基于可拓理论的植被护坡水文效应评价

毛长义 鲍学英

摘要：植被护坡水文效应主要包括降雨截留、阻滞径流、削弱溅蚀、蒸散作用四个方面作用，影响这四个方面作用的因素可归类为基质、植被结构、气候影响、边坡特征。据此建立合理有效的评价指标体系。IGAHP客观赋权法考虑到专家之间意见差异，确定出各专家评价意见的权重系数。结合各个专家的评价结果得出最终的主观权重。CRITIC客观赋权法考虑了指标自身的变异程度以及指标与其他指标之间的冲突程度。采用IGAHP与CRITIC组合赋权方法得出指标权重并选取最终参与评价的指标。对待评价指标进行等级划分，采用可拓物元模型进行等级关联函数的计算，最终确定评价对象水文效应的评价等级。与评价对象实际状况进行对比，结果基本一致，说明了建立的指标体系与采用的评价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.

關键词：植被护坡;水文效应;组合赋权;物元模型;关联函数

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

中图分类号：U418.5                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0266-04

0  引言

西北寒旱地区土壤主要以黄土为主，黄土具有良好的渗透性、易崩解性和湿陷性[1]。这些特性使得黄土遇水稳定性非常差，容易产生滑坡、坍塌和坡面泥流等自然灾害的发生，也极易使得天然生态环境遭受毁坏[2][3]。随着护坡技术的发展，植被护坡已被广泛应用于边坡防护。植被护坡通过植被作用可以预防边坡冲蚀、滑动以及恢复生态，从而减少水土流失、维持边坡稳定。其中，水文效应是影响植被护坡效果的关键因素。植物的水文效应是指植物控制雨水对土壤侵蚀的能力。植物通过降雨截留、阻滞径流、削弱溅蚀、蒸腾作用等形式来提高边坡的稳定性和安全性[4]。所以对植被护坡的水文效应进行评价有利于我们对其实际情况作出判断。已有的对植被护坡水文效应的研究主要是通过实验模拟的方式来得出结果[5]，本文考虑到植被的水文效应对植被护坡边坡的浅层稳定性影响，旨在建立合理适用的评价指标体系，通过研究各因素对护坡水文效应的影响程度，再选用相应的评价方法来确定水文效应对护坡浅层稳定性的影响情况。最后将评价结果与实际情况作比较从而验证评价的理论价值及实际意义。

1  数据和方法

1.1 指标建立

植被护坡的水文效应主要是指植被的降雨截留、阻滞径流、削弱溅蚀以及蒸散作用。分别体现在植物茎叶对降雨的截留、植物对土壤水分的影响、植物对土壤渗透性的影响以及植物的蒸腾与边坡土体水分蒸发。而植被自身的特征以及所处的环境条件对以上提及的四个方面有着密不可分的影响。植物对降雨有截留的作用，叶面积指数对此有直接影响[6]，同时产生影响的还有降雨量和降雨强度等。植物的阻滞径流同样受降水影响，也受到土体的特征及植物根系对其的作用的影响。植物的蒸散包括植物的蒸腾作用以及土体水分的蒸发，这一过程除了受到土体特征和植物茎叶影响之外，还和研究区温度、地下水位线的高度、坡高、以及坡比息息相关。这些因素会直接影响植物的水文效应，其中有的只会影响一个方面，但大多因素会对水文效应的各个方面产生影响。这是因为植被护坡水文效应涉及到系统问题，可以从系统工程角度入手，将其理解为“基质—植被”作用下的水分运动过程。同时考虑到降水、气候以及边坡特征。到达护坡表面的降水，一部分流失于地表，另一部分渗透到土壤内。渗入的土壤水会在基质内继续运动，经历相应的水分分配和内排水过程。如果边坡收水含量充足，入渗水会移动到根层以下，以地下水或者深层坡体水的形式贮存起来，在干旱时可以在回升到根层起到水分补充的作用;还有一部分浅层的土壤水直接供植物根系的吸收利用，植物吸收的是会通过蒸腾作用进入大气，也有一部分浅层水通过蒸发进入大气[7]-[9]。本文根据水文效应中水分运动的过程，确定出影响水文效应的因素，主要有基质、植被结构、气候影响、边坡特征这四个方面。这些因素之间相互作用、相互影响、相互渗透，具有不同的性质和特点。共同对植被护坡水循环系统产生影响。而且，黄土边坡植被护坡工程水循环优良程度指标体系的建立从“基质–植被”系统的结构与功能出发，保证了指标的系统性、科学性与完整性。指标体系如表1所示。

1.2 水文效应评价赋权模型

1.2.1 IGAHP主观赋权模型

层次分析法一般是多位专家对研究对象各个指标进行评价，最后求得专家整体的综合评判结果。其缺点是在此过程中并未考虑到专家意见之间的差异。不同专家的评价必然会存在一定的偏差，影响评判结果的合理性。IGAHP，即改进的群层次分析法，考虑到专家之间的评判差异度，据此赋予各个专家权重系数，使评判结果的达成是基于专家对指标评判的共识，从而得到更加合理的主观赋权[10]。

