基于熵权的城市河道生态护坡模糊综合评价

□魏 欢（郑州市水利建筑勘测设计院）

1 概述

斜坡是水利工程建设中常见的地貌形态，为了防止斜坡失稳，水利工程建设中经常需要对其加以防护，早期的防护措施主要有砌体封闭、喷锚硬化以及挂网防护等办法。近些年来，随着城市河道建设理念的发展，河道治理更注重其生态性和景观性，因此生态护坡越来越受到设计人员的重视，多种生态方法已经成功在水利工程中应用。对于新建城市景观河道，如何选择最适合的生态护坡形式，以达到最优的效果，日益成为水利设计人员所必须面对的问题。针对这个问题，以往边坡选型通常是设计工作者通过经验和个人偏好进行选取，这样造成的评价结果容易因人的主观因素造成偏差。考虑到边坡选型评价本身的模糊集特征，可以建立指标体系用模糊数学的办法对其进行评价。在模糊综合评价时，指标权重对评价结果的影响十分显著，为了进一步减少指标权重的人为干扰，笔者认为可以引入信息论中“信息熵”的概念，将熵权和主观权重结合，使评价结果更符合实际。

2 工程现状

郑州市须水河发源于荥阳贾峪镇邓湾村，古已有之，为天然河道，全长约35km。须水河上游丘陵广布，下游为黄河冲积平原，天然支流较多，须水河西支即其中之一，现规划在须水河西支中段位置拓宽现有河道，形成城市湖泊。根据区域规划，湖区由一个位于中间的主湖和位于其东西两侧的2个次湖组成。其中，湖区水面积总计21.50hm2，东西长约1500m，南北最宽处约250 m，最窄处50 m，由须水河西支串联；所需水源由河道自西补充，向东流出。

由于成湖工程是服务于公园设计的，湖周围设置有沿湖景观漫道，且漫道高程高出规划水面1.50～3.00m。结合现状提出4种备选的生态护岸形式。

2.1 多级景观种植池护岸

在缓坡区1∶5控制坡比区域，通过高度在0.50～1.50 m的M7.50浆砌石挡土墙的错层布置，形成2级或者3级种植池。池内种植景观灌木或乔木。

2.2 三维排水生态袋边坡护岸

采用新型透水不透土的聚合材料袋体，将草籽、土壤、肥料按规定比例混合后充填并扎紧，再逐层叠放成类似挡土墙的形式。层间用三维标准联接扣加固，使墙体形成紧密内锁结构并留出排水通道。

2.3 仿木桩景石护岸

为了营造湿地景观，采用1∶10～1∶5的控制坡比，正常蓄水位至漫道区域采用草皮护坡，水位线附近设置仿木桩护岸，搭配景观石稳定岸线。

2.4 草皮置石缓坡护岸

采用草皮从缓坡区以1/20控制坡比一直护砌到滨湖漫道，临水布置景观石造型。

3 水工生态护坡评价指标体系的建立

结合水工生态护坡设计时间经验和近年来生态护坡实践工程的经验。对于不同的水工生态护坡，在一个工程中是否适用，是一个相对的概念，属于典型的模糊集，根据模糊数学理论，可以直接定量将评价指标分成若干级别，则各评价因素对应在分级指标里的实际数值就是该评价因素对应各等级的隶属度。本次将评价等级分为5个级别，分别对应5个评价等级“差”、“较差”、“中等”、“较好”、“好”。同时选出“生态亲和性”、“施工性”、“景观效果”、“防护能力”、“环境协调程度”5个评价方向，从而可建立影响生态护坡的因素域 U={u1，u2，u3，u4，u5}和等级域 V={v1，v2，v3，v4，v5}。同时这些指标均为区间型指标，即指标标值越接近（或落入）某个区间越好（表1）。

表1 评价指标和分级区间表

通过专家打分制度分别从5个评价方向对4种边坡进行单因素评价，并将其打分平均后，得到的评价指标值（表2）所示。同时，各专家打分时按自己偏好给出一个主观权重，平均后得到W’(0.21,0.31,0.23,0.13,0.13)。

表2 评价指标取值表

表2指明了各指标单因素隶属度，因此可得判断矩阵

4 基于熵权的水工生态护坡评价指标综合权重系数

在热力学中，通常用熵来表示一个体系的混乱程度。后来克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）将其概念引入信息论中，用熵值来反映信息的无序化程度，作为信息量大小的度量。某指标的熵值越小，意味着信息的有序化程度越高，即熵权越大，表明其对决策的作用就越大。因此对一个由评价指标构成的判断矩阵的信息熵进行分析后得出的权重，是一种客观权重，可以尽可能的减轻主观权重的人为干扰，使评价结果更符合实际。

式中amax、amin分别为同一指标下最满意（最大值）和最不满意者（最小值）。

根据信息熵的定义，对于m个评价对象的n个评价指标，评价指标的熵值。

通过计算，可以得出评价指标的熵值H（0.97,0.98,0.97,0.97,0.9 7）。由计算出的熵值可以推求评价指标的熵权W*（0.21,0.17,0.20,0.22,0.20）。

将熵权W*作为客观权重，与专家给出的主观权重W1(0.21,0.31,0.23,0.13,0.13)相结合，可以得到综合权重得W（0.22,0.27,0.24,0.14,0.13）。

5 水工生态护坡方案的模糊综合评价

由于本次的5个指标均为区间型指标，其相对隶属度函数如下：

判断矩阵A由上式得到4个方案的模糊关系矩阵如下：

生态护坡评价的模糊综合评价模型为W与R的合成运算，即

式中 W（0.22,0.27,0.24,0.14,0.13）为综合权重，“。”为模糊合成算子，本次选用加权平均型算子M（∧，⊕）进行评价。B为生态护坡方案的评判结果集选取maxbj作为最终的评价结果。

同理可计算出其他方案的综合评价，评价结果见表3。

表3 4个方案综合评价结果表

从上面的模糊综合评价结果可以看出，方案一的综合评价结果为较好，其他3个方案的评价结果为中等，因此在工程实践中，采用了以方案一为主的岸线形式，为了避免岸线单调，在工程中也选取其他3种生态护坡穿插布置，取得了良好的景观效果。

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