黄河下游堤防生态护坡试验与效果评价

张 旭，陈 静，黄 波

（1.济南大学 水利与环境学院，山东 济南250022；2.水发规划设计有限公司，山东 济南250100）

黄河下游自2009年开始实施大规模的标准化堤防建设，目标是把黄河下游堤防打造成“防洪保障线、抢险交通线和生态景观线”［1］。目前标准化建设已全面完成，防洪标准进一步提高，工程面貌得到了极大改善。在标准化堤防建设中，堤防边坡均采用葛巴草草皮防护，护坡草种单一，防护效果及工程外观在部分段落已不能满足当前要求，需进一步改进。近年来，草种混播、三维网防护技术在生态护坡中被广泛应用。包慈华等［2］分析提出草种混播的遗传背景更为广泛，不同草种之间优势互补，适应性更强；邓立明［3］提出三维网的使用可以改善种植方式和生长条件，提高植草的成活率和防护效果。水土保持效益评价需要对植被群落的植物适应性、植物群落特征、水土保持效益和可行性等多方面进行综合考虑，仅从单一指标上进行评价是不合理的；潘希等［4］通过分析国内相关水土保持效益评价方法的应用，总结归纳了各种评价方法的适用范围，提出模糊综合评价法尤其适合多目标评价和具有模糊性、非确定性、难以量化的指标区域；沈守权［5］、蒋必凤［6］分别对模糊综合评价法对水土保持及生态护坡效果评价进行了应用和改进。本研究选取狗牙根、黑麦草、高羊茅、结缕草、胡枝子等护坡植物，采用草种混播、三维网防护技术进行生态护坡构建，并采用模糊综合评价方法对各措施防护效果进行综合评价。

1 试验概况

1.1 试验区概况

本次生态护坡的试验段位于黄河下游济南段左岸背河堤坡和淤背区外边坡（桩号为151+065—151+665，长度600 m）。大堤边坡坡比为1∶3，堤身填筑土料为壤土，黏粒含量26.6%～44.9%（平均33.21%），最大干密度1.61 g/cm3，最优含水率19.67%，分层碾压夯实，压实度不小于95%；淤背区边坡采用黏粒含量较大的壤土进行包边，水平宽度为1 m，土壤保水性较差，较干燥，除表层土外，堤身土壤含水率一般在10%以下。

1.2 试验区布设

本次生态护坡的试验草种选择狗牙根、黑麦草、高羊茅、结缕草4类草种，灌木选择胡枝子，试验部位为淤背区外边坡。试验区草种播种时间为2017年7月，监测期2 a，2019年10月试验结束。试验区坡长为12 m，共划分为7个试验段（见表1），每个试验段均为100 m×12 m的矩形边坡，选择现状葛巴草护坡作为对照组进行同期播种及监测。在各试验段布设径流小区，小区组成包括边梗、集水池和集水槽，径流小区尺寸为5 m×9 m，坡比为1∶3。

表1 试验段布设方案

草种播撒前需对堤坡进行整理，以减少坡面板结层和冲沟对草种萌发及生长的影响，在试验段六进行三维网的铺设，用U形铁丝固定三维网并覆土。按照试验设计方案（见表1）进行人工草种均匀播撒，随后用园艺钉耙向前平趟，使种子和土壤紧密接触，同时避免浇水冲走种子。草种撒播完毕后覆盖可降解无纺布，起到保湿降温、防止阳光暴晒、避免人工浇水或雨水冲刷草籽的作用。在萌芽期进行适当洒水养护，直到草种出芽并覆盖成坪。

1.3 试验监测内容

影响本试验区坡面水土流失特征的主要因素包括降雨、土壤、植被、地形等。试验主要对各试验段的植被生物学性状及土壤理化性状相关指标进行定位监测，以获取试验区水土流失驱动因素本底资料，作为各项水土保持措施的效益评价依据。相关指标及监测方法如下。

（1）植被生物学性状。主要对植被成活率、保存率、生长速度、绿色期、覆盖度、均一性、高度、景观效果、生物量指标进行监测。采用无人机获取的高分辨率正射影像对植被覆盖度进行监测［7］；生物量观测以1 m×1 m草地样方为标准，取植物的地上茎叶部分测鲜重，3次重复取平均值。

（2）土壤理化性状。主要对土壤侵蚀模数、径流系数、土壤有机质含量、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤渗透性指标进行监测。采用土壤水分测定仪Spectrum TDR 350测定土壤含水率；采用环刀浸水法取厚度20 cm土壤测定土壤孔隙度、容重、贮水量；采用电测法测定pH值；采用重铬酸钾容量法测定有机质含量；每次侵蚀降雨后分别测定不同试验段径流小区的径流量、土壤侵蚀量等指标；采用双环法测定土壤渗透系数。

1.4 试验结果

本次试验的主要监测内容包括:成活率、保存率、越冬率、绿色期、覆盖度、生长高度、生物量、径流深、径流系数、土壤侵蚀量、侵蚀模数、土壤孔隙度、土壤渗透系数、土壤有机质含量、土壤含水率、单位面积投入成本。对上述监测内容进行为期2 a的现场及原状土取样监测，观测结果见表2。

表2 试验指标观测结果

续表2

2 AHP-模糊综合评价

由于监测指标众多且复杂，仅从单一指标进行评价是不合理的，因此采用模糊综合评价方法对各措施水土保持效益构建综合评价指标并进行综合评价。各指标权重的确定是较为困难的一个环节，通常由专家根据经验给出，往往带有主观性。层次分析法将人的主观判断用数量形式表达和处理，尽量减少评判中的主观因素，是一种定量和定性相结合的决策方法。将模糊评价法和层次分析方法相结合，利用层次分析法确定各指标的权重，用模糊评价方法对数据进行评估，这样就克服了模糊评价方法的不足，提供更为可靠的评价结果［4，8］。

