生态护坡系统结构综合评价指标体系的建立与应用

朱明龙

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610081)

生态护坡是在生态水利建设领域结合了“海绵城市”和“可持续发展观”，需求解决河道生态治理工程与两岸生态环境的矛盾和冲突，在现代生态河道治理工程中发挥着越来越重要的角色[1- 6]。

新中国成立以来，我国的水利事业取得了长足的发展，但是由于传统开发利用模式，往往过分强调经济效益，忽视了对水生态环境的保护，例如在河道护坡工程中，传统的设计方案多采用浆砌块石、混凝土等硬质化材料，这些方案不仅建设成本较高。而且稳定性和抗冲刷性不强、且容易造成水生态环境的恶化，不利于两岸生态经济的可持续发展。因此，为了改变这一现状，政府逐渐开始重视水利工程建设中的“生态特性”，经过多年发展，已提出多种生态护坡结构形式，如生态植被护坡、生态混凝土护坡、土工格栅固土种植基护坡等等。但是不同的河道的情况需采取不同的生态护坡才能达到最佳的效果，因此，就必须针对特定的工程对不同生态护坡方案进行综合评价分析，以最终确定最佳的设计方案[7- 12]。

本文针对不同的生态护坡结构，建立综合评价体系，并采用不同的评价方法进行综合综合评价，以期能为生态护坡工程的设计、施工提供借鉴。

1 生态护坡简介

生态护坡是综合现代水利工程、生态学、植物学等多门学科，对边坡进行加固和防护的技术手段，其既要满足对河道岸坡的工程防护需求，又要兼顾河道的生态可持续发展，体现了人与自然和谐发展的要求。传统的护坡结构包括石材类护坡、混凝土护坡、喷浆类护坡、挡土护坡等，生态护坡根据使用的材料类型又可以分为植物护坡、木材护坡、生态型混凝土类护坡、土壤生物工程护坡以及土工复合材料种植基护坡。传统护坡强调兴利、除害，平面一般顺直平滑，断面几何规整，主要功能是防洪、排涝、蓄水和航运。与传统护坡相比，生态护坡还具有景观、生态、娱乐等特性，同时平面一般蜿蜒曲折，断面复杂多变，见表1。

表1 传统与生态护坡对比

2 综合评价体系的建立

2.1 评价指标体系

生态护坡结构形式的选择应从结构特性、经济特性、施工特性和生态特性4个方面进行综合考虑。其中，结构特性应考虑防洪功能、排涝功能、稳定性功能、抗冲刷性；经济特性应考虑建设及后期维护费用、运行期限；施工特性应考虑施工和维护的难易程度、施工对环境的影响、施工速度以及施工材料的易得性；生态特性应考虑透水性和涵水性、水文调蓄功能、水土保持效益、水质净化性、生物多样性、可持续性、亲水性、盖度以及绿期。从而可以构建得到包括4个评价准则层共计19个评价指标的生态护坡评价指标体系模型，如图1所示。

图1 综合评价指标体系

2.2 评价分析流程

建立生态护坡综合评价指标体系模型后，首先利用层次分析法AHP构造判断矩阵，通过一致性检验分析过后，计算得到每个评价指标的权重；然后分别利用综合评价指数法和灰色关联度法计算综合评价指数和关联综合评价计算；最后，根据计算结果，通过定性和定量评价，进行综合评价分析，得出最佳的生态护岸设计方案[13- 15]，如图2所示。

图2 综合评价分析流程

3 应用分析

3.1 工程概况

某河流全长254km(其中流经县城长度为40.9km)，流域面积为4219km2，流域多年平均低温15.8℃，多年平均降雨量900mm，多年平均日照时长为2019h。河道两岸多呈“U”型河谷，宽度为100～120m，平均坡降为1/900，河道两岸多以片麻岩、石灰岩、砂石土以及石碴土为主，饱水性能较差，两岸的水土流失较为严重。

当前，该河流城区段护岸存在如下一些问题：①岸坡冲刷较为严重，稳定性较差；②两岸的水土流失现象严重，固水保水能力差；③局部护岸出现坍塌现象，影响河道的防洪排涝能力；④水质较差，泥沙淤积严重，水生态遭到严重破坏；⑤护坡形式单一，美观性和亲水性不佳；⑥沿岸缺少植物配置，没有稳定的植物群落，生态系统较为脆弱。为提高沿岸土地利用率，保护沿岸生态环境，改善两岸居民的生活环境，故需对该河流城区段进行整治和生态护坡建设。

3.2 生态岸坡设计方案

本次河段整治的首要任务是提高城区河段的防洪和行洪能力，提高沿岸的抗冲刷能力和稳定性，其次是提升两岸的生态环境，改善水质。因此，根据河道的工程地质情况，结合相关设计原则，初步提出五种生态岸坡设计方案，分别是：预制混凝土护坡、生态植被护坡、生态混凝土护坡、土工格栅固土种植基护坡以及石笼—灌丛层插护坡，如图3所示。

