基于可拓理論的植被護坡水文效應評價

毛長義 鮑學英

摘要：植被護坡水文效應主要包括降雨截留、阻滯徑流、削弱濺蝕、蒸散作用四個方面作用，影響這四個方面作用的因素可歸類為基質、植被結構、氣候影響、邊坡特征。據此建立合理有效的評價指標體系。IGAHP客觀賦權法考慮到專家之間意見差異，確定出各專家評價意見的權重系數。結合各個專家的評價結果得出最終的主觀權重。CRITIC客觀賦權法考慮了指標自身的變異程度以及指標與其他指標之間的沖突程度。采用IGAHP與CRITIC組合賦權方法得出指標權重并選取最終參與評價的指標。對待評價指標進行等級劃分，采用可拓物元模型進行等級關聯函數的計算，最終確定評價對象水文效應的評價等級。與評價對象實際狀況進行對比，結果基本一致，說明了建立的指標體系與采用的評價方法具有一定的合理且有效性。

Abstract： The hydrological effects of vegetation slope protection mainly include four aspects： rainfall interception， block runoff， erosion erosion and evapotranspiration. The factors affecting these four aspects can be classified into matrix， vegetation structure， climate impact and slope characteristics. Based on this， a reasonable and effective evaluation index system was established. The IGAHP objective weighting method takes into account the differences of opinions among experts and determines the weighting coefficients of the evaluation opinions of various experts. Combined with the evaluation results of various experts， the final subjective weight is obtained. The CRITIC objective weighting method considers the degree of variation of the indicator itself and the degree of conflict between the indicator and other indicators. The IGAHP and CRITIC combination weighting method is used to obtain the index weights and select the indicators that will ultimately participate in the evaluation. The evaluation indicators are graded， and the extensional matter model is used to calculate the rank correlation function， and the evaluation level of the hydrological effect of the evaluation object is finally determined. Compared with the actual situation of the evaluation object， the results are basically the same， which shows that the established indicator system and the adopted evaluation method are reasonable and effective.

關鍵詞：植被護坡;水文效應;組合賦權;物元模型;關聯函數

Key words： vegetation slope protection;hydrological effect;combined weighting;matter-element model;correlation function

中圖分類號：U418.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0266-04

0? 引言

西北寒旱地區土壤主要以黃土為主，黃土具有良好的滲透性、易崩解性和濕陷性[1]。這些特性使得黃土遇水穩定性非常差，容易產生滑坡、坍塌和坡面泥流等自然災害的發生，也極易使得天然生態環境遭受毀壞[2][3]。隨著護坡技術的發展，植被護坡已被廣泛應用于邊坡防護。植被護坡通過植被作用可以預防邊坡沖蝕、滑動以及恢復生態，從而減少水土流失、維持邊坡穩定。其中，水文效應是影響植被護坡效果的關鍵因素。植物的水文效應是指植物控制雨水對土壤侵蝕的能力。植物通過降雨截留、阻滯徑流、削弱濺蝕、蒸騰作用等形式來提高邊坡的穩定性和安全性[4]。所以對植被護坡的水文效應進行評價有利于我們對其實際情況作出判斷。已有的對植被護坡水文效應的研究主要是通過實驗模擬的方式來得出結果[5]，本文考慮到植被的水文效應對植被護坡邊坡的淺層穩定性影響，旨在建立合理適用的評價指標體系，通過研究各因素對護坡水文效應的影響程度，再選用相應的評價方法來確定水文效應對護坡淺層穩定性的影響情況。最后將評價結果與實際情況作比較從而驗證評價的理論價值及實際意義。

