基于主成分法的城市河道生态护坡综合评价

王 松

(海城市水利事务服务中心，辽宁 海城 114200)

1 研究方法

1.1 评价体系

生态护坡是在满足边坡安全稳定的条件下，维持生态系统可持续发展和自我良性运行的统一整体[1]，必须考虑以下内容开展综合评价：(1)采用通航、排涝、防洪、供水等指标衡量其基本水利功能。(2)从防洪排涝、抗冲刷能力、结构稳定性等角度评价护坡安全性。(3)通过水环境修复、涵养地下水源、物种多样性、系统群落结构等指标评价生态环境性。(4)以自然性、整体协调性、亲水性等指标评价景观适宜性。(5)根据社会公众认可度、管理维护、工程年费用等指标评价社会经济效益。

根据生态护坡必须满足水利工程的基本条件，从生态环境性、社会经济性、护坡安全性和景观适宜性的角度综合评价生态护坡[2]。本文遵循可预测性、独立性、层次性、科学性、可操作性、系统性以及定性与定量结合等原则，选择能够反映河流生态健康的评价指标，按照梯阶层次结构构建综合评价体系，如表1。

采用相应的数学公式求解定量指标值，以呈线性关系的指标值与评分值获取每个参数的分值；然后利用德尔菲法计算定性指标分值。该方法是一种普遍应用于具体指标确定过程和评价体系构建的主观定性分析法[3]。德尔菲法的实现流程：邀请领域内的专家组成评判小组，对参评指标按照专家直觉和经验给予评分，统计预测调查问卷的分布特征，并将结果反馈至专家，估计值明显偏离平均值时邀专家适当修正；经多次反复论证获取符合收敛要求的分值，并以平均值作为最终的评分。

1.2 评价方法

目前，比较常用的生态护坡评价法有灰色关联度法、模糊综合法、主成分分析和层次分析法等[4-5]。其中，模糊综合法主要利用隶属度等级和多因素模糊关系，通过合成运算综合评价待评样本；评价分析多因素系统时，定量与定性相结合的层次分析法也比较常见。然而，将两者优点相集成的模糊层次法，通常难以明确关键性指标，无法客观揭示不同因素间的相互关系。以参评因子实测数据为基础的主成分分析法，主要利用多元统计方法对高维数据降维，从而确定关键性评价指标。实际上，特征向量法是主成分法计算每个因子权重的根本依据，并以相同的权重分配所有的参评样本，其权重值具有较强主观性且难以准确计算。本文利用客观分析的主成分法与主观分析的模糊层次法综合评价生态护坡，在有效解决均一性权重可能带来非公正性问题的同时，考虑不同参评因子间的相互关系，确保评价结果的客观准确性。生态护坡评价流程如下。

表1 生态护坡评价体系

(1)主观权重的计算。将各指标初始数据利用Z-Score法归一化处理[6]，并利用模糊层次赋权模型逐项确定各个指标主观权重。两个因素的相对重要度利用0.1～0.9标度法衡量，设相邻等级的中间状态为0.2、0.4、0.6、0.8的标度值。经一系列的转换运算，可以构造模糊一致矩阵，初步解决生态护坡的一致性问题。

(3)综合评分值计算。每个主成分各自指标所对应的系数利用主成分相对应的特征值开平方根和主成分荷载矩阵中的数据来确定，然后确定标准化出具与特征向量的乘积值，从而获取主成分的数学公式[7]。依据所提取主成分总的特征值之和以及每个主成分所对应的特征值，经数学转化确定权重，并构造生态护坡评价模型，其表达式如式(1)：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(1)

2 实例应用

2.1 工程概况

本文以海城市河道治理工程为例，对3种不同生态护坡利用主成分与模糊层次相耦合的方法进行评价。目前，河道护坡有坡式、墙式两种类型，从工程的角度上坡式较墙式护坡存在工程投资多、挖填土方量大、整体作业面积大等因素；从生态环境的角度上，坡式护坡对现状地形扰动面大，在挖填方量相同的情况下，坡式护坡比墙式护坡的永久占地、临时占地更多。根据治理河段水流速度大、比降大的特点，墙式护坡结构型式选取要充分考虑抗冲刷的特点，因此选择生态砌块直立挡墙、生态混凝土护坡和多孔生态砖护坡共3种护坡进行比选。

