川藏铁路高原脆弱区沿线受损生态空间修复状况综合评价

李海文，鲍学英

川藏铁路高原脆弱区沿线受损生态空间修复状况综合评价

李海文，鲍学英

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

基于川藏铁路青藏高原地区环境脆弱，且铁路沿线生态空间修复在环境保护和水土保持中的重要作用，从土壤生态修复、植被修复、水环境修复、自然资源修复、大气环境修复以及工程措施修复等6个方面建立综合评价指标体系。利用博弈论(GT)将IGAHP法和向量夹角余弦法加权组合，确定各评价指标的综合权重；运用二维云模型从效果和经济性2方面对铁路沿线生态空间修复状况进行综合评价，借助MATLAB绘制二维云图，并计算贴近度，进一步确定评价结果。选取川藏铁路拉林段作为评价对象，对其沿线受损生态空间的修复状况进行综合评价，验证了该模型的适用性和有效性。

高原脆弱区；生态空间修复；博弈论；IGAHP法；向量夹角余弦法；二维云模型

近年来，随着铁路的不断建设对铁路沿线的土壤、植被、水环境、大气环境等生态空间造成了严重的破坏，导致水土流失、泥石流等恶性地质灾害经常发生，对铁路运输、沿线居民的生命安全、财产安全造成了极大的威胁，因此如何进行受损生态空间修复、保护自然环境成为社会各界专家学者重点研究的问题。目前许多学者对生态修复的技术及生态修复对水土保持的作用等进行研究，于德志[1]对生态修复在水土保持生态建设中的优化作用进行了分析；CAI等[2]利用物种分布模型(SDM)分析了物种空间优化对生态修复的作用；HE等[3]利用循环模型分析了边坡生态修复对气候变化的影响。但是，上述文献只是对修复技术、影响等进行了探讨，并没有对生态修复的效果和经济性给出具体的分析说明，基于此研究现状，本文以川藏铁路高原脆弱区为研究对象，对其沿线受损生态空间修复从效果和经济性两方面进行了综合评价。鉴于川藏铁路高原脆弱区独特的生态环境和地理特征，笔者通过查阅有关青藏高原地区生态研究的文献[4−6]，咨询该地区铁路沿线生态修复及环境保护的相关专家建立了川藏铁路高原脆弱区沿线受损生态空间修复状况综合评价指标体系；利用博弈论对IGAHP法与向量夹角余弦法进行组合赋权，即突出了青藏高原脆弱区环境的独特之处，又考虑了不同因素对生态修复综合评价的影响程度；运用二维云模型从生态修复的效果和经济性两方面进行综合评价，并利用MATLAB正向云发生器生成二维云图，直观地反映了综合评价的结果。通过本文的研究为青藏高原脆弱区生态空间修复和环境保护提供了理论依据。

1 高原脆弱区受损生态空间修复状况综合评价指标体系

生态空间修复是指对受损的生态系统通过重建、改建等方式使其尽可能恢复到原来的状态，或者利用生态系统的自我恢复能力，辅以人工措施，使遭到破坏的生态系统逐步恢复或向良性循环方向发展。

