黃河下游堤防生態護坡試驗與效果評價

張 旭，陳 靜，黃 波

（1.濟南大學 水利與環境學院，山東 濟南250022；2.水發規劃設計有限公司，山東 濟南250100）

黃河下游自2009年開始實施大規模的標準化堤防建設，目標是把黃河下游堤防打造成“防洪保障線、搶險交通線和生態景觀線”［1］。目前標準化建設已全面完成，防洪標準進一步提高，工程面貌得到了極大改善。在標準化堤防建設中，堤防邊坡均采用葛巴草草皮防護，護坡草種單一，防護效果及工程外觀在部分段落已不能滿足當前要求，需進一步改進。近年來，草種混播、三維網防護技術在生態護坡中被廣泛應用。包慈華等［2］分析提出草種混播的遺傳背景更為廣泛，不同草種之間優勢互補，適應性更強；鄧立明［3］提出三維網的使用可以改善種植方式和生長條件，提高植草的成活率和防護效果。水土保持效益評價需要對植被群落的植物適應性、植物群落特征、水土保持效益和可行性等多方面進行綜合考慮，僅從單一指標上進行評價是不合理的；潘希等［4］通過分析國內相關水土保持效益評價方法的應用，總結歸納了各種評價方法的適用范圍，提出模糊綜合評價法尤其適合多目標評價和具有模糊性、非確定性、難以量化的指標區域；沈守權［5］、蔣必鳳［6］分別對模糊綜合評價法對水土保持及生態護坡效果評價進行了應用和改進。本研究選取狗牙根、黑麥草、高羊茅、結縷草、胡枝子等護坡植物，采用草種混播、三維網防護技術進行生態護坡構建，并采用模糊綜合評價方法對各措施防護效果進行綜合評價。

1 試驗概況

1.1 試驗區概況

本次生態護坡的試驗段位于黃河下游濟南段左岸背河堤坡和淤背區外邊坡（樁號為151+065—151+665，長度600 m）。大堤邊坡坡比為1∶3，堤身填筑土料為壤土，黏粒含量26.6%～44.9%（平均33.21%），最大干密度1.61 g/cm3，最優含水率19.67%，分層碾壓夯實，壓實度不小于95%；淤背區邊坡采用黏粒含量較大的壤土進行包邊，水平寬度為1 m，土壤保水性較差，較干燥，除表層土外，堤身土壤含水率一般在10%以下。

1.2 試驗區布設

本次生態護坡的試驗草種選擇狗牙根、黑麥草、高羊茅、結縷草4類草種，灌木選擇胡枝子，試驗部位為淤背區外邊坡。試驗區草種播種時間為2017年7月，監測期2 a，2019年10月試驗結束。試驗區坡長為12 m，共劃分為7個試驗段（見表1），每個試驗段均為100 m×12 m的矩形邊坡，選擇現狀葛巴草護坡作為對照組進行同期播種及監測。在各試驗段布設徑流小區，小區組成包括邊梗、集水池和集水槽，徑流小區尺寸為5 m×9 m，坡比為1∶3。

表1 試驗段布設方案

草種播撒前需對堤坡進行整理，以減少坡面板結層和沖溝對草種萌發及生長的影響，在試驗段六進行三維網的鋪設，用U形鐵絲固定三維網并覆土。按照試驗設計方案（見表1）進行人工草種均勻播撒，隨后用園藝釘耙向前平趟，使種子和土壤緊密接觸，同時避免澆水沖走種子。草種撒播完畢后覆蓋可降解無紡布，起到保濕降溫、防止陽光暴曬、避免人工澆水或雨水沖刷草籽的作用。在萌芽期進行適當灑水養護，直到草種出芽并覆蓋成坪。

1.3 試驗監測內容

影響本試驗區坡面水土流失特征的主要因素包括降雨、土壤、植被、地形等。試驗主要對各試驗段的植被生物學性狀及土壤理化性狀相關指標進行定位監測，以獲取試驗區水土流失驅動因素本底資料，作為各項水土保持措施的效益評價依據。相關指標及監測方法如下。

