高速公路生態護坡效果分析之----模糊物元分析法許明舉, 賴丙娣(江西省贛南公路勘察設計院，江西 贛州 341000)

摘 要：該文針對邊坡生態防護做一模糊物元分析。邊坡生態防護技術具有良好的經濟、環境和社會效益，較好的評價它在高速公路邊坡的應用效果具有積極意義。在對生態護坡應用效果進行綜合評價時，把不同生態防護方式作為物元的事物，以它們的各項評價指標及其相應的模糊量值構造復合模糊物元，通過計算與理想模糊物元之間的歐幾里得貼近度，實現對高速公路生態護坡的應用評價及效果分析。關鍵詞：道路工程；邊坡生態防護；模糊物元；熵權；歐幾里得貼近度

0 前 言關于生態邊坡防護概念眾說不一，據《亞洲公路學報》解釋為：生態護坡（Soil bioengineering）是指單獨用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結合的固坡措施[1]。20世紀60年代開始，美國、日本及歐洲一些發達國家和地區就已經將生態保護和恢復措施納入了高速公路建設之中，并且為此進行了長期的研究和實踐。我國在這方面的研究起步較晚，邊坡防護長期以工程防護為主，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恢復的進程。近年來，由于人們環保意識的不斷增強，采用生態防護及綜合防護的邊坡逐漸增加。基于生態防護在高速公路工程中得到迅速發展并成為最主要的防護形式，因此如何科學評價其應用效果對于推進高速公路的可持續發展具有積極作用。然而生態護坡研究大多集中在分析其護坡原理、防護形式及發展前景上[2,3]；也有對其生態效益和建設維護費用分指標進行量化評價的[4]，能有效地用于邊坡防護方案的比選；生態護坡效果的試驗研究也有嘗試[5]。然而目前還缺乏一套生態護坡效果的指標體系，更缺乏對其進行系統的分析評價。在生態防護應用效果評價中，通常存在這樣問題: 存在多個評價指標及多個評價對象; 有些評價指標具有模糊性，加之評價者的主觀判斷、偏好及對問題理解能力等因素對評價結果有很大的影響，也具有模糊性。為此很難用經典的數學模型加以統一度量。為了克服這一問題，本文提出了基于模糊物元的生態護坡效果評價方法，對各種防護形式的應用效果進行評價，以便得到合理結果。物元模型是用于解決矛盾和不相容問題的有力工具，而模糊數學是解決模糊問題的重要工具。因此在物元分析的基礎上，結合模糊集合的概念，建立基于歐幾里得貼近度的模糊物元分析方法，為高速公路生態護坡的應用效果評價提供了有效途徑。1 生態護坡效果評價指標體系為了有效對比評價不同生態防護形式在高速公路中的應用效果，從植物生長情況、防護效果及景觀效果三個方面進行反映，每個方面又由幾個子指標來構成，具體指標體系如表1所示。

表1 生態護坡效果評價指標體系生態護坡效果 植物生長情況 存活率 (x1) 保存率 (x2) 穩定度 (x3) 防護效果 環保能力 (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) 協調度 (x10)注：表1中有關指標的說明：存活率 (x1)：植物栽植后發芽長葉至少在一個生長季節以上的成活株數占總栽植株數的百分數.保存率 (x2)：植物栽植后成活兩年的株數占總栽植株數的百分數.穩定度 (x3)：指植物適應及抵抗環境變化、病蟲害能力的高低. 環保能力 (x4)：指植物改善環境能力的高低.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、形式、內涵上價值的高低以及綠化植物在品種、形態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.協調度 (x10)：指綠化植物在品種、形態方面與公路周圍環境協調的程度.在這十個指標中，除x6和 x7 為成本型指標外，其余均為效益型指標，即它們的數值越高，表示防護效果越好。另外，x3、x4、x8、x9和x10是定性指標，我們需要進行量化處理，為此在評價時采取專家打分法，從而確定具體數值，其他指標為定量指標，可通過試驗觀測獲取。把不同生態防護形式看成評價對象，而且每個對象的防護效果均有10個評價指標，因此，生態護坡的效果評價是個多目標評價問題。2 生態護坡效果評價模型2.1 模糊物元和復合模糊物元[6,7]給定事物的名稱N，它關于特征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個特征 和相應的模糊量值 ，稱R為n維模糊物元，簡記為 。如果m個事物的n維物元組合在一起，便構成m個事物n維復合物元 。若將 的量值改寫為模糊物元量值，稱為m個事物n維復合模糊物元，記作 (1)式中： 為第i個事物，i=1, 2, …, m.為第j項特征，j= 1, 2, …, n.為第i個事物第j項特征對應的模糊量值，即隸屬度.2.2 生態護坡效果評價的隸屬度已經介紹了生態護坡效果評價的各項指標，而要求第i個事物第j項特征對應的模糊量值，就需要分效益型指標和成本型指標來處理。在模糊物元中，如果依據這些指標進行物元間比選，就需要對屬性值進行處理，一般將屬性值轉化為從優隸屬度。對效益性指標 (2)對成本型指標 (3)式中： 為第i個事物第j個特征值 對應的從優隸屬度，作用相當于隸屬度.2.3 評價指標權重的確定我們通常用主觀賦權方法（如AHP）來確定評價指標的權重，但由于主觀偏好可能導致評價結果的不合理。在信息理論中，熵反映了信息的無序程度。因此熵可作為系統信息無序狀態的量度，而評價指標權重系數由屬性值構成的判斷矩陣來確定。這樣就排除了人為因素的干撓，從而使評價結果更接近事實。計算步驟如下[8]：（1）建立事物M的評價指標N的規范化判斷矩陣。

