寒区河道生态护坡优选研究

张明胜，王笑峰，杜 崇，刘 涛，温玉强

(1.黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080； 2.黑龙江农业经济职业学院，黑龙江 牡丹江 157041)

长期以来，我国的河道综合治理工作重点强调提高行洪速度、减轻河道冲刷、增强水土保持能力等方面，一直追求河岸的全面硬化。这种传统的硬质化护坡对减轻坡面修建初期的不稳定性效果良好，但是硬质化护坡将河岸表面封闭起来，阻隔了水陆的连接通道，破坏了河流生态系统的整体平衡[1-2]。尤其是在寒冷地区，传统的硬质化护坡在经受冻胀和融沉作用后，会发生断裂、破碎甚至坍塌[3]。发达国家对传统硬质化护坡造成的问题认识较早，自20世纪30年代开始就提出了有关的生态护坡技术，并且从20世纪60年代开始逐渐有了各自的技术理念，相关研究也逐渐增多[4-5]。我国对生态护坡技术的研究于20世纪90年代才开始[6-7]，且有关寒区河道生态护坡的研究较少。本研究在松花江干流治理工程通河段13、14、15标段，根据寒区特有植物综合搭配9种生态护坡进行现场试验，调查测试植物生长指标、抗冲刷能力指标等，并采用层次分析法构建综合评价指标体系，运用综合指数评价法优选出适宜寒区河道生态护坡的设计方案，可为我国寒区河道生态护坡建设与相关研究提供理论和实践参考。

1 研究区概况

松花江干流通河段位于黑龙江省中部，小兴安岭南麓，松花江中游，地理位置为东经128°07′30″～129°24′30″、北纬45°52′30″～46°37′30″，堤防全长131.497 km，设计防洪等级2级，流速小于1 m/s。研究区属大陆性季风气候区，春季干燥多风，夏秋炎热多雨，秋季降温急剧，冬季严寒漫长，常有冻害发生；降水量年际变化较大，年内分配不均，多集中在夏季，多年平均降水量为553 mm，汛期6—9月降水量占全年降水量的70%～80%。

2 研究材料与方法

2.1 试验设计

本次研究的对象是松花江干流通河段13、14、15标段建设的9种生态护坡，具体形式见表1。

表1 9种生态护坡具体形式

在2017年6月至2018年5月进行了生态护坡的现场建设，如在松花江干流通河段15标段火炬村子堤建设完成了植生袋生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草+野大豆+羊茅)，建设过程见图1。

图1 植生袋生态护坡建设过程

在2017年9月与2018年9月完成了9种生态护坡的植物生长指标、抗冲刷能力、工程造价等指标的相关试验与现场调查，具体指标值见表2，9种生态护坡的植物生长状况见图2。生态护坡植物抗冲刷性能试验采用装配式有压流冲刷装置，在同样的冲刷条件下，自1.0 m/s起冲，以0.5 m/s的流速逐级递增，每级流速冲刷历时1 h，直至参与抗冲刷试验的生态护坡完全破坏。9种生态护坡的累计抗冲刷历时为3.00～7.50 h，见表2。

表2 9种生态护坡现场调查测试指标值

图2 9种生态护坡的植物生长状况

2.2 综合评价指标体系

生态护坡工程的评价是全面的、复杂的，需要结合工程实践，且评价指标体系应符合整体性、系统性、科学性、动态性、可操作性、代表性及定性指标和定量指标相结合的原则[8]。层次分析法(AHP)可以将这种影响因素较多、有层次却难以用定量描述的评价指标体系进行总目标层、各子目标层的划分，形成清晰的结构。根据地域类型、生态护坡常用指标以及专家分析，综合我国学者对护坡评价的研究经验和影响护坡的因素[9]，采用层次分析法将寒区河道生态护坡综合评价体系划分为目标层、准则层和指标层，选取生态性、经济性、施工综合性和景观综合性4个准则及13个指标来构建生态护坡综合评价指标体系，见图3。

图3 寒区河道生态护坡综合评价指标体系

2.3 评价指标权重的确定与计算方法

依据层次分析法，在建立综合评价指标体系后，采用1～9比例标度法来确定各评价指标的相对重要性。以生态护坡综合评价指标体系为目标层(A)，根据专家和水利专业人士对生态性(B1)、经济性(B2)、施工综合性(B3)和景观综合性(B4)两两比较重要性进行取值。再分别以B1、B2、B3、B4为准则层，根据专家和水利专业人士对指标层(C1，C2，…，C13)两两比较重要性进行取值,最后建立判断矩阵，计算出各评价指标的权重，并进行一致性检验。

将各指标层(C1，C2，…，C13)相对于准则层(B1，B2，B3，B4)的权重与准则层(B1，B2，B3，B4)相对于目标层(A)的权重相乘,可得各指标层在生态护坡综合评价中所占的权重。相应的指标评分的计算方法见表3。

