邓 龙

(深圳市水务规划设计院股份有限公司,广东 深圳 518000)

0 引 言

随着社会的发展,我国河流治理工程的建设不断加快,但同时也带来了河流环境污染、水体质量下降、河道淤积、洪水冲刷、生态破坏等一系列问题［1］。为了解决上述问题,保护河道生态环境,必须采取有效措施,如河道整治中的生态护坡技术。

为此,许多学者针对生态护坡技术展开了相关研究。秦蕾［2］针对河道整治,运用生态水利工程技术,研究了河道整治的可行性和可持续性,结果表明生态水利工程在河道整治中能够有效恢复河道的自然环境,改善河道环境,从而达到河道整治的目的。任金龙等［3］针对河道整治工程施工管理的问题及对策,对河道整治工程施工管理的现状进行了分析,结果表明:①通过比较和研究发现,河道整治工程施工管理存在许多不足;②根据实际情况,分析河道整治工程施工管理的问题及对策,从技术、管理、质量等方面提出了若干有效对策。

因此,本文运用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、粗糙集理论(Rough set theory,RST)和模糊综合评价法(Evaluation method of fuzzy mathematics,EMFM),对河道整治中生态护坡技术及应用进行了研究。并以贾河治理工程为例,通过贾河治理工程实施过程中生态护坡技术的应用,对水利水电项目的影响进行模糊综合评判,保护河道生态环境。

1 基于层次分析法和粗糙集理论的河道生态护坡工程评价

1.1 评价指标体系的确立

河道生态护坡综合评价指标体系属于一个多层次、多准则、多指标的复杂、巨大的系统,其组成指标较多,且受到的影响也较多,各指标之间的层次结构比较显著。因此,以护坡的特征和其结构特征为基础,选取科学合理、具有代表性的评价指标,构建一个具有代表性的综合评价指标［4-5］。

根据贾河综合生态治理工程的具体条件,对该项目的生态护坡形式及工程质量的影响进行分析,将其划分为结构形式(A)、经济特征(B)、施工特征(C)及生态效应(D),构建包括4个评价准则、19个评价指标的河道生态护坡系统综合评价指标体系模型。

结构形式(A)划分为4项指标,即防洪能力A1、排水能力A2、稳定能力A3、抗冲刷能力A4;经济特性(B)划分为两个指标,即建造及后期维修成本B1、运行时间B2;施工特性(C)分解为施工及维修的难易程度C1、施工进度的快慢C2、材料获取难度C3以及施工对环境的影响C4共4个指标;生态影响(D)分解为9个指标,分别是透水性和涵水性D1、水文调蓄功能D2、水土保持效益D3、水质净化性D4、生物多样性D5、可持续性D6、亲水性D7、盖度D8以及绿期D9［6］。

其中,量化的评估指数有稳定性、抗冲刷性、建设及后期维护费用、渗透和涵养能力、水质净化性、覆盖度、绿化年限。定性的评估指标有防洪、排涝、运行期限、施工进度快慢、施工对环境的影响、施工及维护难易程度、材料获取难度、水文调蓄功能、水土保持效益、生物多样性、可持续性和亲水性。见表1。

表1 河道生态护坡系统综合评价体系架构

在确定完特定标准之后,收集、整理、分析所在地区各评价指数的绩效(即目前的价值),根据已制定的相关准则进行评估,将其评定为10个等级,即-5～+5。结合其他相关评估工作所采用的分类方法,综合分析生态影响的正负两种类型特征,提出了采用分级体系和指标体系进行评估的方法［7-8］。因此,对河道生态护坡工程的工程治理效果进行综合评估,将其分为5个层次,见表2。

表2 河道生态护坡综合评价指数

1.2 基于层次分析法和粗糙集理论的综合评价模型构建

基于AHP-RST-EMFM综合评判方法,建立一个适用于河道整治中生态护坡技术的评价体系,将层次分析法(AHP)、粗糙集理论(RST)和模糊综合评价法(EMFM)相结合,对生态护坡技术进行进一步研究。其技术路线图见图1。

图1 AHP-RST-EMFM河道生态护坡工程评价模型

河道生态护坡效果评价的影响因子很多,各因子之间逻辑关系复杂,但往往是一个层级结构;各要素对综合效益的贡献都由其本身的特性所决定,在实际测量中则呈现出模糊的特点［9-10］。因此,运用AHP与RST判断的基本原则相结合,建立一套生态影响评估的方法。

