程 曄,莊毓瓊,黃林沖
(中山大學(xué) 工學(xué)院,廣東 廣州510275)
生態(tài)邊坡防護(hù)是指單獨(dú)利用植物或利用植物與土木工程措施一起,在對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)的同時(shí)對(duì)邊坡生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)或改善。生態(tài)防護(hù)不但能提高邊坡抗沖刷能力,增強(qiáng)邊坡表層穩(wěn)定性,還能修復(fù)工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞,協(xié)調(diào)生態(tài)平衡,對(duì)高速公路邊坡防護(hù)意義重大[1-2]。發(fā)達(dá)國家對(duì)生態(tài)防護(hù)技術(shù)的研究起步較早。美國在1936年已將生態(tài)防護(hù)應(yīng)用于公路邊坡,并最早使用液壓噴播技術(shù)。日本在20世紀(jì)50年代采用單一鋪設(shè)草皮植被,但成功率較低;80年代開發(fā)TC綠化工法、采用三維土工網(wǎng)等新材料,生態(tài)防護(hù)技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用。目前,日本廣泛使用客土噴播法,已開發(fā)20多種單項(xiàng)技術(shù),并致力于研究喬、灌、藤、草等多物種混播立體綠化體系[3-4]。中國90年代開始引進(jìn)國外技術(shù),并在大量研究和工程實(shí)踐上,高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)取得了快速發(fā)展,目前已開發(fā)多種邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù),如三維植被網(wǎng)[5]、TBS技術(shù)[6]、厚 層 基 材 噴 射 植 被 技 術(shù)[7]、植 被混凝土護(hù)坡綠化[8]和噴混植草技術(shù)[9]等。
高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)體系主要由護(hù)坡技術(shù)、防護(hù)物種選配和基質(zhì)基材技術(shù)構(gòu)成。由于受到邊坡地質(zhì)條件、水文及氣候特征、沿線環(huán)境等因素的影響,適宜的邊坡防護(hù)植物各不相同,且不同防護(hù)物種對(duì)邊坡生態(tài)防護(hù)效果的相差甚遠(yuǎn)。因此,邊坡生態(tài)防護(hù)物種選配是高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。邊坡生態(tài)防護(hù)物種選配技術(shù)分為單物種選擇和多物種組配技術(shù),單物種選擇是邊坡生態(tài)防護(hù)物種選配技術(shù)的基礎(chǔ),而實(shí)際應(yīng)用則以多物種組配為主,本文研究范圍為單物種的選擇與決策。目前,國內(nèi)外高速公路生態(tài)防護(hù)物種組配多采用草灌混播,并使用適應(yīng)性強(qiáng)的鄉(xiāng)土植物,以實(shí)現(xiàn)常綠的長期效果,在具體物種選擇上則多依靠工程人員的經(jīng)驗(yàn),選擇方法上多依據(jù)物種某一或幾個(gè)單因素進(jìn)行確定,易導(dǎo)致決策失誤。不同植物物種本身特性不同,有些物種雖生長迅速,但耐旱性差,有些物種雖然景觀優(yōu)美,但對(duì)土質(zhì)肥力要求較高,顯然單一因素?zé)o法全面反映植物生態(tài)護(hù)坡功能,且這些因素本身具有模糊性,因此,本文采用模糊決策方法對(duì)物種進(jìn)行優(yōu)選。模糊決策方法最早于20世紀(jì)70年代由美國Bellman R E和模糊數(shù)學(xué)奠基人Zadeh L A提出[10],經(jīng)過幾十年的發(fā)展,模糊集理論被廣泛引入到各種經(jīng)典決策模型中,并逐步形成模糊多屬性決策(FMADM)和模糊多目標(biāo)決策(FMODM)兩個(gè)極其活躍的研究領(lǐng)域[11]。高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)物種的評(píng)價(jià)與選擇問題,涉及的影響因素眾多,且各因素相互關(guān)聯(lián),大多數(shù)因素的屬性還存在明顯的模糊性,因此,高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)物種選擇的本質(zhì)為模糊多屬性決策。