表3 指标层总权重与对应的评分计算

2.4 指标的无量纲化

在评价过程中，参评的各项指标量纲不一致，不具可比性，因此对各子指标层指标进行归一化处理，使其转化为0～1的无量纲数值。具体的归一化处理过程针对各项指标和数据特点分为两类：一类是可定量化指标(见表2)，采用“min-max标准化”进行归一化处理，处理结果见表4；另一类是无定量化数据的指标，采用专家打分法，建立打分标准，使指标评分为0～1，评分标准见表5。

表4 可定量化指标值归一化处理结果

表5 无定量化数据的指标的量化方法和评分标准

2.5 综合指数评价法

综合指数评价法是将不同性质的各指标层指标经归一化处理后，再通过权重叠加得出综合评价值。生态护坡综合评价值计算式为

(1)

式中：N为生态护坡综合评价值；Bi为第i个准则层的权重；Cij为第i个准则层中第j个指标所占的权重；Xij为第i个准则层中第j个指标的评分值；n为准则层的指标数量；m为指标层中指标的数量。

3 结果及分析

依据各项指标的综合权重及归一化处理后的数值，采用式(1)开展综合评价，得到参评的9种生态护坡准则层指标的评价值，见图4。对9种生态护坡的准则层指标的评价值分别求和，计算得到9种生态护坡综合评价值，见图5。

图4 9种生态护坡准则层指标评价值

由图5可知，9种生态护坡综合评价值排序为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：得分最高的为T3环保草毯生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草+野大豆)，综合评价值为0.688 0；T2植生袋生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草+野大豆+羊茅)和T4雷诺生态护坡(紫花苜蓿)综合评价值较高，分别为0.585 0和0.649 1；综合评价值最低的为T8雷诺生态护坡(食用大黄)，综合评价值为0.363 7。

图5 9种生态护坡综合评价值

由图4、图5可分析出9种生态护坡综合评价值的施工综合性与景观综合性得分没有较大的差距，影响生态护坡综合评价值的主要因素为生态性得分与经济性得分，如综合评价值最高的T3环保草毯生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草+野大豆)，综合评价值贡献主要来源于最高的经济性得分、第二高的生态性得分；综合评价值最低的T8雷诺生态护坡(食用大黄)，主要是因为最低的经济性得分和第二低的生态性得分。

由图5可知，T2植生袋生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草+野大豆+羊茅)、T3环保草毯生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草+野大豆)与T9雷诺生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草)3种多种植物搭配的生态护坡比只有单一植物的T5雷诺生态护坡(黄花菜)、T6雷诺生态护坡(委陵草)、T7雷诺生态护坡(草木樨)与T8雷诺生态护坡(食用大黄)的综合评价值要高，主要原因：多种植物生态护坡的地表植物总鲜质量以及豆科植物覆盖度较高，改善土壤性能较强，改善土壤性质评分较高；多种植物生态护坡的累计抗冲刷历时普遍较长，降低灾害能力较强，降低灾害评分较高。而单一植物生态护坡不仅在以上两方面处于劣势，而且为了获取经济效益需要定期采收，导致年维护费用较高，年维护费用评分较低。

T1框格绿化混凝土生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草)的综合评价值较低的原因是：在框格绿化混凝土周围的植被生长状况较差，框格绿化混凝土生态护坡中的植被各项生态指标较低，导致生态性得分较低；框格绿化混凝土生态护坡尽管有极稳定的护坡结构，但其工程造价最高，施工相较于其他生态护坡要求较高、难度较大，施工材料相较于其他生态护坡也不环保，导致其经济性得分较低，施工综合性得分最低。

尽管T4雷诺生态护坡(紫花苜蓿)是单一植被护坡，但是在现场试验过程中，可以观察到紫花苜蓿具有极快的成坪速度、极强的水土保持能力与土壤改良功能，这使其获得了最高的生态性得分及第二高的综合评价值。

4 结 论

(1)采用层次分析法建立寒区河道生态护坡综合评价指标体系，分为目标层、4个准则层、13个指标层，将定性指标与定量指标有机结合，使评价过程十分清晰明确，基本上可以从不同角度对现场建设的9种生态护坡做出合理的评价。在综合评价过程中采用综合指数评价法，将现场测试的不同性质、不同单位的各种指标值进行归一化处理，依据建立的寒区河道生态护坡综合评价体系加权计算得出各生态护坡综合评价值，能够全面、高效、直观地反映出每种生态护坡的实际情况。

(2)评价结果显示，此次参与评价的9种生态护坡中，T3环保草毯生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草+野大豆)的综合评价值最高，实际表现也最好，可以在未来寒区水利工程生态护坡建设中优先选用。

(3)在现场试验过程中，综合评价值仅次于T3环保草毯生态护坡(波斯菊+紫花苜蓿+披碱草+野大豆)的T4雷诺生态护坡(紫花苜蓿)也有着较好的表现，表明紫花苜蓿较其他植物而言更加适宜寒区环境。在未来寒区河道生态护坡建设方案研究中，可采用紫花苜蓿与其他植物合理配比播种，以最大程度发挥其在寒区环境具有的独特优势，设计出更高效的生态护坡方案。