基于主成分法的城市河道生態護坡綜合評價

王 松

(海城市水利事務服務中心，遼寧 海城 114200)

1 研究方法

1.1 評價體系

生態護坡是在滿足邊坡安全穩定的條件下，維持生態系統可持續發展和自我良性運行的統一整體[1]，必須考慮以下內容開展綜合評價：(1)采用通航、排澇、防洪、供水等指標衡量其基本水利功能。(2)從防洪排澇、抗沖刷能力、結構穩定性等角度評價護坡安全性。(3)通過水環境修復、涵養地下水源、物種多樣性、系統群落結構等指標評價生態環境性。(4)以自然性、整體協調性、親水性等指標評價景觀適宜性。(5)根據社會公眾認可度、管理維護、工程年費用等指標評價社會經濟效益。

根據生態護坡必須滿足水利工程的基本條件，從生態環境性、社會經濟性、護坡安全性和景觀適宜性的角度綜合評價生態護坡[2]。本文遵循可預測性、獨立性、層次性、科學性、可操作性、系統性以及定性與定量結合等原則，選擇能夠反映河流生態健康的評價指標，按照梯階層次結構構建綜合評價體系，如表1。

采用相應的數學公式求解定量指標值，以呈線性關系的指標值與評分值獲取每個參數的分值；然后利用德爾菲法計算定性指標分值。該方法是一種普遍應用于具體指標確定過程和評價體系構建的主觀定性分析法[3]。德爾菲法的實現流程：邀請領域內的專家組成評判小組，對參評指標按照專家直覺和經驗給予評分，統計預測調查問卷的分布特征，并將結果反饋至專家，估計值明顯偏離平均值時邀專家適當修正；經多次反復論證獲取符合收斂要求的分值，并以平均值作為最終的評分。

1.2 評價方法

目前，比較常用的生態護坡評價法有灰色關聯度法、模糊綜合法、主成分分析和層次分析法等[4-5]。其中，模糊綜合法主要利用隸屬度等級和多因素模糊關系，通過合成運算綜合評價待評樣本；評價分析多因素系統時，定量與定性相結合的層次分析法也比較常見。然而，將兩者優點相集成的模糊層次法，通常難以明確關鍵性指標，無法客觀揭示不同因素間的相互關系。以參評因子實測數據為基礎的主成分分析法，主要利用多元統計方法對高維數據降維，從而確定關鍵性評價指標。實際上，特征向量法是主成分法計算每個因子權重的根本依據，并以相同的權重分配所有的參評樣本，其權重值具有較強主觀性且難以準確計算。本文利用客觀分析的主成分法與主觀分析的模糊層次法綜合評價生態護坡，在有效解決均一性權重可能帶來非公正性問題的同時，考慮不同參評因子間的相互關系，確保評價結果的客觀準確性。生態護坡評價流程如下。

表1 生態護坡評價體系

(1)主觀權重的計算。將各指標初始數據利用Z-Score法歸一化處理[6]，并利用模糊層次賦權模型逐項確定各個指標主觀權重。兩個因素的相對重要度利用0.1～0.9標度法衡量，設相鄰等級的中間狀態為0.2、0.4、0.6、0.8的標度值。經一系列的轉換運算，可以構造模糊一致矩陣，初步解決生態護坡的一致性問題。

(3)綜合評分值計算。每個主成分各自指標所對應的系數利用主成分相對應的特征值開平方根和主成分荷載矩陣中的數據來確定，然后確定標準化出具與特征向量的乘積值，從而獲取主成分的數學公式[7]。依據所提取主成分總的特征值之和以及每個主成分所對應的特征值，經數學轉化確定權重，并構造生態護坡評價模型，其表達式如式(1)：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(1)

2 實例應用

2.1 工程概況

本文以海城市河道治理工程為例，對3種不同生態護坡利用主成分與模糊層次相耦合的方法進行評價。目前，河道護坡有坡式、墻式兩種類型，從工程的角度上坡式較墻式護坡存在工程投資多、挖填土方量大、整體作業面積大等因素；從生態環境的角度上，坡式護坡對現狀地形擾動面大，在挖填方量相同的情況下，坡式護坡比墻式護坡的永久占地、臨時占地更多。根據治理河段水流速度大、比降大的特點，墻式護坡結構型式選取要充分考慮抗沖刷的特點，因此選擇生態砌塊直立擋墻、生態混凝土護坡和多孔生態磚護坡共3種護坡進行比選。

