萬炳彤, 鮑學(xué)英, 李愛春

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

近年來，我國交通建設(shè)日益增加，大量開挖產(chǎn)生的裸露邊坡，不僅會對道路沿線的地表植被造成破壞，導(dǎo)致坡面植物種類驟減、坡體結(jié)構(gòu)損壞，水土流失等一系列的生態(tài)問題，也是導(dǎo)致滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的主要源由[1-3]。如何對裸露邊坡實(shí)施有效的生態(tài)防護(hù)，減少水土流失，維持坡地生態(tài)系統(tǒng)健康，已經(jīng)逐漸成為交通建設(shè)部門關(guān)注的重點(diǎn)[4-5]。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在交通建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，對生態(tài)護(hù)坡工程進(jìn)行效果評價是綠色通道建設(shè)的重要手段。影響生態(tài)護(hù)坡效果的因素復(fù)雜多變，具有不確定性，很難用簡易的方法進(jìn)行護(hù)坡效果的評判分析。目前，有學(xué)者嘗試運(yùn)用灰色評價法[6]、模糊綜合評判法[3,7]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[2]，模糊物元法[8]等不確定性分析方法對邊坡生態(tài)防護(hù)效果進(jìn)行了相關(guān)研究，上述研究在生態(tài)護(hù)坡效果評價方面均發(fā)揮了重要作用，但是，這些研究所采用的方法側(cè)重點(diǎn)各不相同，對解決這類問題均存在一定的局限性。例如灰色評價法，其原理依據(jù)灰色系統(tǒng)理論，適用于只有少量觀測數(shù)據(jù)的項(xiàng)目，其研究對象具有“外延明確、內(nèi)涵不明確”的特點(diǎn)。而邊坡生態(tài)防護(hù)指標(biāo)具有大量的觀測值，且邊坡生態(tài)防護(hù)中的植物抗逆性等指標(biāo)用“很強(qiáng)”、“強(qiáng)”、“中等”等模糊概念度量，這些概念的外延是不明確的，所以僅根據(jù)灰色理論得出結(jié)論容易造成信息丟失,影響模型的有效性。生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)中的基質(zhì)容重、毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、植被蓋度、群落生物量等參量信息的不確定性多來源于實(shí)測資料不完全，測量值不精確等原因，這種給決策者帶來的純主觀的、認(rèn)識上不確定性信息稱之為未確知性[9]。未確知測度模型是一種適用于大數(shù)據(jù)集的不確定性分析方法，主要處理研究對象的未確知信息，能夠解決生態(tài)護(hù)坡質(zhì)量評價中諸多因素的未確知性，還能對其進(jìn)行定量分析。相較于灰色評價法其適用范圍更貼合于生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)，同時劉開第[10]認(rèn)為相比模糊綜合評判、灰色聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等評價方法，未確知測度模型評價結(jié)果也更精細(xì)，合理。基于此，本文以系統(tǒng)工程學(xué)為基礎(chǔ)，建立相對完整的生態(tài)護(hù)坡效果評價體系，并構(gòu)建評價指標(biāo)與生態(tài)護(hù)坡效果間的未確知測度模型，建立單指標(biāo)測度矩陣，運(yùn)用AHP法求得的各指標(biāo)的權(quán)重，從而得到多指標(biāo)綜合測度評價向量，并應(yīng)用于集對系統(tǒng)中，對生態(tài)護(hù)坡工程評價結(jié)果進(jìn)行更有深度的再評價，構(gòu)建出基于未確知—集對耦合的生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量評價體系，并在某工程實(shí)例中加以應(yīng)用，得到驗(yàn)證。為快速有效地分析生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量提供了一個新方法。