基于生态修复的含义和要求，本文从土壤生态修复、植被修复、水环境修复、自然资源修复、大气环境修复以及工程措施修复6个方面建立了综合评价指标体系。铁路施工产生的生活垃圾、工业垃圾会对青藏高原本就贫瘠的土壤造成严重的污染，使土壤中的微生物、动物死亡，降低土壤中全N，全P，速效P，速效K 等微量元素的矿物养分[7]含量，减弱土壤的肥力，最终使土壤沙化，造成沙暴、水土流失、泥石流等地质灾害。青藏高原地区土壤中含有丰富的有机和无机碳，是我国重要的土壤碳库[8]，一旦破坏对该地区大气的碳氧平衡会造成严重的影响，而土壤PH的酸碱性[9]直接影响着植物的存活率，因此土壤的修复状况如何主要看这些指标是否恢复到自然状态；植被是施工场地生态修复的关键，尤其在青藏高原这种高寒缺氧的地区，高寒草甸[9]等适合青藏高原生长的特殊植被的盖度是衡量植被修复效果的重要指标，而植被的高度和密度[10]不仅反映了植被修复的力度，更能反映土壤肥力修复的效果；植被修复不仅要考虑其盖度，也要考虑种类的丰富度和合理搭配来促进植被的生长和存活，而且青藏高原环境特殊应该多栽种一些抗寒抗冻耐瘠薄且根系能吸收土壤中重金属微粒[11]的优势种。由于青藏高原植被修复比较困难而且修复成本很高，所以对于铁路沿线的特殊植被尽量采用移植保护的方法，以此来降低植被修复的经济损耗；青藏高原湖泊、河流本就稀少，施工产生的废水污水应该经过层层过滤再排放，防治污染湖水、河水以及地下水资源；青藏高原地区自然资源极其丰富，各种潜在的金属如钾盐、铬铁矿、铜、铅锌、金、镍矿[12]比比皆是，施工后必须对矿山生态环境进行修复，防治自然资源流失。该地区多为古老的地质层和特殊的岩质层，铁路隧道施工必然会破坏其结构，因此应该在施工后对其进行修复防治大面积破坏，低温永久冻土带是青藏高原多年形成的土层，施工产生的高温会使冻土层退化，最终导致滑坡和水土流失，所以必须采取措施对其修复，而这些修复从人力、物力以及技术上都会产生很高的费用；川藏铁路施工机械尾气、施工扬尘都会污染含氧量不足且稀薄的高原空气，因此空气中NO，SO2，CO等有毒有害气体的含量，TSP，PM10，PM1等的含量、有害菌类含量、重金属颗粒含量都是衡量大气环境修复状况的重要指标；此外，利用工程措施来防止水土流失、防风固沙也是生态修复的重要体现，尤其路基边坡绿色防护，不仅保证了路基的稳定，更绿化了环境，修复了生态空间。

通过以上的分析，本文以6个一级指标为基础进一步选出26个二级指标，建立了川藏铁路高原脆弱区沿线受损生态空间修复状况综合评价指标体系，如图1所示。

2 基于GT的组合赋权模型

2.1 主观赋权法—IGAHP法

改进群体层次分析法[13](Improved Group Analytic Hierarchy Process, IGAHP)是在传统层次分析法(AHP)的基础上通过分析专家权重判断的差异程度来明确专家的决策权重系数，从而弱化单个专家的评估的随机性、主观认识上的不确定性和专家间的分歧性对评价结果的影响，最终集结所有专家的决策得到比较合理的权重。

设第位专家用传统层次分析法得到个指标的权重为：

则第位和第位专家评价的差异程度用欧式距离d(,=1, 2, 3,…,)表示，则

图1 高原脆弱区受损生态空间修复状况综合评价指标体系

设第位专家的评价与其他所有专家评价的相近程度用d表示，则

可得，第位专家的最终评价权重系数λ为：

综上可得IGAHP法确定的权重为：

2.2 客观赋权法—向量夹角余弦法

1) 构造评价指标最优值向量和最差值向量[14]

其中

2) 构造各评价对象与最优值向量和最差值向量的相对偏差矩阵和Δ

3) 确定评价指标的向量夹角余弦权重

2.3 基于GT的加权组合赋权模型

博弈论[15](Game Theory, GT)是指研究多个个体或团队之间在特定条件制约下的对局中利用相关方的策略，而实施对应策略的学科。它是研究具有斗争或竞争性质现象的理论和方法，并考虑博弈中的个体的预测行为和实际行为，研究它们的优化策略。利用博弈论在组合赋权中考虑了主客观权重之间的冲突性，通过寻找两者之间的最小化偏差以寻求折衷值，达到主客观之间互动决策的效果，从而使组合权重达到最优。

设1，2是主客观权重的加权系数，为确定权重方法的种类，则组合权重*为：

根据博弈论集结模型优化1，2的值，则对策模型为：

依据矩阵微分特性，对式(12)求最优化一阶 导数：

解式(13)可得加权系数1，2，并进行归一化处理：

则优化后指标的加权组合权重*为：

3 基于二维云模型的评价模型

3.1 二维云模型

二维云模型[16−17](Two-Dimensional Cloud Model, TDCM)是综合评价2个影响因素共同作用下的随机性和不确定性问题，通过将2个维度的定性概念与定量数据进行转换来综合评价不确定性问题的优劣程度。

