基于可拓理論的植被護(hù)坡水文效應(yīng)評價(jià)

毛長義 鮑學(xué)英

摘要：植被護(hù)坡水文效應(yīng)主要包括降雨截留、阻滯徑流、削弱濺蝕、蒸散作用四個(gè)方面作用，影響這四個(gè)方面作用的因素可歸類為基質(zhì)、植被結(jié)構(gòu)、氣候影響、邊坡特征。據(jù)此建立合理有效的評價(jià)指標(biāo)體系。IGAHP客觀賦權(quán)法考慮到專家之間意見差異，確定出各專家評價(jià)意見的權(quán)重系數(shù)。結(jié)合各個(gè)專家的評價(jià)結(jié)果得出最終的主觀權(quán)重。CRITIC客觀賦權(quán)法考慮了指標(biāo)自身的變異程度以及指標(biāo)與其他指標(biāo)之間的沖突程度。采用IGAHP與CRITIC組合賦權(quán)方法得出指標(biāo)權(quán)重并選取最終參與評價(jià)的指標(biāo)。對待評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行等級劃分，采用可拓物元模型進(jìn)行等級關(guān)聯(lián)函數(shù)的計(jì)算，最終確定評價(jià)對象水文效應(yīng)的評價(jià)等級。與評價(jià)對象實(shí)際狀況進(jìn)行對比，結(jié)果基本一致，說明了建立的指標(biāo)體系與采用的評價(jià)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(guān)鍵詞：植被護(hù)坡;水文效應(yīng);組合賦權(quán);物元模型;關(guān)聯(lián)函數(shù)

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

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

0? 引言

西北寒旱地區(qū)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(wěn)定性非常差，容易產(chǎn)生滑坡、坍塌和坡面泥流等自然災(zāi)害的發(fā)生，也極易使得天然生態(tài)環(huán)境遭受毀壞[2][3]。隨著護(hù)坡技術(shù)的發(fā)展，植被護(hù)坡已被廣泛應(yīng)用于邊坡防護(hù)。植被護(hù)坡通過植被作用可以預(yù)防邊坡沖蝕、滑動以及恢復(fù)生態(tài)，從而減少水土流失、維持邊坡穩(wěn)定。其中，水文效應(yīng)是影響植被護(hù)坡效果的關(guān)鍵因素。植物的水文效應(yīng)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(wěn)定性和安全性[4]。所以對植被護(hù)坡的水文效應(yīng)進(jìn)行評價(jià)有利于我們對其實(shí)際情況作出判斷。已有的對植被護(hù)坡水文效應(yīng)的研究主要是通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方式來得出結(jié)果[5]，本文考慮到植被的水文效應(yīng)對植被護(hù)坡邊坡的淺層穩(wěn)定性影響，旨在建立合理適用的評價(jià)指標(biāo)體系，通過研究各因素對護(hù)坡水文效應(yīng)的影響程度，再選用相應(yīng)的評價(jià)方法來確定水文效應(yīng)對護(hù)坡淺層穩(wěn)定性的影響情況。最后將評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況作比較從而驗(yàn)證評價(jià)的理論價(jià)值及實(shí)際意義。

1? 數(shù)據(jù)和方法

1.1 指標(biāo)建立

植被護(hù)坡的水文效應(yīng)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(xiàn)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(fā)。而植被自身的特征以及所處的環(huán)境條件對以上提及的四個(gè)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(shù)對此有直接影響[6]，同時(shí)產(chǎn)生影響的還有降雨量和降雨強(qiáng)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(fā)，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(qū)溫度、地下水位線的高度、坡高、以及坡比息息相關(guān)。這些因素會直接影響植物的水文效應(yīng)，其中有的只會影響一個(gè)方面，但大多因素會對水文效應(yīng)的各個(gè)方面產(chǎn)生影響。這是因?yàn)橹脖蛔o(hù)坡水文效應(yīng)涉及到系統(tǒng)問題，可以從系統(tǒng)工程角度入手，將其理解為“基質(zhì)—植被”作用下的水分運(yùn)動過程。同時(shí)考慮到降水、氣候以及邊坡特征。到達(dá)護(hù)坡表面的降水，一部分流失于地表，另一部分滲透到土壤內(nèi)。滲入的土壤水會在基質(zhì)內(nèi)繼續(xù)運(yùn)動，經(jīng)歷相應(yīng)的水分分配和內(nèi)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(shí)可以在回升到根層起到水分補(bǔ)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(jìn)入大氣，也有一部分淺層水通過蒸發(fā)進(jìn)入大氣[7]-[9]。本文根據(jù)水文效應(yīng)中水分運(yùn)動的過程，確定出影響水文效應(yīng)的因素，主要有基質(zhì)、植被結(jié)構(gòu)、氣候影響、邊坡特征這四個(gè)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(zhì)和特點(diǎn)。共同對植被護(hù)坡水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。而且，黃土邊坡植被護(hù)坡工程水循環(huán)優(yōu)良程度指標(biāo)體系的建立從“基質(zhì)–植被”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能出發(fā)，保證了指標(biāo)的系統(tǒng)性、科學(xué)性與完整性。指標(biāo)體系如表1所示。