1 生態(tài)護(hù)坡效果未確知測度評價模型

設(shè)優(yōu)選對象O1,O2,…,On組成的論域O={O1,O2,…,On}稱為對象空間，任意一個優(yōu)選對象Oi∈0(i=1,2,…,n)都有m個可以評價的指標(biāo)S1,S2,…,Sm，令S={S1,S2,…,Sm}，則S稱為評測空間，xij(j=1,2,…,m)代表第i個優(yōu)選對象Oi關(guān)于評測指標(biāo)Sj的觀測值。每個指標(biāo)的觀測值xij都劃分為t個評價等級C1,C2,…,Ct，記作E={C1,C2,…,Ct}。其中Ck是第k個評價等級，且k級效果比k+1級好，即Ck>Ck+1[11]。

1.1 單指標(biāo)未確知測度

若μijk=μ(xij∈Ck)代表xij屬于第k個等級Ck的范圍，若滿足：

0≤μ(xij∈Ck)≤1

(1)

μ(xij∈E)=1

(2)

(3)

則稱μ為未確知測度[12-14]，(μijk)m×q稱作單指標(biāo)測度評價矩陣，表示為：

(4)

根據(jù)生態(tài)護(hù)坡評價效果特征，選用直線型測度函數(shù)[15]，如公式(5)所示。從而計算單指標(biāo)測度矩陣。

式中：xi——優(yōu)選對象Oi關(guān)于護(hù)坡效果指標(biāo)的實(shí)測值；dk——優(yōu)選對象實(shí)測值分布區(qū)間上的點(diǎn)，設(shè)k等級的取值區(qū)間為[dk-1,dk]，實(shí)測值由dk增加至dk+1時，對于k等級的隸屬度逐步降低，至dk+1時，降為0，相應(yīng)的對k+1等級的隸屬度從0升高至1。

1.2 多指標(biāo)加權(quán)綜合測度

(6)

2 集對分析(SPA)理論

2.1 SPA原理

集對分析[18](set pair analysis， SPA)，其理論核心是將研究問題的確定因子與不確定因子構(gòu)建為含有一定聯(lián)系度的集對。并對集對中的2個集合的關(guān)系從“同、異、反”3個反面來進(jìn)行不確定性分析，并用聯(lián)系度μ進(jìn)行定量表示。進(jìn)而衍生至多個集合構(gòu)成的系統(tǒng)。

基本原理為[19]：設(shè)有集合A和集合B(A=(A1,A2,…,An)，B=(B1,B2,…,Bn)且A∩B≠?,集合A和集合B構(gòu)成集對H(A,B),對集對H的特性進(jìn)行研究分析，共得到n個特性，其中兩個集合共有的特性有l(wèi)個，對立的特性有f個，既不共有又不對立的特性有m個，則：

(7)

μ=a+bp+cq

(8)

其中，μ稱作三元聯(lián)系度，a,b,c為同一反隸屬度，且滿足a+b+c=1。p(p∈[-1,1])為差異度系數(shù)，表示研究系統(tǒng)的不確定性，p越趨于0代表系統(tǒng)的不確定性越大，q為對立度系數(shù)，規(guī)定q=1。

把公式(7)展開，則可得到多元聯(lián)系數(shù)：

(9)

可簡化為：

μ=a+b1p1+b2p2+…+bn-2pn-2+cq

(10)

2.2 生態(tài)護(hù)坡質(zhì)量SPA評價模型

將集對分析運(yùn)用于生態(tài)護(hù)坡的效果評價，可以把生態(tài)護(hù)坡的評價指標(biāo)和評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)視為含有一定聯(lián)系的兩個集合，構(gòu)成一個集對。若評價等級有t個，則t元聯(lián)系度μ為同異反隸屬度矩陣[a,b1,b2,…,bt-2,c]和所求得的聯(lián)系數(shù)分量E=[1,P1,P2,…,Pt-2,q]T的乘積：

μ=[a,b1,b2,…,bt-2,c]·E=

a+b1p1+…+bt-2pt-2+cq

(11)

[1,pi1,pi2,…,pi(k-1),…,pi(t-2),q]T

(12)