式中：x和y为云滴坐标；P和P为条件云滴坐标；为超熵；μ为隶属度。

3.2 综合评价云

高原脆弱区受损生态空间修复的效果和经济性共同反映修复的综合状况，因此可以以评价指标为度量，选取效果等级和经济等级作为综合评价结果的2个基础变量。邀请生态修复和经济性评估相关方面的专家以10分为满分为底层评价指标进行打分，规定分值精度为0.1。则每个评价指标衡量的修复效果和实现评价指标的经济性分值分别形成一个云滴，组成该指标的修复效果云和修复经济云，统称为二维综合评价云。利用MATLAB逆向云发生器生成效果云和经济云的数字特征。

式中：，，分别为样本期望、熵和超熵；x为第位专家打分值，2为样本方差，为专 家数。

将二级效果云数字特征矩阵和经济云数字特征矩阵分别与对应的加权组合权重矩阵进行合成，可得到一级效果云和经济云的数字特征，进而可得最终综合评价云的数字特征。

3.3 标准云

将区间[0,10]平均分成5个标准评级区间，由式(19)可得每个区间的数字特征，具体的取值范围、等级描述和数字特征如表1所示。

表1 标准评价等级数字特征

3.4 综合评价云图

将最终得到的综合评价云数字特征和标准云的数字特征输入到MATLAB正向云发生器，可得到综合评价云图和标准云图，通过对比分析可初步得出高原脆弱区受损生态空间修复状况的综合评价等级。

3.5 贴近度

由于得出的综合评价结果与标准云之间存在相似性，为了更加准确的得出综合评价等级，利用贴近度来计算综合评价结果与标准云的贴近程度，贴近度越大说明综合评价结果越接近该贴近度对应的标准评价等级。

式中：为贴近度；,分别为综合评价云的效

4 实例分析研究

4.1 工程概况

选取川藏铁路拉林段(拉萨−林芝)为研究对象，该段铁路位于青藏高原东南部，属于冈底斯山与念青唐古拉山、喜马拉雅山之间的藏南谷地，雅鲁藏布江中游，海拔在2 800～3 700 m之间。山高谷深，气候极端恶劣。山脉呈东西向纵贯延展，谷岭相间，地势起伏跌宕。该区域高寒缺氧，空气稀薄，泥石流、地震、风沙等恶性地质灾害频发，环境极其恶劣，生态非常脆弱；而该区域内蕴含丰富的各类自然资源，并且文物古籍和旅游资源也十分丰富，因此对于该区域内由于铁路建设受损的生态空间进行修复就显得尤为重要。

鉴于青藏高原地区环境十分脆弱，拉林段环保小组组织编制了《生态恢复方案》，对竣工后土地生态恢复进行了统一安排部署，制定了施工方案，坚持边施工边恢复的原则，主要采取的生态修复措施是截污控源，并尽可能的减少生态破坏，降低生态修复成本。通过各单位共同的努力，生态修复效果良好，生态环境趋于良性发展。