本文在大量調(diào)查研究已有邊坡生態(tài)防護(hù)物種選擇與評(píng)價(jià)研究基礎(chǔ)上,引入模糊多屬性決策理論,建立高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)物種Ⅱ級(jí)模糊多屬性決策模型,通過對(duì)46種待選植物的抗逆性、功能特性、培育特性和生長特性進(jìn)行試驗(yàn)分析和調(diào)查研究,根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)和調(diào)研資料構(gòu)造模糊屬性集與模糊權(quán)集,建立起高速公路生態(tài)邊坡防護(hù)物種評(píng)價(jià)的Ⅱ級(jí)模糊多屬性決策方法,并應(yīng)用于粵北某高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)工程,旨在進(jìn)一步豐富和完善中國邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)體系。
多屬性決策是指利用已有的決策信息,通過一定的方式對(duì)一組有限個(gè)備選方案進(jìn)行排序或擇優(yōu)的過程。實(shí)際生活中由于客觀事物的復(fù)雜性、不確定性和人類思維的模糊性,導(dǎo)致遇到的多屬性決策問題大部分是不確定的、模糊的,稱之為模糊多屬性決策(fuzzy multiple attribute decision making,F(xiàn)MADM)。
決策可供選擇的方案也稱為策略,表示為集合A={A1,A2,…,Am},每個(gè)決策包含屬性集C={C1,C2,…,Cn},和表示屬性相對(duì)重要性的權(quán)值w={w1,w2,…,wn}。屬性集和權(quán)值可表示為模糊集,可用模糊指標(biāo)值矩陣表示:
式中:~F——模糊指標(biāo)值矩陣;~fij——第i個(gè)決策Ai相對(duì)于第j個(gè)屬性Cj的評(píng)價(jià)模糊集。
采用廣義模糊合成算子對(duì)模糊權(quán)重矢量~w和模糊指標(biāo)值矩陣~F實(shí)行變換,得到模糊決策矢量~D:
在上述Ⅰ級(jí)模糊多屬性決策的基礎(chǔ)上,得到Ⅱ級(jí)模糊指標(biāo)值矩陣與Ⅱ級(jí)模糊權(quán)重矢量,合成可得到最終模糊決策矢量。利用模糊集排序方法對(duì)模糊決策矢量的元素~d1,~d2,…,~dn進(jìn)行比較,選出的最優(yōu)方案即為模糊多層次多屬性決策模型。
廣義模糊數(shù)運(yùn)算可定義為:設(shè)~M,~N為兩個(gè)模糊數(shù),對(duì)任意二元運(yùn)算(*):R(*)R→R,模糊數(shù) ~M(*)~N的隸屬函數(shù)被給定為:
本文采用參考文獻(xiàn)[11]提出的三角模糊數(shù)的近似算法,化簡三角模糊數(shù)運(yùn)算,為后續(xù)模糊多屬性決策提供簡便的運(yùn)算法則。
根據(jù)模糊決策理論,模糊環(huán)境下決策對(duì)象被表示為一系列不同模糊集,決策者對(duì)決策對(duì)象的選擇和評(píng)價(jià)就相應(yīng)轉(zhuǎn)化為對(duì)模糊集的比較和判別,根據(jù)模糊集的定義,模糊集之間的次序關(guān)系不是一般意義下的全序關(guān)系,而是格結(jié)構(gòu)下的半序關(guān)系,這使得模糊集的比較和排序成為模糊決策中困難的任務(wù)之一。
本文引用參考文獻(xiàn)[12]定義的模糊效應(yīng)函數(shù)。
直至蘇軾被貶嶺南,仍然“九死嶺南吾不悔”,堅(jiān)持“以民為本”的政治主張。他在海南寫下《論商鞅》一文,借批評(píng)商鞅用過度、失度、無度的反人道、反人性的“流血刻骨”的強(qiáng)硬而殘酷的辦法來推行變法,并聯(lián)系宋朝的社會(huì)現(xiàn)實(shí),明褒司馬光,暗貶王安石“陰奪民利”導(dǎo)致“破國亡宗”的嚴(yán)重后果。
設(shè)有n個(gè)實(shí)數(shù)域的正規(guī)模糊集~A1,~A2,…,~An,其模糊極大集記為max,模糊極小集記為min,對(duì)于任意模糊集~Ai,i=1,2,…,n,模糊效應(yīng)函數(shù)f(~Ai)如下:
