西南山區(qū)天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)研究

岳三琪，趙志超，蔡 強(qiáng)

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)重慶天然氣管道有限責(zé)任公司，重慶 408099)

我國(guó)西南山區(qū)地形起伏大、坡度陡、河谷縱橫，天然氣長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)對(duì)地表擾動(dòng)強(qiáng)烈，極易在降雨條件下引發(fā)洪澇、泥石流、滑坡等自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著管道的運(yùn)行安全[1]。植物的綜合防護(hù)與水土保持功能，可有效緩解管道施工帶來(lái)的負(fù)面影響，是長(zhǎng)輸管道綠色工程建設(shè)的重要內(nèi)容。

天然氣長(zhǎng)輸管道工程的特殊性，導(dǎo)致管道填埋區(qū)填土多處于松散狀態(tài)，水土保持功能降低，水土流失加劇，與一般的工程裸地具有較強(qiáng)的異質(zhì)性，如何合理評(píng)價(jià)其植被恢復(fù)效果是一個(gè)重要問(wèn)題[2]。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者專(zhuān)家針對(duì)多目標(biāo)綜合決策問(wèn)題提出了一系列不同的方法[3-5]，有關(guān)植被恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)也已經(jīng)從定性發(fā)展到定量、從單一發(fā)展到綜合，相關(guān)研究評(píng)價(jià)方法較多[6-7]，但針對(duì)管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)的研究卻相對(duì)較少。本研究針對(duì)西南山區(qū)天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)的植被恢復(fù)，將熵權(quán)法與多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合，建立管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果的綜合評(píng)價(jià)模型，并開(kāi)展了實(shí)踐應(yīng)用，旨在為西南山區(qū)天然氣長(zhǎng)輸管道工程填埋區(qū)的植被恢復(fù)提供必要支持。

1 西南山區(qū)天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

植被恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)可以從多方面開(kāi)展，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和專(zhuān)家咨詢，從植被恢復(fù)的“土壤-植被”系統(tǒng)的功能出發(fā)，選取土壤、植被共2個(gè)影響因素作為評(píng)價(jià)一級(jí)指標(biāo)，建立了西南山區(qū)天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 西南山區(qū)天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

參考植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，將植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個(gè)等級(jí)，從而確定植被恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)集V={V1,V2,V3,V4,V5}={優(yōu)，良，一般，差，極差}。對(duì)于各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)劃分，我們參考相關(guān)規(guī)范及研究成果[8]進(jìn)行了確定，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 西南山區(qū)天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 基于信息熵理論的長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)方法

信息熵是將信息從一個(gè)模糊的概念轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的概念，它能夠衡量和反映信息源的混沌程度，可以通過(guò)提供有用信息量的多少來(lái)衡量各個(gè)不確定性和無(wú)序性指標(biāo)的客觀權(quán)重，在很多領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用[9-10]。

2.1 建立評(píng)價(jià)集

參照表1建立工程效果評(píng)價(jià)影響因素集U，評(píng)價(jià)指標(biāo)集具有層次性，即一級(jí)指標(biāo)U={U1,U2,…,Un}。將一級(jí)指標(biāo)按屬性進(jìn)行劃分，即二級(jí)指標(biāo)Ui={Ui1,Ui2,…,Uij}(i=1,2,…,n),其中Uij表示第i層第j個(gè)指標(biāo)。評(píng)價(jià)集是每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所有可能的評(píng)價(jià)結(jié)果的集合，根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的性質(zhì)和具體情況將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分等級(jí)，參考效果評(píng)價(jià)的目的，定義評(píng)價(jià)集V={V1,V2,…,Vk}，其中k為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)。

2.2 利用熵值法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

(1)假設(shè)有m個(gè)植被恢復(fù)樣本，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。建立一個(gè)多指標(biāo)的植被恢復(fù)效果的原始評(píng)價(jià)矩陣X′=[x′ij]m×n，即

(1)

式中:x′ij為第i個(gè)植被恢復(fù)樣本的第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值。

(2)對(duì)樣本矩陣X′進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)熵值的基本性質(zhì)，當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象在某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)上的值都相等時(shí)，熵值達(dá)到最大，熵權(quán)為零，則該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中的作用為零，需將該評(píng)價(jià)指標(biāo)剔除。由于西南山區(qū)天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)代表事物的不同屬性，其類(lèi)型和量綱也存在差異，指標(biāo)間難以進(jìn)行直接比較，因此需要對(duì)原數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理，將數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)為正效應(yīng)(指標(biāo)值越大越好的指標(biāo))時(shí)，轉(zhuǎn)化公式為

(2)

當(dāng)數(shù)據(jù)為負(fù)效應(yīng)時(shí)，轉(zhuǎn)化公式為

(3)

上二式中：xij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)值(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)。

通過(guò)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X=[xij]m×n，即

(4)

(3)計(jì)算第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值。根據(jù)熵的定義，熵值是作為表征該項(xiàng)指標(biāo)在植被恢復(fù)工程中的重要性，熵值越大，則熵權(quán)越小，代表指標(biāo)的信息效用越小，植被恢復(fù)的效果越差。計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值公式為

(5)

(6)

上二式中：Ej表示第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值，Ej≥0；fij為評(píng)價(jià)指標(biāo)j在第i個(gè)樣本中出現(xiàn)的頻率，0≤fij≤1。

(4)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，其公式為

(7)

計(jì)算得出每一項(xiàng)指標(biāo)基于熵權(quán)法的客觀賦值的權(quán)重，然后先確定二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)矩陣Wi={ωi1,ωi2,…,ωij}，再確定一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)矩陣W={ω1,ω2,…,ωn}。