图3 生态岸坡初步设计方案

3.3 结果分析

3.3.1AHP指标权重

邀请同行业的7位专家对上述5种设计方案进行打分，得到各评价指标的隶属度值，然后构建判断矩阵，并进行一致性检验分析，通过计算分别得到了准则层和指标层的权重值，如图4所示。从图4(a)中可以看到：从四个准则层的权重情况可以看出，生态护坡的结构特性权重值(0.3965)最高，其次为生态特性，权重值为0.2936，经济特性权重值(0.1866)和施工特性(0.1233)分别排名第三和第四，可见，对于河道生态护坡最重要的是满足河道的结构特性，即提高防洪排涝能力和稳定性，其次为改善河道的生态环境，提升水质，这与河道整治的初衷相一致，因此，专家评分客观合理。

图4 权重值计算结果

从19个指标层的权重值可以看出：防洪指标、排涝指标、稳定性指标以及抗冲刷性指标的权重值分别排名前4位，表明该河段生态护坡治理的最首要目标是满足上述四项功能；运行期限(B2)、透水性和涵水性(D1)、水文调蓄功能(D2)以及水土保持效益分别排名五到八位，亲水性(D7)、施工和维护难易程度(C3)、施工速度(C1)和施工材料的易得性(C4)的权重值排在末四位，表明相较于其它指标而言，这些指标并不是本次河道生态护坡治理主要考虑的因素。

3.3.2基于综合评价指数法评价结果

基于AHP权重值分析结果，利用综合评价指标法得到的评分结果如图5所示。从图中可以看到：从结构特性评分结果来讲：方案1>方案3>方案5>方案4>方案2，方案1(预制混凝土护坡)的结构特性最好，方案2(生态植被护坡)的结构特性最差；从经济特性评分结果来讲：方案5>方案2>方案3>方案4>方案1，方案5(石笼—灌丛层插护坡)的经济特性最好，方案1(预制混凝土护坡)的经济特性最差；从施工特性来讲：方案5>方案2>方案3>方案1>方案4，方案5(石笼—灌丛层插护坡)的施工特性最好，方案4(土工格栅固土种植基护坡)的施工特性最差；从生态特性来讲：方案3>方案2>方案4>方案5>方案1，方案3(生态混凝土护坡)的生态特性最好，方案1(预制混凝土护坡)的生态特性最差。从总评分结果来讲：方案3>方案5>方案4>方案2>方案1，因此，从综合评价指数评价结果来讲，采用生态混凝土护坡的设计方案最佳。

图5 综合评价指标法评分结果

3.3.3基于灰色关联度法的评价结果

同理，基于AHP权重值分析结果，利用灰色关联度评价指标法得到的评分结果如图6所示。从图中可以看到：从结构特性评分结果来讲：方案1>方案3>方案5>方案4>方案2，这与综合评价指标法评价结果相一致；从经济特性评分结果来讲：方案3>方案5>方案2>方案1>方案4，方方案3(生态混凝土护坡)的经济特性最好，方案4(土工格栅固土种植基护坡)的经济特性最差；从施工特性来讲：方案5>方案2>方案3>方案1>方案4，这也与；从生态特性来讲：方案3>方案4>方案2>方案5>方案1，方案3(生态混凝土护坡)的生态特性最好，方案1(预制混凝土护坡)的生态特性最差。从总评分结果来讲：方案3>方案5>方案1>方案4>方案2，因此，从灰色关联度评价指数评价结果来讲，仍是采用生态混凝土护坡的设计方案最佳。

图6 灰色关联度评价指标法评分结果

3.3.4护坡方案选择

经层次分析法(AHP)对生态护坡各个指标进行赋权，然后分别通过综合评价指标法和灰色关联度评价指标法对5种不同护坡方案进行了分析和评价，从评价结果来看：虽然不同准则层的评价结果有不同之处，但最终得到的总评价结果大致相同，两种评价方法得到的最佳方案均是采用生态混凝土护坡，此时能够达到较大的社会、经济和生态效益，故建议在本工程中采用生态混凝土护坡作为最终的施工方案。

4 结语

建立生态护坡综合评价指标体系，运用层次分析(AHP)法对各指标进行赋权，然后分别采用综合评价指标法和灰色关联度评价指标法对5种护坡方案的综合性能进行了评价和分析，得出如下结论：

(1)从准则层来看，结构特性的权重值最大，从指标层来看，防洪指标的权重值最大。

(2)基于综合评价指数法评价结果显示：方案3>方案5>方案4>方案2>方案1，采用生态混凝土护坡的设计方案最佳。

(3)基于灰色关联度法的评价结果显示：方案3>方案5>方案1>方案4>方案2，也是采用生态混凝土护坡的设计方案最佳。

(4)综合两种评价方法的评价结果，认为在本工程中采用生态混凝土护坡作为最终的施工方案，能够达到较大的社会、经济和生态效益。