鄧 龍

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展,我國河流治理工程的建設(shè)不斷加快,但同時(shí)也帶來了河流環(huán)境污染、水體質(zhì)量下降、河道淤積、洪水沖刷、生態(tài)破壞等一系列問題［1］。為了解決上述問題,保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境,必須采取有效措施,如河道整治中的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。

為此,許多學(xué)者針對(duì)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)展開了相關(guān)研究。秦蕾［2］針對(duì)河道整治,運(yùn)用生態(tài)水利工程技術(shù),研究了河道整治的可行性和可持續(xù)性,結(jié)果表明生態(tài)水利工程在河道整治中能夠有效恢復(fù)河道的自然環(huán)境,改善河道環(huán)境,從而達(dá)到河道整治的目的。任金龍等［3］針對(duì)河道整治工程施工管理的問題及對(duì)策,對(duì)河道整治工程施工管理的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:①通過比較和研究發(fā)現(xiàn),河道整治工程施工管理存在許多不足;②根據(jù)實(shí)際情況,分析河道整治工程施工管理的問題及對(duì)策,從技術(shù)、管理、質(zhì)量等方面提出了若干有效對(duì)策。

因此,本文運(yùn)用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、粗糙集理論(Rough set theory,RST)和模糊綜合評(píng)價(jià)法(Evaluation method of fuzzy mathematics,EMFM),對(duì)河道整治中生態(tài)護(hù)坡技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了研究。并以賈河治理工程為例,通過賈河治理工程實(shí)施過程中生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)水利水電項(xiàng)目的影響進(jìn)行模糊綜合評(píng)判,保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境。

1 基于層次分析法和粗糙集理論的河道生態(tài)護(hù)坡工程評(píng)價(jià)

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確立

河道生態(tài)護(hù)坡綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系屬于一個(gè)多層次、多準(zhǔn)則、多指標(biāo)的復(fù)雜、巨大的系統(tǒng),其組成指標(biāo)較多,且受到的影響也較多,各指標(biāo)之間的層次結(jié)構(gòu)比較顯著。因此,以護(hù)坡的特征和其結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ),選取科學(xué)合理、具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建一個(gè)具有代表性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)［4-5］。

根據(jù)賈河綜合生態(tài)治理工程的具體條件,對(duì)該項(xiàng)目的生態(tài)護(hù)坡形式及工程質(zhì)量的影響進(jìn)行分析,將其劃分為結(jié)構(gòu)形式(A)、經(jīng)濟(jì)特征(B)、施工特征(C)及生態(tài)效應(yīng)(D),構(gòu)建包括4個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、19個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的河道生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型。

結(jié)構(gòu)形式(A)劃分為4項(xiàng)指標(biāo),即防洪能力A1、排水能力A2、穩(wěn)定能力A3、抗沖刷能力A4;經(jīng)濟(jì)特性(B)劃分為兩個(gè)指標(biāo),即建造及后期維修成本B1、運(yùn)行時(shí)間B2;施工特性(C)分解為施工及維修的難易程度C1、施工進(jìn)度的快慢C2、材料獲取難度C3以及施工對(duì)環(huán)境的影響C4共4個(gè)指標(biāo);生態(tài)影響(D)分解為9個(gè)指標(biāo),分別是透水性和涵水性D1、水文調(diào)蓄功能D2、水土保持效益D3、水質(zhì)凈化性D4、生物多樣性D5、可持續(xù)性D6、親水性D7、蓋度D8以及綠期D9［6］。

其中,量化的評(píng)估指數(shù)有穩(wěn)定性、抗沖刷性、建設(shè)及后期維護(hù)費(fèi)用、滲透和涵養(yǎng)能力、水質(zhì)凈化性、覆蓋度、綠化年限。定性的評(píng)估指標(biāo)有防洪、排澇、運(yùn)行期限、施工進(jìn)度快慢、施工對(duì)環(huán)境的影響、施工及維護(hù)難易程度、材料獲取難度、水文調(diào)蓄功能、水土保持效益、生物多樣性、可持續(xù)性和親水性。見表1。

表1 河道生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)體系架構(gòu)

在確定完特定標(biāo)準(zhǔn)之后,收集、整理、分析所在地區(qū)各評(píng)價(jià)指數(shù)的績效(即目前的價(jià)值),根據(jù)已制定的相關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估,將其評(píng)定為10個(gè)等級(jí),即-5～+5。結(jié)合其他相關(guān)評(píng)估工作所采用的分類方法,綜合分析生態(tài)影響的正負(fù)兩種類型特征,提出了采用分級(jí)體系和指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)估的方法［7-8］。因此,對(duì)河道生態(tài)護(hù)坡工程的工程治理效果進(jìn)行綜合評(píng)估,將其分為5個(gè)層次,見表2。