2.2 稳定性评价

(1)主观权重。将定性、定量指标利用德尔菲专家调查法和相关公式计算，从而获取初始数据；然后采用标准化公式对各初始数据进行处理，并利用模糊数学模型确定每个指标的隶属度，建立模糊关系矩阵求解相应的综合权重，将权重值与打分值进行计算处理获取最终评分值，如表2。

表2 生态护坡的加权赋分值

由表2可知，多孔生态砖护坡的维护成本和工程投资相对较低，其景观性、生态性以及安全性相对较好；由于施工繁杂工艺技术要求较高，生态混凝土护坡具有较高的成本；较其他2种护坡的生态环境性，生态砌块直立挡墙具有明显优势，但还需进一步提高其景观美感度和安全性。

(2)主成分的提取。借助SPSS19.0软件和表2中的数据，通过标准化处理加权后的样本数据求解特征值的累计方差贡献率，并导出分析表，如表3。

表3 主成分提取分析表

第1、2项的特征值依次为8.681和4.323，其所对应的方差贡献率依次为66.756%和33.244%；所以，生态护坡评价指标可以选择前两项主成分，其所对应的荷载矩阵如表4。

表4 主成分荷载矩阵

从表4可知，第1主成分中荷载较高的有公众认可度、水环境修复、结构稳定性、亲水性、生物多样性指标。可见，公众认可度、水环境修复、结构稳定性、亲水性和生物多样性对生态护坡评价的影响较高。

(3) 综合评分值。采用两个主成分的数学表达式及其对应的特征值占比，构造城市河道生态护坡主成分综合模型，如式(2)：

F=λ1/(λ1+λ2)F1+λ2/(λ1+λ2)F2=

0.667F1+0.332F2

(2)

式中：F为综合评分值；F1为主成分1的评分值;F2为主成分2的评分值；λ1为主成分1的荷载短阵特征值，λ2为主成分2的荷载短阵特征值。λ1=8.681,λ2=4.323,主成分1、主成分2的方差贡献率为66.756%、33.244%。

河道生态护坡综合评分值利用以上公式计算确定，并按照优劣程度排序，如表5。

表5 生态护坡综合评价值

从表5可以看出，综合评价最好、最差的为多孔生态砖护坡和生态混凝土护坡，而生态砌块直立挡墙的综合评价结果居中。研究表明，多孔生态砖护坡不仅能够融入城镇生态、水文化、城镇景观等因素，而且可以兼顾保持水土、防洪排涝、减少冲刷等传统功能，为实现人水和谐相处和水生态文明建设提供支持，实践表明该护坡的生态和经济效果非常显著。

为进一步探究耦合方法的可行性、适用性，将其评价结果与主成分法和模糊层次法对比分析。采用模糊层次法、主成分法和表1中的相关数据，综合评价河道不同生态护坡，结果显示其排序结果与耦合方法保持较好的一致性。将城市河道生态护坡利用客观分析的主成分法与主观分析的模糊层次法进行综合评价，有效解决了主成分法、模糊层次法存在的问题，在规避均一性权重可能引起的非公正性问题的同时，全面考虑了不同参评因素间的差异性及相互关系，保证了评价结果的客观真实性。此外，通过降维处理减少了综合评价的复杂性，减少了多重相似指标的相关性，有利于准确识别关键性影响因子，为进一步提高和改善生态护坡的建设水平提供科学依据。

3 结 论

(1)综合评价河道生态护坡时，要结合河道水文水质、周边环境、地理位置、河道类型、护坡功能，以及土壤等情况，遵循一定原则构建评价体系。对于指标数量的要求，模糊层次法和主成分法存在一定差异：前者在较多指标赋权时存在一定困难，后者需要有一定数量的指标才能保证科学性。所以选择指标时要综合考虑具体情况，以此保证评价的客观准确性。

(2)对于参评指标权重的计算，要结合各种指标特性确定相应的量化方法。在提取参评数据时采用主成分与模糊层次相耦合的方法，首先结合各项指标的重要程度，利用模糊层次法赋予相应的权值，然后利用主成分法识别出关键性因子，由此解决了主成分法评价时权重相同的问题。

(3)此外，要根据不同方法的适用性及其优缺点，通过充分的比较分析选择合适的方法，从而保证生态护坡评价的真实可靠性。