基于AHP的塔里木河边坡生态修复决策分析

梁 军

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049)

由于极端气候的出现，滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降和地裂缝、水土流失等地质灾害频繁出现[1-2]。地质灾害会造成环境污染、植被破坏和生态退化，项目运营和人类生存环境受到严重威胁。生态恢复是预防地质灾害和保护生态环境的重要措施，其主要形式是简单的种植植被，现在它发展为种植措施和工程措施的结合。不同的生态修复技术在成本和生态效果上差异很大，如何根据气候、地质、地形等因素选择合适的生态修复技术是一个亟待解决的问题。本文以塔里木河上游河岸边坡为例，采用AHP对边坡生态恢复进行决策分析。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

塔里木河地处新疆，河流自西向东绕塔克拉玛干大沙漠贯穿塔里木盆地，最终流入台特马湖，它是中国第一大内流河，全长2137 km，总面积43.55×104km2。和田河、叶尔羌河、阿克苏河和开都河-孔雀河等四条源流汇聚进入塔里木河干流，共同组成了塔里木河流域。因地理位置处于亚洲大陆中部，四面环山，造成塔里木河流域成为一个封闭的内陆水循环区域。塔里木河干流上段从阿拉尔到曲毛格金河段属游荡型河道，河势的变化非常频繁，岸边泥沙属沙壤土，易发生河岸崩退现象，使得河道的走势不断变化，从平面上看在河道弯曲面凹岸在不断崩退而凸岸则有泥沙淤积的现象。

1.2 边坡修复技术

1.2.1 现浇网格生态护坡技术

现浇格栅是一种新型的边坡生态修复技术,它通过一个特殊的模具在斜坡表面浇铸鳞片状网格,钢筋按比例设置，如图1所示。在边坡内部建造锚固件，锚固件与鳞片状网格牢固结合，形成三维结构。在鳞状网格内种植植被和铺设基质是提高稳定性和促进植被恢复的有效措施。

图1 现浇网格结构

1.2.2 土壤外喷播种技术

外部土壤喷雾播种技术来自日本，20世纪90年代引入中国。基本方法是通过专用喷播机械将一定比例的基材混合物喷在网覆盖的坡面上，形成外部土壤，然后在基材上喷洒植被种子。它在斜坡内建造不同长度的锚，并可在其上悬挂钢网或土工网。锚和钢网或土工网构成承重框架。该技术的基材主要是由有机材料、肥料、木纤维、碎料剂、PH缓释剂、黏合剂和保水剂组成的泥炭土或腐殖质。因此，它可以形成一个植物生长良好的环境。

1.2.3 植物袋技术

植物袋技术来自国外。近年来，它在我国公路边坡生态修复中得到了应用和推广。该技术是将装满种植基料和种子的植被袋沿边坡整齐堆放。袋子可以通过锚和钢丝网有效固定。植物袋中的种子通过吸收基质的营养而生根发芽。植被袋为景观绿化专用袋，包括植物种子和种植基材。袋子分为五层,内层和最外层是尼龙纤维网,第二层内层是厚的无纺布,中间层为种植基质和种子。种植基质主要由种植土、有机物、河沙、肥料、保水剂、酸度调节剂、消毒剂等组成。通过固定在斜坡上的锚，在植物袋的外表面铺设钢网。

1.3 参数测试

在实验中，测试了四类参数，包括成本节约、生态效应、稳定性和技术优势。种植后计算直接成本节约和环境成本节约，两年后计算维护成本节约。种植后应每月调查植物成活率和覆盖率。利用锚杆拉拔仪测试锚杆强度，计算边坡稳定系数，并测量降雨引起的土壤侵蚀量。对这三项技术的专利数量进行了调查，以获得技术优势。

2 基于AHP的模型分析

2.1 模型构建

(1)问题的定义和要实现的目标——有必要确定分析的关键目标，在这种情况下是环境脆弱性的定义。

(2)在决策者的帮助下构建层次结构中的标准——在本研究中，这些标准是地形坡度、土壤类别、降雨量、地质和排水层次结构。

(3)根据式(1)构建成对比较矩阵。

(4)使用与研究相关的分析师矩阵，将权重归因于每项标准，以获得具有特殊重要性的等级。

(1)