设专家p和q评判的差异用距离dpq（p，q=1，2，...，T）来表示，如下：

其中dpq越小，说明两位专家之间的意见越统一，当dpq=0且p≠q时，则两位专家的评判无差异。

设专家t与其余专家评判结果的差异程度为dt， 则

综上所述，第t位专家的最终决策权重系数？姿t为：

当dt=0时：  3）

当dt≠0时  （4）

式中：越大，说明该专家与其余专家评判的一致程度越小，其决策权重系数越小;dt越小，说明该专家与其余专家的评判的一致程度越大，其决策权重系数越大。设最终的指标权重向量为

邀请了水土保持、植物学以及岩土工程方面的专家对指标体系进行了评判。根据专家评判的差异程度，确定三名专家的最终权重决策系数为（0.3146，0.4099，0.2755），结合各个专家的评判结果，得到15个指标最终的主观权重为（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客观赋权模型

考虑到同一指标对于不同研究对象存在指标变异程度，且各指标之间具有相关性，选取CRITIC客观赋权法。在CRITIC客观赋权法中，指标在不同评价对象间的变异程度用标准差反映;某指标与其余指标的冲突程度用ci表示。指标i与其余指标的冲突量化表达式为：

式中：rij为指标i与j的相关系数，根据Pearson设计的积矩相关计算方法，可得其表达式为：

式中：？姿ik和？姿jk分别为在第i个指标和第j个指标下的第k个评估对象的归一化值，分别表示指标i和j的均值。

设Ci为指标i所提供的信息量，则其表达式为：

式中：为指标i在不同评价对象间的标准差。Ci越大，说明指标i在评价中提供的信息量越大，权重也越大，故指标i的权重？棕i可表示为

2  结果与分析

2.1 模型应用

在进行植被护坡水文效应评价之前应先确定需要进行研究的影响因素。本文选取了兰州至定西三个铁路隧道洞口护坡进行研究。根据前文的指标确立，对各个指标数据进行收集考证。见表2，表3。

根据CRITIC方法计算出各指标的客观权重（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）。主客观权重系数各取0.5，得到组合赋权（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）。通过计算分析可以看出，因素X1，X4，X8，X12权重均小于0.05，对水文效应产生的影响过小。故选取其余11个指标进行最终的效果评价。對其相对权重进行归一化，得到最终参加评价的指标权重如表4。

2.2 评价等级确立

评价等级确立如表5。

2.3 可拓物元模型

可拓物元模型中，物元即待评价对象，对其确定不同的评价等级，计算评价对象与不同等级之间的关联函数以表示其对于不同等级的隶属度。可拓物元评价方法可以将各评价指标转化为相容问题，得到合理的评价结果。应用物元模型，建立物元矩阵，与相应的评估体系结合，计算评价对象与评估等级的关联度，从而确定植被护坡水文效应等级[11][12]。

水文效应评价等级j的物元矩阵为：

式中：Dj（j=1，2，…，m）为水文效应评价所划分的评价标准的第 j 个等级;Ci（i=1，2，…，n）为对水文效应产生影响的第i个指标;Xij为区间，表示Dj基于Ci所取指标数值的区间。用Rp表示整体等级的物元：

式中：  Xip=（aip，bip）区间表示Dp基于 Ci所取指标数值的区间，Xnp=（anp，bnp），表示整体等级的n项指标的取值上下限。

表4中评价等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类，Ⅰ类为优，Ⅱ类为良，Ⅲ类为一般，Ⅳ类为差。

关联函数Kj（Xi）为：

式中：Kj（Xi）为评级指标i第j级别的关联函数，Xij=（aij，bij），i=（1，2，…，n）

式中：xi（i=1，2，…，n）为指标实际值;aij，bij为等级j的上下限;aip，bip分别是整体等级的上下限。

2.4 关联度计算及评价等级确定

式中：Kj（D）为评价对象D关于等级j的关联度;？棕i表示评价指标的权重。根据关联度最大Kj（D）=maxKj（D）判定D所属等级。

根据关联度计算结果，从而确定植被护坡水文效应评价等级，以第一个护坡的计算结果为例，其关于各等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的关联度依次为（-0.2498，0.0320，-0.0890，

-0.4513），取其各个等级关联度的最大值，即0.0320。则护坡一的水文效应属于第Ⅱ类，评价等级为良。护坡二的水文效应属于第Ⅱ类，评价等级为良。护坡三的水文效应属于第Ⅲ类，评价等级为一般。将评价结果与实际护坡状况进行对比，发现护坡一和护坡二在与本文降雨条件大致相同影响下，由于水文效应的作用，并未产生不稳定的情况。而护坡三的条件比前两者较差，发生了局部不稳定的情况。这说明本文的评价指标体系和评价方法与实际情况大致相同，较为合理，具有一定的理论价值及实际意义。

3  结论

①指标体系从植被护坡水文效应的降雨截留、阻滞径流、削弱溅蚀、蒸散作用四个方面入手，从基质、植被结构、气候影响、边坡特征这四个影响植被护坡水文效应的主要因素进行指标建立。最终得到的指标体系合理有效。②IGAHP与CRITIC主客观赋权模型解决了评判专家意见的差异，指标本身的变化和不同指标信息量确定等问题。对其进行组合应用，最终得到的权重合理可靠。③可拓物元模型将不同的评价指标转化为相容问题，通过指标等级划分与关联函数的计算来确定每个单元的评价等级。物理意义明确，可操作性强，与实际情况较为相符。

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