生態修復邊坡水土保持效果評價方法研究

摘要：為科學合理地評價生態修復邊坡水土保持效果，選取8個與評價目標緊密相關的評價指標建立了生態修復邊坡水土保持效果評價體系。首先采用層次分析法確定評價指標體系中各指標的權重，然后分別選擇向家壩水電站4個不同修復措施的邊坡，通過綜合指數模型計算得到邊坡水土保持效果的綜合評價值。結果表明，各個邊坡生態修復工程的水土保持效果綜合評價值為植被混凝土（0.923 4） >厚層基材（0.880 3） >框格梁植草（0.816 8） >草種撒播（0.090 6）。評價結果與邊坡樣地實際情況一致，說明所構建的指標體系可以較好應用于生態修復邊坡水土保持效果的評價，可為以后水土保持效果的定量分析提供可行的方法。

關鍵詞：邊坡生態修復；水土保持；層次分析法；綜合評價

中圖分類號：S157.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）16-4335-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.066

近些年，隨著生態道路、綠色礦山等理念的倡導，針對礦山、水電站、公路、鐵路、采石場等各類建設項目施工過程中的大量裸露坡面治理不再只是依靠單純的土木工程，而是要更注重生態理念，因此，邊坡生態修復成為當下一個熱門的研究領域[1]。針對這一狀況，國內外學者開發研制了一系列的邊坡生態修復技術，如植被混凝土生態修復技術（CBS）、框格梁植草技術、厚層基材植被修復技術（TBS）、客土噴播技術及植生袋技術等。調查表明，這些技術都有一定的水土保持效果，但這些技術目前也存在著一些較難避免的問題。

為了能夠科學地評判不同邊坡生態修復工程的水土保持效果，對水土流失防治動態進行監測預報，為水土流失的治理部署和決策提供依據，就必須對水土保持效果進行評價[2]。柳小強等[3]以金安橋水電站為例，用層次分析法和綜合指數法對金安橋水電站工程水土流失防治效果進行了評價；余海龍等[4]以土壤-植被系統質量和景觀質量為構建主體，建立了高速公路邊坡生態護坡工程效果評價指標體系；張艷等[5]對不同護坡類型的植被恢復過程中植被與土壤特征進行了評價。然而，至今水土保持效果評價仍然停留在理論探討階段，具體措施的效果評價涉及較少[6]。總的來說，有關開發建設項目水土流失防治效果的評價研究相對較少，評價指標也缺乏統一性[3]。

本研究通過對向家壩水電站四個不同生態修復邊坡進行水土保持效果綜合評價，為邊坡生態修復方法的選擇提供了科學依據，也為邊坡水土流失后續治理提供了參考，同時為其他生態修復邊坡的水土保持效果評價提供了可行的思路與方法。

1 邊坡樣地概況

向家壩水電站壩址位于金沙江干流下游的向家壩峽谷出口處。水電站壩址以上流域面積為45.88萬km2，最大年降雨量在1 168.5 mm，年最小降雨量為852.4 mm。庫區土壤土層普遍較薄，一般厚度在30 cm內；土壤質地粗糙，存在大面積的石渣子或石骨子土；土壤的有機質含量普遍偏低。項目區水土流失較為嚴重，項目區6個縣水土流失面積共計4 660.49 km2，是長江上游水土流失重點防治區。

對于向家壩水電站裸露邊坡的水土流失治理，根據專家的建議主要采用了厚層基材噴播技術（TBS）、植被混凝土生態修復技術（CBS）、客土噴播生態修復技術、框格梁植草護坡技術等，本次評價研究的邊坡樣地基本情況見表1。

2 建立評價指標體系

2.1 評價指標選擇的原則

研究表明在不同流域與不同尺度下，水土流失的產生過程及影響機理并不相同，水土保持所采取的措施也不一樣，這很大程度限制了水土流失的過程分析和空間尺度外推[7]。所以評價指標的選擇應該因地制宜，需要突出各自的重點與特點。