式中：i，j=1，2，…，n；i=j时，aij=1；i≠j时，aij=1/aji。

AHP需要三个假设：互易性(如果aij=x，则aji=1/x，且1/9≤x≤9)、同质性(如果元素i和j被认为同等重要，则aij=aji=1、一致性(一致性指标和比率应≤0.10)。

AHP方法允许我们分析、确定和决定影响决策的各种标准，从而生成信息，帮助决策者根据所分析的标准选择最佳方案[3-5]。对于成对分析的数值分配，我们在四个子阶段执行矩阵的数学运算：

(1)计算特征向量w和主特征向量λmax。将成对比较矩阵A=[aij]转换为归一化矩阵B=[bij]。bij按式(2)计算;w=[wi]为权重的特征向量按式(3) 计算，主特征向量λmax按式(4)计算。

(2)

(3)

(4)

式中：(Aw)i为由矩阵A与权重向量w的乘积产生的向量。

(2)一致性指标(CI)的计算。利用式(5)计算一致性指标：

(5)

式中：CI为一致性指标；n为评估标准的数量；λmax为特征值的主向量。

(3)程度或一致性比率(CR)的计算。CR表示决策数据的一致性，根据样本的大小n而变化。如果比率<0.1或10%，则矩阵将保持一致，如式(6)：

(6)

式中：RI为一个常数值，取决于评估标准的数量见表1。

表1 不同大小矩阵的RI值

(4)数据分析。当CR值小于0.1时，一致性程度令人满意。当CR值高于0.1时，建议重新评估从专家处收集的数据，验证在调查过程中没有误解或错误。

综合考虑现浇网技术、外部土壤喷播技术和植被袋技术，可根据成本节约、生态效应、稳定性、技术进步等因素确定最佳生态修复方案。根据生态恢复目标，建立了基于AHP的分析模型，如图2所示。

图2 生态修复模型

2.2 参数计算

通过所有因素的相互比较，采用9种量表方法构建判断矩阵如下，各层的相对权重系数(W)、判断矩阵的最大特征值(λmax)和一致性比(CR)如表2。

表2 各级参数计算

3 结果与分析

3.1 试验结果

通过试验，得出了三种工艺的参数值。表3列出了与现浇格栅技术相比外部土壤喷播技术和植被袋技术的增值。

表3 与现浇网格生态护坡技术相比参数值变化 %

3.2 权重分析

B级的权重顺序为WB2=WB3>WB1>WB4，如图4(a)所示。生态效应和稳定性是影响边坡生态修复方案选择的最重要因素，权重之和高达78%。第二个因素是成本节约，最后一个因素是技术进步，权重仅为8%。这表明生态效应和稳定性是衡量生态恢复方案的最重要因素。

C级的权重顺序为WC31>WC21>WC22>WC11=WC13>WC41>WC32>WC23>WC12>WC24，如图4(b)所示。植被的整体稳定性和成活率是影响边坡生态修复方案选择的重要因素。他们的权重之和高达50%，其次是景观功效、直接成本节约、专利、水土保持能力以及覆盖率。最后是节省成本的维护，生物社区的建设和环境成本的节约，它们的权重之和只有7%。这表明在衡量边坡生态修复方案时，应注意边坡整体稳定性和植被存活率。相反，节约成本的维护、生物社区的建设和环境成本非主要考虑因素。

D级的权重顺序为WD2> WD3> WD1，如图4(c)所示。结果表明，干旱地区公路三种边坡生态修复技术的应用顺序为：现浇格栅技术、植被袋技术、外部土壤喷播技术。

图4 权重分布

4 结 语

现浇网格技术、外置喷播技术和植被袋技术在成本、生态效应、边坡稳定性和技术进步等方面具有不同的特点。在干旱地区，边坡生态修复方案的选择主要需要考虑生态效应和稳定性。生态效应的主要因素是植被的成活率和整体的稳定性。现浇网格技术应为干旱地区生态恢复的首选技术。