基于模糊层次-主成分分析法的河道生态护坡综合评价

汪绿培，陈新新

(1.温州市瓯海区水利局，浙江 温州 325000； 2.温州市瓯海区人民政府 瞿溪街道办事处，浙江 温州 325016)

流域河道承载着河流之间的防洪、排涝、引水、供水、生态、景观水系之间的作用，是水利工程建设与水资源可持续发展利用的枢纽。流域河道的建设不仅发挥着堤岸、护坡等重要水利工程的功能，而且还包括河道景观、河道文化、河道环境等人文内容，从而实现人与水的和谐发展。

近年来，生态环境建设成为热点问题，在生态环境中生态护坡与生态功能成为重点。国内研究方面，主要对生态护坡概念、技术、方法、材料等内容进行研究，研究方面比较单一，对护坡综合评价方面研究尚少，对护坡工程类持续研究也存在一定的局限性。如刘萌[1]以晏黄沟河道进行实地调查与分析，筛选出生态护坡最佳材料组合，并采用层次分析法优化护坡方案；王梅婷等[2]建立了合肥市城市河道生态护坡评价指标体系，运用层次分析法进行实例分析，评价结果反映了四里河和南淝河生态护坡的特性；卑志钢等[3]运用主成分回归分析方法和MATLAB 软件对上海市青浦区进行计算对比，分析的河道淤积成因；许士国等[4]引入模糊多属性决策模型，建立平原河道生态型护坡评价指标体系，对沈阳市西塘河生态护坡工程方案优选决策；束波峰[5]运用现浇透水生植物高强生态混凝土技术在合肥市南淝河某段河堤改造中对其与加固方案的综合使用，进行了一定的探索。

根据研究区域特点和社会经济发展状况，考虑到浙江省位于华中地区特殊的地理区域，从生态环境与生态功能的重要性出发，以红旗河片区河道生态综合治理为研究区域，采用模糊层析-主成分分析法，将两个方法的主观分析与客观分析相结合，对河道的生态护坡进行综合评价，对研究区域的可持续利用具有一定的参考借鉴。

1 评价指标体系

边坡的稳定是流域形态稳定的重要基础，引入生态概念，形成生态系统功能的可持续发展的统一整体。生态护坡综合评价指标体系主要从功能性评价、安全性评价、环境性评价、适宜性评价、经济效益评价等5个方面内容进行综合选取。考虑到各个评价指标的收集与选取量纲不统一，结合水利功能性作为生态护坡建设的基础，重点从安全性、生态环境、适宜性、经济效益4个方面进行生态护坡综合评价。

评价指标的选取方法多种多样，选取原则应该满足科学性、静态与动态相结合、易选取性、独立性、层次性、预测性，在运用指标量化方法的基础上，构建十字港河水库水源区河道生态护坡综合评价指标体系，具体指标体系见图1。

图1 生态护坡综合评价指标体系

根据指标量化方法，定量指标相关公式进行计算的指标值，并设有与指标值呈线性关系的分值；定性指标是采用一种主观性打分方法 ，即德尔菲法，选取一定专业领域的专家，根据专家经验和主观性进行打分，预测统计分布特征并反馈，专家进行修正打分，经过反复修正打分，最终确定打分值。根据河道特点和经验，评价指标等级标准分为4个级别，即1级、2级、3级、4级，具体各个评价指标等级标准见表1。

表1 生态护坡综合评价各个指标等级标准

2 评价方法[6-7]

目前，区域河道生态护坡评价方法研究的主要方法有多目标决策法、灰色关联度法、模糊综合评价法、投影寻踪法、数据包络分析(DEA)、主成分分析法等，每种方法都有具有相应的适用范围和条件。本文选用模糊层次分析和主成分分析法对生态护坡进行综合评价，考虑到各个指标间的相互独立性和量纲不统一性，避免权重的均一性导致指标之间的非公平。

具体计算步骤如下：

1) 模糊层析分析主要是权重的确定，存在对各个评价指标的主观性，采用Z-Score法进行数据标准化处理，运用层次分析法中0.1～0.9标度法，通过转换来判断模糊矩阵的一致性。

