韓 鋒 ，唐 宇，龔 純（. 上海隧道工程有限公司，上海 003；.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 40083）

公路工程項目中存在大量的高陡邊坡工程。公路工程施工形成了裸露的挖方和填方邊坡，使山體植被以及巖土體的原生結(jié)構(gòu)面遭到破壞，導(dǎo)致邊坡工程水土流失、生態(tài)破壞，情況嚴(yán)重甚至?xí)绊戇吰路€(wěn)定性。我國東部沿海地區(qū)屬于臺風(fēng)區(qū)，臺風(fēng)不僅會帶來強(qiáng)降雨，也伴隨著強(qiáng)風(fēng)荷載。處于臺風(fēng)地區(qū)的高陡邊坡工程，既要保持巖土體的自身穩(wěn)定性（受到開挖擾動后），又要滿足生態(tài)恢復(fù)要求，克服雨水和強(qiáng)風(fēng)荷載的影響，保證護(hù)坡植被能夠抵抗臺風(fēng)的影響，達(dá)到防止邊坡水土流失、改良生態(tài)的目的[1]。

生態(tài)護(hù)坡植被通過與土的相互作用，使得土層的水文狀態(tài)得到改善。其中，植被根系的加筋效應(yīng)、根系錨固效應(yīng)可以有效提高土層的力學(xué)性能，從而有效防止土層的滑移，提高邊坡的穩(wěn)定性[2]?，F(xiàn)有研究主要關(guān)注護(hù)坡植被對邊坡穩(wěn)定性的改良、植被根系的發(fā)育及生長情況。植被的選擇及生態(tài)護(hù)坡方案的設(shè)計往往以工程經(jīng)驗為主， 或者只考慮單因素的影響[3-5]。實(shí)際上，生態(tài)護(hù)坡的植被選擇方案需要考慮的因素較多，涉及邊坡的穩(wěn)定性、生態(tài)的修復(fù)功能、景觀美化效果以及投入成本等方面[6]，若僅僅只考慮單種因素的影響，往往難以達(dá)到較好的護(hù)坡效果。另一方面，我國東部沿海地區(qū)臺風(fēng)侵襲相對頻繁，臺風(fēng)帶來的強(qiáng)降雨和強(qiáng)臺風(fēng)對于生態(tài)護(hù)坡植被是十分巨大的挑戰(zhàn)。目前針對臺風(fēng)地區(qū)的生態(tài)防護(hù)研究較少，其他地區(qū)的生態(tài)防護(hù)植被選擇方案是否適用于臺風(fēng)地區(qū)，尚未得到驗證。 由于生態(tài)護(hù)坡植被選擇方案受多因素的影響，護(hù)坡植被優(yōu)選評價指標(biāo)體系尚未統(tǒng)一，各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)獲取、定性或定量評價的標(biāo)準(zhǔn)也未建立。

因此，本文綜合考慮臺風(fēng)地區(qū)氣候變化特點(diǎn)和生態(tài)護(hù)坡的影響因素，建立了一套臺風(fēng)地區(qū)生態(tài)護(hù)坡植被優(yōu)選綜合評價指標(biāo)體系，提出了基于云模型的生態(tài)護(hù)坡植被優(yōu)選綜合評價方法，并據(jù)此提出某高速公路邊坡工程的生態(tài)護(hù)坡優(yōu)選方案。

1 綜合評價模型

1.1 評價指標(biāo)體系

為了選取適用于臺風(fēng)地區(qū)的植被護(hù)坡方案，本文基于臺風(fēng)地區(qū)特殊的氣候條件，從景觀效果、護(hù)坡效果、生態(tài)適應(yīng)性以及經(jīng)濟(jì)效益 4 個方面入手，建立臺風(fēng)地區(qū)生態(tài)護(hù)坡植被優(yōu)選綜合評價指標(biāo)體系。主要依據(jù)如下。

