝土生態護坡盡管有極穩定的護坡結構，但其工程造價最高，施工相較于其他生態護坡要求較高、難度較大，施工材料相較于其他生態護坡也不環保，導致其經濟性得分較低，施工綜合性得分最低。

盡管T4雷諾生態護坡(紫花苜蓿)是單一植被護坡，但是在現場試驗過程中，可以觀察到紫花苜蓿具有極快的成坪速度、極強的水土保持能力與土壤改良功能，這使其獲得了最高的生態性得分及第二高的綜合評價值。

4 結 論

(1)采用層次分析法建立寒區河道生態護坡綜合評價指標體系，分為目標層、4個準則層、13個指標層，將定性指標與定量指標有機結合，使評價過程十分清晰明確，基本上可以從不同角度對現場建設的9種生態護坡做出合理的評價。在綜合評價過程中采用綜合指數評價法，將現場測試的不同性質、不同單位的各種指標值進行歸一化處理，依據建立的寒區河道生態護坡綜合評價體系加權計算得出各生態護坡綜合評價值，能夠全面、高效、直觀地反映出每種生態護坡的實際情況。

(2)評價結果顯示，此次參與評價的9種生態護坡中，T3環保草毯生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)的綜合評價值最高，實際表現也最好，可以在未來寒區水利工程生態護坡建設中優先選用。

(3)在現場試驗過程中，綜合評價值僅次于T3環保草毯生態護坡(波斯菊+紫花苜蓿+披堿草+野大豆)的T4雷諾生態護坡(紫花苜蓿)也有著較好的表現，表明紫花苜蓿較其他植物而言更加適宜寒區環境。在未來寒區河道生態護坡建設方案研究中，可采用紫花苜蓿與其他植物合理配比播種，以最大程度發揮其在寒區環境具有的獨特優勢，設計出更高效的生態護坡方案。