（1）植被生物學性狀。主要對植被成活率、保存率、生長速度、綠色期、覆蓋度、均一性、高度、景觀效果、生物量指標進行監測。采用無人機獲取的高分辨率正射影像對植被覆蓋度進行監測［7］；生物量觀測以1 m×1 m草地樣方為標準，取植物的地上莖葉部分測鮮重，3次重復取平均值。

（2）土壤理化性狀。主要對土壤侵蝕模數、徑流系數、土壤有機質含量、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤滲透性指標進行監測。采用土壤水分測定儀Spectrum TDR 350測定土壤含水率；采用環刀浸水法取厚度20 cm土壤測定土壤孔隙度、容重、貯水量；采用電測法測定pH值；采用重鉻酸鉀容量法測定有機質含量；每次侵蝕降雨后分別測定不同試驗段徑流小區的徑流量、土壤侵蝕量等指標；采用雙環法測定土壤滲透系數。

1.4 試驗結果

本次試驗的主要監測內容包括:成活率、保存率、越冬率、綠色期、覆蓋度、生長高度、生物量、徑流深、徑流系數、土壤侵蝕量、侵蝕模數、土壤孔隙度、土壤滲透系數、土壤有機質含量、土壤含水率、單位面積投入成本。對上述監測內容進行為期2 a的現場及原狀土取樣監測，觀測結果見表2。

表2 試驗指標觀測結果

續表2

2 AHP-模糊綜合評價

由于監測指標眾多且復雜，僅從單一指標進行評價是不合理的，因此采用模糊綜合評價方法對各措施水土保持效益構建綜合評價指標并進行綜合評價。各指標權重的確定是較為困難的一個環節，通常由專家根據經驗給出，往往帶有主觀性。層次分析法將人的主觀判斷用數量形式表達和處理，盡量減少評判中的主觀因素，是一種定量和定性相結合的決策方法。將模糊評價法和層次分析方法相結合，利用層次分析法確定各指標的權重，用模糊評價方法對數據進行評估，這樣就克服了模糊評價方法的不足，提供更為可靠的評價結果［4，8］。

2.1 層次分析法

運用層次分析法進行權重推求，可分為以下4個步驟［9］。

（1）構造判斷矩陣。構建多層次結構的評價模型，將綜合評價指標體系分為目標層、Ⅰ級指標層、Ⅱ級指標層3個層次，設某層有n個評價指標，采用1～9標度法對第i個指標和第j個指標之間的相對重要程度a i j（i，j=1，2，…，n）進行兩兩比較，各級標度含義見表3。

表3 兩兩指標比較評定

（2）計算層次權重值。權重向量w是由判斷矩陣A求出的最大特征根λmax對應的特征向量。

由式（2）解出λmax及對應的w，將λmax對應的最大特征向量歸一化，就得到下層指標相對于上層指標的層次權重值。

（3）一致性檢驗。計算一致性指標CI:

查表4得平均隨機一致性指標RI，計算一致性比率CR:

當CR＜0.1時，認為層次單排序結果具有滿意的一致性。

表4 平均隨機一致性指標RI評定

（4）各層次組合權重的計算。由各判斷矩陣求得的權重值是下層指標相對于其上層指標的分離權重值，故將這些分離權重值組合為各具體指標項相對于最高層的組合權重值Wkl:

式中:Wkl為Ⅱ級指標相對于總目標的組合權重值；wk為Ⅰ級指標及權重值；wkl為Ⅱ級指標及權重值。

按照上述步驟，根據已經建立的層次結構模型，得到判斷矩陣，采用MATLAB軟件求得各層次指標的權重，見表5。

各指標的判斷矩陣的一致性比率均小于0.1，滿足一致性指標，判斷矩陣可行。

由表5及式（5）可得，組合權重Wkl=（0.060 1，0.035 9，0.026 9，0.018 7，0.011 1，0.007 3，0.118 4，0.072 9，0.045 0，0.028 1，0.012 8，0.176 6，0.128 1，0.083 5，0.049 6，0.029 4，0.059 6，0.022 8，0.013 0）。

