高速公路生态护坡效果分析之
----模糊物元分析法
许明举, 赖丙娣
(江西省赣南公路勘察设计院，江西 赣州 341000)
摘 要：该文针对边坡生态防护做一模糊物元分析。边坡生态防护技术具有良好的经济、环境
和社会效益，较好的评价它在高速公路边坡的应用效果具有积极意义。在对生态护坡应用效果
进行综合评价时，把不同生态防护方式作为物元的事物，以它们的各项评价指标及其相应的模
糊量值构造复合模糊物元，通过计算与理想模糊物元之间的欧几里得贴近度，实现对高速公路
生态护坡的应用评价及效果分析。
关键词：道路工程；边坡生态防护；模糊物元；熵权；欧几里得贴近度
0 前 言
关于生态边坡防护概念众说不一，据《亚洲公路学报》解释为：生态护坡（Soil bioengineering）是指单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合的固坡措施[1]。20世纪60年代开始，美国、日本及欧洲一些发达国家和地区就已经将生态保护和恢复措施纳入了高速公路建设之中，并且为此进行了长期的研究和实践。我国在这方面的研究起步较晚，边坡防护长期以工程防护为主，如浆砌块石、干砌片石、喷射混泥土等，不但景观效果差，而且从根本上阻碍了生态恢复的进程。近年来，由于人们环保意识的不断增强，采用生态防护及综合防护的边坡逐渐增加。
基于生态防护在高速公路工程中得到迅速发展并成为最主要的防护形式，因此如何科学评价其应用效果对于推进高速公路的可持续发展具有积极作用。然而生态护坡研究大多集中在分析其护坡原理、防护形式及发展前景上[2,3]；也有对其生态效益和建设维护费用分指标进行量化评价的[4]，能有效地用于边坡防护方案的比选；生态护坡效果的试验研究也有尝试[5]。然而目前还缺乏一套生态护坡效果的指标体系，更缺乏对其进行系统的分析评价。
在生态防护应用效果评价中，通常存在这样问题: 存在多个评价指标及多个评价对象; 有些评价指标具有模糊性，加之评价者的主观判断、偏好及对问题理解能力等因素对评价结果有很大的影响，也具有模糊性。为此很难用经典的数学模型加以统一度量。为了克服这一问题，本文提出了基于模糊物元的生态护坡效果评价方法，对各种防护形式的应用效果进行评价，以便得到合理结果。
物元模型是用于解决矛盾和不相容问题的有力工具，而模糊数学是解决模糊问题的重要工具。因此在物元分析的基础上，结合模糊集合的概念，建立基于欧几里得贴近度的模糊物元分析方法，为高速公路生态护坡的应用效果评价提供了有效途径。
1 生态护坡效果评价指标体系
为了有效对比评价不同生态防护形式在高速公路中的应用效果，从植物生长情况、防护效果及景观效果三个方面进行反映，每个方面又由几个子指标来构成，具体指标体系如表1所示。
表1 生态护坡效果评价指标体系
生态护坡效果 植物生长情况 存活率 (x1)
保存率 (x2)
稳定度 (x3)
防护效果 环保能力 (x4)
覆盖率 (x5)
裸地率 (x6)
侵蚀深度 (x7)
景观效果 观赏度 (x8)
丰富度 (x9)
协调度 (x10)
注：表1中有关指标的说明：
存活率 (x1)：植物栽植后发芽长叶至少在一个生长季节以上的成活株数占总栽植株数的百分数.
保存率 (x2)：植物栽植后成活两年的株数占总栽植株数的百分数.
稳定度 (x3)：指植物适应及抵抗环境变化、病虫害能力的高低.
环保能力 (x4)：指植物改善环境能力的高低.
覆盖率 (x5)：指植被的覆盖率.
裸地率 (x6)：指边坡土壤的裸露程度.
侵蚀深度 (x7)：雨水侵蚀土壤的深度，反映防止水土流失的效果.
观赏度 (x8)：指人们所能感受植物在外形、状态、形式、内涵上价值的高低以及绿化植物在品种、形态等方面整体形象效果的好坏.
丰富度 (x9)：指植物树种、树型等丰富程度.
