高速公路生態(tài)護(hù)坡效果分析之----模糊物元分析法許明舉, 賴丙娣(江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院，江西 贛州 341000)

摘 要：該文針對(duì)邊坡生態(tài)防護(hù)做一模糊物元分析。邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益，較好的評(píng)價(jià)它在高速公路邊坡的應(yīng)用效果具有積極意義。在對(duì)生態(tài)護(hù)坡應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，把不同生態(tài)防護(hù)方式作為物元的事物，以它們的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其相應(yīng)的模糊量值構(gòu)造復(fù)合模糊物元，通過計(jì)算與理想模糊物元之間的歐幾里得貼近度，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路生態(tài)護(hù)坡的應(yīng)用評(píng)價(jià)及效果分析。關(guān)鍵詞：道路工程；邊坡生態(tài)防護(hù)；模糊物元；熵權(quán)；歐幾里得貼近度

0 前 言關(guān)于生態(tài)邊坡防護(hù)概念眾說不一，據(jù)《亞洲公路學(xué)報(bào)》解釋為：生態(tài)護(hù)坡（Soil bioengineering）是指單獨(dú)用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結(jié)合的固坡措施[1]。20世紀(jì)60年代開始，美國、日本及歐洲一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)就已經(jīng)將生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)措施納入了高速公路建設(shè)之中，并且為此進(jìn)行了長期的研究和實(shí)踐。我國在這方面的研究起步較晚，邊坡防護(hù)長期以工程防護(hù)為主，如漿砌塊石、干砌片石、噴射混泥土等，不但景觀效果差，而且從根本上阻礙了生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)程。近年來，由于人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，采用生態(tài)防護(hù)及綜合防護(hù)的邊坡逐漸增加?；谏鷳B(tài)防護(hù)在高速公路工程中得到迅速發(fā)展并成為最主要的防護(hù)形式，因此如何科學(xué)評(píng)價(jià)其應(yīng)用效果對(duì)于推進(jìn)高速公路的可持續(xù)發(fā)展具有積極作用。然而生態(tài)護(hù)坡研究大多集中在分析其護(hù)坡原理、防護(hù)形式及發(fā)展前景上[2,3]；也有對(duì)其生態(tài)效益和建設(shè)維護(hù)費(fèi)用分指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)的[4]，能有效地用于邊坡防護(hù)方案的比選；生態(tài)護(hù)坡效果的試驗(yàn)研究也有嘗試[5]。然而目前還缺乏一套生態(tài)護(hù)坡效果的指標(biāo)體系，更缺乏對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)。在生態(tài)防護(hù)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)中，通常存在這樣問題: 存在多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)及多個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象; 有些評(píng)價(jià)指標(biāo)具有模糊性，加之評(píng)價(jià)者的主觀判斷、偏好及對(duì)問題理解能力等因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有很大的影響，也具有模糊性。為此很難用經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型加以統(tǒng)一度量。為了克服這一問題，本文提出了基于模糊物元的生態(tài)護(hù)坡效果評(píng)價(jià)方法，對(duì)各種防護(hù)形式的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便得到合理結(jié)果。物元模型是用于解決矛盾和不相容問題的有力工具，而模糊數(shù)學(xué)是解決模糊問題的重要工具。因此在物元分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊集合的概念，建立基于歐幾里得貼近度的模糊物元分析方法，為高速公路生態(tài)護(hù)坡的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)提供了有效途徑。1 生態(tài)護(hù)坡效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為了有效對(duì)比評(píng)價(jià)不同生態(tài)防護(hù)形式在高速公路中的應(yīng)用效果，從植物生長情況、防護(hù)效果及景觀效果三個(gè)方面進(jìn)行反映，每個(gè)方面又由幾個(gè)子指標(biāo)來構(gòu)成，具體指標(biāo)體系如表1所示。

