0 引言

川九公路(S301川主寺镇-九寨沟县)位于四川省阿坝藏族羌族自治州，沿线地势高程跨度大，地形起伏大，地质构造复杂，地震活动频发，属于地质灾害高易发区^[1]。地震发生后，引发大量崩塌、滑坡等不良地质发育，在降雨等作用下转化成泥石流，严重破坏周边交通设施，对人民生命安全和财产造成重大威胁。“8·8”九寨沟地震后灾害以崩塌地质灾害为主，发育有主崩塌144处, 不稳定斜坡59处, 滑坡57处^[2]，不良地质发育产生了大量不稳定裸露边坡，造成边坡土石比、植被状况、水分状况都发生了极大改变^[3]。地震后，川九公路沿线大面积坡体破裂和裸露，生态环境脆弱，次生地质灾害频发，水土流失严重，因此，利用人工植被恢复技术加速震损边坡生态恢复进程是非常必要的。

近年来，边坡生态恢复技术结合植物与工程措施，兼顾防护与环境两方面的功效，在震损边坡生态恢复中的应用越来越广泛^[4-5]。随着我国生态文明建设的推动，开展生态恢复效果评价成为生态恢复工程的重要组成内容，是评价生态恢复工程质量的关键环节。由于边坡生态系统的复杂性和生态防护技术的多样性，目前，国内对于公路边坡生态恢复效果评价没有统一的, 规范的评价指标体系和方法。近几年，我国一些学者才开始对公路边坡生态恢复效果评价进行研究，如余海龙等^[6]建立了以土壤-植被系统质量和景观质量为主体的评价指标体系；胡兴等^[7]结合植物护坡工程质量特征与工程防护功能，建立了以力学、植被及基质3大类评价主体的高速公路植物护坡工程质量评价体系；陈芳等^[8]从护坡效果、生态效益和景观效果3个方面构建了高速公路路基边坡生态防护效果评价体系；周云艳等^[9]从生态效应、功能效应及景观效应3个方面提出了边坡植被防护系统质量评价体系。然而，由于震损边坡坡体稳定性极差、坡度普遍较陡、坡面不平整度极高，以上研究难以直接应用于震损边坡生态恢复效果评价。因此，本研究从震损边坡自身特点出发，以川九公路震损边坡为研究对象，将层次分析法与多级模糊综合评价法相结合，采用定量和定性分析相结合，科学地建立震损边坡生态恢复效果评价体系，为震损边坡生态恢复效果评价方法提供技术支撑。

1 基于AHP-模糊综合评价模型的构建 1.1 评价方法

震损边坡生态恢复后的人工群落是综合复杂的生态系统，评价指标应符合科学性、系统性、层次性、定量与定性相结合、独立性等原则。层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一种对决策问题的综合效果进行评价的常用方法，根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型^[10]。模糊综合评价法指应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，从而对研究目标所做的综合评价，将定量与定性相结合，最大程度地解决了判断上的模糊性和不确定性^[11]。

1.2 评价步骤

采用AHP-模糊综合评价法进行生态恢复效果评价的步骤为：一是建立川九公路震损边坡生态恢复的指标评价体系；二是利用层次分析法构建评价模型和指标权重的计算；三是根据评价等级标准确定隶属矩阵；四是对评价矩阵进行多级模糊运算，得到综合评价结果。

1.3 评价指标体系及模型构建

震损边坡不同于一般的边坡生态系统，具有坡度较陡、坡面凹凸不平、稳定性差，而且人工构造与坡面的协同性较弱，因此在构建评价指标体系时需要根据震损边坡生态恢复功能需求进行科学、有代表性的选择。植物群落是生态系统恢复的内驱力，人工建植群落的质量表征包括植被覆盖度、生物多样性、乡土性以及景观协调性等^[12]。土壤养分的恢复和维持是退化生态系统功能恢复和自我维持能力提高的最重要表现，因此土壤理化性质是生态系统恢复评价的重要方面^[13]。震损边坡生态恢复的长期目标在于人工构造与坡面环境相互作用, 相互渗透而形成协同稳定的统一体，因此，人工构造-坡面系统的稳定性尤其重要，主要包括人工植被的持续稳定, 坡面土壤的稳定及基质构造的稳定。

本研究以人工构造-坡面系统质量及稳定性为主体构建3个准则层表示目标层的评价，并把各准则层分解为多个指标层(表 1)。准则层分别为植物群落、土壤以及系统稳定性，采取定量和定性因子结合评价法，选取了具有代表性、易于定性描述和调查的16个指标因子评价川九公路震损边坡生态恢复效果，并构建了多层次的评价结构模型(图 1)。

