基于層次分析法的風電場邊坡生態修復植物優選

王瀚文，楊智勇,2，萬 娟,2，李 準

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430000; 2 湖北省生態道路工程研究中心，湖北 武漢 430000)

隨著經濟的飛速發展，地球上的化石能源被不斷開采，面臨著日益枯竭的情況，全世界開始著力于新型能源的開發與利用，其中風能作為一種最常見的能源引起了社會的廣泛關注。但是在風電場的建設過程中，山體開挖或多或少會破壞原有的植被環境并造成水土流失，雖然風能是一種清潔能源，但若是在開發過程中破壞了原有環境，就有悖于風能利用的初衷。如果不采取有效的環境保護措施，風電場建設將會進一步加深對環境的破壞。因此，風電場生態修復問題亟需解決并具有重要的現實意義[1-4]。

近年來，生態環境建設成為熱點問題，在環境建設中風電場區的生態修復日益受到重視，國內針對風電場建設對環境產生的影響以及風電場區生態修復方法等方面有著大量研究。王淼通過探討風電場建設對區域環境的影響以及生態修復方法，從而為修復風電場區域內的環境提供合理的參考意見[5]；畢娜提出了風電場區生態修復的原則與技術要求，為風電場區生態修復的驗收提供了依據[6]；徐康提出在沙漠中修建風電場有利于沙漠植被的生長[7]；劉浩軍在修復江西永豐風電場生態環境時，對上下邊坡有針對性地采用多種環保、水保、植被恢復的工程措施[8]。劉勝根據地理位置、開發強度、地貌、海拔、植被情況以及修復方向等因素將云南風電場劃分為若干修復區，并針對不同修復區的突出問題采取不同的修復措施，保證了較好的生態修復效果，修復后的植物群落具有良好的穩定性和持久性，缺點是分區修復耗時耗力，性價比低，不能及時地對裸露邊坡進行修復[9]。

目前，現有的研究基本是總結風電場區建設時對環境的影響以及籠統的風電場區生態修復方法，并沒有對風電場區生態修復的優良植被進行深入研究，筆者根據研究場地特點和社會經濟發展狀況，從生態環境和生態功能的重要性出發，以湖北隨州風電場為研究區域，采用層次分析法，對生態修復植物進行綜合評價，為以后風電場區生態修復工作提供借鑒。

1 研究方法

1.1 植物初選

湖北省隨州風電場位于隨縣萬和鎮轄區內的山脊上，高程在200～800 m之間，全年暴雨多集中于4-9月，最大日降雨量為228.3 mm，多年平均降雨量在1200～1700 mm，風電場區植被屬中亞熱帶常綠闊葉林和落葉闊葉混交林，有著大量的原生本土植物，但是并非所有的本土植物都適用于風電場的生態修復，根據風電場區樣地的基本情況以及本土優勢植物種類進行調研，借鑒了當地環境生態修復的經驗，初步篩選出22種植物可用于風電場的環境修復，其中有7種喬木類植物：栗子樹、核桃樹、杉樹、松樹、側柏、構樹、槐樹；8種草本類植物：狗牙根、高羊茅、三葉草、白茅、早熟禾、紫花苜蓿、小蓬草、薤白；7種灌木類植物：多花木蘭、胡枝子、鹽膚木、紫穗槐、懸鉤子、高粱泡、野花椒，植物種類分布如圖1所示。

圖1 初篩植物占比

因為不同的植物有不同的特性，籠統的選擇具有盲目性，無法精確地優選出最適合風電場區域的植物，如果僅根據植物的某一特性來選擇植物，那就忽視了植物的其他優缺點，無法做到全面綜合地選擇合適的植物。層次分析法作為一種半定量的分析方法，可有助于選擇出最為適宜的生態修復植物。

由于有喬木、灌木、草本3種不同的植物種類且3種植物種類不宜混雜在一起進行選擇比較，不能客觀地給出各個植物的優劣次序，因此本文分別對喬木類、草本類以及灌木類植物使用層次分析法來優選出適宜風電場區生態修復的優質植物。

1.2 層次分析法

層次分析法，是指將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。

1.2.1 層次結構模型將決策的目標、考慮的因素和決策對象按它們之間的相互關系分為最高層(目標層)、中間層(因素層)和最低層(方案層)。

根據適應生態學理論中“尊重自然、正視自然、保護自然、恢復自然”的原則，風電場區邊坡綠化和生態修復的物種應具有耐干旱貧瘠，適應性強；根系發達，能固持土壤；生長迅速，分枝稠密兼具景觀效果；提高土壤的保水保肥能力等特點。因此因素層采用適應性、抗逆性、經濟性、再生性、景觀性五個因素[10-18]。根據以上因素可建立生態修復植物優選層次結構模型(圖2)。