虽然，拉林段铁路施工时尽量减少对环境的破坏，但对于当地的土壤、植被、水资源等还是造成了一定的影响，因此做出了必要的保护和修复措施。对于受破坏的土壤采取必要手段进行了修复，土壤中微生物的和动物的活性、数量以及土壤PH值得到了良好的恢复。在施工中对于地表土进行剥离50 cm以上，并集中储存到规定区域，用绿色密目网进行苫盖，四周用编织袋进行围挡，进行有效保护作为复耕土使用，解决了复耕土来源问题，降低了成本，而且为生态恢复提供了优质土壤资源，使土壤的有机物及含碳化合物以低成本得到了良好的改善。施工区树木能移栽的进行移栽，移栽不了的运往当地村民家中，当地村民取暖和做饭主要是焚烧木材，政府每年给村民留一定期限上山砍树，拉林项目将木材送给村民，减少了他们的砍伐量，间接地修复了森林植被。开挖路段的地表植被及草甸异地保存、培植，施工结束后及时进行复垦，植被的生长状况良好。对弃碴完毕的边坡及时进行覆土，按照乔灌草结合方式并选择耐寒、耐土壤养分贫瘠的优势种进行了植被恢复。不论从植被的覆盖面积还是高度和密度以及种类上都满足了该地区生态修复的要求，且恢复的效果好，成本低。拉林段两旁河流众多，地表水系丰富，为保护和修复水资源环境，施工时设置了污水处理站，施工废水经过三级沉淀后流入污水处理站，污水处理站投药进行沉淀、过滤、净化，水质检测合格后再行排放，对于该地区水资源的修复起到了良好作用，但处理过程的成本相对较高；区域湖泊和河流，加强了管理和监督，统筹管理油污废弃物，将各类垃圾进行了分类储放，尽力还原到原有生态系统状态。隧道开挖对冻土层和特殊岩质层、矿山资源造成一定的损坏，由于及时进行了支挡和保护，使得冻土层没有进一步消融，岩质层也没有严重的破坏，矿山资源也得到了良好的保护。拉林项目对砂石料、洞碴、袋装水泥运输车辆顶部进行苫盖，防止粉尘飞散，对裸露的土层用绿色密目网进行遮盖，在拌合站拌合机安装除尘设施，部分施工便道进行硬化，配置专用洒水车在生活区、作业区进行洒水降尘，有效降低因施工引起的粉尘浓度，提高了空气质量。同时，各个隧道推广使用了水压光面爆破技术，降低了爆破后粉尘浓度，净化了空气，绿色环保效果十分明显。拉林项目依靠成立的“冯爱创新工作室”，加强环保施工工艺研究与创新，取得了良好的效果，如米林隧道横洞工区施工期间产生的硫化氢气体，立项课题《高原深埋长大铁路变质岩隧道硫化氢气体监测及防治研究》进行深入研究，解决了隧道气体监控防治问题，有效避免了有毒有害气体的随意排放。路基边坡、路基两侧车站站场、临时道路和施工营地等人为破坏所产生水土流失的区域布设生物措施，主要以种草和移植原地表植被等修复措施为主，有效的防止了水土流失。拉萨地区河宽谷，风积沙严重，因而采取固沙、阻沙、输沙和封沙育草、保护天然植被等多种防护措施，构成严密的、整体性的防沙结构体系，并采用方格状透风高立式沙障－HDPE阻沙栅栏，防风固沙效果良好。根据拉林段生态修复的具体状况，并邀请6位研究青藏高原生态环境、生态修复及参加该铁路建设的相关专家按照修复效果和经济性对评价指标进行打分，记为1和2；对于评价体系中含量等定量指标专家根据其是否符合该地区的生态条件以10分为满分进行打分，对于定性指标专家根据其实际的表现进行打分。具体的打分情况如表2所示。

表2 效果等级和经济等级评分值

4.2 权重计算

4.2.1 IGAHP法权重

4.2.2 向量夹角余弦法权重

对于一级指标专家根据效果和经济2方面的情况给出评分值并代入式(6)~(10)可得到效果云和经济云的一级指标客观权重，分别用

4.2.3 基于GT的加权组合权重

将得到的一级指标和二级指标的GT加权系数代入式(15)可得效果云和经济云一级和二级指标的加权组合权重，如表3所示。

4.3 实例评价

将表2中各二级指标的评分值代入式(17)可得2级评价云的效果云和经济云的数字特征；将2级评价云的数字特征与表3中对应的权重值代入式(18)可得1级评价云的效果云和经济云的数字特征，进而得到综合评价云的数字特征，具体数值如表3所示。