生態修復邊坡水土保持效果評價指標的選擇上除了遵循科學性、客觀性、系統性、有效性[8-11]的普遍原則外，還需遵循以下兩個原則：

1）主要效果原則。此次研究只重在評價邊坡生態修復工程的水土保持效果。但所采取的水土保持措施反映出來的效果都不是單一的，大多都是相互關聯的。所以就只需根據影響邊坡的重要因素選擇出可以較全面體現水土保持效果的主要指標。

2）可量化原則。當前水土保持效果評價總的形勢是以定性為主，定量的科學評價還比較缺乏[6]。為此，只有對所選的主要效果定量處理，得出的評價結果會更有科學性與實用性。

2.2 具體指標

對于評價指標體系的確定，根據上述的評價指標選取的原則構建了由水土流失量、土壤-根系質量和植被生長效果三大類組成的水土保持效果評價指標體系。具體指標、選取意義及測量方法見表2。

2.3 評價指標體系

根據以上所選擇的指標，建立由目標層、準則層和指標層構成的評價指標體系（圖1）。

3 評價方法

本次評價采用層次分析法（The analytic hierarchy process，AHP）。層次分析法[12，13]是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于20世紀70年代初在研究“根據各個工業部門對國家福利的貢獻大小而進行電力分配”課題時，應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法提出的一種層次權重決策分析方法。該方法是將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標（或準則、約束）的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序（權數）和總排序，以作為目標（多指標）、多方案優化決策的系統方法。AHP方法不僅原理簡單，而且具有扎實的理論基礎，是定量與定性方法相結合的優秀的決策方法，此方法對于那些難以完全用定量方法進行分析的復雜問題特別適用。

3.1 確定指標權重

在已經建立的評價指標體系中，從層次結構模型的標準層開始，對于從屬于（或影響）上一層每個因素的同一層各個因素，用“成對比較法”和1-9比較度構造成對比較陣[14]，直到最下層。根據專家評分的統計結果構造出判斷矩陣，層次分析法評價計算中的權重確定采用yaahp 6.0版本軟件，通過對判斷矩陣的一致性進行檢驗[15]，得到的計算結果見表3。

由表3可以看出，生態修復邊坡水土保持效果評價指標體系中權重較大的是坡面植被覆蓋度和坡面侵蝕模數，分別為0.370 0和0.259 0，土壤根系干重增加率和土壤容重的權重較小。

4 計算綜合評價值

4.1 評價對象原始數據值

通過現場實地調查及室內試驗得到以下數據（表4）。

4.2 數據無量綱化處理

由于本評價體系所選用的指標涉及方面、取值和單位不盡相同。為了能夠比較各指標要素和計算指標的綜合指數，需要進行數據的無量綱化處理。

數據無量綱化的過程實際上就是分級打分的過程，在劃出某一指標要素的給分范圍后，根據統計數據給指標分級，采用極差標準型法和等級法對所得數據進行無量綱化。標準型無量綱化的公式為[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分別為第i個指標的上、下限，Ri為基礎數據無量綱化之后的結果，取值范圍為0～1，它表示該指標值距理想狀態值的接近程度。

對于發展型指標（如邊坡植被覆蓋度、土壤—根系復合體抗剪強度、土壤根系干重增加率、穩定滲透率、物種多樣性），當基礎數據值xi越大，對生態修復邊坡的水土保持效果越具有促進作用，此時的Ri按式（1）計算。對于制約型指標（如坡面最大沖刷深度、坡面侵蝕模數、土壤容重），當基礎數據數值xi越大時，對生態修復邊坡的水土保持效果越具有阻礙作用，此時的Ri 按式（2）計算。對于發展型與制約型同時存在的指標，當基礎數據數值xi在某個值時，所起作用最為積極有效，此時的Ri按式（3）計算（本次所選指標中沒有此類指標）。

各評價指標的上下限值見表5（各指標上下限值均來源于所有邊坡同指標的最大和最小值，土壤容重指標取值參照專業規范，坡面植被覆蓋度根據實際情況）。

4.3 綜合計算

各指標的實際值經過數據無量綱化處理后，得到無量綱化數值Ri，以及通過AHP評判距陣法得到各指標的權重Pi后，兩值相乘就得到各指標的綜合值。即生態修復邊坡水土保持效果評價綜合指數計算模型為[17]：