圖2 初選植物選優層次結構

1.2.2 構造判斷矩陣在確定各層次各因素之間的權重時，如果是定性的結果具有片面性，不容易被別人接受，因此引入判斷矩陣：將兩個因素進行相互比較，并按其重要程度判定等級，比較結果構成的矩陣稱作判斷矩陣，重要性等級及其賦值如表1所示。

表1 傳統比例標度

1.2.3 層次單排序及其一致性檢驗層次單排序是指對于上一層某因素而言，本層次各因素之間重要性的排序。層次單排序是否合理，需要進行一致性檢驗，所謂一致性檢驗是指對判斷矩陣A確定不一致的允許范圍。

用λmax-n數值的大小來衡量判斷矩陣A的不一致程度，定義一致性指標CI，計算公式如下：

(1)

當CI=0，判斷矩陣A具有完全一致性；當CI越大，判斷矩陣A不一致性越嚴重。

為了衡量CI的大小，引入了隨機一致性指標RI，計算公式如下：

(2)

其中，隨機一致性指標RI和判斷矩陣的階數有關，如表2所示。

表2 平均隨機一致性指標RI標準值

考慮到一致性的偏離隨機性較大，因此檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性時，還應將CI和RI進行比較，得出檢驗系數CR，計算公式如下：

(3)

如果CR<0.1，則認為判斷矩陣A不一致性程度在容許范圍內，通過一致性檢驗，此時，可用判斷矩陣A的特征向量作為權向量，否則就不具有滿意一致性，需要對判斷矩陣A進行校正。

1.2.4 層次總排序確定某層所有因素對于目標層相對重要性的排序權值過程，稱為層次總排序。這一過程是從最高層到最底層依次進行的。對于最高層而言，其層次單排序的結果也就是總排序的結果。

因素層(B)m個因素對目標層(A)的單排序為b1,b2,…，bm；方案層(C)n個因素對因素層(B)的單排序為c1j,c2j，…,cnj(j=1,2,…，m)；方案層(C)的層次總排序即總目標權值為：

(4)

2 生態修復植物優選

2.1 喬木類優選

2.1.1 喬木植物層次結構模型根據初次篩選的喬木植物的適應性、抗逆性、經濟性、再生性、景觀性5個因素建立喬木植物層次結構模型。

2.1.2 因素層單排序不同恢復區有不同的氣候特點與本土植物，生態修復的最終目標是修復植物能長期的生存并且與原生植物群落融合，因此選擇適應當地氣候并易于與當地植物品種結合的植物，有利于維持長期的生態恢復效果；裸露邊坡環境惡劣，缺水少肥，在初期養護過后，植物應能靠自然條件持續生長，因此所選植物必須具有抗旱、抗寒等抗逆性能力；邊坡生態修復還應考慮植物的種植成本與經濟產出，一味追求種植植物而不考慮其生存條件和綠化成本是不可取的，要將生態破壞的損失程度降低到最小；生態修復要考慮對整個植物群落進行逐步修復，既要有快速綠化效果，也要有極強的再生能力，必須具備較好的自我更新能力，才能發揮持久的綠化效果；通過考慮喬灌木與草本植物的合理搭配，形成多層次的立體結構，能夠充分利用光、水、氣等自然資源，達到最優的景觀和生態效益[19]。因素層5個因素成對比較后重要程度打分情況如表3所示。

表3 因素層判斷矩陣

將表3形成矩陣，可求得其最大特征值λmax=5.07，并將特征向量歸一化得權向量

ω=(0.2736 0.4164 0.0675 0.1586 0.084)T

根據公式(1)得CI=0.0175根據公式(3)得CR=0.016<0.1滿足一致性檢驗。

2.1.3 方案層單排序首先，將方案層中的喬木進行因素對比，通過查閱文獻資料得出各類植物的生長特性以及經濟價值，并對隨州風電場區進行調研(圖3)。現場調研分為春冬兩個季節，主要考察植物的抗逆性能以及再生能力，綜合分析后對其各因素重要性比較打分。

圖3 風電場區植被調研

以適應性為例，栗子樹吸水、吸肥力強，也耐瘠薄，適應性強；核桃樹適應于土壤深厚、疏松、肥沃、濕潤、氣候溫暖涼爽的生態環境，因此栗子樹相較于核桃樹適應性較為重要，根據表1中的打分原則，打分為5，其他植物適應性打分如表4所示。