表1 生態(tài)護(hù)坡效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系生態(tài)護(hù)坡效果 植物生長情況 存活率 (x1) 保存率 (x2) 穩(wěn)定度 (x3) 防護(hù)效果 環(huán)保能力 (x4) 覆蓋率 (x5) 裸地率 (x6) 侵蝕深度 (x7) 景觀效果 觀賞度 (x8) 豐富度 (x9) 協(xié)調(diào)度 (x10)注：表1中有關(guān)指標(biāo)的說明：存活率 (x1)：植物栽植后發(fā)芽長葉至少在一個(gè)生長季節(jié)以上的成活株數(shù)占總栽植株數(shù)的百分?jǐn)?shù).保存率 (x2)：植物栽植后成活兩年的株數(shù)占總栽植株數(shù)的百分?jǐn)?shù).穩(wěn)定度 (x3)：指植物適應(yīng)及抵抗環(huán)境變化、病蟲害能力的高低. 環(huán)保能力 (x4)：指植物改善環(huán)境能力的高低.覆蓋率 (x5)：指植被的覆蓋率.裸地率 (x6)：指邊坡土壤的裸露程度.侵蝕深度 (x7)：雨水侵蝕土壤的深度，反映防止水土流失的效果.觀賞度 (x8)：指人們所能感受植物在外形、狀態(tài)、形式、內(nèi)涵上價(jià)值的高低以及綠化植物在品種、形態(tài)等方面整體形象效果的好壞.豐富度 (x9)：指植物樹種、樹型等豐富程度.協(xié)調(diào)度 (x10)：指綠化植物在品種、形態(tài)方面與公路周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的程度.在這十個(gè)指標(biāo)中，除x6和 x7 為成本型指標(biāo)外，其余均為效益型指標(biāo)，即它們的數(shù)值越高，表示防護(hù)效果越好。另外，x3、x4、x8、x9和x10是定性指標(biāo)，我們需要進(jìn)行量化處理，為此在評(píng)價(jià)時(shí)采取專家打分法，從而確定具體數(shù)值，其他指標(biāo)為定量指標(biāo)，可通過試驗(yàn)觀測獲取。把不同生態(tài)防護(hù)形式看成評(píng)價(jià)對(duì)象，而且每個(gè)對(duì)象的防護(hù)效果均有10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此，生態(tài)護(hù)坡的效果評(píng)價(jià)是個(gè)多目標(biāo)評(píng)價(jià)問題。2 生態(tài)護(hù)坡效果評(píng)價(jià)模型2.1 模糊物元和復(fù)合模糊物元[6,7]給定事物的名稱N，它關(guān)于特征c有量值為v，以有序三元 組作為描述事物的基本元，簡稱物元。如果其中量值v具有模糊性，便稱為模糊物元。如果事物N有n個(gè)特征 和相應(yīng)的模糊量值 ，稱R為n維模糊物元，簡記為 。如果m個(gè)事物的n維物元組合在一起，便構(gòu)成m個(gè)事物n維復(fù)合物元 。若將 的量值改寫為模糊物元量值，稱為m個(gè)事物n維復(fù)合模糊物元，記作 (1)式中： 為第i個(gè)事物，i=1, 2, …, m.為第j項(xiàng)特征，j= 1, 2, …, n.為第i個(gè)事物第j項(xiàng)特征對(duì)應(yīng)的模糊量值，即隸屬度.2.2 生態(tài)護(hù)坡效果評(píng)價(jià)的隸屬度已經(jīng)介紹了生態(tài)護(hù)坡效果評(píng)價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)，而要求第i個(gè)事物第j項(xiàng)特征對(duì)應(yīng)的模糊量值，就需要分效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)來處理。在模糊物元中，如果依據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行物元間比選，就需要對(duì)屬性值進(jìn)行處理，一般將屬性值轉(zhuǎn)化為從優(yōu)隸屬度。對(duì)效益性指標(biāo) (2)對(duì)成本型指標(biāo) (3)式中： 為第i個(gè)事物第j個(gè)特征值 對(duì)應(yīng)的從優(yōu)隸屬度，作用相當(dāng)于隸屬度.2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定我們通常用主觀賦權(quán)方法（如AHP）來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，但由于主觀偏好可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的不合理。在信息理論中，熵反映了信息的無序程度。因此熵可作為系統(tǒng)信息無序狀態(tài)的量度，而評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)由屬性值構(gòu)成的判斷矩陣來確定。這樣就排除了人為因素的干撓，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更接近事實(shí)。計(jì)算步驟如下[8]：（1）建立事物M的評(píng)價(jià)指標(biāo)N的規(guī)范化判斷矩陣。

（2）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值。 ( ) (4)其中： (5)式中： 為第i個(gè)事物第j個(gè)特征值信息 對(duì)應(yīng)的量度值.（3）計(jì)算熵值權(quán)重。

, (6)2.4 歐幾里得貼近度貼近度表示被評(píng)價(jià)對(duì)象與理想點(diǎn)的接近程度，它的值越大的話，二者越接近。可以用貼近度的大小來對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序。本文采用歐幾里得貼近度 作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)， 由 方法計(jì)算而得 [9]。 (7)式中： 表示第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，表示物元i與理想物元的相互接近程度。然后以此來構(gòu)造歐幾里得貼近度復(fù)合模糊物元 ，則 (8)最后，各種生態(tài)護(hù)坡形式的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)結(jié)果可由 來排序， 越大，相應(yīng)的生態(tài)護(hù)坡形式的應(yīng)用效果就越好。3 實(shí)例應(yīng)用3.1 問題描述為了對(duì)比評(píng)價(jià)不同生態(tài)護(hù)坡形式的防護(hù)效果的差異，本文選取寧杭高速公路江蘇段具有代表性的邊坡，就7 種不同的生態(tài)防護(hù)形式，每種防護(hù)形式布置1個(gè)觀測點(diǎn)，在某一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行定點(diǎn)觀測。各防護(hù)形式在試驗(yàn)觀測點(diǎn)的基本情況如表2所示。