（2）確定評價指標的熵值。 ( ) (4)其中： (5)式中： 為第i個事物第j個特征值信息 對應的量度值.（3）計算熵值權重。

, (6)2.4 歐幾里得貼近度貼近度表示被評價對象與理想點的接近程度，它的值越大的話，二者越接近。可以用貼近度的大小來對各評價對象進行排序。本文采用歐幾里得貼近度 作為評價標準， 由 方法計算而得 [9]。 (7)式中： 表示第j個評價指標的權重系數，表示物元i與理想物元的相互接近程度。然后以此來構造歐幾里得貼近度復合模糊物元 ，則 (8)最后，各種生態護坡形式的應用效果評價結果可由 來排序， 越大，相應的生態護坡形式的應用效果就越好。3 實例應用3.1 問題描述為了對比評價不同生態護坡形式的防護效果的差異，本文選取寧杭高速公路江蘇段具有代表性的邊坡，就7 種不同的生態防護形式，每種防護形式布置1個觀測點，在某一時間段內進行定點觀測。各防護形式在試驗觀測點的基本情況如表2所示。

表2 各防護形式在試驗觀測點的基本情況序號 防護形式 主要施工工藝 使用范圍 主要植物種類1 掛網噴播 用錨桿、鋼筋及鋼絲網進行坡面防護處理, 然后將種子、肥料、土壤穩定劑和水按一定比例混合成泥漿狀噴射到邊坡上。 石質邊坡，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 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，在客土上進行播種和種植。 石質或土石混合邊坡，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 植草護坡 坡面平整后，按一定密度開挖栽植穴，然后進行栽植。 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，進行固定，然后進行適當地養護。 有自然土壤，坡面較緩。 多花黑麥草、紫花苜蓿。7 草包技術 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 獲取屬性值對于這七種防護形式的定性指標，曾向10位專家咨詢，專家們分別對它們進行打分，滿分為100分，然后取算術平均數作為屬性值。對于定量指標，對不同時間點的觀測值進行平均計算，取平均值為屬性值。各防護形式對應的指標值如表3所示。表3 七種生態護坡形式應用效果評價指標數據形式指標 掛網噴播 草棒技術 藤本護坡 植草護坡 輪胎固土 植生帶 草包技術存活率(%) 98 95 90 93 85 85 95保存率(%) 90 88 85 87 75 78 86穩定度(%) 82 84 85 90 88 77 85環保能力(%) 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協調度(%)

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，它具有獨特的性能與功效。常用作加筋土結構的筋材或復合材料的筋材等。土工格柵適用于各種公路、鐵路、機場的路基增強路面增強。適用于大型停車場和碼頭貨場等永久性承載的地基增強。適用鐵路、公路的邊坡防護。適用的涵洞增強。適用于單向拉伸土工格柵增強后的土坡的二次增強，進一步增強土坡，防止水土流失。礦山、坑道加固。

3.3 評價過程將這七種生態防護形式看成七個物元，分別用M1, M2,…, M7表示，利用基于模糊物元模型對它們在寧杭高速公路江蘇段的應用效果進行評價，具體評價步驟如下：（1）按式（2）和（3）建立模糊物元矩陣 。 （2）按照式（4）~（6）確定評價指標的權重系數。

（3）用式（7）計算 ，結果列于表4。

表4 七種防護形式的貼近度物元 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對應的 最大，其余的排序為 。可將貼近度的大小來衡量各生態護坡形式應用效果的優劣，因此掛網噴播方式效果最好，草棒技術次之，其余類推。4 結 語論文建立了生態護坡應用效果的評價指標體系，將歐幾里得貼近度與模糊物元結合起來，建立了基于歐幾里得貼近度的模糊物元模型。該模型以促進事物轉化、解決不相容問題為核心，適用于生態護坡效果評價這樣的多因子評價問題。而基于信息熵理論的賦權方法，很好的排除了主觀偏好的影響，使權重更符合實際。從實例研究來看，整個計算過程操作簡單方便，方法行之有效，為科學評價生態護坡的應用效果提供了有效途徑。

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