馮佳琳, 殷黎明, 趙麗君, 蒲文明, 任 松, 郭 微,2

(1.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044; 2.重慶市勘測(cè)院, 重慶 400020)

基于熵值法的高速公路施工過程對(duì)水土流失的影響評(píng)價(jià)

馮佳琳1, 殷黎明1, 趙麗君1, 蒲文明1, 任 松1, 郭 微1,2

(1.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044; 2.重慶市勘測(cè)院, 重慶 400020)

[目的] 研究高速公路施工過程對(duì)沿線山體植被、水土保持方面的影響，為路段后期水土保持工作采取最優(yōu)的防護(hù)措施提供參考依據(jù)。 [方法] 基于高速公路施工期水土流失影響因素的分析基礎(chǔ)，建立多層次、多指標(biāo)的高速公路施工期水土流失評(píng)價(jià)體系。通過現(xiàn)場(chǎng)工程參數(shù)分析，將水土流失影響指數(shù)(SWⅡ)引入同一高速公路不同路段水土流失影響的評(píng)價(jià)中。選用基于客觀賦權(quán)法的熵值法確定評(píng)價(jià)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水土流失的影響程度。依托在建梁平至忠縣高速公路項(xiàng)目，針對(duì)初步選定的9段路段進(jìn)行施工期水土流失評(píng)價(jià)。 [結(jié)果] 確定研究區(qū)水土流失情況嚴(yán)重的4段重點(diǎn)路域，并將其劃定為水土流失重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域。 [結(jié)論] 驗(yàn)證了多層次、多指標(biāo)的高速公路施工期水土流失影響評(píng)價(jià)體系的合理性，排除了人為因素的干擾，可以更加客觀、科學(xué)地確定高速公路施工期水土流失重點(diǎn)路域。

高速公路; 水土流失; 水土流失影響指數(shù)(SWⅡ); 熵值法

文獻(xiàn)參數(shù)： 馮佳琳, 殷黎明, 趙麗君, 等.基于熵值法的高速公路施工過程對(duì)水土流失的影響評(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：153-157.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.023； Feng Jialin, Yin Liming, Zhao Lijun, et al. Soil Erosion Impact Assessment of Expressway Based on Entropy Method During Construction Period[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：153-157.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.023

“十二五”期間全國(guó)新增高速公路通車?yán)锍碳s5.92×104km2，2015年全國(guó)高速公路通車?yán)锍虒⒊^1.30×105km2[1]。另外，中國(guó)高速公路項(xiàng)目的發(fā)展正逐步向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移[2]。高速公路作為開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的重要組成部分，對(duì)沿線原有地貌造成擾動(dòng)、植被造成破壞[3]，產(chǎn)生的大量棄土和裸露邊坡，誘發(fā)嚴(yán)重的水土流失，導(dǎo)致高速公路建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益凸出。陳宗偉等[2]依托滬蓉西高速公路闡述了高速公路施工過程中水土保持措施體系；毛澤秦等[5]采用平?jīng)龅貐^(qū)已有工程資料建立了影響流域水土失量和關(guān)鍵影響因素之間的關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)模型。因此，科學(xué)合理地選擇在建高速公路中的水土流失重點(diǎn)路域，有針對(duì)性地采取水土保持措施[6]，對(duì)控制在建高速公路項(xiàng)目造成的水土流失具有重要意義。

確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值是進(jìn)行高速公路路域評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。以往的主觀賦權(quán)法[7]，如層次分析法、德爾菲法等，往往由于受人為因素的影響夸大或者降低某些指標(biāo)的影響，不能真實(shí)的反映實(shí)際情況。與之相對(duì)的客觀賦權(quán)法，得到的權(quán)重值僅根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)值之間的關(guān)系，或者是由它們的變化程度來決定的，不受其他外界因素的影響，如熵值法、因子分析法等。本文擬通過水土流失影響指數(shù)(SWⅡ)，重新定義并篩選影響指標(biāo)，并確定權(quán)重，設(shè)計(jì)出專門用于評(píng)價(jià)高速公路重點(diǎn)路域的水土流失影響指數(shù)值。

