基于熵值法的高速公路施工過程對水土流失的影響評價

馮佳琳, 殷黎明, 趙麗君, 蒲文明, 任 松, 郭 微,2

(1.重慶大學 資源及環境科學學院 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室, 重慶 400044; 2.重慶市勘測院, 重慶 400020)

基于熵值法的高速公路施工過程對水土流失的影響評價

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 資源及環境科學學院 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室, 重慶 400044; 2.重慶市勘測院, 重慶 400020)

[目的] 研究高速公路施工過程對沿線山體植被、水土保持方面的影響，為路段后期水土保持工作采取最優的防護措施提供參考依據。 [方法] 基于高速公路施工期水土流失影響因素的分析基礎，建立多層次、多指標的高速公路施工期水土流失評價體系。通過現場工程參數分析，將水土流失影響指數(SWⅡ)引入同一高速公路不同路段水土流失影響的評價中。選用基于客觀賦權法的熵值法確定評價體系中各評價指標對水土流失的影響程度。依托在建梁平至忠縣高速公路項目，針對初步選定的9段路段進行施工期水土流失評價。 [結果] 確定研究區水土流失情況嚴重的4段重點路域，并將其劃定為水土流失重點防護區域。 [結論] 驗證了多層次、多指標的高速公路施工期水土流失影響評價體系的合理性，排除了人為因素的干擾，可以更加客觀、科學地確定高速公路施工期水土流失重點路域。

高速公路; 水土流失; 水土流失影響指數(SWⅡ); 熵值法

文獻參數： 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水土流失的影響評價[J].水土保持通報，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”期間全國新增高速公路通車里程約5.92×104km2，2015年全國高速公路通車里程將超過1.30×105km2[1]。另外，中國高速公路項目的發展正逐步向西部地區轉移[2]。高速公路作為開發建設項目的重要組成部分，對沿線原有地貌造成擾動、植被造成破壞[3]，產生的大量棄土和裸露邊坡，誘發嚴重的水土流失，導致高速公路建設與環境保護的矛盾日益凸出。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]采用平涼地區已有工程資料建立了影響流域水土失量和關鍵影響因素之間的關聯數學模型。因此，科學合理地選擇在建高速公路中的水土流失重點路域，有針對性地采取水土保持措施[6]，對控制在建高速公路項目造成的水土流失具有重要意義。

確定各評價指標的權重值是進行高速公路路域評價的基礎，直接關系到評價結果的科學性。以往的主觀賦權法[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的影響，不能真實的反映實際情況。與之相對的客觀賦權法，得到的權重值僅根據各項指標值之間的關系，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(SWⅡ)，重新定義并篩選影響指標，并確定權重，設計出專門用于評價高速公路重點路域的水土流失影響指數值。

權重確定的主要方法[8]優缺點整理如表1所示。對比分析各權重確定方法，結合項目實際情況，考慮到樣本數據中并未含有極端值或負值，為了確保評價結果的客觀性，避免數據本身帶來的信息重復，選用客觀賦值法中的熵值法對評價體系中各評價指標的權重值進行確定。本研究依托在建梁平至忠縣高速公路項目，結合權重確定方法的優缺點，以熵值法確定的權重值為基礎，采用水土流失影響指數對高速公路路域進行水土流失情況評價，以確定在建高速公路水土流失較為嚴重的重點路域，為沿線水土保持提供參考。

表1 不同權重確定方法優缺點對比

1 水土流失影響指數確定方法

1.1 水土流失影響指數計算方法

水土流失影響指數(SWⅡ)是將水土保持損益分析中的關鍵影響指標進行加權后求和，得到用于反映建設項目水土流失影響程度大小的水土流失數值[9]。SWⅡ值較高時，說明項目造成的水土流失影響嚴重，項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引入到高速公路水土流失評價中，計算公式為：

(1)

式中：αj——第j個水土流失影響指數關鍵指標的權重；χj——第j個水土流失影響指數關鍵指標歸一化后的值。j=1,2,…,n；i=1,2,…,n。

一般地，評價對象的指標集記為{Xij}，xij——第i個方案第j個指標的原始值，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。對于正向指標和逆向指標分別采用以下公式進行歸一化處理[11]：

(2)

(3)

基于張崢等[10]建立的針對不同高速公路項目水土流失評價體系，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，簡化同一性指標，細化差異性指標，將高速公路施工期水土流失評價模型中的相關因素分為路基工程、橋隧涵、互通工程、取棄土場、臨時工程五部分，建立多層次的評價指標體系。評價體系如表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，采用一坡到底，填方邊坡率為1∶1.5；當10 m<路基填方高度<18 m時，第1級填高為10 m，填方邊坡率為1∶1.5，第2級填高為10 m，填方邊坡坡率為1∶1.75，第1，2級之間設邊坡平臺一道，平臺寬2 m，外傾坡度3%。當填方高度>18 m，每填高10 m設一道邊坡平臺，填方邊坡坡率均為1∶2，填方邊坡平臺寬度為2 m，外傾坡度3%。挖方路基段采用挖方總高度與路基長度的比值為評價指標。橋梁、涵洞工程施工擾動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、涵洞的長度為評價指標。隧道工程主要由洞身和洞門組成。擾動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價指標。