因?yàn)棣淌莟元聯(lián)系數(shù)，對范圍[-1,1]按t-1等分，將pi(t-2),pi(t-1),…,pi2,pi1在[-1,1]上從左到右取t-1個均分?jǐn)?shù)，q=-1，此時：

(13)

區(qū)間[-1,1]t等分后的t個區(qū)間分別對應(yīng)護(hù)坡效果的t個評價等級，聯(lián)系數(shù)μ處于的區(qū)間鎖對應(yīng)的評價等級就是綜合評價結(jié)果。

3 生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量評價指標(biāo)體系的建立

3.1 基于“邊坡-基質(zhì)-植物群落”系統(tǒng)的評價指標(biāo)

以系統(tǒng)工程學(xué)為基礎(chǔ)，生態(tài)護(hù)坡工程可視為“邊坡—基質(zhì)—植物群落”的復(fù)合系統(tǒng)(圖1)，其與外界環(huán)境相互融合構(gòu)成含有一定結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一體系[20]，結(jié)構(gòu)和功能是生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)的主要構(gòu)件，所以，生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量評價指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)以結(jié)構(gòu)和功能為基礎(chǔ)，從而保障質(zhì)量評價體系的完善性。生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由“基質(zhì)”和“植物群落”構(gòu)成，基質(zhì)在這里指邊坡土壤，植物群落是指種植在邊坡的灌木、喬木或草等植物。系統(tǒng)的功能構(gòu)件主要是對坡面的力學(xué)防護(hù)效果。

圖1 “邊坡-基質(zhì)-植物群落”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能圖

基于生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，依據(jù)《鐵路工程綠色通道建設(shè)指南》及參考文獻(xiàn)[6]對其評價指標(biāo)從基質(zhì)，植物群落，力學(xué)防護(hù)3個評價準(zhǔn)則出發(fā)，并結(jié)合Delphi法對指標(biāo)進(jìn)行篩選，最終確定出基質(zhì)容量等15個細(xì)化指標(biāo)，構(gòu)建出邊坡生態(tài)防護(hù)質(zhì)量評價的多層次指標(biāo)體系如表1所示。并形成邊坡生態(tài)防護(hù)質(zhì)量評價指標(biāo)的遞階層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

表1 邊坡生態(tài)防護(hù)質(zhì)量評價的多層次指標(biāo)體系

圖2 生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量評價模型

3.2 分級標(biāo)準(zhǔn)建立

根據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度分級、中國第2次土壤普查有機(jī)質(zhì)含量分級資料及文獻(xiàn)[6]，將每個評價指標(biāo)的觀測值xij都劃分成5個評價等級，即E={C1,C2,…,C5}，C1,C2,C3,C4,C5分別對應(yīng)：優(yōu)(Ⅰ)、良(Ⅱ)、中(Ⅲ)、差(Ⅳ)、極差(Ⅴ)。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見表2。

4 建立未確知-集對耦合的生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量評價體系

運(yùn)用AHP法計算每個指標(biāo)在生態(tài)護(hù)坡效果評價中的影響權(quán)重，將未確知測度理論求得的未確知綜合測度識別子系統(tǒng)視為集對分析的同異反隸屬度矩陣，從而利用集對分析理論優(yōu)化未確知測度理論評價結(jié)果，具體過程如圖3所示。

5 實(shí)證研究

以四川省彭州市升平鎮(zhèn)采取的3種不同的生態(tài)護(hù)坡工程為例[6]。該案例將鐵路某段邊坡等分為3個區(qū)域并按不同的工程措施處理，分別為：種子格柵護(hù)坡工程區(qū)(O1)、植生網(wǎng)護(hù)坡工程區(qū)(O2)和TBS Ⅱ護(hù)坡工程區(qū)(O3)。每個區(qū)采取相同的養(yǎng)護(hù)措施。經(jīng)過一段時間后按表1測得3種護(hù)坡措施的指標(biāo)值詳見表3。