權(quán)重確定的主要方法[8]優(yōu)缺點(diǎn)整理如表1所示。對(duì)比分析各權(quán)重確定方法，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，考慮到樣本數(shù)據(jù)中并未含有極端值或負(fù)值，為了確保評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，避免數(shù)據(jù)本身帶來的信息重復(fù)，選用客觀賦值法中的熵值法對(duì)評(píng)價(jià)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值進(jìn)行確定。本研究依托在建梁平至忠縣高速公路項(xiàng)目，結(jié)合權(quán)重確定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以熵值法確定的權(quán)重值為基礎(chǔ)，采用水土流失影響指數(shù)對(duì)高速公路路域進(jìn)行水土流失情況評(píng)價(jià)，以確定在建高速公路水土流失較為嚴(yán)重的重點(diǎn)路域，為沿線水土保持提供參考。

表1 不同權(quán)重確定方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

1 水土流失影響指數(shù)確定方法

1.1 水土流失影響指數(shù)計(jì)算方法

水土流失影響指數(shù)(SWⅡ)是將水土保持損益分析中的關(guān)鍵影響指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)后求和，得到用于反映建設(shè)項(xiàng)目水土流失影響程度大小的水土流失數(shù)值[9]。SWⅡ值較高時(shí)，說明項(xiàng)目造成的水土流失影響嚴(yán)重，項(xiàng)目水土流失影響程度為重度影響；反之則越小。

張崢等[10]將水土流失影響指數(shù)引入到高速公路水土流失評(píng)價(jià)中，計(jì)算公式為：

(1)

式中：αj——第j個(gè)水土流失影響指數(shù)關(guān)鍵指標(biāo)的權(quán)重；χj——第j個(gè)水土流失影響指數(shù)關(guān)鍵指標(biāo)歸一化后的值。j=1,2,…,n；i=1,2,…,n。

一般地，評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)集記為{Xij}，xij——第i個(gè)方案第j個(gè)指標(biāo)的原始值，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。對(duì)于正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)分別采用以下公式進(jìn)行歸一化處理[11]：

(2)

(3)

基于張崢等[10]建立的針對(duì)不同高速公路項(xiàng)目水土流失評(píng)價(jià)體系，綜合考慮同一高速公路水土流失影響因素的同一性和差異性指標(biāo)，簡(jiǎn)化同一性指標(biāo)，細(xì)化差異性指標(biāo)，將高速公路施工期水土流失評(píng)價(jià)模型中的相關(guān)因素分為路基工程、橋隧涵、互通工程、取棄土場(chǎng)、臨時(shí)工程五部分，建立多層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)體系如表2所示。該體系中，由于路基填方高度影響填方斷面的形式，進(jìn)而直接影響施工期高速公路水土流失情況，因此將路基填方路段按填方高度分為3類，分別記為填方路段Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ：填方高度≤10 m時(shí)，采用一坡到底，填方邊坡率為1∶1.5；當(dāng)10 m<路基填方高度<18 m時(shí)，第1級(jí)填高為10 m，填方邊坡率為1∶1.5，第2級(jí)填高為10 m，填方邊坡坡率為1∶1.75，第1，2級(jí)之間設(shè)邊坡平臺(tái)一道，平臺(tái)寬2 m，外傾坡度3%。當(dāng)填方高度>18 m，每填高10 m設(shè)一道邊坡平臺(tái)，填方邊坡坡率均為1∶2，填方邊坡平臺(tái)寬度為2 m，外傾坡度3%。挖方路基段采用挖方總高度與路基長(zhǎng)度的比值為評(píng)價(jià)指標(biāo)。橋梁、涵洞工程施工擾動(dòng)土地范圍為其在地面上的垂直投影[12]，由于橋梁寬度、涵洞跨距基本相同，因此選取橋梁、涵洞的長(zhǎng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。隧道工程主要由洞身和洞門組成。擾動(dòng)地表的范圍為隧道明洞和洞門開挖范圍[12]，因此選取隧道明洞/洞口土石挖方總量為隧道工程的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表2 高速公路施工期水土流失評(píng)價(jià)體系及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2 熵值法

熵的概念來源于熱力學(xué)，主要反映系統(tǒng)的混亂程度，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于信息論、工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)管理和決策控制等方面[13-14]。熵值法是一種客觀賦權(quán)法[15]，它根據(jù)評(píng)價(jià)體系中各參考指標(biāo)的熵值所提供的信息量大小對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，盡可能的保證了指標(biāo)權(quán)重值的客觀性。