表2 河道生態(tài)護(hù)坡綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

1.2 基于層次分析法和粗糙集理論的綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

基于AHP-RST-EMFM綜合評(píng)判方法,建立一個(gè)適用于河道整治中生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的評(píng)價(jià)體系,將層次分析法(AHP)、粗糙集理論(RST)和模糊綜合評(píng)價(jià)法(EMFM)相結(jié)合,對(duì)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。其技術(shù)路線圖見圖1。

圖1 AHP-RST-EMFM河道生態(tài)護(hù)坡工程評(píng)價(jià)模型

河道生態(tài)護(hù)坡效果評(píng)價(jià)的影響因子很多,各因子之間邏輯關(guān)系復(fù)雜,但往往是一個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu);各要素對(duì)綜合效益的貢獻(xiàn)都由其本身的特性所決定,在實(shí)際測量中則呈現(xiàn)出模糊的特點(diǎn)［9-10］。因此,運(yùn)用AHP與RST判斷的基本原則相結(jié)合,建立一套生態(tài)影響評(píng)估的方法。

AHP是將問題分成不同的影響因子,并按一定的邏輯性進(jìn)行分類,構(gòu)成一個(gè)分層的層級(jí)［11］。根據(jù)各因子之間的相關(guān)關(guān)系,來決定各決策的優(yōu)先次序。AHP是將定性和量化相結(jié)合的一種手段,將分析者和決策人的主觀評(píng)價(jià)以量化的方式表現(xiàn)出來并進(jìn)行加工。其內(nèi)容包括構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判別矩陣、層次單排順序、層級(jí)總體順序等內(nèi)容。其中,構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)是指對(duì)問題的影響因素進(jìn)行分類,一般分為最高層、中間層和最低層。上層代表目標(biāo)確定,中層代表行動(dòng),底層代表問題解決。即最高層是目標(biāo)層,僅包含一個(gè)單元,代表預(yù)先確定的目標(biāo)或者期望的結(jié)果;中間層是標(biāo)準(zhǔn)層,可以分為幾個(gè)子層面,包含為達(dá)到目的而需要的中介環(huán)節(jié),如評(píng)估準(zhǔn)則、子準(zhǔn)則;最底層是一個(gè)方案層次,代表不同的可供實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的備選方案。構(gòu)造判別矩陣是指構(gòu)建AHP的體系結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上,通過定義各層級(jí)的從屬關(guān)系,并對(duì)其進(jìn)行分類運(yùn)算。對(duì)于最大次因子,按每一層單元間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行二次分析。層次單排序是指在同一層級(jí)上某個(gè)要素的相對(duì)重要程度,包括兩個(gè)方面,即權(quán)重的確定和判定矩陣的一致性［12-13］。加權(quán)方法包括有根方法和特征根方法。有根方法是先將判斷矩陣(A)的列矢量進(jìn)行幾何平均,再進(jìn)行歸一化處理,所得的列矢量就是加權(quán)矢量。

Ri=(rij)ni×m

(1)

(2)

利用模糊矩陣操作,得出一個(gè)綜合的模糊評(píng)價(jià)模型,公式如下:

(3)

最后,按照最大隸屬原則,將AHP與分級(jí)(如二級(jí))的模糊評(píng)判相結(jié)合,建立一個(gè)河道生態(tài)護(hù)坡的生態(tài)影響評(píng)估模型。采用AHP方法,得到準(zhǔn)則層與目標(biāo)層、指標(biāo)層和規(guī)范層之間的評(píng)價(jià)結(jié)果(即判定矩陣);然后,利用第二層次的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行決策。在模糊判別中,一級(jí)因子集中采用基準(zhǔn)層次和目標(biāo)層次判定矩陣的權(quán)重矢量,二級(jí)要素集中采用指數(shù)級(jí)和基準(zhǔn)級(jí)別的判定矩陣權(quán)重向量。通過這種方法,將層次分析和模糊判別相結(jié)合,從而建立一個(gè)綜合河道生態(tài)護(hù)坡影響評(píng)估模型［15］。

2 基于層次分析法和粗糙集理論的應(yīng)用效果分析

賈河河段治理工作的主要內(nèi)容是:改善該河段的防洪排洪性能,改善河岸坡體的結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定及抗沖刷性能;對(duì)河岸進(jìn)行生態(tài)修復(fù),確保河岸周圍的環(huán)境衛(wèi)生;改善水質(zhì),增加水的潔凈度。