AHP是将问题分成不同的影响因子,并按一定的逻辑性进行分类,构成一个分层的层级［11］。根据各因子之间的相关关系,来决定各决策的优先次序。AHP是将定性和量化相结合的一种手段,将分析者和决策人的主观评价以量化的方式表现出来并进行加工。其内容包括构建层次结构、构造判别矩阵、层次单排顺序、层级总体顺序等内容。其中,构建层次结构是指对问题的影响因素进行分类,一般分为最高层、中间层和最低层。上层代表目标确定,中层代表行动,底层代表问题解决。即最高层是目标层,仅包含一个单元,代表预先确定的目标或者期望的结果;中间层是标准层,可以分为几个子层面,包含为达到目的而需要的中介环节,如评估准则、子准则;最底层是一个方案层次,代表不同的可供实现目标的备选方案。构造判别矩阵是指构建AHP的体系结构,在此基础上,通过定义各层级的从属关系,并对其进行分类运算。对于最大次因子,按每一层单元间的相关关系进行二次分析。层次单排序是指在同一层级上某个要素的相对重要程度,包括两个方面,即权重的确定和判定矩阵的一致性［12-13］。加权方法包括有根方法和特征根方法。有根方法是先将判断矩阵(A)的列矢量进行几何平均,再进行归一化处理,所得的列矢量就是加权矢量。

Ri=(rij)ni×m

(1)

(2)

利用模糊矩阵操作,得出一个综合的模糊评价模型,公式如下:

(3)

最后,按照最大隶属原则,将AHP与分级(如二级)的模糊评判相结合,建立一个河道生态护坡的生态影响评估模型。采用AHP方法,得到准则层与目标层、指标层和规范层之间的评价结果(即判定矩阵);然后,利用第二层次的评价模型进行决策。在模糊判别中,一级因子集中采用基准层次和目标层次判定矩阵的权重矢量,二级要素集中采用指数级和基准级别的判定矩阵权重向量。通过这种方法,将层次分析和模糊判别相结合,从而建立一个综合河道生态护坡影响评估模型［15］。

2 基于层次分析法和粗糙集理论的应用效果分析

贾河河段治理工作的主要内容是:改善该河段的防洪排洪性能,改善河岸坡体的结构性稳定及抗冲刷性能;对河岸进行生态修复,确保河岸周围的环境卫生;改善水质,增加水的洁净度。

为此,在分析河流地质条件、河流实际状况的基础上,按照有关设计原理,提出浆砌石护坡、生态混凝土护坡、格宾石笼网垫护坡、预制混凝土链块护坡4种护坡的设计方案。4种护坡方式的设计斜率都是1∶2.5,斜坡顶部距河床底部的高差为3.6m左右,水位距河床底部的低差为2.4m左右。利用MATLAB,分别建立不同类型的评估模型,并由10名专家对不同级别的评估因子进行对比,得出不同级别的评估结果,计算出不同级别判定矩阵的最大特征值与最大特征根之间的正规化矢量,验证判定矩阵的相容性。见表3。

以标准层次为基础,求出最优化的综合权值。在构建粗糙集的评估模式时,必须先对其进行评估。将贾河河段分为5个部分,见表4。

表3 指标层权重结构表

表4 生态系统评价决策表

表4中,a、b、c、d、e分别为标准层面的5项指数,表4所列数据均来自本地区的历史资料及评分表,以1至5的数值代表(很好、较好、一般、较差、很差);D为决定因素,其中1表示对本地区水利建设的正面影响,2表示对水利工程在该区域的负面影响。

采用AHP分析法与粗糙集法求出一级指数权重,即为μ=0.383,并依据理论,将主客观权重系数的比率设为“黄金分割”。贾河河段的生态影响评价结果为:整体上呈现出积极的生态效果,但其积极作用则比较平庸;尽管该地区的生态环境没有任何负面影响,但仍处在由弱向强的过渡期。由于气候变化和人为因素的作用越来越大,若工程管理不合理或运营措施不当,将会产生负面影响。

引入模型系统连续引水l、2、3h之后,通过对河流进行分析,得出河流断面浓度过程曲线。具体见图2、图3。

图2 河道断面20-26的COD及TP浓度沿河长的分布

从图2(a)可以看到,河段闸门在1～3h内相继开启,导流能力15m3/s,各段的水体质量得到显著改善。因此,可依据不同的水质指标需求,结合河闸调水规划,利用水量水质模型及优化调度评价模型来决定合适的调水流量。同时,对城市河道的水质演变进行预报,以达到对城市水系水环境进行科学的治理。由图2(a)还可看出,在经过3h的点闸门放水后,其COD浓度整体趋于4mg/L的水平,而经过1或2h点闸门放水的河流COD浓度明显高于经历3h的情况。同理,由图2(b)可以看出,在经过3h的点闸门放水后,其TP浓度整体趋于0.3mg/L的水平,而经过1或2h点闸门放水的河流TP浓度明显高于经历3h的情况。

图3 河道断面20-26的及TN浓度沿河长的分布

由以上分析可以看出,本研究所提出的生态决策模型应用性能相对较为良好。

3 结 语

本文对水利工程生态影响评估的内容进行了分析,并构建了相应的评价指标。将层次分析法、粗糙集理论与模糊综合评判相结合,建立了生态影响评估模型。采用层次分析法和粗糙集理论相结合的方法进行评估。以飞来峡水电站为例,对其实际应用进行了分析。结果表明,贾河河段的区域生态影响综合价值指数为三级,整体上呈现出积极的生态效果。尽管该地区的生态环境没有任何负面影响,但仍处在由弱向强的过渡期。由于气候变化和人为因素的作用越来越大,若工程管理不合理或运营措施不当,将会产生负面影响。