在由m個(gè)待評(píng)方案、n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所構(gòu)成的指標(biāo)數(shù)據(jù)中，若各評(píng)價(jià)對(duì)象的某項(xiàng)指標(biāo)值相差較大，其提供的信息量越大，對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響越大，信息熵越小，其權(quán)重應(yīng)越大。當(dāng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中某個(gè)指標(biāo)的值完全相同時(shí)，熵值法得出的權(quán)重值為0，表明這個(gè)指標(biāo)在整個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中不起任何作用，可以考慮忽略這個(gè)指標(biāo)。

熵值法確定權(quán)重的主要步驟為：

評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)集記為{Xij}，xij——第i個(gè)方案第j個(gè)指標(biāo)的原始值， 。

(1) 原始數(shù)據(jù)處理。由于部分原始數(shù)據(jù)的取值在[0,1]，為了避免取對(duì)數(shù)無意義，將數(shù)據(jù)進(jìn)行平移，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了(+1) 處理[14]。

xij′=xij+1

(4)

(5)

(3) 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重[16]為：

(6)

最終得到系統(tǒng)內(nèi)各指標(biāo)的權(quán)重值，W=(w1,w2,…,wj,…,wn)。

2 實(shí)例分析

以在建梁平至忠縣高速公路項(xiàng)目為評(píng)價(jià)對(duì)象，綜合考慮高速公路沿線的施工情況，初步選取9段路段進(jìn)行水土流失影響評(píng)價(jià)，樁號(hào)分別為K7+000—K8+740，K9+000—K13+664，K16+382—K19+500，K33+300—K37+200，K37+200—K40+700，K43+335—K45+536，K46+045—K51+440，K51+440—K55+000，K55+400—K57+500，各路段原始參數(shù)值詳見表3。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值確定

利用公式(4)—(6)計(jì)算得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值分別為0.726 2，0.572 0，0.727 7，0.659 3，0.727 5，0.686 2，0.656 2，0.478 2，0.611 3，0.357 2，0.373 4，0.348 3，0.343 4，0.698 0，0.459 8，0.698 4，0.696 2，0.293 4和0.626 0，由此得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量，W=(0.033 1，0.051 8，0.033 0，0.041 2，0.033 0，0.038 0，0.041 6，0.063 2，0.047 1，0.077 8，0.075 8，0.078 9，0.079 5，0.036 6，0.065 4，0.036 5，0.036 8，0.085 5，0.045 3)。

2.2 水土流失影響影響指數(shù)計(jì)算(SWⅡ)

歸一化后的各指標(biāo)值詳見表4。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，利用公式 計(jì)算水土流失影響指數(shù)SWⅡ，計(jì)算結(jié)果如表5所示。以水土流失影響指數(shù)為依據(jù)，評(píng)價(jià)對(duì)象中的K16+382—K19+500，K37+200—K40+700，K43+335—K45+536，K55+400—K57+500段為水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，劃定為水土流失防治重點(diǎn)路域。

表3 梁平-忠縣高速公路各路段原始指標(biāo)值

表4 梁平-忠縣高速公路各路段指標(biāo)歸一化值

表5 各路段的水土流失影響指數(shù)(SWⅡ)值

3 結(jié) 論

綜合考慮造成同一高速公路各路段沿線水土流失的施工因素，建立了多層次、多指標(biāo)的針對(duì)同一高速公路施工期水土流失影響的評(píng)價(jià)體系，以水土流失影響指數(shù)(SWⅡ)作為高速公路施工期水土流失影響嚴(yán)重程度的最終評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合客觀賦權(quán)法中的熵值法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，根據(jù)評(píng)價(jià)體系中各參考指標(biāo)的熵值所提供的信息量大小得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

(1) 排除了人為因素的干擾，更加客觀、科學(xué)的確定高速公路施工期水土流失重點(diǎn)路域，為水土保持措施的實(shí)施提供參考。

(2) 通過對(duì)梁平至忠縣9段路段水土流失影響評(píng)價(jià)，確定了水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，并將其劃定為水土流失重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域。

(3) 通過梁平至忠縣9段路段的水土流失影響評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了該多層次、多指標(biāo)的高速公路施工期水土流失影響評(píng)價(jià)體系的合理性，為其他路段的水土流失影響評(píng)價(jià)提供了有力的參考。

[1] 趙廷寧,張崢,陳吉虎.高速公路項(xiàng)目水土流失影響指數(shù)的應(yīng)用研究[J].水土保持通報(bào),2014,34(2):116-119.