為此,在分析河流地質(zhì)條件、河流實(shí)際狀況的基礎(chǔ)上,按照有關(guān)設(shè)計(jì)原理,提出漿砌石護(hù)坡、生態(tài)混凝土護(hù)坡、格賓石籠網(wǎng)墊護(hù)坡、預(yù)制混凝土鏈塊護(hù)坡4種護(hù)坡的設(shè)計(jì)方案。4種護(hù)坡方式的設(shè)計(jì)斜率都是1∶2.5,斜坡頂部距河床底部的高差為3.6m左右,水位距河床底部的低差為2.4m左右。利用MATLAB,分別建立不同類型的評(píng)估模型,并由10名專家對(duì)不同級(jí)別的評(píng)估因子進(jìn)行對(duì)比,得出不同級(jí)別的評(píng)估結(jié)果,計(jì)算出不同級(jí)別判定矩陣的最大特征值與最大特征根之間的正規(guī)化矢量,驗(yàn)證判定矩陣的相容性。見表3。

以標(biāo)準(zhǔn)層次為基礎(chǔ),求出最優(yōu)化的綜合權(quán)值。在構(gòu)建粗糙集的評(píng)估模式時(shí),必須先對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。將賈河河段分為5個(gè)部分,見表4。

表3 指標(biāo)層權(quán)重結(jié)構(gòu)表

表4 生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)決策表

表4中,a、b、c、d、e分別為標(biāo)準(zhǔn)層面的5項(xiàng)指數(shù),表4所列數(shù)據(jù)均來自本地區(qū)的歷史資料及評(píng)分表,以1至5的數(shù)值代表(很好、較好、一般、較差、很差);D為決定因素,其中1表示對(duì)本地區(qū)水利建設(shè)的正面影響,2表示對(duì)水利工程在該區(qū)域的負(fù)面影響。

采用AHP分析法與粗糙集法求出一級(jí)指數(shù)權(quán)重,即為μ=0.383,并依據(jù)理論,將主客觀權(quán)重系數(shù)的比率設(shè)為“黃金分割”。賈河河段的生態(tài)影響評(píng)價(jià)結(jié)果為:整體上呈現(xiàn)出積極的生態(tài)效果,但其積極作用則比較平庸;盡管該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境沒有任何負(fù)面影響,但仍處在由弱向強(qiáng)的過渡期。由于氣候變化和人為因素的作用越來越大,若工程管理不合理或運(yùn)營措施不當(dāng),將會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

引入模型系統(tǒng)連續(xù)引水l、2、3h之后,通過對(duì)河流進(jìn)行分析,得出河流斷面濃度過程曲線。具體見圖2、圖3。

圖2 河道斷面20-26的COD及TP濃度沿河長的分布

從圖2(a)可以看到,河段閘門在1～3h內(nèi)相繼開啟,導(dǎo)流能力15m3/s,各段的水體質(zhì)量得到顯著改善。因此,可依據(jù)不同的水質(zhì)指標(biāo)需求,結(jié)合河閘調(diào)水規(guī)劃,利用水量水質(zhì)模型及優(yōu)化調(diào)度評(píng)價(jià)模型來決定合適的調(diào)水流量。同時(shí),對(duì)城市河道的水質(zhì)演變進(jìn)行預(yù)報(bào),以達(dá)到對(duì)城市水系水環(huán)境進(jìn)行科學(xué)的治理。由圖2(a)還可看出,在經(jīng)過3h的點(diǎn)閘門放水后,其COD濃度整體趨于4mg/L的水平,而經(jīng)過1或2h點(diǎn)閘門放水的河流COD濃度明顯高于經(jīng)歷3h的情況。同理,由圖2(b)可以看出,在經(jīng)過3h的點(diǎn)閘門放水后,其TP濃度整體趨于0.3mg/L的水平,而經(jīng)過1或2h點(diǎn)閘門放水的河流TP濃度明顯高于經(jīng)歷3h的情況。

圖3 河道斷面20-26的及TN濃度沿河長的分布

由以上分析可以看出,本研究所提出的生態(tài)決策模型應(yīng)用性能相對(duì)較為良好。

3 結(jié) 語

本文對(duì)水利工程生態(tài)影響評(píng)估的內(nèi)容進(jìn)行了分析,并構(gòu)建了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。將層次分析法、粗糙集理論與模糊綜合評(píng)判相結(jié)合,建立了生態(tài)影響評(píng)估模型。采用層次分析法和粗糙集理論相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)估。以飛來峽水電站為例,對(duì)其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,賈河河段的區(qū)域生態(tài)影響綜合價(jià)值指數(shù)為三級(jí),整體上呈現(xiàn)出積極的生態(tài)效果。盡管該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境沒有任何負(fù)面影響,但仍處在由弱向強(qiáng)的過渡期。由于氣候變化和人為因素的作用越來越大,若工程管理不合理或運(yùn)營措施不當(dāng),將會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。