协调度 (x10)：指绿化植物在品种、形态方面与公路周围环境协调的程度.
在这十个指标中，除x6和 x7 为成本型指标外，其余均为效益型指标，即它们的数值越高，表示防护效果越好。另外，x3、x4、x8、x9和x10是定性指标，我们需要进行量化处理，为此在评价时采取专家打分法，从而确定具体数值，其他指标为定量指标，可通过试验观测获取。
把不同生态防护形式看成评价对象，而且每个对象的防护效果均有10个评价指标，因此，生态护坡的效果评价是个多目标评价问题。
2 生态护坡效果评价模型
2.1 模糊物元和复合模糊物元[6,7]
给定事物的名称N，它关于特征c有量值为v，以有序三元 组作为描述事物的基本元，简称物元。如果其中量值v具有模糊性，便称为模糊物元。如果事物N有n个特征 和相应的模糊量值 ，称R为n维模糊物元，简记为 。如果m个事物的n维物元组合在一起，便构成m个事物n维复合物元 。若将 的量值改写为模糊物元量值，称为m个事物n维复合模糊物元，记作
(1)
式中： 为第i个事物，i=1, 2, …, m.
为第j项特征，j= 1, 2, …, n.
为第i个事物第j项特征对应的模糊量值，即隶属度.
2.2 生态护坡效果评价的隶属度
已经介绍了生态护坡效果评价的各项指标，而要求第i个事物第j项特征对应的模糊量值，就需要分效益型指标和成本型指标来处理。
在模糊物元中，如果依据这些指标进行物元间比选，就需要对属性值进行处理，一般将属性值转化为从优隶属度。对效益性指标
(2)
对成本型指标
(3)
式中： 为第i个事物第j个特征值 对应的从优隶属度，作用相当于隶属度.
2.3 评价指标权重的确定
我们通常用主观赋权方法（如AHP）来确定评价指标的权重，但由于主观偏好可能导致评价结果的不合理。在信息理论中，熵反映了信息的无序程度。因此熵可作为系统信息无序状态的量度，而评价指标权重系数由属性值构成的判断矩阵来确定。这样就排除了人为因素的干挠，从而使评价结果更接近事实。计算步骤如下[8]：
（1）建立事物M的评价指标N的规范化判断矩阵。
（2）确定评价指标的熵值。
( ) (4)
其中： (5)
式中： 为第i个事物第j个特征值信息 对应的量度值.
（3）计算熵值权重。
, (6)
2.4 欧几里得贴近度
贴近度表示被评价对象与理想点的接近程度，它的值越大的话，二者越接近。可以用贴近度的大小来对各评价对象进行排序。本文采用欧几里得贴近度 作为评价标准， 由 方法计算而得 [9]。
(7)
式中： 表示第j个评价指标的权重系数，
表示物元i与理想物元的相互接近程度。然后以此来构造欧几里得贴近度复合模糊物元 ，则
(8)
最后，各种生态护坡形式的应用效果评价结果可由 来排序， 越大，相应的生态护坡形式的应用效果就越好。
3 实例应用
3.1 问题描述
为了对比评价不同生态护坡形式的防护效果的差异，本文选取宁杭高速公路江苏段具有代表性的边坡，就7 种不同的生态防护形式，每种防护形式布置1个观测点，在某一时间段内进行定点观测。各防护形式在试验观测点的基本情况如表2所示。
表2 各防护形式在试验观测点的基本情况
序号 防护形式 主要施工工艺 使用范围 主要植物种类
1 挂网喷播 用锚杆、钢筋及钢丝网进行坡面防护处理, 然后将种子、肥料、土壤稳定剂和水按一定比例混合成泥浆状喷射到边坡上。 石质边坡，坡面较陡。 紫花苜蓿、紫羊茅、多花黑麦草，白三叶、多花胡枝子。
2 草棒技术 把草棒按一定间距排列并固定在坡面上，然后在草棒上覆一定厚度的客土，在客土上进行播种和种植。 石质或土石混合边坡，坡面较缓。 狗牙根、多花黑麦草、美人蕉。
3 藤本护坡 坡面平整后，按一定密度开挖栽植穴，然后栽植藤本植物。 有一定自然土壤的边坡，坡面较缓。 常春藤、扶芳藤。
4 植草护坡 坡面平整后，按一定密度开挖栽植穴，然后进行栽植。 有一定自然土壤，坡面较缓。 多花黑麦草、狗牙根。