1.2 水文效應(yīng)評價(jià)賦權(quán)模型

1.2.1 IGAHP主觀賦權(quán)模型

層次分析法一般是多位專家對研究對象各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，最后求得專家整體的綜合評判結(jié)果。其缺點(diǎn)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(jià)必然會存在一定的偏差，影響評判結(jié)果的合理性。IGAHP，即改進(jìn)的群層次分析法，考慮到專家之間的評判差異度，據(jù)此賦予各個(gè)專家權(quán)重系數(shù)，使評判結(jié)果的達(dá)成是基于專家對指標(biāo)評判的共識，從而得到更加合理的主觀賦權(quán)[10]。

設(shè)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(tǒng)一，當(dāng)dpq=0且p≠q時(shí)，則兩位專家的評判無差異。

設(shè)專家t與其余專家評判結(jié)果的差異程度為dt， 則

綜上所述，第t位專家的最終決策權(quán)重系數(shù)？姿t為：

當(dāng)dt=0時(shí)：? 3）

當(dāng)dt≠0時(shí)? （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(quán)重系數(shù)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(quán)重系數(shù)越大。設(shè)最終的指標(biāo)權(quán)重向量為

邀請了水土保持、植物學(xué)以及巖土工程方面的專家對指標(biāo)體系進(jìn)行了評判。根據(jù)專家評判的差異程度，確定三名專家的最終權(quán)重決策系數(shù)為（0.3146，0.4099，0.2755），結(jié)合各個(gè)專家的評判結(jié)果，得到15個(gè)指標(biāo)最終的主觀權(quán)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(quán)模型

考慮到同一指標(biāo)對于不同研究對象存在指標(biāo)變異程度，且各指標(biāo)之間具有相關(guān)性，選取CRITIC客觀賦權(quán)法。在CRITIC客觀賦權(quán)法中，指標(biāo)在不同評價(jià)對象間的變異程度用標(biāo)準(zhǔn)差反映;某指標(biāo)與其余指標(biāo)的沖突程度用ci表示。指標(biāo)i與其余指標(biāo)的沖突量化表達(dá)式為：

式中：rij為指標(biāo)i與j的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)Pearson設(shè)計(jì)的積矩相關(guān)計(jì)算方法，可得其表達(dá)式為：

式中：？姿ik和？姿jk分別為在第i個(gè)指標(biāo)和第j個(gè)指標(biāo)下的第k個(gè)評估對象的歸一化值，分別表示指標(biāo)i和j的均值。

設(shè)Ci為指標(biāo)i所提供的信息量，則其表達(dá)式為：

式中：為指標(biāo)i在不同評價(jià)對象間的標(biāo)準(zhǔn)差。Ci越大，說明指標(biāo)i在評價(jià)中提供的信息量越大，權(quán)重也越大，故指標(biāo)i的權(quán)重？棕i可表示為

2? 結(jié)果與分析

2.1 模型應(yīng)用

在進(jìn)行植被護(hù)坡水文效應(yīng)評價(jià)之前應(yīng)先確定需要進(jìn)行研究的影響因素。本文選取了蘭州至定西三個(gè)鐵路隧道洞口護(hù)坡進(jìn)行研究。根據(jù)前文的指標(biāo)確立，對各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集考證。見表2，表3。