表2 各防護(hù)形式在試驗(yàn)觀測點(diǎn)的基本情況序號(hào) 防護(hù)形式 主要施工工藝 使用范圍 主要植物種類1 掛網(wǎng)噴播 用錨桿、鋼筋及鋼絲網(wǎng)進(jìn)行坡面防護(hù)處理, 然后將種子、肥料、土壤穩(wěn)定劑和水按一定比例混合成泥漿狀噴射到邊坡上。 石質(zhì)邊坡，坡面較陡。 紫花苜蓿、紫羊茅、多花黑麥草，白三葉、多花胡枝子。2 草棒技術(shù) 把草棒按一定間距排列并固定在坡面上，然后在草棒上覆一定厚度的客土，在客土上進(jìn)行播種和種植。 石質(zhì)或土石混合邊坡，坡面較緩。 狗牙根、多花黑麥草、美人蕉。3 藤本護(hù)坡 坡面平整后，按一定密度開挖栽植穴，然后栽植藤本植物。 有一定自然土壤的邊坡，坡面較緩。 常春藤、扶芳藤。4 植草護(hù)坡 坡面平整后，按一定密度開挖栽植穴，然后進(jìn)行栽植。 有一定自然土壤，坡面較緩。 多花黑麥草、狗牙根。5 輪胎固土 將輪胎固定在坡面上，覆客土，然后播種或栽植。 巖石邊坡，坡面較緩。 狗牙根、迎春、白三葉、馬棘。6 植生帶 將帶有種子的植生帶鋪于坡面，進(jìn)行固定，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)仞B(yǎng)護(hù)。 有自然土壤，坡面較緩。 多花黑麥草、紫花苜蓿。7 草包技術(shù) 將植物種子播撒在兩層無紡布中間，然后通過行縫、針刺及膠粘等工藝，制成草包，裝土。將其壘積于坡面，就能形成植被。 巖石邊坡，坡面較陡。 狗牙根、多花黑麥草、白三葉、馬棘。

3.2 獲取屬性值對(duì)于這七種防護(hù)形式的定性指標(biāo)，曾向10位專家咨詢，專家們分別對(duì)它們進(jìn)行打分，滿分為100分，然后取算術(shù)平均數(shù)作為屬性值。對(duì)于定量指標(biāo)，對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的觀測值進(jìn)行平均計(jì)算，取平均值為屬性值。各防護(hù)形式對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值如表3所示。表3 七種生態(tài)護(hù)坡形式應(yīng)用效果評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)形式指標(biāo) 掛網(wǎng)噴播 草棒技術(shù) 藤本護(hù)坡 植草護(hù)坡 輪胎固土 植生帶 草包技術(shù)存活率(%) 98 95 90 93 85 85 95保存率(%) 90 88 85 87 75 78 86穩(wěn)定度(%) 82 84 85 90 88 77 85環(huán)保能力(%) 94 90 92 90 85 83 85覆蓋率(%) 92 96 65 89 69 66 82裸地率(%) 7 3 30 10 25 28 15侵蝕深度(mm) 5 11 3 7 11 6 17觀賞度(%) 95 80 91 85 65 85 72豐富度(%) 90 70 60 60 80 60 80協(xié)調(diào)度(%)

土工格柵是一種主要的土工合成材料，與其他土工合成材料相比，它具有獨(dú)特的性能與功效。常用作加筋土結(jié)構(gòu)的筋材或復(fù)合材料的筋材等。土工格柵適用于各種公路、鐵路、機(jī)場的路基增強(qiáng)路面增強(qiáng)。適用于大型停車場和碼頭貨場等永久性承載的地基增強(qiáng)。適用鐵路、公路的邊坡防護(hù)。適用的涵洞增強(qiáng)。適用于單向拉伸土工格柵增強(qiáng)后的土坡的二次增強(qiáng)，進(jìn)一步增強(qiáng)土坡，防止水土流失。礦山、坑道加固。

3.3 評(píng)價(jià)過程將這七種生態(tài)防護(hù)形式看成七個(gè)物元，分別用M1, M2,…, M7表示，利用基于模糊物元模型對(duì)它們在寧杭高速公路江蘇段的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)步驟如下：（1）按式（2）和（3）建立模糊物元矩陣 。 （2）按照式（4）~（6）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

（3）用式（7）計(jì)算 ，結(jié)果列于表4。

表4 七種防護(hù)形式的貼近度物元 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7

0.585 0.530 0.387 0.410 0.185 0.170 0.282

由表4看到，M1對(duì)應(yīng)的 最大，其余的排序?yàn)?。可將貼近度的大小來衡量各生態(tài)護(hù)坡形式應(yīng)用效果的優(yōu)劣，因此掛網(wǎng)噴播方式效果最好，草棒技術(shù)次之，其余類推。4 結(jié) 語論文建立了生態(tài)護(hù)坡應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將歐幾里得貼近度與模糊物元結(jié)合起來，建立了基于歐幾里得貼近度的模糊物元模型。該模型以促進(jìn)事物轉(zhuǎn)化、解決不相容問題為核心，適用于生態(tài)護(hù)坡效果評(píng)價(jià)這樣的多因子評(píng)價(jià)問題。而基于信息熵理論的賦權(quán)方法，很好的排除了主觀偏好的影響，使權(quán)重更符合實(shí)際。從實(shí)例研究來看，整個(gè)計(jì)算過程操作簡單方便，方法行之有效，為科學(xué)評(píng)價(jià)生態(tài)護(hù)坡的應(yīng)用效果提供了有效途徑。

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