(1) 植被護(hù)坡的景觀效果是植被選擇環(huán)節(jié)中的重要考慮因素。在生態(tài)護(hù)坡植被配置方案中，應(yīng)遵循統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、均衡、韻律等美學(xué)原則。在選擇護(hù)坡植被時，不僅要考慮到植被的護(hù)坡效果也要滿足美學(xué)的要求，選擇綠期長、顏色搭配恰當(dāng)，具有一定觀賞性的植被。 目前主要以景觀優(yōu)美度、植被觀賞期作為景觀效果的底層評判指標(biāo)。其中，景觀優(yōu)美度一定程度上會影響駕駛員行車的舒適性和安全性，是邊坡植被賦予觀察者的美學(xué)意義上的主觀滿足程度[6]，采用感受記錄法進(jìn)行測定。

(2) 護(hù)坡效果表現(xiàn)為植被對邊坡穩(wěn)定性的影響，主要分為水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)[7]。本文的護(hù)坡效果選擇群落垂直覆蓋度和植被固土能力作為底層指標(biāo)進(jìn)行評判。其中，群落垂直覆蓋度是植被地上部分投影在邊坡上的面積和邊坡面積的百分比[8]。植被固土能力主要以植被根系的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和植被根系的加筋效應(yīng)、根系錨固效應(yīng)來予以評判。

(3) 生態(tài)適應(yīng)性是指植被對當(dāng)?shù)剡吰颅h(huán)境的適應(yīng)能力。本文研究對象為浙江省臺州市某高速公路邊坡。該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，處于臺風(fēng)地帶，臺風(fēng)帶來的強(qiáng)降雨和強(qiáng)臺風(fēng)極易使得地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)條件脆弱的地區(qū)引發(fā)崩塌、泥石流和滑坡等斜坡地質(zhì)災(zāi)害。臺風(fēng)已成為該地區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素。 因此，該地區(qū)的邊坡防護(hù)所選取的植被需要有較好的抗風(fēng)和抗特大暴雨沖刷的特性。 綜上，生態(tài)適應(yīng)性選擇抗臺風(fēng)強(qiáng)度及其他綜合抗性進(jìn)行評判。其他綜合抗性通過耐塵埃、耐干旱、耐寒性、耐熱性、抗病蟲害等5個方面進(jìn)行評價[9]。

(4) 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)是指植被護(hù)坡的成本以及后期維護(hù)運(yùn)營的費(fèi)用。通過前期種植成本和后期養(yǎng)護(hù)成本兩個指標(biāo)來衡量。

綜合所述，建立了一套臺風(fēng)地區(qū)生態(tài)護(hù)坡植被優(yōu)選綜合評價指標(biāo)體系，如圖 1 所示。

圖1 臺風(fēng)地區(qū)生態(tài)護(hù)坡植被優(yōu)選綜合評價指標(biāo)體系

1.2 基于云模型的綜合評價方法

1.2.1 云模型理論

云模型是基于傳統(tǒng)模糊集理論和概率論的一種理論模型，主要優(yōu)勢在于可以將不確定的定性指標(biāo)通過云發(fā)生器轉(zhuǎn)化為對應(yīng)云模型數(shù)字特征的定量指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)據(jù)之間的隨機(jī)轉(zhuǎn)化[10]。

(1) 云模型定義。設(shè)U是一維或多維的定量論域，C是U上的定性概念，C的一次隨機(jī)出現(xiàn)的定量值為x，x∈U。對C的確定度μ（x）（μ（x） ∈［0 , 1］）是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)。x在論域U上的分布稱為云，每一個x稱為一個云滴[11]。

(2) 云模型的數(shù)字特征。通常使用期望Ex（Expected value）、熵E n（Entropy）以及超熵He（Hyper entropy)這 3 個數(shù)學(xué)量來表征云模型，記作U（E x，E n，He）。期望Ex指論域中的云滴分布期望值；E n表示定性概念的隨機(jī)性；超熵He表示熵的不確定度量，由熵的隨機(jī)性和模糊性共同決定。根據(jù)云模型概念，評語等級及評語云參數(shù)可通過式（1）確定。