1.4 层次分析法计算评价指标权重

(1) 建立判断矩阵。基于图 1所示的评价结构模型，采用1~9比例标度法^[14]从准则层开始，分别对每一层各因素之间对其上层相关的因素进行两两比较，根据其重要程度建立判断矩阵A：

(1)

式中，a_ij为因子i相对因子j的重要性两两比较值；a_ij＞0，a_ii=1，a_ij=1/a_ji(其中，i，j=1, 2，…，n)。

(2) 计算指标权重。采用公式(2)计算各评价指标的权重向量w_i，并对其进行归一化处理得到各评价指标权重W_i，如式(3)所示。

(2)

(3)

(3) 判断矩阵一致性检验。由于客观事物的复杂性及决策者认识的主观性，需要对判断矩阵做一致性检验。利用公式(4)计算判断矩阵的最大特征根, 计算一致性指标：

(4)

式中，λ_max为判断矩阵的最大特征根；n为判断矩阵的阶数。

按公式(5)~(6)计算判断矩阵的一致性比率。

(5)

(6)

式中，C_I为一致性指标；C_R为一致性比率；R_I为平均一致性指数。

当计算结果C_R＜0.10时，即认为判断矩阵具有满意的一致性；若C_R≥0.10时，即需要对矩阵进行重新调整。在判断矩阵均满足一致性检验条件下，可得到评价指标的权重集W=(W₁, W₂, …, W_n)。

1.5 模糊综合评价

(1) 建立评价模糊集

根据震损边坡生态恢复效果评价指标体系，建立评判要素集合U，U={B₁，B₂，B₃}，B₁={C₁，C₂，C₃，C₄，C₅}，B₂={C₆，C₇，C₈，C₉，C₁₀，C₁₁，C₁₂，C₁₃}，B₃={C₁₄，C₁₅，C₁₆}。

借鉴相关文献资料^[15-17]中关于相关指标的评价等级划分情况，建立评价集V={V_Ⅰ(优)，V_Ⅱ(良)，V_Ⅲ(中)，V_Ⅳ(差)，V_Ⅴ(极差)}，给出了相应的等级评价标准(表 2)。土壤理化性质指标根据全国统一标准分为5个等级。确定评价集的标准隶属度u={0.8，0.6，0.4，0.2，0.1}。

(2) 建立模糊隶属度矩阵

根据各评价指标等级划分标准，引入德尔菲法^[18]建立评价因素集U对评价集V的模糊隶属度矩阵R，即：

(7)

式中，r_ij(i=1, 2, …, n；j=1, 2, …, k)为第i个评价指标对第j个评价等级的隶属度。

(3) 模糊综合评价。将评价指标的权重向量W与模糊隶属度矩阵R合成，得到评价要素集的模糊综合评价结果S，如式(8)所示。

(8)

式中，b_i(i=1, 2, …, n)为被评价主体对模糊子集元素的隶属度。

2 案例应用分析 2.1 案例概况

川九公路位于四川省北部高原，为典型的高山峡谷地貌和河流侵蚀堆积地貌，具有高原季风气候特征，多年平均降雨量为828.9 mm，蒸发量为1 217.9 mm，年均日照时数1 768 h，年均相对湿度62.7%，多年平均气温4.1~12.6 ℃。沿线选择两个典型的不同生境震损边坡进行生态恢复工程验证试验，两个试验边坡生态恢复方案见表 3。2020年5月, 完成震损边坡生态恢复工程施工，施工后实行常规养护。2021年6月, 对2个试验边坡样地生态恢复效果情况进行调查并评价。

2.2 评价过程 2.2.1 建立评价集

(1) 数据获取。2020年6月在试验边坡进行各评价指标参数的数据采集和分析，结果见表 4。植被覆盖度采用现场观察法；在对象坡面分别设置3个5 m×5 m的灌草样方，统计植物的种类、数量等特征数据，计算辛普森多样性指数(Simpson’s Diversity Index)、群落均匀度(Pielou Index)和乡土性^[19]。利用五点取样法分别采集土壤样品(0~20 cm)，带回实验室后并测定土壤评价指标^[20]。景观协调性、系统抗蚀性、病虫害发生率和构造系统稳定性指标数据根据直观表现采用分级法对其模糊性进行判定。

2.2.2 指标权重的确定

基于震损边坡生态恢复效果评价指标体系，征询包括植物学、生态学、土壤学及岩土工程学等多位专家对各层次中的评价指标的相对重要性赋值，建立判断矩阵并进行一致性检验(见表 5)。