2.1 层次分析法

运用层次分析法进行权重推求，可分为以下4个步骤［9］。

（1）构造判断矩阵。构建多层次结构的评价模型，将综合评价指标体系分为目标层、Ⅰ级指标层、Ⅱ级指标层3个层次，设某层有n个评价指标，采用1～9标度法对第i个指标和第j个指标之间的相对重要程度a i j（i，j=1，2，…，n）进行两两比较，各级标度含义见表3。

表3 两两指标比较评定

（2）计算层次权重值。权重向量w是由判断矩阵A求出的最大特征根λmax对应的特征向量。

由式（2）解出λmax及对应的w，将λmax对应的最大特征向量归一化，就得到下层指标相对于上层指标的层次权重值。

（3）一致性检验。计算一致性指标CI:

查表4得平均随机一致性指标RI，计算一致性比率CR:

当CR＜0.1时，认为层次单排序结果具有满意的一致性。

表4 平均随机一致性指标RI评定

（4）各层次组合权重的计算。由各判断矩阵求得的权重值是下层指标相对于其上层指标的分离权重值，故将这些分离权重值组合为各具体指标项相对于最高层的组合权重值Wkl:

式中:Wkl为Ⅱ级指标相对于总目标的组合权重值；wk为Ⅰ级指标及权重值；wkl为Ⅱ级指标及权重值。

按照上述步骤，根据已经建立的层次结构模型，得到判断矩阵，采用MATLAB软件求得各层次指标的权重，见表5。

各指标的判断矩阵的一致性比率均小于0.1，满足一致性指标，判断矩阵可行。

由表5及式（5）可得，组合权重Wkl=（0.060 1，0.035 9，0.026 9，0.018 7，0.011 1，0.007 3，0.118 4，0.072 9，0.045 0，0.028 1，0.012 8，0.176 6，0.128 1，0.083 5，0.049 6，0.029 4，0.059 6，0.022 8，0.013 0）。

表5 各指标权重分布

2.2 模糊综合评价

根据本项目8个试验段及对照组的观测结果，确定模糊评价集U=｛优，良，中，差｝，对应的数值集取N=｛90，70，50，20｝，邀请10位相关专家进行评价，并建立各个试验段的隶属度矩阵R i。

本试验采用MATLAB软件进行编程计算，采用M（·，⊕）算子，即将各评价指标的权重值与相对隶属度值对应相乘再相加，可得模糊评价的综合指标值。例如试验段五模糊评价计算结果为

B=W×R5=［0.486 2，0.381 6，0.132 3，0.000 0］

量化处理后得U5=77.08，说明试验段五处于“优（90）”和“良（70）”之间，狗牙根、黑麦草组合适宜作为黄河下游防洪工程护坡措施。其他试验段计算方法同此，计算结果见表6。

表6 模糊合成算子计算结果

试验段效果排序:试验段五＞试验段四＞试验段六＞试验段七＞试验段三＞对照组＞试验段二＞试验段一。有5个试验段评分高于对照组葛巴草措施，即优于现行黄河下游防洪工程护坡措施，因此黄河下游防洪工程生态护坡最优方案为狗牙根+黑麦草混播模式、狗牙根+高羊茅混播模式、狗牙根+三维网模式。

3 结论及建议

（1）各试验段的监测数据及AHP-模糊综合评价结果表明，黄河下游堤坡较优的生态效益水土保持措施类型为狗牙根+黑麦草混播、狗牙根+高羊茅混播、狗牙根+三维网模式。

（2）狗牙根+黑麦草混播、狗牙根+高羊茅混播的草种混播方案能够发挥不同草种的环境适应能力，拦截降雨径流的作用明显，且两种草种混播方案为纯植物护坡措施，成本低，施工简便。

（3）狗牙根+三维网模式中，三维网的网格结构能够有效拦截和蓄渗降雨、径流，并防止表土和草籽的冲刷，为植物萌芽提供了良好的土壤、水分条件，促进草种定居，三维网小区草皮均匀度、覆盖度较好，景观和水土保持效果显著。但是，该方案单价相对较高，施工程序相对复杂，在靠水概率较高的堤段可以考虑采用该方案。

（4）在华北地区，草坪播种的适宜季节一般为春、秋两季，即在草种的萌芽和幼苗期避开夏季的高温和多雨期，免受阳光暴晒和雨水的冲刷，以保证出芽率和覆盖度。种子进行适当的前期催芽处理（浸泡、变温、破壳等）会提高出芽率和缩短出芽时间，可以减少种子用量，进一步降低成本。

（5）在后期管理方面，堤坡播种草坪的养护频次与一般草坪有较大差异。在草种萌芽期应进行适当养护，以提高成活率和出芽率。草种出芽以后，在适宜季节和正常天气条件下基本不需要进行人工养护，可根据现场条件、温度及降雨情况适时调整。如遇现场施工等特殊情况导致坡面草皮被破坏，可采用草种补播的方式进行修复，若气候条件已不适宜进行补播，需采取人工移栽方式进行修复，以保证整体覆盖度和水土保持效果。

（6）在土壤条件方面，黄河下游不同河段与本试验段落会稍有差别，尤其是在滨州以下河段，填筑大堤的土壤在酸碱性、有机质含量、土壤肥力等方面会有差异，但是黄河下游防洪工程的筑堤土场主要是滩区的耕地，滩区土壤的来源、形成、性质以及成分等各方面差异不大，不同堤段的土壤对草的生长影响基本没有明显差别。因此，在试验段进行的各类草种的播种方式、养护方式、生长条件和生长状况在黄河下游河段的其他段落均能达到相似的效果。