1? 數據和方法

1.1 指標建立

植被護坡的水文效應主要是指植被的降雨截留、阻滯徑流、削弱濺蝕以及蒸散作用。分別體現在植物莖葉對降雨的截留、植物對土壤水分的影響、植物對土壤滲透性的影響以及植物的蒸騰與邊坡土體水分蒸發。而植被自身的特征以及所處的環境條件對以上提及的四個方面有著密不可分的影響。植物對降雨有截留的作用，葉面積指數對此有直接影響[6]，同時產生影響的還有降雨量和降雨強度等。植物的阻滯徑流同樣受降水影響，也受到土體的特征及植物根系對其的作用的影響。植物的蒸散包括植物的蒸騰作用以及土體水分的蒸發，這一過程除了受到土體特征和植物莖葉影響之外，還和研究區溫度、地下水位線的高度、坡高、以及坡比息息相關。這些因素會直接影響植物的水文效應，其中有的只會影響一個方面，但大多因素會對水文效應的各個方面產生影響。這是因為植被護坡水文效應涉及到系統問題，可以從系統工程角度入手，將其理解為“基質—植被”作用下的水分運動過程。同時考慮到降水、氣候以及邊坡特征。到達護坡表面的降水，一部分流失于地表，另一部分滲透到土壤內。滲入的土壤水會在基質內繼續運動，經歷相應的水分分配和內排水過程。如果邊坡收水含量充足，入滲水會移動到根層以下，以地下水或者深層坡體水的形式貯存起來，在干旱時可以在回升到根層起到水分補充的作用;還有一部分淺層的土壤水直接供植物根系的吸收利用，植物吸收的是會通過蒸騰作用進入大氣，也有一部分淺層水通過蒸發進入大氣[7]-[9]。本文根據水文效應中水分運動的過程，確定出影響水文效應的因素，主要有基質、植被結構、氣候影響、邊坡特征這四個方面。這些因素之間相互作用、相互影響、相互滲透，具有不同的性質和特點。共同對植被護坡水循環系統產生影響。而且，黃土邊坡植被護坡工程水循環優良程度指標體系的建立從“基質–植被”系統的結構與功能出發，保證了指標的系統性、科學性與完整性。指標體系如表1所示。

1.2 水文效應評價賦權模型

1.2.1 IGAHP主觀賦權模型

層次分析法一般是多位專家對研究對象各個指標進行評價，最后求得專家整體的綜合評判結果。其缺點是在此過程中并未考慮到專家意見之間的差異。不同專家的評價必然會存在一定的偏差，影響評判結果的合理性。IGAHP，即改進的群層次分析法，考慮到專家之間的評判差異度，據此賦予各個專家權重系數，使評判結果的達成是基于專家對指標評判的共識，從而得到更加合理的主觀賦權[10]。

設專家p和q評判的差異用距離dpq（p，q=1，2，...，T）來表示，如下：

其中dpq越小，說明兩位專家之間的意見越統一，當dpq=0且p≠q時，則兩位專家的評判無差異。

設專家t與其余專家評判結果的差異程度為dt， 則

綜上所述，第t位專家的最終決策權重系數？姿t為：

當dt=0時：? 3）

當dt≠0時? （4）

式中：越大，說明該專家與其余專家評判的一致程度越小，其決策權重系數越小;dt越小，說明該專家與其余專家的評判的一致程度越大，其決策權重系數越大。設最終的指標權重向量為

邀請了水土保持、植物學以及巖土工程方面的專家對指標體系進行了評判。根據專家評判的差異程度，確定三名專家的最終權重決策系數為（0.3146，0.4099，0.2755），結合各個專家的評判結果，得到15個指標最終的主觀權重為（0.0266，0.0563，0.0442，0.0276，0.0458，0.1197，0.0547，

0.0234，0.1339，0.0954，0.0596，0.0201，0.0665，0.1358，0.0902）。

1.2.2 CRITIC客觀賦權模型

考慮到同一指標對于不同研究對象存在指標變異程度，且各指標之間具有相關性，選取CRITIC客觀賦權法。在CRITIC客觀賦權法中，指標在不同評價對象間的變異程度用標準差反映;某指標與其余指標的沖突程度用ci表示。指標i與其余指標的沖突量化表達式為：

式中：rij為指標i與j的相關系數，根據Pearson設計的積矩相關計算方法，可得其表達式為：

式中：？姿ik和？姿jk分別為在第i個指標和第j個指標下的第k個評估對象的歸一化值，分別表示指標i和j的均值。

設Ci為指標i所提供的信息量，則其表達式為：

式中：為指標i在不同評價對象間的標準差。Ci越大，說明指標i在評價中提供的信息量越大，權重也越大，故指標i的權重？棕i可表示為

2? 結果與分析

2.1 模型應用

在進行植被護坡水文效應評價之前應先確定需要進行研究的影響因素。本文選取了蘭州至定西三個鐵路隧道洞口護坡進行研究。根據前文的指標確立，對各個指標數據進行收集考證。見表2，表3。

