西南山區(qū)天然氣長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價研究

岳三琪，趙志超，蔡 強

(國家管網(wǎng)集團重慶天然氣管道有限責任公司，重慶 408099)

我國西南山區(qū)地形起伏大、坡度陡、河谷縱橫，天然氣長輸管道工程建設(shè)對地表擾動強烈，極易在降雨條件下引發(fā)洪澇、泥石流、滑坡等自然災(zāi)害，嚴重威脅著管道的運行安全[1]。植物的綜合防護與水土保持功能，可有效緩解管道施工帶來的負面影響，是長輸管道綠色工程建設(shè)的重要內(nèi)容。

天然氣長輸管道工程的特殊性，導(dǎo)致管道填埋區(qū)填土多處于松散狀態(tài)，水土保持功能降低，水土流失加劇，與一般的工程裸地具有較強的異質(zhì)性，如何合理評價其植被恢復(fù)效果是一個重要問題[2]。近年來，相關(guān)學者專家針對多目標綜合決策問題提出了一系列不同的方法[3-5]，有關(guān)植被恢復(fù)效果的評價也已經(jīng)從定性發(fā)展到定量、從單一發(fā)展到綜合，相關(guān)研究評價方法較多[6-7]，但針對管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價的研究卻相對較少。本研究針對西南山區(qū)天然氣長輸管道填埋區(qū)的植被恢復(fù)，將熵權(quán)法與多級模糊綜合評價法相結(jié)合，建立管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果的綜合評價模型，并開展了實踐應(yīng)用，旨在為西南山區(qū)天然氣長輸管道工程填埋區(qū)的植被恢復(fù)提供必要支持。

1 西南山區(qū)天然氣長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價指標

植被恢復(fù)效果的評價可以從多方面開展，結(jié)合國內(nèi)外研究進展和專家咨詢，從植被恢復(fù)的“土壤-植被”系統(tǒng)的功能出發(fā)，選取土壤、植被共2個影響因素作為評價一級指標，建立了西南山區(qū)天然氣長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價指標體系，見表1。

表1 西南山區(qū)天然氣長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價指標

參考植被恢復(fù)效果評價相關(guān)研究經(jīng)驗，將植被恢復(fù)效果評價劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個等級，從而確定植被恢復(fù)效果的評價集V={V1,V2,V3,V4,V5}={優(yōu)，良，一般，差，極差}。對于各個評價指標的等級劃分，我們參考相關(guān)規(guī)范及研究成果[8]進行了確定，結(jié)果見表2。

表2 西南山區(qū)天然氣長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價指標分級標準

2 基于信息熵理論的長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價方法

信息熵是將信息從一個模糊的概念轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的概念，它能夠衡量和反映信息源的混沌程度，可以通過提供有用信息量的多少來衡量各個不確定性和無序性指標的客觀權(quán)重，在很多領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用[9-10]。

2.1 建立評價集

參照表1建立工程效果評價影響因素集U，評價指標集具有層次性，即一級指標U={U1,U2,…,Un}。將一級指標按屬性進行劃分，即二級指標Ui={Ui1,Ui2,…,Uij}(i=1,2,…,n),其中Uij表示第i層第j個指標。評價集是每一個評價指標所有可能的評價結(jié)果的集合，根據(jù)評價對象的性質(zhì)和具體情況將評價標準劃分等級，參考效果評價的目的，定義評價集V={V1,V2,…,Vk}，其中k為評價等級數(shù)。

2.2 利用熵值法計算評價指標權(quán)重

(1)假設(shè)有m個植被恢復(fù)樣本，n個評價指標。建立一個多指標的植被恢復(fù)效果的原始評價矩陣X′=[x′ij]m×n，即

(1)

式中:x′ij為第i個植被恢復(fù)樣本的第j項評價指標值。

(2)對樣本矩陣X′進行標準化處理。根據(jù)熵值的基本性質(zhì)，當評價對象在某項評價指標上的值都相等時，熵值達到最大，熵權(quán)為零，則該指標在綜合評價中的作用為零，需將該評價指標剔除。由于西南山區(qū)天然氣長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)評價指標體系中各評價指標代表事物的不同屬性，其類型和量綱也存在差異，指標間難以進行直接比較，因此需要對原數(shù)據(jù)作標準化處理，將數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)化為無量綱數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)為正效應(yīng)(指標值越大越好的指標)時，轉(zhuǎn)化公式為

(2)

當數(shù)據(jù)為負效應(yīng)時，轉(zhuǎn)化公式為

(3)

上二式中：xij為標準化處理后的指標值(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)。

通過原始數(shù)據(jù)標準化，得到標準化矩陣X=[xij]m×n，即

(4)

(3)計算第j項評價指標的熵值。根據(jù)熵的定義，熵值是作為表征該項指標在植被恢復(fù)工程中的重要性，熵值越大，則熵權(quán)越小，代表指標的信息效用越小，植被恢復(fù)的效果越差。計算各評價指標的熵值公式為

(5)

(6)

上二式中：Ej表示第j項評價指標的熵值，Ej≥0；fij為評價指標j在第i個樣本中出現(xiàn)的頻率，0≤fij≤1。

(4)計算評價指標的權(quán)重，其公式為

(7)

計算得出每一項指標基于熵權(quán)法的客觀賦值的權(quán)重，然后先確定二級評價指標的熵權(quán)矩陣Wi={ωi1,ωi2,…,ωij}，再確定一級評價指標的熵權(quán)矩陣W={ω1,ω2,…,ωn}。