[2] 王金娟,陳宗偉,江玉林.高速公路施工期水土流失影響因素及其防治措施[J].水土保持研究,2006,13(5):120-123.

[3] 明道貴.高速公路建設(shè)水土流失與水土保持研究[D].河北 石家莊：河北工業(yè)大學(xué),2006.

[4] 王金娟,陳宗偉,江玉林.高速公路施工期水土流失影響因素及其防治措施[J].水土保持研究,2006,13(5):120-123.

[5] 王進(jìn)鑫,毛澤秦.平?jīng)黾埛粶狭饔蛩亮魇в绊懸蛩丶捌湎嚓P(guān)關(guān)系分析[J].水土保持研究，2011,18(1):101-104.

[6] 尹曉靜.高速公路建設(shè)水土流失成因與水土保持策略[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2012(4):48-49.

[7] 宋馬俊.安全評(píng)價(jià)方法科學(xué)性與適應(yīng)性論證研究[J].電力安全技術(shù),2007,9(4):28-31.

[8] 陳雷.我國(guó)水上交通安全宏觀評(píng)估的研究[D].遼寧 大連：大連海事大學(xué),2007.

[9] 姜德文.開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持損益分析研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué),2007.

[10] 張崢高速公路項(xiàng)目水土流失影響指數(shù)應(yīng)用研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué),2014.

[11] 方青,鄧其,潘曉東.基于可拓理論的高速公路事故動(dòng)態(tài)預(yù)警方法[J].公路工程，2013,38(4):115-119.

[12] 張翔宇.公路建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治分區(qū)探討[J].山西建筑，2011(18):120-122.

[13] 葉斌.基于改進(jìn)熵值法的內(nèi)河水運(yùn)評(píng)價(jià)研究[D].四川 成都：成都理工大學(xué),2012.

[14] 楊元玲.壽險(xiǎn)公司信用評(píng)級(jí)的財(cái)務(wù)狀況研究[D].四川 成都：西南財(cái)經(jīng)大學(xué),2013.

[15] 賈明璐,王富喜,毛愛華.基于熵值法的山東省城鎮(zhèn)化質(zhì)量測(cè)度及空間差異分析[J].地理科學(xué)，2013,33(11):1323-1329.

[16] 曹銀貴,趙麗,朱永明.主成分分析法和熵值法在農(nóng)村居民點(diǎn)集約利用評(píng)價(jià)中的比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012，28(7):235-242.

Soil Erosion Impact Assessment of Expressway Based on Entropy Method During Construction Period

FENG Jialin1, YIN Liming1, ZHAO Lijun1, PU Wenming1, REN Song1, GUO Wei1,2

(1.StateKeyLaboratoryfortheCoalMineDisasterDynamicsandControls,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China; 2.ChongqingSurveyInstitute,Chongqing400020,China)

[Objective] Considering the disturbance to environment caused by highway construction in order to found the optimal protection measures of soil and water loss caused by highway construction was demonstrated. [Methods] Based on the comprehensive analysis of factors affecting soil erosion during the construction, a multi-level and multi-index highway construction evaluation system with respect to soil and water loss was established. Via engineering parameter analysis, a parameter, termed as SWⅡ, was introduced into the evaluation of different sections of highway. The entropy method was chosen to determine the influence degree of each evaluation index of the evaluation system. 9 preliminary sections of liangping-zhongxian highway project were chosen to evaluate. [Results] 4 sections were classified as severe loss level and as key protection areas. [Conclusion] This article verified the rationality of the evaluation system and eliminated man-made interference. This evaluation system can determine key areas of soil and water loss under highway construction in a more objective and scientific way.

expressway； water and soil loss； SWⅡ； entropy evaluation method

2016-03-30

2016-09-07

重慶市科委基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目“深部煤巖體水耦合蠕變損傷演化機(jī)制”(cstc2014jcyjA90026)

馮佳琳(1994—),女(漢族),山東省東營(yíng)市人,碩士研究生,研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)安全。E-mail:yilin93719@126.com。

B

1000-288X(2017)02-0153-05

S157.1