河道生態護坡工程的綜合評價模型構建與應用研究

鄧 龍

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著社會的發展,我國河流治理工程的建設不斷加快,但同時也帶來了河流環境污染、水體質量下降、河道淤積、洪水沖刷、生態破壞等一系列問題［1］。為了解決上述問題,保護河道生態環境,必須采取有效措施,如河道整治中的生態護坡技術。

為此,許多學者針對生態護坡技術展開了相關研究。秦蕾［2］針對河道整治,運用生態水利工程技術,研究了河道整治的可行性和可持續性,結果表明生態水利工程在河道整治中能夠有效恢復河道的自然環境,改善河道環境,從而達到河道整治的目的。任金龍等［3］針對河道整治工程施工管理的問題及對策,對河道整治工程施工管理的現狀進行了分析,結果表明:①通過比較和研究發現,河道整治工程施工管理存在許多不足;②根據實際情況,分析河道整治工程施工管理的問題及對策,從技術、管理、質量等方面提出了若干有效對策。

因此,本文運用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、粗糙集理論(Rough set theory,RST)和模糊綜合評價法(Evaluation method of fuzzy mathematics,EMFM),對河道整治中生態護坡技術及應用進行了研究。并以賈河治理工程為例,通過賈河治理工程實施過程中生態護坡技術的應用,對水利水電項目的影響進行模糊綜合評判,保護河道生態環境。

1 基于層次分析法和粗糙集理論的河道生態護坡工程評價

1.1 評價指標體系的確立

河道生態護坡綜合評價指標體系屬于一個多層次、多準則、多指標的復雜、巨大的系統,其組成指標較多,且受到的影響也較多,各指標之間的層次結構比較顯著。因此,以護坡的特征和其結構特征為基礎,選取科學合理、具有代表性的評價指標,構建一個具有代表性的綜合評價指標［4-5］。

根據賈河綜合生態治理工程的具體條件,對該項目的生態護坡形式及工程質量的影響進行分析,將其劃分為結構形式(A)、經濟特征(B)、施工特征(C)及生態效應(D),構建包括4個評價準則、19個評價指標的河道生態護坡系統綜合評價指標體系模型。

結構形式(A)劃分為4項指標,即防洪能力A1、排水能力A2、穩定能力A3、抗沖刷能力A4;經濟特性(B)劃分為兩個指標,即建造及后期維修成本B1、運行時間B2;施工特性(C)分解為施工及維修的難易程度C1、施工進度的快慢C2、材料獲取難度C3以及施工對環境的影響C4共4個指標;生態影響(D)分解為9個指標,分別是透水性和涵水性D1、水文調蓄功能D2、水土保持效益D3、水質凈化性D4、生物多樣性D5、可持續性D6、親水性D7、蓋度D8以及綠期D9［6］。

其中,量化的評估指數有穩定性、抗沖刷性、建設及后期維護費用、滲透和涵養能力、水質凈化性、覆蓋度、綠化年限。定性的評估指標有防洪、排澇、運行期限、施工進度快慢、施工對環境的影響、施工及維護難易程度、材料獲取難度、水文調蓄功能、水土保持效益、生物多樣性、可持續性和親水性。見表1。

表1 河道生態護坡系統綜合評價體系架構

在確定完特定標準之后,收集、整理、分析所在地區各評價指數的績效(即目前的價值),根據已制定的相關準則進行評估,將其評定為10個等級,即-5～+5。結合其他相關評估工作所采用的分類方法,綜合分析生態影響的正負兩種類型特征,提出了采用分級體系和指標體系進行評估的方法［7-8］。因此,對河道生態護坡工程的工程治理效果進行綜合評估,將其分為5個層次,見表2。

表2 河道生態護坡綜合評價指數

1.2 基于層次分析法和粗糙集理論的綜合評價模型構建

基于AHP-RST-EMFM綜合評判方法,建立一個適用于河道整治中生態護坡技術的評價體系,將層次分析法(AHP)、粗糙集理論(RST)和模糊綜合評價法(EMFM)相結合,對生態護坡技術進行進一步研究。其技術路線圖見圖1。

圖1 AHP-RST-EMFM河道生態護坡工程評價模型

河道生態護坡效果評價的影響因子很多,各因子之間邏輯關系復雜,但往往是一個層級結構;各要素對綜合效益的貢獻都由其本身的特性所決定,在實際測量中則呈現出模糊的特點［9-10］。因此,運用AHP與RST判斷的基本原則相結合,建立一套生態影響評估的方法。

AHP是將問題分成不同的影響因子,并按一定的邏輯性進行分類,構成一個分層的層級［11］。根據各因子之間的相關關系,來決定各決策的優先次序。AHP是將定性和量化相結合的一種手段,將分析者和決策人的主觀評價以量化的方式表現出來并進行加工。其內容包括構建層次結構、構造判別矩陣、層次單排順序、層級總體順序等內容。其中,構建層次結構是指對問題的影響因素進行分類,一般分為最高層、中間層和最低層。上層代表目標確定,中層代表行動,底層代表問題解決。即最高層是目標層,僅包含一個單元,代表預先確定的目標或者期望的結果;中間層是標準層,可以分為幾個子層面,包含為達到目的而需要的中介環節,如評估準則、子準則;最底層是一個方案層次,代表不同的可供實現目標的備選方案。構造判別矩陣是指構建AHP的體系結構,在此基礎上,通過定義各層級的從屬關系,并對其進行分類運算。對于最大次因子,按每一層單元間的相關關系進行二次分析。層次單排序是指在同一層級上某個要素的相對重要程度,包括兩個方面,即權重的確定和判定矩陣的一致性［12-13］。加權方法包括有根方法和特征根方法。有根方法是先將判斷矩陣(A)的列矢量進行幾何平均,再進行歸一化處理,所得的列矢量就是加權矢量。