式中:dh——Hamming距離,其定義詳見文獻(xiàn)[12];c——分配系數(shù),c∈[0,1]。c=1時(shí),表示只以模糊極小集作為標(biāo)準(zhǔn);c=0時(shí),表示只以模糊極大集作為標(biāo)準(zhǔn);c∈(0,1)表示同時(shí)考慮該模糊集與模糊極小集和模糊極大集之間的距離。本文綜合考慮該模糊集與模糊極小集和模糊極大集的距離,取c=0.5。
高速公路生態(tài)邊坡防護(hù)物種選擇與很多因素相關(guān)[13-15],將影響防護(hù)物種評(píng)價(jià)的各相關(guān)因素按照不同屬性自上而下地分解成若干層次,同一層的諸因素從屬于上一層的因素或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊?,同時(shí)又支配下一層的因素或受到下層因素的作用。最上層為目標(biāo)層,中間為準(zhǔn)則或指標(biāo)層。先按低層次的各個(gè)因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)決策,然后再按上一層次的各個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)決策。本文選取抗逆性、功能特性、培育特性和生長特性等4個(gè)因素為第二層因素,以耐旱性等13個(gè)因素作為最底層因素,建立高速公路生態(tài)邊坡防護(hù)物種Ⅱ級(jí)模糊多屬性決策模型(如圖1所示)。
圖1 生態(tài)防護(hù)物種評(píng)價(jià)的Ⅱ級(jí)模糊多屬性決策模型
Ⅱ級(jí)模糊多屬性決策問題中,需要建立兩類權(quán)重集:因素類權(quán)重集和因素權(quán)重集。根據(jù)各類因素的重要程度,對(duì)每個(gè)因素類賦予不同的權(quán)重,則因素類權(quán)重集為:A={A1,A2,…,An}。在每一類因素中,根據(jù)各個(gè)因素的重要程度,對(duì)每個(gè)因素設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重,則因素權(quán)重集為:Ai={Ai1,Ai2,…,Ain},顯然,每個(gè)因素所占權(quán)重同樣具有模糊性。
不同于模糊綜合評(píng)判方法,在模糊決策中,權(quán)重集仍為模糊集,本文均以三角模糊數(shù)構(gòu)造。研究中采用會(huì)議咨詢方式,咨詢專家包括植物學(xué)專家4名,園林施工企業(yè)管理專家4名,技術(shù)專家2名,業(yè)主專家3名,巖土力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域?qū)<?名。將咨詢結(jié)果直接以三角模糊數(shù)形式給出,統(tǒng)計(jì)后得到權(quán)重向量集(如表1所示)。
表1 生態(tài)防護(hù)物種評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重向量集
本文采用德爾菲專家咨詢法[16],構(gòu)造備擇集,即評(píng)價(jià)集。評(píng)價(jià)集是對(duì)因素可能作出的各種總的評(píng)判結(jié)果所組成的集合,且無論因素分為多少類,評(píng)價(jià)集都只有一個(gè)。依據(jù)耐旱性、耐瘠性、耐寒性、耐熱性、抗沖刷、景觀特性、培育成本、管理難易、地上生物量、地下生物量、主葉長、主根長、生長特性13個(gè)指標(biāo),建立高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)植物種類評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)體系,為克服不同因素量綱不同,難比較的困難,根據(jù)依托工程沿線的自然條件和實(shí)際情況,將所有指標(biāo)因子的得分均按所屬程度的強(qiáng)、中、弱或能力的大、中、小分別得分為3,2,1,建立植物種類的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。