圖3 未確知測度-集對分析耦合的綜合評價體系

5.1 未確知測度模型優(yōu)選過程

依據(jù)公式(1)—(5)并結(jié)合3種護(hù)坡措施的評價指標(biāo)取值(表3)，可以得到3個區(qū)域的單指標(biāo)測度矩陣。

以種子格柵護(hù)坡工程區(qū)O1為例，得到O1單指標(biāo)測度評價矩陣μijk如下(因?yàn)橹笜?biāo)S4中P和K在3個區(qū)域中的含量基本相同，且都處于Ⅰ級，故可不做考慮，僅以N代表指標(biāo)S4作比較)。

表2 指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表3 各護(hù)坡措施的指標(biāo)實(shí)測值

結(jié)合生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量評價模型(圖2)，運(yùn)用AHP法構(gòu)建出邊坡生態(tài)防護(hù)質(zhì)量多層次評價模型層間的判斷矩陣，從而得到各指標(biāo)的總排序權(quán)重W[6]：

W=[0.064,0.102,0.162,0.024,0.065,

0.046,0.014,0.029,0.081,0.033,

0.054,0.104,0.053,0.037,0.132]

5.2 基于未確知測度的SPA評價模型優(yōu)選過程

生態(tài)護(hù)坡質(zhì)量評價指標(biāo)的觀測值有5個評價等級，即t=5。5元聯(lián)系數(shù)μ可在區(qū)間[-1,1]上等分成5個區(qū)間：[-1.0,-0.6]，[-0.6,-0.2]，[-0.2,0.2]，[0.2,0.6]，[0.6,1.0]且分別對應(yīng)5個評價等級，如表4所示。

表4 聯(lián)系數(shù)和護(hù)坡等級對應(yīng)關(guān)系

表5 生態(tài)護(hù)坡質(zhì)量評價結(jié)果

因?yàn)棣淌?元聯(lián)系數(shù)，依據(jù)公式(14)得出聯(lián)系數(shù)分量E=[1.0,0.5,0,-0.5,1.0]T。依據(jù)公式(13)可求得區(qū)域O1的總指標(biāo)綜合評價5元聯(lián)系數(shù)μ：

=0.384∈[0.2,0.6]。

由表4可知區(qū)域O1護(hù)坡等級為Ⅱ級，同理可得其他區(qū)域的護(hù)坡等級，并將計算結(jié)果與文獻(xiàn)[6]采用的灰色評價法進(jìn)行比較，如表5所示。由表5可以得出基于SPA的多層次未確知測度理論其計算結(jié)果同灰色評價法基本相同，且符合實(shí)際情況，說明本文采用的方法適用于生態(tài)護(hù)坡質(zhì)量研究，是一種有效地針對生態(tài)護(hù)坡效果研究的新方法。

6 結(jié) 論

(1) 本文以系統(tǒng)工程學(xué)為基礎(chǔ)，將生態(tài)護(hù)坡工程視為“邊坡—基質(zhì)—植物群落”的復(fù)合系統(tǒng)，以基質(zhì)，植物群落的結(jié)構(gòu)類指標(biāo)和力學(xué)防護(hù)的功能類指標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)來評價生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量。

(2) 將未確知測度理論得到的多指標(biāo)綜合測度評價向量應(yīng)用于集對系統(tǒng)中進(jìn)行再評價。評價結(jié)果與灰色評價模型的計算結(jié)果基本相同，說明本文為快速有效的分析生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量提供了一個新方法。

(3) 未確知—集對耦合的評價模型充分考慮了生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量評價體系的不確定因素，計算出了各邊坡區(qū)域的隸屬等級；引入集對分析理論，建立了聯(lián)系數(shù)函數(shù)模型，進(jìn)一步細(xì)化了評價結(jié)果，并充分考慮了生態(tài)護(hù)坡工程質(zhì)量評價指標(biāo)在各等級都具有同異反聯(lián)系這一事實(shí)，對生態(tài)護(hù)坡質(zhì)量研究具有實(shí)踐參考意義。