5 轮胎固土 将轮胎固定在坡面上，覆客土，然后播种或栽植。 岩石边坡，坡面较缓。 狗牙根、迎春、白三叶、马棘。
6 植生带 将带有种子的植生带铺于坡面，进行固定，然后进行适当地养护。 有自然土壤，坡面较缓。 多花黑麦草、紫花苜蓿。
7 草包技术 将植物种子播撒在两层无纺布中间，然后通过行缝、针刺及胶粘等工艺，制成草包，装土。将其垒积于坡面，就能形成植被。 岩石边坡，坡面较陡。 狗牙根、多花黑麦草、白三叶、马棘。
3.2 获取属性值
对于这七种防护形式的定性指标，曾向10位专家咨询，专家们分别对它们进行打分，满分为100分，然后取算术平均数作为属性值。对于定量指标，对不同时间点的观测值进行平均计算，取平均值为属性值。各防护形式对应的指标值如表3所示。
表3 七种生态护坡形式应用效果评价指标数据
形式
指标 挂网喷播 草棒
技术 藤本
护坡 植草
护坡 轮胎固土 植生
带 草包
技术
存活率(%) 98 95 90 93 85 85 95
保存率(%) 90 88 85 87 75 78 86
稳定度(%) 82 84 85 90 88 77 85
环保能力(%) 94 90 92 90 85 83 85
覆盖率(%) 92 96 65 89 69 66 82
裸地率(%) 7 3 30 10 25 28 15
侵蚀深度(mm) 5 11 3 7 11 6 17
观赏度(%) 95 80 91 85 65 85 72
丰富度(%) 90 70 60 60 80 60 80
协调度(%) 85 87 90 90 85 75 90
3.3 评价过程
将这七种生态防护形式看成七个物元，分别用M1, M2,…, M7表示，利用基于模糊物元模型对它们在宁杭高速公路江苏段的应用效果进行评价，具体评价步骤如下：
（1）按式（2）和（3）建立模糊物元矩阵 。
（2）按照式（4）~（6）确定评价指标的权重系数。
（3）用式（7）计算 ，结果列于表4。
表4 七种防护形式的贴近度
物元 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7
0.585 0.530 0.387 0.410 0.185 0.170 0.282
由表4看到，M1对应的 最大，其余的排序为
。可将贴近度的大小来衡量各生态护坡形式应用效果的优劣，因此挂网喷播方式效果最好，草棒技术
次之，其余类推。
4 结 语
论文建立了生态护坡应用效果的评价指标体系，将欧几里得贴近度与模糊物元结合起来，建立了基于欧几里得贴近度的模糊物元模型。该模型以促进事物转化、解决不相容问题为核心，适用于生态护坡效果
评价这样的多因子评价问题。而基于信息熵理论的赋权方法，很好的排除了主观偏好的影响，使权重更符合实际。从实例研究来看，整个计算过程操作简单方
便，方法行之有效，为科学评价生态护坡的应用效果提供了有效途径。
参考文献：
[1]符启仕.高速公路边坡生态防护研究[J].中国水运, 2008,
6(1): 149-150.
[2]周德铭, 张俊云. 植被护坡工程技术[M].北京: 人民交通
出版社, 2003.
[3]贾致荣, 郭忠印.公路边坡生态防护的定量评价方法[J].
水土保持研究, 2008, 15(2): 260-262.
[4]赵警卫, 芦建国, 王荣华.七种生态护坡在高速公路边坡
的应用效果[J].公路, 2006(1): 201-204.
[5]谭炜, 贾致荣. 道路与铁道工程中的边坡生态防护技术[J].甘肃科技, 2007, 23(2): 164-166.
[6]蔡文. 物元模型及其应用[M ]. 北京: 科学技术文献出版社, 1994.
[7]张斌, 雍歧东, 肖芳淳. 模糊物元分析[M ]. 北京: 石油工业出版社, 1997.