2.2 穩定性評價

(1)主觀權重。將定性、定量指標利用德爾菲專家調查法和相關公式計算，從而獲取初始數據；然后采用標準化公式對各初始數據進行處理，并利用模糊數學模型確定每個指標的隸屬度，建立模糊關系矩陣求解相應的綜合權重，將權重值與打分值進行計算處理獲取最終評分值，如表2。

表2 生態護坡的加權賦分值

由表2可知，多孔生態磚護坡的維護成本和工程投資相對較低，其景觀性、生態性以及安全性相對較好；由于施工繁雜工藝技術要求較高，生態混凝土護坡具有較高的成本；較其他2種護坡的生態環境性，生態砌塊直立擋墻具有明顯優勢，但還需進一步提高其景觀美感度和安全性。

(2)主成分的提取。借助SPSS19.0軟件和表2中的數據，通過標準化處理加權后的樣本數據求解特征值的累計方差貢獻率，并導出分析表，如表3。

表3 主成分提取分析表

第1、2項的特征值依次為8.681和4.323，其所對應的方差貢獻率依次為66.756%和33.244%；所以，生態護坡評價指標可以選擇前兩項主成分，其所對應的荷載矩陣如表4。

表4 主成分荷載矩陣

從表4可知，第1主成分中荷載較高的有公眾認可度、水環境修復、結構穩定性、親水性、生物多樣性指標。可見，公眾認可度、水環境修復、結構穩定性、親水性和生物多樣性對生態護坡評價的影響較高。

(3) 綜合評分值。采用兩個主成分的數學表達式及其對應的特征值占比，構造城市河道生態護坡主成分綜合模型，如式(2)：

F=λ1/(λ1+λ2)F1+λ2/(λ1+λ2)F2=

0.667F1+0.332F2

(2)

式中：F為綜合評分值；F1為主成分1的評分值;F2為主成分2的評分值；λ1為主成分1的荷載短陣特征值，λ2為主成分2的荷載短陣特征值。λ1=8.681,λ2=4.323,主成分1、主成分2的方差貢獻率為66.756%、33.244%。

河道生態護坡綜合評分值利用以上公式計算確定，并按照優劣程度排序，如表5。

表5 生態護坡綜合評價值

從表5可以看出，綜合評價最好、最差的為多孔生態磚護坡和生態混凝土護坡，而生態砌塊直立擋墻的綜合評價結果居中。研究表明，多孔生態磚護坡不僅能夠融入城鎮生態、水文化、城鎮景觀等因素，而且可以兼顧保持水土、防洪排澇、減少沖刷等傳統功能，為實現人水和諧相處和水生態文明建設提供支持，實踐表明該護坡的生態和經濟效果非常顯著。

為進一步探究耦合方法的可行性、適用性，將其評價結果與主成分法和模糊層次法對比分析。采用模糊層次法、主成分法和表1中的相關數據，綜合評價河道不同生態護坡，結果顯示其排序結果與耦合方法保持較好的一致性。將城市河道生態護坡利用客觀分析的主成分法與主觀分析的模糊層次法進行綜合評價，有效解決了主成分法、模糊層次法存在的問題，在規避均一性權重可能引起的非公正性問題的同時，全面考慮了不同參評因素間的差異性及相互關系，保證了評價結果的客觀真實性。此外，通過降維處理減少了綜合評價的復雜性，減少了多重相似指標的相關性，有利于準確識別關鍵性影響因子，為進一步提高和改善生態護坡的建設水平提供科學依據。

3 結 論

(1)綜合評價河道生態護坡時，要結合河道水文水質、周邊環境、地理位置、河道類型、護坡功能，以及土壤等情況，遵循一定原則構建評價體系。對于指標數量的要求，模糊層次法和主成分法存在一定差異：前者在較多指標賦權時存在一定困難，后者需要有一定數量的指標才能保證科學性。所以選擇指標時要綜合考慮具體情況，以此保證評價的客觀準確性。

(2)對于參評指標權重的計算，要結合各種指標特性確定相應的量化方法。在提取參評數據時采用主成分與模糊層次相耦合的方法，首先結合各項指標的重要程度，利用模糊層次法賦予相應的權值，然后利用主成分法識別出關鍵性因子，由此解決了主成分法評價時權重相同的問題。

(3)此外，要根據不同方法的適用性及其優缺點，通過充分的比較分析選擇合適的方法，從而保證生態護坡評價的真實可靠性。