3 应用实例

3.1 研究区概况

红旗河片区位于京杭大运河与西塘河之间，下辖6条河流，面积超过11×104m2。自北向南依次为南洋河、周家河、红旗河、后横港、连通港以及贯通南北的十字港。

十字港河，南起西塘河，北至钱家浜，全长2 487m。现河宽6～30 m，规划控制河宽20～25 m，规划河底标高为0.00 m，常水位1.35 m，整体南北走向，属于运河水系。

3.2 数据来源

参考红旗河片区河道治理水利工程调查评价与水资源优化配置分析的评价指标体系相关研究成果，根据浙江省水资源公报与浙江省统计年鉴等相关资料的收集，以2016现状年的数据为原始数据，进行生态护坡综合评价。

3.3 稳定评价分析

针对红旗河片区河道综合治理，拟选取西塘河采用堤防河流生态带、钱家浜采用生态混凝土护坡、十字港河采用石笼谷坊3中生态护坡形式，运用模糊层次-主成分分析法进行生态护坡综合评价。根据模型层次分析法，通过分别确定定性分值和定量分值，以获得相应的评价值。根据评价值与数据标准值，计算各个指标的隶属度，确定模糊综合矩阵，相应求出各个评价指标的权重值。运用德尔菲法确定打分值与权重进行计算，求出各个评价指标的评价值，具体计算结果见表2。

表2 各个评价指标权重及评价值

从表2可知，根据指标层的12个指标计算结果，在3中生态护坡形式中，采用堤防河流生态带建设表现出较好的安全性、生态环境、适宜性，从成本角度考虑，堤防河流生态带建设成本低，同时也易于维护施工。生态混凝土护坡建设表现出来较差，因为生产工艺比较不完美，成本高，对护坡周边土壤与地下水交换存在一定障碍性。石笼谷坊生态护坡的优越性介于堤防河流生态带和生态混凝土护坡之间，安全性和景观性有待改善和提高。

运用主成分分析法进行计算分析，对原始数据进行数据标准化，并计算特征值与累计方差贡献率，并提取主因子，得到主因子分析表，见表3。

表3 主成分提取分析

根据统计学中一般认为的累计贡献率达到85%以上的要求，说明包含12项评价指标所有信息。为满足更多的信息，故提取3个主因子，即第1主因子，特征值为10.509；第2主因子，特征值为1.806；第3主因子，特征值为1.589，作为综合评价指标。具体主因子载荷矩阵见表4。

表4 主因子载荷矩阵

从表4载荷矩阵中可以看出，第1主因子中B11、B21、B23、B32、B33、B41具有较高的载荷。由此可见，影响生态护坡综合评价的主要因素有安全稳定性、物种多样性、水环境修复效果、整体协调性、植被覆盖率、工程年费用。

根据3个主成分所确定各主成分的特征值与所提取主成分特征值之和的比值，建立主成分综合评价模型，计算公式为:

P=0.756P1+0.129P2+0.114P3

综合评价值计算结果见表5。

表5 河道生态护坡综合评价值

由综合评价值计算结果可知，西塘河的堤防河流生态带综合评价值最好，钱家浜的生态混凝土护坡相对较差，十字港河的石笼谷坊护坡效果处于两者之间。堤防河流生态带护坡具有传统的河道护坡效果，同时还具有防止水土流失的功能，还融入了生态景观和生态文化等诸多方面，实现了社会经济效益和生态效益。

本文采用模糊层次分析和主成分分析法进行计算，模糊层次分析法对以上3种护坡进行综合评价，西塘河的堤防河流生态带得分2.364；钱家浜的生态混凝土护坡得分-1.936；十字港河的石笼谷坊护坡得分0.545。结果表明，西塘河的堤防河流生态带表现效果好，与主成分分析法得到的排序结果一致。

4 结 论

生态护坡是河道建设的基本内容，关系到河道类型、河道环境、水文地质等具体情况。通过构建生态护坡综合评价指标体系，运用模糊层次分析法-主成分分析法进行评价计算，由于两种方法存在指标计算间的差异性，前者要求指标具有定量分析，具有一定的数量；后者需要指标数量不宜过多，因此指标选取尤为重要。生态护坡类型具有多样性，考虑到每种生态护坡都具有各自的特点，进行评价方法的选取也尤为重要，采用多种方法进行评价比较，使评价结果更具有合理性，更能体现出生态护坡用于改善河道生态治理的建设水平。