2.3 建立模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)已經(jīng)建立的評價集V，需要對被選對象的各項影響因素進行合理的評判，即確定各因素Ui對應(yīng)于各評判級別的隸屬度rij(0≤rij≤1)。對于指標越小表明天然氣長輸管道工程填埋區(qū)植被恢復(fù)效果越好的負效應(yīng)指標，采用降半梯形隸屬函數(shù)計算。其中，降半梯形隸屬函數(shù)的定義如下：

當j=1時

(8)

當j=2,3,…,k-1時

(9)

當j=k時

(10)

式中：x為評價邊坡指標數(shù)據(jù)的實際值；rij為第i個評價因素對第j級評價標準的隸屬度，它反映了評價因素和評價等級之間用隸屬度表示的模糊關(guān)系，rij越接近1則隸屬于模糊集合的程度就越大；vi(j-1)、vij、vi(j+1)為各指標分級的標準值。

對于指標越大表明植被恢復(fù)效果越好的正效應(yīng)指標，采用升半梯形隸屬函數(shù)計算，升半梯形隸屬函數(shù)的定義如下：

當j=1時

(11)

當j=2,3,…,k-1時

(12)

當j=k時

(13)

根據(jù)所建立的隸屬函數(shù)，通過對評價指標的定量和定性分析得到模糊關(guān)系矩陣R(即隸屬度矩陣)，即

(14)

2.4 多級模糊綜合評價

根據(jù)評價指標權(quán)重集合Wi和評價隸屬矩陣R，首先進行一級模糊綜合評價，得到各被評事物的模糊綜合評價結(jié)果向量S，即

(15)

式中：S表示評價影響因素Ui對評價集V的隸屬向量。

然后在單因素評價基礎(chǔ)上進行二級模糊綜合評價，根據(jù)模糊向量單值化的原則，得出綜合評價結(jié)論，即

A=S×W

(16)

最后根據(jù)最大隸屬度原則，取隸屬度最大的等級即為研究區(qū)域天然氣管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果的評價等級。

3 實例驗證

3.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

研究地位于重慶市涪陵區(qū)，該區(qū)為四川盆地和盆邊山地過渡地帶，境內(nèi)地勢以低山丘陵為主，地處中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，常年平均氣溫18.1 ℃，年均降水量為1 072 mm。

選擇了國家管網(wǎng)集團重慶天然氣管道有限責任公司南川—涪陵天然氣長輸管道的2處管道填埋區(qū)作為研究對象，均于2020年5月15日開始實施植被恢復(fù)措施，2020年10月對現(xiàn)場進行了數(shù)據(jù)采集與分析，指標值見表3。

表3 中石化南川—涪陵天然氣長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價指標值

3.2 指標權(quán)重

選取的上述評價指標均為正效應(yīng)指標，可按照(2)式進行正效應(yīng)標準化變換，然后將表3各評價指標的數(shù)據(jù)運用上述熵權(quán)法運算，可以得到中石化南川—涪陵天然氣長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價指標權(quán)重，見表4。

表4 各層次評價指標權(quán)重的計算結(jié)果

3.3 建立模糊關(guān)系矩陣

依據(jù)評價等級標準，確定評價因素集合Ui對評價集V的評價隸屬矩陣R。建立評價隸屬矩陣R是模糊綜合評判的關(guān)鍵，根據(jù)評價指標的不同效應(yīng)，分別代入上述隸屬函數(shù)公式，可以得出影響Ⅰ號場地和Ⅱ號場地植被恢復(fù)效果的模糊關(guān)系矩陣，其中Ⅰ號場地的二級指標隸屬矩陣分別為

Ⅱ號場地的二級指標隸屬矩陣分別為

3.4 多級模糊綜合評價

根據(jù)二級評價指標的模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重值(表4)，利用公式(15)首先進行一級評價，得到Ⅰ號場地的一級模糊評價矩陣SⅠ為

同理可得Ⅱ號場地的一級模糊評價矩陣SⅡ為

最后進行二級評價，根據(jù)一級模糊評價矩陣和一級評價指標權(quán)重值(表4)，利用公式(16)計算植被恢復(fù)效果的綜合評價結(jié)果A，并根據(jù)最大隸屬度原則確定等級，見表5。

表5 中石化南川—涪陵天然氣長輸管道填埋區(qū)植被恢復(fù)效果評價結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)利用熵權(quán)法計算的評價指標權(quán)重結(jié)果可知，土壤占一級評價指標的權(quán)重值為0.600，在一級指標中的貢獻量最大，是影響植被恢復(fù)效果的重要因素。土壤提供滿足植被正常生長所需的基礎(chǔ)物質(zhì)，不僅提供了植被生長所需的合理物理結(jié)構(gòu)，還是植被水分轉(zhuǎn)化利用的平臺與載體，同時也為植被群落的種類與多樣性提供了重要條件。

(2)通過多級模糊綜合評價結(jié)果并結(jié)合最大隸屬度原則可知，位于重慶涪陵地區(qū)Ⅰ號場地的最大隸屬度為0.416，評價結(jié)果為Ⅰ級，屬于優(yōu)；Ⅱ號場地的最大隸屬度為0.630，評價結(jié)果為Ⅰ級，也屬于優(yōu)，與實際情況相符。