(3) 云模型的計算。在云模型中實(shí)現(xiàn)將定性概念與定量數(shù)據(jù)之間隨機(jī)轉(zhuǎn)化的兩個關(guān)鍵算法是正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器。本文采用正向云發(fā)生器（Forward Cloud Generator，F(xiàn)CG）將定性語言轉(zhuǎn)化為變量數(shù)據(jù)區(qū)間，量化定性概念。正向云發(fā)生器如圖 2 所示。

圖2 正向云發(fā)生器

具體計算步驟為：① 以En為期望值、以Ee為方差生成一個正態(tài)隨機(jī)數(shù)En' 。② 以Ex為期望值、以En為方差生成一個正態(tài)隨機(jī)數(shù)x。③將En' 、x代入式（2）中，計算u。

1.2.2 綜合評價模型

(1) 指標(biāo)權(quán)重確定。本文采用層次分析法計算指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重值。為了降低權(quán)重劃分的主觀性，分別咨詢了 4 位巖土工程專業(yè)教授、2 名現(xiàn)場施工人員 、2 名園林設(shè)計師以及 2 名系統(tǒng)工程專業(yè)研究生，采用專家打分的方式獲取初始判斷矩陣，并運(yùn)用層次分析法的計算公式得到各指標(biāo)權(quán)重。評價指標(biāo)權(quán)重如表 1 所示。

表1 評價指標(biāo)權(quán)重

(2) 建立標(biāo)準(zhǔn)云評估模型。指標(biāo)體系的主觀性指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)主要采用模糊詞集和專家打分的方式進(jìn)行評定。評價因子的等級標(biāo)準(zhǔn)如表 2 所示。

表2 評價因子的等級標(biāo)準(zhǔn)

客觀性評價指標(biāo)則根據(jù)規(guī)范及文獻(xiàn)進(jìn)行量化，采用專家打分法進(jìn)行評定的指標(biāo)均采取滿分 10 分制，具體劃分為優(yōu)（8～10）、良（6～8）、一般（3～6）、差（0～3）4 個評語等級。定量指標(biāo)等級分類標(biāo)準(zhǔn)如表 3 所示。

根據(jù)式（1），可將上述等級分類標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)間轉(zhuǎn)化為云模型數(shù)字特征，分別為：優(yōu)（9.0，0.333，0.1）、良（7.0，0.333，0.1）、一般（4.5，0.500，0.1）、差（1.5，0.500，0.1）。

表3 定量指標(biāo)等級分類標(biāo)準(zhǔn)

(3) 綜合評估云模型確定。逆向云發(fā)生器可將專家評分的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)樵颇Ｐ偷臄?shù)字特征。設(shè)有n位專家，Px為第x（1，2，……，n）位專家對某個指標(biāo)的評分值，評分的特征數(shù)字Ex、En及He。En及He采用式 (3)、式(4)計算。

式中：S2—方差；

n—專家數(shù)量；

v—權(quán)重值。

首先，根據(jù)式（3）將二級指標(biāo)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)化得到對應(yīng)指標(biāo)云模型特征數(shù)字Ex、En及He。其次，采用式（4）將各二級指標(biāo)評語云轉(zhuǎn)化為 4 個一級指標(biāo)因素評語綜合云，進(jìn)而得出指標(biāo)評估的綜合云模型。最后，將待評價優(yōu)選方案的綜合云模型同標(biāo)準(zhǔn)云共同轉(zhuǎn)化為云滴圖，從而直觀地得出方案優(yōu)選結(jié)果。

