生态修复边坡水土保持效果评价方法研究

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摘要：为科学合理地评价生态修复边坡水土保持效果，选取8个与评价目标紧密相关的评价指标建立了生态修复边坡水土保持效果评价体系。首先采用层次分析法确定评价指标体系中各指标的权重，然后分别选择向家坝水电站4个不同修复措施的边坡，通过综合指数模型计算得到边坡水土保持效果的综合评价值。结果表明，各个边坡生态修复工程的水土保持效果综合评价值为植被混凝土（0.923 4） >厚层基材（0.880 3） >框格梁植草（0.816 8） >草种撒播（0.090 6）。评价结果与边坡样地实际情况一致，说明所构建的指标体系可以较好应用于生态修复边坡水土保持效果的评价，可为以后水土保持效果的定量分析提供可行的方法。

关键词：边坡生态修复；水土保持；层次分析法；综合评价

中图分类号：S157.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）16-4335-05

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.16.066

近些年，随着生态道路、绿色矿山等理念的倡导，针对矿山、水电站、公路、铁路、采石场等各类建设项目施工过程中的大量坡面治理不再只是依靠单纯的土木工程，而是要更注重生态理念，因此，边坡生态修复成为当下一个热门的研究领域[1]。针对这一状况，国内外学者开发研制了一系列的边坡生态修复技术，如植被混凝土生态修复技术（CBS）、框格梁植草技术、厚层基材植被修复技术（TBS）、客土喷播技术及植生袋技术等。调查表明，这些技术都有一定的水土保持效果，但这些技术目前也存在着一些较难避免的问题。

为了能够科学地评判不同边坡生态修复工程的水土保持效果，对水土流失防治动态进行监测预报，为水土流失的治理部署和决策提供依据，就必须对水土保持效果进行评价[2]。柳小强等[3]以金安桥水电站为例，用层次分析法和综合指数法对金安桥水电站工程水土流失防治效果进行了评价；余海龙等[4]以土壤-植被系统质量和景观质量为构建主体，建立了高速公路边坡生态护坡工程效果评价指标体系；张艳等[5]对不同护坡类型的植被恢复过程中植被与土壤特征进行了评价。然而，至今水土保持效果评价仍然停留在理论探讨阶段，具体措施的效果评价涉及较少[6]。总的来说，有关开发建设项目水土流失防治效果的评价研究相对较少，评价指标也缺乏统一性[3]。

本研究通过对向家坝水电站四个不同生态修复边坡进行水土保持效果综合评价，为边坡生态修复方法的选择提供了科学依据，也为边坡水土流失后续治理提供了参考，同时为其他生态修复边坡的水土保持效果评价提供了可行的思路与方法。

1 边坡样地概况

向家坝水电站坝址位于金沙江干流下游的向家坝峡谷出口处。水电站坝址以上流域面积为45.88万km2，最大年降雨量在1 168.5 mm，年最小降雨量为852.4 mm。库区土壤土层普遍较薄，一般厚度在30 cm内；土壤质地粗糙，存在大面积的石渣子或石骨子土；土壤的有机质含量普遍偏低。项目区水土流失较为严重，项目区6个县水土流失面积共计4 660.49 km2，是长江上游水土流失重点防治区。

对于向家坝水电站边坡的水土流失治理，根据专家的建议主要采用了厚层基材喷播技术（TBS）、植被混凝土生态修复技术（CBS）、客土喷播生态修复技术、框格梁植草护坡技术等，本次评价研究的边坡样地基本情况见表1。

2 建立评价指标体系

2.1 评价指标选择的原则

研究表明在不同流域与不同尺度下，水土流失的产生过程及影响机理并不相同，水土保持所采取的措施也不一样，这很大程度限制了水土流失的过程分析和空间尺度外推[7]。所以评价指标的选择应该因地制宜，需要突出各自的重点与特点。

生态修复边坡水土保持效果评价指标的选择上除了遵循科学性、客观性、系统性、有效性[8-11]的普遍原则外，还需遵循以下两个原则：

1）主要效果原则。此次研究只重在评价边坡生态修复工程的水土保持效果。但所采取的水土保持措施反映出来的效果都不是单一的，大多都是相互关联的。所以就只需根据影响边坡的重要因素选择出可以较全面体现水土保持效果的主要指标。

2）可量化原则。当前水土保持效果评价总的形势是以定性为主，定量的科学评价还比较缺乏[6]。为此，只有对所选的主要效果定量处理，得出的评价结果会更有科学性与实用性。

2.2 具体指标

对于评价指标体系的确定，根据上述的评价指标选取的原则构建了由水土流失量、土壤-根系质量和植被生长效果三大类组成的水土保持效果评价指标体系。具体指标、选取意义及测量方法见表2。