表4 喬木適應性判斷矩陣

將表4形成矩陣，求得最大特征值λmax=7.13，并將特征向量歸一化得權向量

兩類 Heisenberg 群上的 Hausdorff 算子的最佳常數 ····················郭久華 (5,721)

ω1=(0.1724 0.033 0.0518 0.097 0.1724 0.4153 0.0581)T

CI=0.021,CR=0.016<0.1滿足一次性檢驗。

將方案層中的喬木進行因素對比，以抗逆性為例，栗子樹喜光，耐旱耐寒，對空氣中的二氧化硫等有害氣體抗性強；核桃樹高大，抗旱性強，抗寒能力差，在比較寒冷地區容易遭受凍害，因此栗子樹相較于核桃樹抗逆性為較重要，根據表1的打分原則，打分為4，其他喬木兩兩比較并打分后形成矩陣，求得最大特征值λmax=7.13，特征向量歸一化得權向量

ω2=(0.15720.04380.03230.2378 0.0985 0.3674 0.0631)T

CI=0.021,CR=0.019<0.1滿足一次性檢驗。

將方案層中的喬木根據經濟性對比，栗子樹被作為優秀的風景樹栽植，栗子含有豐富的營養物質；核桃樹木材堅實，是很好的硬木材料，核桃仁可生吃和榨油，因此栗子樹相較于核桃樹經濟性為稍重要，根據表1的打分原則對其打2分，其他喬木兩兩比較并打分后形成矩陣，求得最大特征值λmax=7.1，特征向量歸一化得權向量

ω3=(0.0396 0.0265 0.1006 0.1795 0.2657 0.1224 0.2657)T

CI=0.017,CR=0.013<0.1滿足一次性檢驗。

將方案層中的喬木根據再生性對比，栗子樹根系損傷后愈合能力較差，根部破傷后，皮層與木質部易分離，傷根后需較長時間才能萌發新根；核桃樹越冬能力差，遭遇凍害會導致枝干皮裂甚至整株樹死亡，因此栗子樹相較于核桃樹相較于再生能力為同等重要，根據表1的打分原則對其打1分，其他喬木兩兩比較并打分后形成矩陣，求得最大特征值λmax=7.08，特征向量歸一化得權向量

ω4=(0.0765 0.0765 0.046 0.046 0.3669 0.2515 0.1366)T

CI=0.013,CR=0.01<0.1滿足一次性檢驗。

將方案層中的喬木根據景觀性對比，栗子樹在各地的園林綠化中，被作為優秀的風景樹栽植；核桃樹秋冬季節開始枯萎，樹上變得光禿，因此栗子樹相較于核桃樹景觀功能為較重要，根據表1的打分原則，對其打4分，其他喬木兩兩比較并打分后形成矩陣，求得最大特征值λmax=7.15，特征向量歸一化得權向量

ω5=(0.1358 0.0386 0.0703 0.2351 0.1358 0.0596 0.3249)T

CI=0.025,CR=0.016<0.1滿足一次性檢驗。

2.1.4 喬本植物總排序根據公式(4)得出方案層(C)目標權值：

ω=(0.1388 0.0444 0.0476 0.1647 0.1757 0.3198 0.1091)T

目標權值為構樹>側柏>松樹>栗子樹>槐樹>杉樹>核桃樹，故最后推薦選取構樹、側柏和松樹為適合本地區生態修復的喬木。

2.2 草本類優選

2.2.1 草本植物層次結構模型根據初次篩選的草本植物的適應性、抗逆性、經濟性、再生性、景觀性五個因素建立草本植物層次結構模型。

2.2.2 因素層單排序權向量

ω=(0.2736 0.4164 0.0675 0.1586 0.084)T

2.2.3 方案層單排序將方案層中的草本植物進行因素對比，以適應性為例，打分情況如表5所示，將表5形成矩陣，求得最大特征值λmax=8.0834，特征向量歸一化得