Ri=(rij)ni×m

(1)

(2)

利用模糊矩陣操作,得出一個綜合的模糊評價模型,公式如下:

(3)

最后,按照最大隸屬原則,將AHP與分級(如二級)的模糊評判相結合,建立一個河道生態護坡的生態影響評估模型。采用AHP方法,得到準則層與目標層、指標層和規范層之間的評價結果(即判定矩陣);然后,利用第二層次的評價模型進行決策。在模糊判別中,一級因子集中采用基準層次和目標層次判定矩陣的權重矢量,二級要素集中采用指數級和基準級別的判定矩陣權重向量。通過這種方法,將層次分析和模糊判別相結合,從而建立一個綜合河道生態護坡影響評估模型［15］。

2 基于層次分析法和粗糙集理論的應用效果分析

賈河河段治理工作的主要內容是:改善該河段的防洪排洪性能,改善河岸坡體的結構性穩定及抗沖刷性能;對河岸進行生態修復,確保河岸周圍的環境衛生;改善水質,增加水的潔凈度。

為此,在分析河流地質條件、河流實際狀況的基礎上,按照有關設計原理,提出漿砌石護坡、生態混凝土護坡、格賓石籠網墊護坡、預制混凝土鏈塊護坡4種護坡的設計方案。4種護坡方式的設計斜率都是1∶2.5,斜坡頂部距河床底部的高差為3.6m左右,水位距河床底部的低差為2.4m左右。利用MATLAB,分別建立不同類型的評估模型,并由10名專家對不同級別的評估因子進行對比,得出不同級別的評估結果,計算出不同級別判定矩陣的最大特征值與最大特征根之間的正規化矢量,驗證判定矩陣的相容性。見表3。

以標準層次為基礎,求出最優化的綜合權值。在構建粗糙集的評估模式時,必須先對其進行評估。將賈河河段分為5個部分,見表4。

表3 指標層權重結構表

表4 生態系統評價決策表

表4中,a、b、c、d、e分別為標準層面的5項指數,表4所列數據均來自本地區的歷史資料及評分表,以1至5的數值代表(很好、較好、一般、較差、很差);D為決定因素,其中1表示對本地區水利建設的正面影響,2表示對水利工程在該區域的負面影響。

采用AHP分析法與粗糙集法求出一級指數權重,即為μ=0.383,并依據理論,將主客觀權重系數的比率設為“黃金分割”。賈河河段的生態影響評價結果為:整體上呈現出積極的生態效果,但其積極作用則比較平庸;盡管該地區的生態環境沒有任何負面影響,但仍處在由弱向強的過渡期。由于氣候變化和人為因素的作用越來越大,若工程管理不合理或運營措施不當,將會產生負面影響。

引入模型系統連續引水l、2、3h之后,通過對河流進行分析,得出河流斷面濃度過程曲線。具體見圖2、圖3。

圖2 河道斷面20-26的COD及TP濃度沿河長的分布

從圖2(a)可以看到,河段閘門在1～3h內相繼開啟,導流能力15m3/s,各段的水體質量得到顯著改善。因此,可依據不同的水質指標需求,結合河閘調水規劃,利用水量水質模型及優化調度評價模型來決定合適的調水流量。同時,對城市河道的水質演變進行預報,以達到對城市水系水環境進行科學的治理。由圖2(a)還可看出,在經過3h的點閘門放水后,其COD濃度整體趨于4mg/L的水平,而經過1或2h點閘門放水的河流COD濃度明顯高于經歷3h的情況。同理,由圖2(b)可以看出,在經過3h的點閘門放水后,其TP濃度整體趨于0.3mg/L的水平,而經過1或2h點閘門放水的河流TP濃度明顯高于經歷3h的情況。

圖3 河道斷面20-26的及TN濃度沿河長的分布

由以上分析可以看出,本研究所提出的生態決策模型應用性能相對較為良好。

3 結 語

本文對水利工程生態影響評估的內容進行了分析,并構建了相應的評價指標。將層次分析法、粗糙集理論與模糊綜合評判相結合,建立了生態影響評估模型。采用層次分析法和粗糙集理論相結合的方法進行評估。以飛來峽水電站為例,對其實際應用進行了分析。結果表明,賈河河段的區域生態影響綜合價值指數為三級,整體上呈現出積極的生態效果。盡管該地區的生態環境沒有任何負面影響,但仍處在由弱向強的過渡期。由于氣候變化和人為因素的作用越來越大,若工程管理不合理或運營措施不當,將會產生負面影響。