由表 5可知，一级评价指标权重集：W{B₁，B₂，B₃}=W{0.332 5，0.139 6，0.527 8}。

计算得到二级评价指标权重集分别为：

2.2.3 确定模糊隶属度矩阵

依据评价等级标准，结合专家调查法，对两个试验边坡生态恢复效果评价指标的级别评价，得到其模糊综合评价矩阵R(隶属度矩阵)如下：

(1) 边坡Ⅰ矩阵

(9)

(10)

(11)

(2) 边坡Ⅱ矩阵

(12)

(13)

(14)

2.2.4 多级模糊综合评价

根据模糊综合评价矩阵R和各指标层权重，利用公式(8)对两个试验边坡进行一级评价，评价结果见表 6。

同理，由表 6可得到目标层A下级各指标层B的模糊评价矩阵，结合B层各指标的权重值，可得出两个试验边坡的二级评价结果见表 7。从表 7中可见，根据最大隶属度原则，边坡Ⅰ的生态恢复效果结果为优，边坡Ⅱ的生态恢复效果结果为良。

2.2.5 评价结果分析

根据层次分析法计算的评价指标权重结果可知，系统稳定性的权重值在一级评价指标中占比最大，为0.53，其次是植物群落，为0.33，可见系统稳定性是影响震损边坡生态恢复效果的重要因素。地震后山体应力状态改变，土壤岩石松动，震损边坡人工生态系统的稳定是生态恢复的首要目标，有效提升坡体稳定性, 减少水土流失, 防治震后不良地质发育引发次生地质灾害。系统稳定性是震损边坡生态恢复的基础，表征了人工建植群落的持续性, 基质结构的适应性及对土壤固定的效果。而构建稳定的植物群落是震损边坡生态恢复的关键，对震损边坡生态恢复效果的贡献值仅次于系统稳定性。在系统稳定性的二级指标中，系统抗蚀性对震损边坡生态恢复效果的贡献值最高，总权重占比达0.29，地震后土壤侵蚀面积显著增加，强度侵蚀占比上升^[21]，降雨径流冲刷作用是引发边坡土壤侵蚀的主要外力，影响震损边坡的稳定性。震损边坡生态恢复工程实施后，人工群落植被从多个方面对降雨径流的拦截作用：植被地上部分对降雨的拦截，减少了地表径流冲刷作用，植被地下枯枝落叶等增大了其对降雨的吸收和储存能力，减小了径流量，同时植被生长改善土壤，提高了土壤入渗率，进而减少了径流侵蚀作用^[22]。

根据多级模糊评价结果(表 7)，结合最大隶属度原则可知，震损边坡Ⅰ的评价结果为优，边坡Ⅱ的评价结果为良，说明边坡Ⅰ比边坡Ⅱ的生态恢复效果好。根据最大隶属度原则，边坡Ⅰ的系统稳定性和土壤指标评价结果优于边坡Ⅱ(表 6)，这可能是由于边坡Ⅰ的生态恢复措施为客土喷播绿化植草，人为增加了一层客土层，增加了土壤肥力水平，同时加入了土壤改良剂，增强了其结构稳定性和抗冲刷能力。

3 结论

(1) 采用AHP-模糊综合评价法将震损边坡生态恢复效果评价中的不确定性通过层次分析及隶属度函数定量化，有效地降低了主观因素对生态恢复效果评价的影响。本研究主要从植物群落、土壤和系统稳定性3个方面，提出了包括植被覆盖度、生物多样性、群落均匀度乡土性、景观协调性、土壤有机质、氮磷钾全量和有效量、阳离子交换量、系统抗蚀性、植物系统病虫害发生率和构造系统稳定性等16项评价指标，构建了川九公路震损边坡生态恢复效果评价指标体系。

(2) 通过层次分析法确定了各项评价指标对震损边坡生态恢复效果的权重值。在一级指标中，系统稳定性的权重最大，体现了震损边坡生态恢复功能需求的重要性；二级指标中，系统抗蚀性的权重值最高，对生态恢复效果的贡献最大。通过对两个试验震损边坡的生态恢复效果进行了多层模糊综合评价应用，边坡Ⅰ的生态恢复效果评价为优，边坡Ⅱ的生态恢复效果评价为良，边坡Ⅰ的生态恢复效果比边坡Ⅱ理想。

(3) 基于AHP-模糊综合评价法的川九公路震损边坡生态恢复效果评价模型应用到工程实际中，评价结果与实际情况相符合，说明该模型具有较强的适用性和有效性，可以为震损边坡生态恢复效果评价提供参考，具有一定的工程实际意义。在实际评价工作中，可根据不同生态恢复工程对评价指标进一步的细化完善，建立更为科学的多级评价体系。