表2 高速公路施工期水土流失評價體系及評價指標

1.2 熵值法

熵的概念來源于熱力學，主要反映系統的混亂程度，現已廣泛應用于信息論、工程技術、經濟管理和決策控制等方面[13-14]。熵值法是一種客觀賦權法[15]，它根據評價體系中各參考指標的熵值所提供的信息量大小對評價指標的權重進行計算，盡可能的保證了指標權重值的客觀性。

在由m個待評方案、n個評價指標所構成的指標數據中，若各評價對象的某項指標值相差較大，其提供的信息量越大，對綜合評價的影響越大，信息熵越小，其權重應越大。當評價系統中某個指標的值完全相同時，熵值法得出的權重值為0，表明這個指標在整個評價系統中不起任何作用，可以考慮忽略這個指標。

熵值法確定權重的主要步驟為：

評價對象的指標集記為{Xij}，xij——第i個方案第j個指標的原始值， 。

(1) 原始數據處理。由于部分原始數據的取值在[0,1]，為了避免取對數無意義，將數據進行平移，即對數據進行了(+1) 處理[14]。

xij′=xij+1

(4)

(5)

(3) 計算指標權重。第j個指標的權重[16]為：

(6)

最終得到系統內各指標的權重值，W=(w1,w2,…,wj,…,wn)。

2 實例分析

以在建梁平至忠縣高速公路項目為評價對象，綜合考慮高速公路沿線的施工情況，初步選取9段路段進行水土流失影響評價，樁號分別為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，各路段原始參數值詳見表3。

2.1 評價指標權重值確定

利用公式(4)—(6)計算得到各評價指標的熵值分別為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，由此得到各評價指標的權重向量，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計算(SWⅡ)

歸一化后的各指標值詳見表4。根據表4中的數據，利用公式 計算水土流失影響指數SWⅡ，計算結果如表5所示。以水土流失影響指數為依據，評價對象中的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重的區域，劃定為水土流失防治重點路域。

表3 梁平-忠縣高速公路各路段原始指標值

表4 梁平-忠縣高速公路各路段指標歸一化值

表5 各路段的水土流失影響指數(SWⅡ)值

3 結 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、多指標的針對同一高速公路施工期水土流失影響的評價體系，以水土流失影響指數(SWⅡ)作為高速公路施工期水土流失影響嚴重程度的最終評價指標，并結合客觀賦權法中的熵值法確定各評價指標的權重值，根據評價體系中各參考指標的熵值所提供的信息量大小得到各評價指標的權重值。

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

(2) 通過對梁平至忠縣9段路段水土流失影響評價，確定了水土流失較為嚴重的區域，并將其劃定為水土流失重點防護區域。

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

[1] 趙廷寧,張崢,陳吉虎.高速公路項目水土流失影響指數的應用研究[J].水土保持通報,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.高速公路建設水土流失與水土保持研究[D].河北 石家莊：河北工業大學,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] 王進鑫,毛澤秦.平涼紙坊溝流域水土流失影響因素及其相關關系分析[J].水土保持研究，2011,18(1):101-104.

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

[7] 宋馬俊.安全評價方法科學性與適應性論證研究[J].電力安全技術,2007,9(4):28-31.

[8] 陳雷.我國水上交通安全宏觀評估的研究[D].遼寧 大連：大連海事大學,2007.

[9] 姜德文.開發建設項目水土保持損益分析研究[D].北京：北京林業大學,2007.

[10] 張崢高速公路項目水土流失影響指數應用研究[D].北京：北京林業大學,2014.

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

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

[13] 葉斌.基于改進熵值法的內河水運評價研究[D].四川 成都：成都理工大學,2012.

[14] 楊元玲.壽險公司信用評級的財務狀況研究[D].四川 成都：西南財經大學,2013.

[15] 賈明璐,王富喜,毛愛華.基于熵值法的山東省城鎮化質量測度及空間差異分析[J].地理科學，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村居民點集約利用評價中的比較[J].農業工程學報,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

重慶市科委基礎與前沿研究計劃項目“深部煤巖體水耦合蠕變損傷演化機制”(cstc2014jcyjA90026)

馮佳琳(1994—),女(漢族),山東省東營市人,碩士研究生,研究方向為工程結構安全。E-mail:yilin93719@126.com。

B

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

S157.1