本文通過在苗圃樣地進(jìn)行植物適宜性對(duì)比試驗(yàn)、低溫脅迫試驗(yàn)、水分脅迫試驗(yàn)、抗沖刷試驗(yàn),得到防護(hù)物種屬性集構(gòu)造因素中的耐旱性、耐寒性、耐熱性、抗沖刷能力、生長特性等指標(biāo)的試驗(yàn)原始數(shù)據(jù),根據(jù)評(píng)價(jià)體系,將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)并轉(zhuǎn)化成模糊集,構(gòu)造物種的模糊屬性集。對(duì)景觀特性、培育成本、粗放管理等無法通過試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)的因素,采用專家咨詢并結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研進(jìn)行模糊屬性集構(gòu)造[17-19]。由得到的所有相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成評(píng)價(jià)體系,并利用圖2所示的三角模糊數(shù)模型,構(gòu)建各個(gè)因素的模糊屬性集。
圖2 三角模糊數(shù)構(gòu)造
將構(gòu)造的待評(píng)價(jià)植物物種屬性模糊集與權(quán)重模糊集放入評(píng)價(jià)模型,計(jì)算出決策模糊集,并采用本文建立的綜合考慮模糊極大集與極小集的距離測度方法進(jìn)行排序,最終優(yōu)選出3~4個(gè)物種作為實(shí)際參考物種。
某高速公路位于粵北紅層地區(qū),結(jié)合工程地質(zhì)情況和邊坡實(shí)際情況,對(duì)包括喬木、灌木、草本、藤本在內(nèi)46種植物進(jìn)行邊坡現(xiàn)場試驗(yàn)、樣地試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn),包括低溫脅迫試驗(yàn)、水分脅迫試驗(yàn)和抗沖刷試驗(yàn)、樣地生長性試驗(yàn),得到耐旱性、耐寒性、耐貧瘠性、耐熱性、抗沖刷、生長特性等指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
耐旱性指標(biāo)采用植物水分脅迫試驗(yàn)即干旱試驗(yàn)獲得,該試驗(yàn)是在遮雨條件下進(jìn)行盆栽干旱試驗(yàn)。場地設(shè)在南雄園林所珠璣苗圃基地,盆栽土壤為紅砂巖原土,試驗(yàn)過程陽光照射均勻并設(shè)置遮雨設(shè)施,試驗(yàn)中定期記錄植物植株葉片變化、枯萎和死亡情況。
耐寒性指標(biāo)采用植物低溫脅迫試驗(yàn)獲得,該試驗(yàn)是指植物在冬季戶外低溫脅迫下,植物組織受損傷程度以及恢復(fù)情況。本文利用2008年冬季極端冰雪災(zāi)害天氣,在雪災(zāi)期間和雪災(zāi)前后觀察對(duì)比,記錄植物植株葉片變化、枯萎和死亡情況。試驗(yàn)時(shí)間2008年1—6月。
采用抗沖刷模型試驗(yàn)測試植物在不同降雨強(qiáng)度下的抗沖刷能力,設(shè)計(jì)坡度為1∶1,1∶1.15,1∶0.75的3種室內(nèi)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)土壤為混合營養(yǎng)土(紅砂巖原土、木質(zhì)纖維、有機(jī)肥,體積比4∶4∶2),土層厚度5cm,播種后或扦插前用CF網(wǎng)覆蓋,植物播種或扦插后常規(guī)水、肥管理,本文以較常用的1∶1坡度試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),換算抗沖刷能力指標(biāo),具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見參考文獻(xiàn)[20]。
耐貧瘠性和植物生長特性指標(biāo)采用樣地試驗(yàn)獲得,定期詳細(xì)記錄植物苗高、地徑、主根根長、葉長、發(fā)芽率、株葉片變化、枯萎和死亡等情況。各種試驗(yàn)類型較多,且每個(gè)試驗(yàn)的植物數(shù)量過多。本文只列出其中喬木、灌木、草本、藤本在內(nèi)的8種植物用于模糊集構(gòu)造說明。將試驗(yàn)得到的原始數(shù)據(jù)按評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分,對(duì)無法通過試驗(yàn)得到的因素評(píng)介則結(jié)合調(diào)查研究法和專家咨詢法得到植物其他因素指標(biāo)的評(píng)價(jià)分值,再通過式(4)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),得到植物的綜合指數(shù),植物評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)如表2所示。根據(jù)圖2的三角模糊數(shù)模型,對(duì)上述指標(biāo)評(píng)價(jià)進(jìn)得模糊處理,構(gòu)造不同植物各個(gè)因素的模糊屬性集。