根據CRITIC方法計算出各指標的客觀權重（0.008，0.0440，0.0730，0.0522，0.0604，0.0828，0.0474，0.0473，0.1039，0.0828，0.0548，0.0186，0.1451，0.1085，0.0706）。主客觀權重系數各取0.5，得到組合賦權（0.0175，0.0502，0.0586，

0.0399，0.0531，0.1012，0.0511，0.0354，0.1189，0.0891，0.0572，

0.0193，0.1058，0.1222，0.0804）。通過計算分析可以看出，因素X1，X4，X8，X12權重均小于0.05，對水文效應產生的影響過小。故選取其余11個指標進行最終的效果評價。對其相對權重進行歸一化，得到最終參加評價的指標權重如表4。

2.2 評價等級確立

評價等級確立如表5。

2.3 可拓物元模型

可拓物元模型中，物元即待評價對象，對其確定不同的評價等級，計算評價對象與不同等級之間的關聯函數以表示其對于不同等級的隸屬度。可拓物元評價方法可以將各評價指標轉化為相容問題，得到合理的評價結果。應用物元模型，建立物元矩陣，與相應的評估體系結合，計算評價對象與評估等級的關聯度，從而確定植被護坡水文效應等級[11][12]。

水文效應評價等級j的物元矩陣為：

式中：Dj（j=1，2，…，m）為水文效應評價所劃分的評價標準的第 j 個等級;Ci（i=1，2，…，n）為對水文效應產生影響的第i個指標;Xij為區間，表示Dj基于Ci所取指標數值的區間。用Rp表示整體等級的物元：

式中：? Xip=（aip，bip）區間表示Dp基于 Ci所取指標數值的區間，Xnp=（anp，bnp），表示整體等級的n項指標的取值上下限。

表4中評價等級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，Ⅰ類為優，Ⅱ類為良，Ⅲ類為一般，Ⅳ類為差。

關聯函數Kj（Xi）為：

式中：Kj（Xi）為評級指標i第j級別的關聯函數，Xij=（aij，bij），i=（1，2，…，n）

式中：xi（i=1，2，…，n）為指標實際值;aij，bij為等級j的上下限;aip，bip分別是整體等級的上下限。

2.4 關聯度計算及評價等級確定

式中：Kj（D）為評價對象D關于等級j的關聯度;？棕i表示評價指標的權重。根據關聯度最大Kj（D）=maxKj（D）判定D所屬等級。

根據關聯度計算結果，從而確定植被護坡水文效應評價等級，以第一個護坡的計算結果為例，其關于各等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的關聯度依次為（-0.2498，0.0320，-0.0890，

-0.4513），取其各個等級關聯度的最大值，即0.0320。則護坡一的水文效應屬于第Ⅱ類，評價等級為良。護坡二的水文效應屬于第Ⅱ類，評價等級為良。護坡三的水文效應屬于第Ⅲ類，評價等級為一般。將評價結果與實際護坡狀況進行對比，發現護坡一和護坡二在與本文降雨條件大致相同影響下，由于水文效應的作用，并未產生不穩定的情況。而護坡三的條件比前兩者較差，發生了局部不穩定的情況。這說明本文的評價指標體系和評價方法與實際情況大致相同，較為合理，具有一定的理論價值及實際意義。

3? 結論

①指標體系從植被護坡水文效應的降雨截留、阻滯徑流、削弱濺蝕、蒸散作用四個方面入手，從基質、植被結構、氣候影響、邊坡特征這四個影響植被護坡水文效應的主要因素進行指標建立。最終得到的指標體系合理有效。②IGAHP與CRITIC主客觀賦權模型解決了評判專家意見的差異，指標本身的變化和不同指標信息量確定等問題。對其進行組合應用，最終得到的權重合理可靠。③可拓物元模型將不同的評價指標轉化為相容問題，通過指標等級劃分與關聯函數的計算來確定每個單元的評價等級。物理意義明確，可操作性強，與實際情況較為相符。

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