根據(jù)CRITIC方法計(jì)算出各指標(biāo)的客觀權(quán)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(quán)重系數(shù)各取0.5，得到組合賦權(quán)（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(jì)算分析可以看出，因素X1，X4，X8，X12權(quán)重均小于0.05，對水文效應(yīng)產(chǎn)生的影響過小。故選取其余11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行最終的效果評價(jià)。對其相對權(quán)重進(jìn)行歸一化，得到最終參加評價(jià)的指標(biāo)權(quán)重如表4。

2.2 評價(jià)等級確立

評價(jià)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(jià)對象，對其確定不同的評價(jià)等級，計(jì)算評價(jià)對象與不同等級之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)以表示其對于不同等級的隸屬度。可拓物元評價(jià)方法可以將各評價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為相容問題，得到合理的評價(jià)結(jié)果。應(yīng)用物元模型，建立物元矩陣，與相應(yīng)的評估體系結(jié)合，計(jì)算評價(jià)對象與評估等級的關(guān)聯(lián)度，從而確定植被護(hù)坡水文效應(yīng)等級[11][12]。

水文效應(yīng)評價(jià)等級j的物元矩陣為：

式中：Dj（j=1，2，…，m）為水文效應(yīng)評價(jià)所劃分的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的第 j 個(gè)等級;Ci（i=1，2，…，n）為對水文效應(yīng)產(chǎn)生影響的第i個(gè)指標(biāo);Xij為區(qū)間，表示Dj基于Ci所取指標(biāo)數(shù)值的區(qū)間。用Rp表示整體等級的物元：

式中：? Xip=（aip，bip）區(qū)間表示Dp基于 Ci所取指標(biāo)數(shù)值的區(qū)間，Xnp=（anp，bnp），表示整體等級的n項(xiàng)指標(biāo)的取值上下限。

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

關(guān)聯(lián)函數(shù)Kj（Xi）為：

式中：Kj（Xi）為評級指標(biāo)i第j級別的關(guān)聯(lián)函數(shù)，Xij=（aij，bij），i=（1，2，…，n）

式中：xi（i=1，2，…，n）為指標(biāo)實(shí)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(guān)聯(lián)度計(jì)算及評價(jià)等級確定

式中：Kj（D）為評價(jià)對象D關(guān)于等級j的關(guān)聯(lián)度;？棕i表示評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大Kj（D）=maxKj（D）判定D所屬等級。

根據(jù)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果，從而確定植被護(hù)坡水文效應(yīng)評價(jià)等級，以第一個(gè)護(hù)坡的計(jì)算結(jié)果為例，其關(guān)于各等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的關(guān)聯(lián)度依次為（-0.2498，0.0320，-0.0890，

-0.4513），取其各個(gè)等級關(guān)聯(lián)度的最大值，即0.0320。則護(hù)坡一的水文效應(yīng)屬于第Ⅱ類，評價(jià)等級為良。護(hù)坡二的水文效應(yīng)屬于第Ⅱ類，評價(jià)等級為良。護(hù)坡三的水文效應(yīng)屬于第Ⅲ類，評價(jià)等級為一般。將評價(jià)結(jié)果與實(shí)際護(hù)坡狀況進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)護(hù)坡一和護(hù)坡二在與本文降雨條件大致相同影響下，由于水文效應(yīng)的作用，并未產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況。而護(hù)坡三的條件比前兩者較差，發(fā)生了局部不穩(wěn)定的情況。這說明本文的評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)方法與實(shí)際情況大致相同，較為合理，具有一定的理論價(jià)值及實(shí)際意義。

3? 結(jié)論

①指標(biāo)體系從植被護(hù)坡水文效應(yīng)的降雨截留、阻滯徑流、削弱濺蝕、蒸散作用四個(gè)方面入手，從基質(zhì)、植被結(jié)構(gòu)、氣候影響、邊坡特征這四個(gè)影響植被護(hù)坡水文效應(yīng)的主要因素進(jìn)行指標(biāo)建立。最終得到的指標(biāo)體系合理有效。②IGAHP與CRITIC主客觀賦權(quán)模型解決了評判專家意見的差異，指標(biāo)本身的變化和不同指標(biāo)信息量確定等問題。對其進(jìn)行組合應(yīng)用，最終得到的權(quán)重合理可靠。③可拓物元模型將不同的評價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為相容問題，通過指標(biāo)等級劃分與關(guān)聯(lián)函數(shù)的計(jì)算來確定每個(gè)單元的評價(jià)等級。物理意義明確，可操作性強(qiáng)，與實(shí)際情況較為相符。

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