2.3 建立模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)已經(jīng)建立的評(píng)價(jià)集V，需要對(duì)被選對(duì)象的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行合理的評(píng)判，即確定各因素Ui對(duì)應(yīng)于各評(píng)判級(jí)別的隸屬度rij(0≤rij≤1)。對(duì)于指標(biāo)越小表明天然氣長(zhǎng)輸管道工程填埋區(qū)植被恢復(fù)效果越好的負(fù)效應(yīng)指標(biāo)，采用降半梯形隸屬函數(shù)計(jì)算。其中，降半梯形隸屬函數(shù)的定義如下：

當(dāng)j=1時(shí)

(8)

當(dāng)j=2,3,…,k-1時(shí)

(9)

當(dāng)j=k時(shí)

(10)

式中：x為評(píng)價(jià)邊坡指標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)際值；rij為第i個(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)第j級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，它反映了評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)等級(jí)之間用隸屬度表示的模糊關(guān)系，rij越接近1則隸屬于模糊集合的程度就越大；vi(j-1)、vij、vi(j+1)為各指標(biāo)分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)于指標(biāo)越大表明植被恢復(fù)效果越好的正效應(yīng)指標(biāo)，采用升半梯形隸屬函數(shù)計(jì)算，升半梯形隸屬函數(shù)的定義如下：

當(dāng)j=1時(shí)

(11)

當(dāng)j=2,3,…,k-1時(shí)

(12)

當(dāng)j=k時(shí)

(13)

根據(jù)所建立的隸屬函數(shù)，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量和定性分析得到模糊關(guān)系矩陣R(即隸屬度矩陣)，即

(14)

2.4 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集合Wi和評(píng)價(jià)隸屬矩陣R，首先進(jìn)行一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，得到各被評(píng)事物的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量S，即

(15)

式中：S表示評(píng)價(jià)影響因素Ui對(duì)評(píng)價(jià)集V的隸屬向量。

然后在單因素評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)模糊向量單值化的原則，得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)論，即

A=S×W

(16)

最后根據(jù)最大隸屬度原則，取隸屬度最大的等級(jí)即為研究區(qū)域天然氣管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)等級(jí)。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

研究地位于重慶市涪陵區(qū)，該區(qū)為四川盆地和盆邊山地過(guò)渡地帶，境內(nèi)地勢(shì)以低山丘陵為主，地處中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，常年平均氣溫18.1 ℃，年均降水量為1 072 mm。

選擇了國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)重慶天然氣管道有限責(zé)任公司南川—涪陵天然氣長(zhǎng)輸管道的2處管道填埋區(qū)作為研究對(duì)象，均于2020年5月15日開(kāi)始實(shí)施植被恢復(fù)措施，2020年10月對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析，指標(biāo)值見(jiàn)表3。

表3 中石化南川—涪陵天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)值

3.2 指標(biāo)權(quán)重

選取的上述評(píng)價(jià)指標(biāo)均為正效應(yīng)指標(biāo)，可按照(2)式進(jìn)行正效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化變換，然后將表3各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)運(yùn)用上述熵權(quán)法運(yùn)算，可以得到中石化南川—涪陵天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表4。

表4 各層次評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果

3.3 建立模糊關(guān)系矩陣

依據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定評(píng)價(jià)因素集合Ui對(duì)評(píng)價(jià)集V的評(píng)價(jià)隸屬矩陣R。建立評(píng)價(jià)隸屬矩陣R是模糊綜合評(píng)判的關(guān)鍵，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不同效應(yīng)，分別代入上述隸屬函數(shù)公式，可以得出影響Ⅰ號(hào)場(chǎng)地和Ⅱ號(hào)場(chǎng)地植被恢復(fù)效果的模糊關(guān)系矩陣，其中Ⅰ號(hào)場(chǎng)地的二級(jí)指標(biāo)隸屬矩陣分別為

Ⅱ號(hào)場(chǎng)地的二級(jí)指標(biāo)隸屬矩陣分別為

3.4 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重值(表4)，利用公式(15)首先進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià)，得到Ⅰ號(hào)場(chǎng)地的一級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣SⅠ為

同理可得Ⅱ號(hào)場(chǎng)地的一級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣SⅡ?yàn)?/p>

最后進(jìn)行二級(jí)評(píng)價(jià)，根據(jù)一級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣和一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值(表4)，利用公式(16)計(jì)算植被恢復(fù)效果的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果A，并根據(jù)最大隸屬度原則確定等級(jí)，見(jiàn)表5。

表5 中石化南川—涪陵天然氣長(zhǎng)輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)利用熵權(quán)法計(jì)算的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果可知，土壤占一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值為0.600，在一級(jí)指標(biāo)中的貢獻(xiàn)量最大，是影響植被恢復(fù)效果的重要因素。土壤提供滿足植被正常生長(zhǎng)所需的基礎(chǔ)物質(zhì)，不僅提供了植被生長(zhǎng)所需的合理物理結(jié)構(gòu)，還是植被水分轉(zhuǎn)化利用的平臺(tái)與載體，同時(shí)也為植被群落的種類(lèi)與多樣性提供了重要條件。

(2)通過(guò)多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果并結(jié)合最大隸屬度原則可知，位于重慶涪陵地區(qū)Ⅰ號(hào)場(chǎng)地的最大隸屬度為0.416，評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅰ級(jí)，屬于優(yōu)；Ⅱ號(hào)場(chǎng)地的最大隸屬度為0.630，評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅰ級(jí)，也屬于優(yōu)，與實(shí)際情況相符。