ω6=(0.2367 0.1372 0.0412 0.0795 0.2367 0.0524 0.0792 0.1372)T

CI=0.0119,CR=0.0084<0.1滿足一次性檢驗。

對方案層中的各草本植物根據植物自有屬性對其他因素進行對比，按照表1的打分原則，兩兩比較打分后形成矩陣并求得權向量。

方案層對比于因素層B2(抗逆性)：

ω7=

(0.2972 0.1672 0.0585 0.1031 0.0364 0.1031 0.0672 0.1672)T

CI=0.011,CR=0.008<0.1滿足一次性檢驗。

方案層對比于因素層B3(經濟性)：

ω8=

(0.1974 0.0401 0.1974 0.0686 0.1104 0.3023 0.0299 0.054)T

CI=0.013,CR=0.009<0.1滿足一次性檢驗。

方案層對比于因素層B4(再生性)：

ω9=

(0.1909 0.1909 0.3578 0.0343 0.0436 0.1018 0.0273 0.0536)T

CI=0.025,CR=0.018<0.1滿足一次性檢驗。

方案層對比于因素層B5(景觀性)：

ω10=

(0.0399 0.0399 0.2138 0.1034 0.0808 0.3319 0.1504 0.0399)T

CI=0.011,CR=0.008<0.1滿足一次性檢驗。

表5 草本適應性判斷矩陣

2.2.4 草本植物總排序根據公式(4)得出方案層(C)目標權值：

ω=(0.2355 0.1435 0.1237 0.0834 0.1011 0.1217 0.0686 0.1227)T

目標權值為狗牙根>高羊茅>三葉草>薤白>紫苜蓿>早熟禾>白茅>小蓬草，故最終選取狗牙根、高羊茅和三葉草為適合本地區生態修復的草本植物。

2.3 灌木類優選

2.3.1 灌木植物層次結構模型根據初次篩選的灌木植物的適應性、抗逆性、經濟性、再生性、景觀性五個因素建立灌木植物層次結構模型。

2.3.2 因素層單排序權向量

ω=(0.27360.41640.06750.15860.084)T

2.3.3 方案層單排序將方案層中的灌木植物進行因素對比，以適應性為例，打分情況如表6所示，將表6形成矩陣，求得最大特征值λmax=7.08，特征向量歸一化得：

ω11=(0.1391 0.2711 0.2344 0.0569 0.2344 0.0306 0.0335)T

表6 灌木適應性判斷矩陣

將表6形成矩陣，求得最大特征值λmax=7.08，特征向量歸一化得：

ω11=

(0.1391 0.2711 0.2344 0.0569 0.2344 0.0306 0.0335)T

CI=0.013,CR=0.01<0.1滿足一次性檢驗。

對方案層中的各灌木植物根據植物自有屬性對其他因素進行對比，按照表1的打分原則，兩兩比較打分后形成矩陣并求得權向量如下。

方案層對比于因素層B2(抗逆性)：

ω12=

(0.2865 0.2865 0.1423 0.1208 0.0573 0.0468 0.0598)T

CI=0.041,CR=0.03<0.1滿足一次性檢驗。

方案層對比于因素層B3(經濟性)：

ω13=

(0.1438 0.3886 0.085 0.2269 0.0386 0.0585 0.0585)T

CI=0.027,CR=0.02<0.1滿足一次性檢驗。

方案層對比于因素層B4(再生能力)：

ω14=

(0.1172 0.199 0.3084 0.0692 0.0285 0.0313 0.2464)T

CI=0.03,CR=0.02<0.1滿足一次性檢驗。

方案層對比于因素層B5(景觀功能)：

ω15=

(0.1318 0.0714 0.2461 0.3937 0.0394 0.0445 0.0732)T

CI=0.013,CR=0.01<0.1滿足一次性檢驗。

2.3.4 灌木植物總排序根據公式(4)得出方案層(C)目標權值：

ω=(0.1967 0.2573 0.1987 0.1252 0.0984 0.4051 0.0832)T

目標權值為胡枝子>鹽膚木>多花木蘭>紫穗槐>懸鉤子>高粱泡>野花椒，故最終推薦胡枝子、鹽膚木和多花木蘭為適合本地區生態修復的灌木植物。

3 結論

采用AHP層次分析法，在實地調研與文獻查閱的基礎上建立了風電場區生態修復層次分析模型，從適應性、抗逆性、再生性、經濟性以及景觀性對初步選出的22種植物打分并形成判斷矩陣，根據判斷矩陣的權向量對植物的篩選進行了半定量的分析，為風電場區邊坡生態修復植物的選擇提供支撐。最終優選出9種植物適合風電場區生態修復，分別是喬木類屬植物構樹、側柏、松樹；草本類屬植物狗牙根、高羊茅、三葉草；灌木類屬植物胡枝子、鹽膚木、多花木蘭。

層次分析法不僅能較客觀地對多指標進行綜合評價，與其他評價方法相比，層次分析法的評價指標之間具有更高的區分度，但其在權重賦值、植物得分方面具有一定的主觀性和片面性，得分情況沒有結合試驗數據，因此在后續的研究中應根據具體的地理環境條件，將理論與實踐相結合，對植物進行更合理的權重賦值。植被恢復是一個長期的過程，需要對這一過程從恢復機理、恢復技術、恢復效果的角度給予科學的解釋，并且對植被恢復效果做長期觀測與研究。