2 實(shí)例分析

2.1 初步方案

本文依托臺州某高速公路邊坡工程。該某邊坡植被景觀綠化初步選擇 2 種設(shè)計方案。方案 1：在坡腳處種植紫薇、紅葉石楠球、闊葉麥冬，在坡面種植白三葉、杜鵑，比例為1∶3。方案 2：在坡腳處種植雷竹、小葉扶芳藤，在坡面種植白三葉、杜鵑，比例為1∶1。

2.2 指標(biāo)數(shù)字特征計算

根據(jù)文獻(xiàn)收集資料，可得到量化指標(biāo)的取值。量化指標(biāo)結(jié)果見表 4。定性指標(biāo)通過專家打分得出，結(jié)果見表 5。

表4 量化指標(biāo)結(jié)果

表5 定性指標(biāo)評分結(jié)果

利用式（1）計算 2 種方案的定量指標(biāo)云模型數(shù)字特征。定性指標(biāo)則依據(jù)專家評分結(jié)果，使用逆向云發(fā)生器算法，求得各評估因素的云模型數(shù)字特征，2 種方案的指標(biāo)數(shù)字特征分別見表 6、表 7。

表6 方案 1 指標(biāo)數(shù)字特征

表7 方案 2 指標(biāo)數(shù)字特征

由式（4）求得 4 個一級指標(biāo)評估云模型數(shù)字特征。

方案 1：A1=(8.70,0.82,0.1)，B1=(8.21,1.02,0.1)，C1=(7.7 2,1.0 9,0.1)，D1=(6.7 9,1.5 3,0.1)。方案 2：A1=(8.38,0.75,0.1)，B1=(7.61,1.26,0.1)，C1=(7.20,1.32,0.1)，D1=(7.81,1.22,0.1)。綜合 4 個一級指標(biāo)影響因素的云數(shù)字特征，得出邊坡植被優(yōu)選綜合云數(shù)字特征如下。

方案 1：V=(7.73,1.10,0.1)；方案2：V=(7.40,1.27,0.1)。

2.3 方案選取

利用 Matlab 2012 a 軟件可生成該邊坡工程植被選型方案的綜合評估云滴圖，并與不同等級標(biāo)準(zhǔn)評語云進(jìn)行比較。臺州某高速公路邊坡工程植被綜合評價云滴圖如圖 3 所示。

圖3 臺州某高速公路邊坡工程植被綜合評價云滴圖

由圖 3 可知，方案 1 與方案 2 綜合評估云滴大部分是位于“優(yōu)”和“良”評語之間，但可以直觀地看出方案 1 相比于方案 2 更接近“優(yōu)”評語。因此，方案 1 更加適合該邊坡的生態(tài)防護(hù)。

3 結(jié) 語

本文針對臺風(fēng)地區(qū)特有的氣候條件，依托臺州某高速公路邊坡防護(hù)實(shí)際工程，對臺風(fēng)地區(qū)邊坡防護(hù)植被方案的優(yōu)選開展了研究，結(jié)論如下。

(1) 提出了 8 個影響該地區(qū)植被護(hù)坡的因素，建立一套臺風(fēng)地區(qū)植被護(hù)坡方案的綜合優(yōu)選評價指標(biāo)體系。該體系從景觀效果、護(hù)坡效果、生態(tài)適應(yīng)性以及經(jīng)濟(jì)效益 4 個方面，綜合考慮了多種因素對植被護(hù)坡長期效果的影響。

(2) 提出了將基于云模型的綜合評價方法應(yīng)用到植被護(hù)坡方案的優(yōu)選中，將主觀定性評價的數(shù)據(jù)量化，保證了優(yōu)選結(jié)果的客觀合理性。

(3) 將基于云模型的綜合評價方法應(yīng)用到既有邊坡工程的景觀設(shè)計方案比選中，根據(jù)云滴圖清晰直觀地得出優(yōu)選結(jié)果。該方法可為臺風(fēng)地區(qū)類似的生態(tài)護(hù)坡植被優(yōu)選提供參考。