基于熵權(quán)的城市河道生態(tài)護(hù)坡模糊綜合評價

□魏 歡（鄭州市水利建筑勘測設(shè)計院）

1 概述

斜坡是水利工程建設(shè)中常見的地貌形態(tài)，為了防止斜坡失穩(wěn)，水利工程建設(shè)中經(jīng)常需要對其加以防護(hù)，早期的防護(hù)措施主要有砌體封閉、噴錨硬化以及掛網(wǎng)防護(hù)等辦法。近些年來，隨著城市河道建設(shè)理念的發(fā)展，河道治理更注重其生態(tài)性和景觀性，因此生態(tài)護(hù)坡越來越受到設(shè)計人員的重視，多種生態(tài)方法已經(jīng)成功在水利工程中應(yīng)用。對于新建城市景觀河道，如何選擇最適合的生態(tài)護(hù)坡形式，以達(dá)到最優(yōu)的效果，日益成為水利設(shè)計人員所必須面對的問題。針對這個問題，以往邊坡選型通常是設(shè)計工作者通過經(jīng)驗和個人偏好進(jìn)行選取，這樣造成的評價結(jié)果容易因人的主觀因素造成偏差?？紤]到邊坡選型評價本身的模糊集特征，可以建立指標(biāo)體系用模糊數(shù)學(xué)的辦法對其進(jìn)行評價。在模糊綜合評價時，指標(biāo)權(quán)重對評價結(jié)果的影響十分顯著，為了進(jìn)一步減少指標(biāo)權(quán)重的人為干擾，筆者認(rèn)為可以引入信息論中“信息熵”的概念，將熵權(quán)和主觀權(quán)重結(jié)合，使評價結(jié)果更符合實際。

2 工程現(xiàn)狀

鄭州市須水河發(fā)源于滎陽賈峪鎮(zhèn)鄧灣村，古已有之，為天然河道，全長約35km。須水河上游丘陵廣布，下游為黃河沖積平原，天然支流較多，須水河西支即其中之一，現(xiàn)規(guī)劃在須水河西支中段位置拓寬現(xiàn)有河道，形成城市湖泊。根據(jù)區(qū)域規(guī)劃，湖區(qū)由一個位于中間的主湖和位于其東西兩側(cè)的2個次湖組成。其中，湖區(qū)水面積總計21.50hm2，東西長約1500m，南北最寬處約250 m，最窄處50 m，由須水河西支串聯(lián)；所需水源由河道自西補充，向東流出。

由于成湖工程是服務(wù)于公園設(shè)計的，湖周圍設(shè)置有沿湖景觀漫道，且漫道高程高出規(guī)劃水面1.50～3.00m。結(jié)合現(xiàn)狀提出4種備選的生態(tài)護(hù)岸形式。

2.1 多級景觀種植池護(hù)岸

在緩坡區(qū)1∶5控制坡比區(qū)域，通過高度在0.50～1.50 m的M7.50漿砌石擋土墻的錯層布置，形成2級或者3級種植池。池內(nèi)種植景觀灌木或喬木。

2.2 三維排水生態(tài)袋邊坡護(hù)岸

采用新型透水不透土的聚合材料袋體，將草籽、土壤、肥料按規(guī)定比例混合后充填并扎緊，再逐層疊放成類似擋土墻的形式。層間用三維標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接扣加固，使墻體形成緊密內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)并留出排水通道。

2.3 仿木樁景石護(hù)岸

為了營造濕地景觀，采用1∶10～1∶5的控制坡比，正常蓄水位至漫道區(qū)域采用草皮護(hù)坡，水位線附近設(shè)置仿木樁護(hù)岸，搭配景觀石穩(wěn)定岸線。