2.3 评价指标体系

根据以上所选择的指标，建立由目标层、准则层和指标层构成的评价指标体系（图1）。

3 评价方法

本次评价采用层次分析法（The analytic hierarchy process，AHP）。层次分析法[12，13]是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初在研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时，应用网络系统理论和多目标综合评价方法提出的一种层次权重决策分析方法。该方法是将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法。AHP方法不仅原理简单，而且具有扎实的理论基础，是定量与定性方法相结合的优秀的决策方法，此方法对于那些难以完全用定量方法进行分析的复杂问题特别适用。

3.1 确定指标权重

在已经建立的评价指标体系中，从层次结构模型的标准层开始，对于从属于（或影响）上一层每个因素的同一层各个因素，用“成对比较法”和1-9比较度构造成对比较阵[14]，直到最下层。根据专家评分的统计结果构造出判断矩阵，层次分析法评价计算中的权重确定采用yaahp 6.0版本软件，通过对判断矩阵的一致性进行检验[15]，得到的计算结果见表3。

由表3可以看出，生态修复边坡水土保持效果评价指标体系中权重较大的是坡面植被覆盖度和坡面侵蚀模数，分别为0.370 0和0.259 0，土壤根系干重增加率和土壤容重的权重较小。

4 计算综合评价值

4.1 评价对象原始数据值

通过现场实地调查及室内试验得到以下数据（表4）。

4.2 数据无量纲化处理

由于本评价体系所选用的指标涉及方面、取值和单位不尽相同。为了能够比较各指标要素和计算指标的综合指数，需要进行数据的无量纲化处理。

数据无量纲化的过程实际上就是分级打分的过程，在划出某一指标要素的给分范围后，根据统计数据给指标分级，采用极差标准型法和等级法对所得数据进行无量纲化。标准型无量纲化的公式为[16]：

Ri= 0 xi≤bixi-bi/ai-bi bi

Ri= 0 xi≥aiai-xi/ai-bi bi

Ri=x-ai/a-bi bi≤xi

式中，ai和bi分别为第i个指标的上、下限，Ri为基础数据无量纲化之后的结果，取值范围为0～1，它表示该指标值距理想状态值的接近程度。

对于发展型指标（如边坡植被覆盖度、土壤―根系复合体抗剪强度、土壤根系干重增加率、稳定渗透率、物种多样性），当基础数据值xi越大，对生态修复边坡的水土保持效果越具有促进作用，此时的Ri按式（1）计算。对于制约型指标（如坡面最大冲刷深度、坡面侵蚀模数、土壤容重），当基础数据数值xi越大时，对生态修复边坡的水土保持效果越具有阻碍作用，此时的Ri 按式（2）计算。对于发展型与制约型同时存在的指标，当基础数据数值xi在某个值时，所起作用最为积极有效，此时的Ri按式（3）计算（本次所选指标中没有此类指标）。

各评价指标的上下限值见表5（各指标上下限值均来源于所有边坡同指标的最大和最小值，土壤容重指标取值参照专业规范，坡面植被覆盖度根据实际情况）。

4.3 综合计算

各指标的实际值经过数据无量纲化处理后，得到无量纲化数值Ri，以及通过AHP评判距阵法得到各指标的权重Pi后，两值相乘就得到各指标的综合值。即生态修复边坡水土保持效果评价综合指数计算模型为[17]：

SQR=Ri×Pi （i=1，2，…，n）

式中，SQR为评价对象的综合评价值，n为评价指标个数。

根据以上所得的数据，代入上式计算得到每个样地的综合评价值（表6）。

5 结论与讨论

由表6的数据可以看出，四种边坡生态修复工程中水土保持效果综合评价值排序依次为：CBS>TBS>框格梁植草>草种撒播，植被混凝土生态防护边坡的水土保持效果综合评价值最高。实地调查发现厚层基材喷播样地生物群落垂直结构不完善、水平结构失稳；框格梁植草坡面植被群落物种数少；草种撒播边坡只有少量草本植物，致使水土流失严重；植被混凝土生态修复样地生物群落层次复杂，结构完善，坡面基质力学强度较高，水土保持效果较优（图2）。

可见运用建立的生态修复边坡水土保持效果评价指标体系对4块样地进行综合分析，评价结果基本符合边坡样地实际情况，以上研究结果表明所选择的评价指标和所构建的指标体系对生态修复边坡水土保持效果的评价具有较好的实用价值，为以后边坡水土保持效果的定量分析提供了可参考的方法，也可为生态修复边坡后期的监测与调控提供科学的支持。由于边坡生态修复涉及多学科的理论，随着对边坡生态修复研究的不断深入以及认识更加全面，评价指标和评价体系还需要不断地加以修正和完善，使各指标的计算结果更加精确。

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