表3 效果云和经济云数字特征

Z40.172(7.042,0.303,0.218)0.168(5.735,0.679,0.213)Z410.044(6.317,0.272,0.203)0.038(5.683,0.856,0.218) Z420.034(7.017,0.230,0.178)0.031(5.950,0.731,0.295) Z430.044(7.017,0.397,0.262)0.043(6.050,0.752,0.189) Z440.031(8.133,0.292,0.220)0.035(7.017,0.564,0.229) Z50.155(7.730,0.369,0.233)0.156(7.305,0.624,0.246)Z510.037(8.433,0.404,0.2580.038(7.850,0.773,0.257) Z520.036(7.667,0.390,0.238)0.042(7.317,0.529,0.248) Z530.043(7.550,0.292,0.207)0.038(7.067,0.752,0.260) Z540.042(7.350,0.397,0.234)0.040(7.000,0.460,0.220) Z60.147(7.604,0.526,0.198)0.157(7.365,0.604,0.235)Z610.032(7.817,0.648,0.099)0.036(7.517,0.738,0.130) Z620.035(7.150,0.543,0.247)0.032(6.817,0.522,0.304) Z630.025(7.967,0.348,0.2560.036(7.700,0.543,0.280)

将表3中综合评价云的数字特征和标准云的数字特征输入到MATLAB正向云发生器，可得到综合评价云图如图2所示；为了更清楚地看出综合评价等级这里同时给出了综合评价云的俯视图如图3所示。

图2 综合评价云图

由图2可知，川藏铁路高原脆弱区沿线受损生态空间修复的综合评价等级介于良好和优秀之间，更接近良好，图3则更清楚的可以看出综合评价结果与良好基本重合，故可认为川藏铁路高原脆弱区沿线受损生态空间修复的综合评价等级为良好，即修复效果比较好，而且成本比较合理。

图3 综合评价云俯视图

为了明确一级指标评价等级，同时生成1，2，3和44个一级指标评价云与标准云的对比图，如图4所示。

图4 1级指标评价云图

4.4 计算相近度

将表3中综合评价云的期望与表1中标准云的期望代入式(20)可得标准云与综合评价云的贴近度，分别用1，2，3，4，5表示。

可知“良好”的标准云与综合评价云的贴近度2最大，进一步确定了综合评价等级为良好。

5 结论

1)通过对川藏铁路高原脆弱区沿线独特的生态空间进行深入的分析和研究，结合铁路施工对生态环境破坏的情况，建立了高原脆弱区受损生态空间修复综合评价指标体系。

2) 通过博弈论将IGAHP法和向量夹角余弦法加权组合，使权重分配既突出了高原脆弱区独特的地理环境特征，又考虑到了主客观因素的的冲突性和差异性，并利用二维云模型及MATLAB 软件从修复效果和经济性2方面对川藏铁路高原脆弱区沿线受损生态空间的修复状况进行了综合评价，得出了该评价对象的隶属等级。

3) 通过对川藏铁路拉林段高原脆弱区沿线受损生态空间的修复状况进行综合评价，为高原脆弱区生态保护和修复提供了理论依据，也证明了该评价模型的可操作性和适用性。

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Comprehensive evaluation of the restoration status of damaged ecological space along the fragile area of the Sichuan-Tibet Railway Plateau

LI Haiwen, BAO Xueying

(College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Based on the fragile environment of the Qinghai-Tibet Plateau of the Sichuan-Tibet Railway and the important role of ecological space restoration along the railway in environmental protection and soil and water conservation, a comprehensive evaluation index system was established from six aspects, which were soil ecological restoration, vegetation restoration, water environment restoration, natural resource restoration, atmospheric environment restoration, and engineering measures restoration. Then the game theory (GT) was used to weight the IGAHP method and the vector angle cosine method to determine the comprehensive weight of each evaluation index. The two-dimensional cloud model was used to comprehensively evaluate the ecological space restoration along the railway from both effects and economy. The MATLAB was used to draw a two-dimensional cloud map and calculate the closeness to further determine the evaluation results. Finally, the La-Lin section of the Sichuan-Tibet Railway was selected as the evaluation object, and the restoration status of the damaged ecological space along the line was comprehensively evaluated, which verified the applicability and effectiveness of the model.

plateau vulnerable area; ecological space restoration; game theory; IGAHP method; vector angle cosine method; two-dimensional cloud model

X171.4

A

1672 − 7029(2020)09 − 2412 − 11

10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20191019

2019−11−18

国家自然科学基金资助项目(51768034)

鲍学英(1974−)，女，宁夏中卫人，教授，博士，从事铁路绿色施工管理研究；E−mail：813257032@qq.com

(编辑 蒋学东)