表5 各指標權重分布

2.2 模糊綜合評價

根據本項目8個試驗段及對照組的觀測結果，確定模糊評價集U=｛優，良，中，差｝，對應的數值集取N=｛90，70，50，20｝，邀請10位相關專家進行評價，并建立各個試驗段的隸屬度矩陣R i。

本試驗采用MATLAB軟件進行編程計算，采用M（·，⊕）算子，即將各評價指標的權重值與相對隸屬度值對應相乘再相加，可得模糊評價的綜合指標值。例如試驗段五模糊評價計算結果為

B=W×R5=［0.486 2，0.381 6，0.132 3，0.000 0］

量化處理后得U5=77.08，說明試驗段五處于“優（90）”和“良（70）”之間，狗牙根、黑麥草組合適宜作為黃河下游防洪工程護坡措施。其他試驗段計算方法同此，計算結果見表6。

表6 模糊合成算子計算結果

試驗段效果排序:試驗段五＞試驗段四＞試驗段六＞試驗段七＞試驗段三＞對照組＞試驗段二＞試驗段一。有5個試驗段評分高于對照組葛巴草措施，即優于現行黃河下游防洪工程護坡措施，因此黃河下游防洪工程生態護坡最優方案為狗牙根+黑麥草混播模式、狗牙根+高羊茅混播模式、狗牙根+三維網模式。

3 結論及建議

（1）各試驗段的監測數據及AHP-模糊綜合評價結果表明，黃河下游堤坡較優的生態效益水土保持措施類型為狗牙根+黑麥草混播、狗牙根+高羊茅混播、狗牙根+三維網模式。

（2）狗牙根+黑麥草混播、狗牙根+高羊茅混播的草種混播方案能夠發揮不同草種的環境適應能力，攔截降雨徑流的作用明顯，且兩種草種混播方案為純植物護坡措施，成本低，施工簡便。

（3）狗牙根+三維網模式中，三維網的網格結構能夠有效攔截和蓄滲降雨、徑流，并防止表土和草籽的沖刷，為植物萌芽提供了良好的土壤、水分條件，促進草種定居，三維網小區草皮均勻度、覆蓋度較好，景觀和水土保持效果顯著。但是，該方案單價相對較高，施工程序相對復雜，在靠水概率較高的堤段可以考慮采用該方案。

（4）在華北地區，草坪播種的適宜季節一般為春、秋兩季，即在草種的萌芽和幼苗期避開夏季的高溫和多雨期，免受陽光暴曬和雨水的沖刷，以保證出芽率和覆蓋度。種子進行適當的前期催芽處理（浸泡、變溫、破殼等）會提高出芽率和縮短出芽時間，可以減少種子用量，進一步降低成本。

（5）在后期管理方面，堤坡播種草坪的養護頻次與一般草坪有較大差異。在草種萌芽期應進行適當養護，以提高成活率和出芽率。草種出芽以后，在適宜季節和正常天氣條件下基本不需要進行人工養護，可根據現場條件、溫度及降雨情況適時調整。如遇現場施工等特殊情況導致坡面草皮被破壞，可采用草種補播的方式進行修復，若氣候條件已不適宜進行補播，需采取人工移栽方式進行修復，以保證整體覆蓋度和水土保持效果。

（6）在土壤條件方面，黃河下游不同河段與本試驗段落會稍有差別，尤其是在濱州以下河段，填筑大堤的土壤在酸堿性、有機質含量、土壤肥力等方面會有差異，但是黃河下游防洪工程的筑堤土場主要是灘區的耕地，灘區土壤的來源、形成、性質以及成分等各方面差異不大，不同堤段的土壤對草的生長影響基本沒有明顯差別。因此，在試驗段進行的各類草種的播種方式、養護方式、生長條件和生長狀況在黃河下游河段的其他段落均能達到相似的效果。