2.4 草皮置石緩坡護(hù)岸

采用草皮從緩坡區(qū)以1/20控制坡比一直護(hù)砌到濱湖漫道，臨水布置景觀石造型。

3 水工生態(tài)護(hù)坡評價指標(biāo)體系的建立

結(jié)合水工生態(tài)護(hù)坡設(shè)計時間經(jīng)驗和近年來生態(tài)護(hù)坡實踐工程的經(jīng)驗。對于不同的水工生態(tài)護(hù)坡，在一個工程中是否適用，是一個相對的概念，屬于典型的模糊集，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，可以直接定量將評價指標(biāo)分成若干級別，則各評價因素對應(yīng)在分級指標(biāo)里的實際數(shù)值就是該評價因素對應(yīng)各等級的隸屬度。本次將評價等級分為5個級別，分別對應(yīng)5個評價等級“差”、“較差”、“中等”、“較好”、“好”。同時選出“生態(tài)親和性”、“施工性”、“景觀效果”、“防護(hù)能力”、“環(huán)境協(xié)調(diào)程度”5個評價方向，從而可建立影響生態(tài)護(hù)坡的因素域 U={u1，u2，u3，u4，u5}和等級域 V={v1，v2，v3，v4，v5}。同時這些指標(biāo)均為區(qū)間型指標(biāo)，即指標(biāo)標(biāo)值越接近（或落入）某個區(qū)間越好（表1）。

表1 評價指標(biāo)和分級區(qū)間表

通過專家打分制度分別從5個評價方向?qū)?種邊坡進(jìn)行單因素評價，并將其打分平均后，得到的評價指標(biāo)值（表2）所示。同時，各專家打分時按自己偏好給出一個主觀權(quán)重，平均后得到W’(0.21,0.31,0.23,0.13,0.13)。

表2 評價指標(biāo)取值表

表2指明了各指標(biāo)單因素隸屬度，因此可得判斷矩陣

4 基于熵權(quán)的水工生態(tài)護(hù)坡評價指標(biāo)綜合權(quán)重系數(shù)

在熱力學(xué)中，通常用熵來表示一個體系的混亂程度。后來克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）將其概念引入信息論中，用熵值來反映信息的無序化程度，作為信息量大小的度量。某指標(biāo)的熵值越小，意味著信息的有序化程度越高，即熵權(quán)越大，表明其對決策的作用就越大。因此對一個由評價指標(biāo)構(gòu)成的判斷矩陣的信息熵進(jìn)行分析后得出的權(quán)重，是一種客觀權(quán)重，可以盡可能的減輕主觀權(quán)重的人為干擾，使評價結(jié)果更符合實際。

式中amax、amin分別為同一指標(biāo)下最滿意（最大值）和最不滿意者（最小值）。

根據(jù)信息熵的定義，對于m個評價對象的n個評價指標(biāo)，評價指標(biāo)的熵值。

通過計算，可以得出評價指標(biāo)的熵值H（0.97,0.98,0.97,0.97,0.9 7）。由計算出的熵值可以推求評價指標(biāo)的熵權(quán)W*（0.21,0.17,0.20,0.22,0.20）。

將熵權(quán)W*作為客觀權(quán)重，與專家給出的主觀權(quán)重W1(0.21,0.31,0.23,0.13,0.13)相結(jié)合，可以得到綜合權(quán)重得W（0.22,0.27,0.24,0.14,0.13）。

5 水工生態(tài)護(hù)坡方案的模糊綜合評價

由于本次的5個指標(biāo)均為區(qū)間型指標(biāo)，其相對隸屬度函數(shù)如下：

判斷矩陣A由上式得到4個方案的模糊關(guān)系矩陣如下：

生態(tài)護(hù)坡評價的模糊綜合評價模型為W與R的合成運算，即

式中 W（0.22,0.27,0.24,0.14,0.13）為綜合權(quán)重，“。”為模糊合成算子，本次選用加權(quán)平均型算子M（∧，⊕）進(jìn)行評價。B為生態(tài)護(hù)坡方案的評判結(jié)果集選取maxbj作為最終的評價結(jié)果。

同理可計算出其他方案的綜合評價，評價結(jié)果見表3。

表3 4個方案綜合評價結(jié)果表

從上面的模糊綜合評價結(jié)果可以看出，方案一的綜合評價結(jié)果為較好，其他3個方案的評價結(jié)果為中等，因此在工程實踐中，采用了以方案一為主的岸線形式，為了避免岸線單調(diào)，在工程中也選取其他3種生態(tài)護(hù)坡穿插布置，取得了良好的景觀效果。

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