SQR=Ri×Pi （i=1，2，…，n）

式中，SQR為評價對象的綜合評價值，n為評價指標個數。

根據以上所得的數據，代入上式計算得到每個樣地的綜合評價值（表6）。

5 結論與討論

由表6的數據可以看出，四種邊坡生態修復工程中水土保持效果綜合評價值排序依次為：CBS>TBS>框格梁植草>草種撒播，植被混凝土生態防護邊坡的水土保持效果綜合評價值最高。實地調查發現厚層基材噴播樣地生物群落垂直結構不完善、水平結構失穩；框格梁植草坡面植被群落物種數少；草種撒播邊坡只有少量草本植物，致使水土流失嚴重；植被混凝土生態修復樣地生物群落層次復雜，結構完善，坡面基質力學強度較高，水土保持效果較優（圖2）。

可見運用建立的生態修復邊坡水土保持效果評價指標體系對4塊樣地進行綜合分析，評價結果基本符合邊坡樣地實際情況，以上研究結果表明所選擇的評價指標和所構建的指標體系對生態修復邊坡水土保持效果的評價具有較好的實用價值，為以后邊坡水土保持效果的定量分析提供了可參考的方法，也可為生態修復邊坡后期的監測與調控提供科學的支持。由于邊坡生態修復涉及多學科的理論，隨著對邊坡生態修復研究的不斷深入以及認識更加全面，評價指標和評價體系還需要不斷地加以修正和完善，使各指標的計算結果更加精確。

參考文獻：

[1] 杜林峰，沈 彥，王 麗.基于生態系統服務理論的生態修復邊坡預評價[J].亞熱帶水土保持，2014，26（1）：56-59.

[2] 唐克麗，李玉山，史立人，等.中國水土保持[M].北京：科學出版社，2004.

[3] 柳小強，陳奇伯，王克勤，等.水電站工程水土流失防治效果評價研究—以金安橋水電站為例[J].水土保持通報，2010，30（6）：195-198.

[4] 余海龍，顧 衛.高速公路邊坡生態防護效果定量評價研究[J].水土保持通報，2011，31（1）：203-206.

[5] 張 艷，趙廷寧，史常青，等.坡面植被恢復過程中植被與土壤特征評價[J].農業工程學報，2013，29（3）：124-131.

[6] 景 可，焦菊英.水土保持措施與效益評價研究：以陜北安塞縣為例[J].水土保持研究，2011，18（1）：132-136.

[7] 陳端呂，彭保發，李際平.植被水土保持效應尺度性研究綜述[J].湖北農業科學，2012，51（3）：432-436.

[8] 和 浩，和樹華，柳小強，等.沖江河水電站工程水土流失防治效果評價[J].水土保持應用技術，2010（1）：1-4.

[9] 周云艷，陳建平.植被護坡工程質量評價模型研究[J].湖北農業科學，2010，49（3）：762-765.

[10] 賈致榮，張 瑋.公路邊坡植被恢復質量評價指標及方法研究[J].水土保持通報，2008，28（1）：115-118.

[11] 魚 哲，雷啟祥，包文林.羅玉溝流域水土保持植被工程效果評價[J].干旱地區農業研究，2007，25（6）：237-239.

[12] SAATY T L，VARGAS L G.Estimating technological coefficients by the analytic hierarchy process[J].Socio-Economic Planning Sciences，1979，13（6）：333-336.

[13] SAATY T L. How to handle dependence with the analytic hierarchy process[J].Mathematical Modeling，1987，9（3-5）：369-376.

[14] 萬年峰，蔣杰賢，徐建祥，等.層次分析法在上海市農田有害生物治理中的應用[J].生態學報，2005，25（11）：2998-3002.

[15] 陳 萍，陳曉玲.鄱陽湖生態經濟區農業系統的干旱脆弱性評價[J].農業工程學報，2011，27（8）：8-13.

[16] 饒揚德.企業經營績效的熵權系數評價方法及其應用[J].工業技術經濟，2004，23（4）：100-102.

[17] 楊悅舒，夏振堯，吳 彬，等.基于層次分析法的生態防護基材土壤質量評價[J].江蘇農業科學，2014，42（3）：288-291.