表2 植物評(píng)價(jià)指標(biāo)
根據(jù)圖1所示的Ⅱ級(jí)模糊多屬性決策模型,分別構(gòu)造抗逆性、功能特性、培育特性和生長特性4個(gè)因素作為Ⅱ級(jí)模糊因素,4個(gè)因素具體包含13個(gè)Ⅰ級(jí)模糊因素。采用模糊決策可以得到Ⅰ級(jí)模糊因素屬性集(如表3所示)。在Ⅰ級(jí)模糊多屬性集的基礎(chǔ)上,按照前文所述方法進(jìn)行Ⅱ級(jí)模糊多屬性決策,并對(duì)其進(jìn)行排序,可得到Ⅱ級(jí)模糊屬性集決策評(píng)價(jià)及排序(見表4)。
表3 植物物種Ⅰ級(jí)模糊因素屬性集
表4 植物物種Ⅱ級(jí)模糊多屬性決策評(píng)價(jià)集與排序值
根據(jù)表4得到的高速公路生態(tài)邊坡防護(hù)物種模糊評(píng)價(jià)的決策模糊集與排序指標(biāo),優(yōu)選植物主要有銀合歡、多花木蘭、大葉豬屎豆和高羊茅等物種。依托工程采用這幾種物種混播形式,結(jié)合椰纖維網(wǎng)進(jìn)行高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)設(shè)計(jì)。該工程已經(jīng)通車2a,工程后評(píng)價(jià)調(diào)研顯示,該高速公路邊坡植物生長良好,植物群落多樣性好,未出現(xiàn)明顯物種退化現(xiàn)象,邊坡未出現(xiàn)明顯沖刷,整個(gè)邊坡生態(tài)防護(hù)效果高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)物種選擇與評(píng)價(jià)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,影響因素眾多。由于研究對(duì)象或略有差異、研究視角或不同,不同專家建立的模型可能略有差異;而模型中部分單因素的屬性本身難以精確數(shù)量描述,只能采用模糊語言描述,這也是本文引入模糊多屬性決策的依據(jù)之一,本文旨在拋磚引玉,從決策科學(xué)角度提出問題解決的思路與方法,以期同行專家批評(píng)指正。另外本文研究中主要針對(duì)單物種選擇,多物種組配的相關(guān)問題還須進(jìn)一步深入探討。
(1)建立高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)物種評(píng)價(jià)的模糊多層次多屬性決策模型。在此基礎(chǔ)上,解決了該決策模型中各因素屬性模糊集構(gòu)造、權(quán)重集構(gòu)造、決策過程的模糊集運(yùn)算以及模糊集排序等難題,建立了系統(tǒng)的高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)物種評(píng)價(jià)的模糊多層次多屬性決策方法。
(2)結(jié)合粵北高速公路邊坡工程實(shí)際,對(duì)初步篩選的46種邊坡生態(tài)防護(hù)物種進(jìn)行了模糊多屬性決策評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明對(duì)于該實(shí)際工程,銀合歡、多花木蘭、大葉豬屎豆、高羊茅等物種在粵北地區(qū)具有明顯優(yōu)勢。
(3)本文所用研究方法與研究成果在粵北某高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)設(shè)計(jì)中得到了成功應(yīng)用,固坡效果良好,生態(tài)防護(hù)作用突出,為中國其他地區(qū)的各類邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù),特別是防護(hù)物種選擇與評(píng)價(jià)提供了新的思路與方法。
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