基于多目标模型的防浪林优化布局设计*

任 杰 董增川** 徐 伟 王建婷 周 悦 孙 飚,2

（1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.黑龙江省水利厅，哈尔滨 150040）

基于多目标模型的防浪林优化布局设计*

任 杰1董增川1**徐 伟1王建婷1周 悦1孙 飚1,2

（1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.黑龙江省水利厅，哈尔滨 150040）

在滩地种植防浪林,可以减少风浪在堤防的爬高，是有效的生态护岸措施。为合理设计防浪林优化布局、提高防浪林的消波效果，提出了基于模糊熵权法的防浪林布局优选模型。在考虑防浪林的排列方式、行株距、树干半径、树冠半径和林带宽度多种消波影响因素作用的前提下，以在提高消波效果的同时减少经济成本和减少占地面积为目标进行多目标评价决策。以嫩江干流同盟水文站附近堤段为例，采用模糊熵权法优选出防浪林优化布局，推荐行株距2.5m、林带宽度40m的等边三角形排列作为嫩江干流防浪林的优化布局。

防浪林；优化布局；模糊熵权法；嫩江干流

在汛期，很多大型河流的中下游段来水量大，水面宽阔，风速较快，易产生较大的风浪，对堤防以及堤防保护区内人民的生命财产安全造成严重威胁。目前，在滩地种植防浪林，是一项可以有效降低风浪爬高、滞洪导流、延长堤防寿命、减少水毁工程的生态护岸措施[1]，并在我国大江大河大湖以及海滨等地段得到广泛应用[2-7]。防浪林的植被布局是一个复杂的多目标问题，既需要考虑多因素影响下防浪林的消波效果，又要考虑到植被场的种植面积与种植成本。目前，关于防浪林的研究主要集中于对植被消波机理的研究，多采用控制变量法研究单一因素对防浪林消波效果的影响[8-11]，而对于防浪林的种植布局缺乏科学的规划和定量分析。合理的植被布局可以极大地提高防浪林的消波效果，因此，研究各消波影响因素组合条件下的优化布局，对提高防浪林消波效果、加强生态护坡建设具有非常重要的实际意义。

熵，是热力学中表征体系混乱程度的参量之一，由Shannon[12]首次引入信息论中，现已在径流分析、水资源配置、水文水资源不确定性分析等多个领域得到广泛应用[13-16]。其主导思想是：在多指标的评价决策体系中，某一指标的变化程度越大，则该指标越重要，其权重也越大。笔者基于模糊熵权思想，提出了多目标防浪林布局优选模型，并应用于嫩江干流同盟段的防浪林优化布局设计。

1 研究区域概况

嫩江干流同盟段位于黑龙江省齐齐哈尔市东阳镇，有良好的水文资料。同盟水文站附近堤段示意图如图1所示。堤段全长均分布有雨淋冲蚀沟，堤前分布有远近不一的汊流河道，部分堤段汊流紧邻堤脚，易产生近堤急流，直接破坏迎水堤坡，形成堤面洪水冲蚀破坏，局部有渗漏、脱坡现象；除护坡堤段外，其它堤坡坡面植被稀疏。在这些险工堤段种植防浪林，可以起到消减波浪、固土护堤的作用。同盟段现状防洪标准为平均10年一遇，局部最低5年一遇，预计黑龙江省嫩江干流治理工程治理后的防洪标准可达到50年一遇。研究区水面宽约5 km，风区长度为5 300m，计算风速为11.87m/s，风向为东南，与法线夹角为5°。按设计来水频率为50年一遇计算，研究区设计洪水水深为1.8m。

图1 嫩江干流同盟段示意图

2 方案与方法

2.1 嫩江干流同盟段防浪林布局方案集

目前，已有国内外学者对防浪林消波机理、消波效果进行了研究。综合已有的研究成果，选择排列方式、行株距、树干半径、树冠半径和林带宽度为防浪林消波影响因素。课题组于2016年7月25日至2016年8月25日对嫩江干流已种植的现有防浪林进行了实地勘察，测得研究区现有防浪林各影响因素的参数值，沿岸各地防浪林各现状布局方式参数见表1。并根据章家昌公式[7]计算出各种现状布局条件下（共25个方案）防浪林消波系数（表1）。

表1 现状防浪林方案集

2.2 模糊熵权法

根据Shannon信息熵的基本思想，一个指标的熵值越大，则各方案在这一指标下的变异程度越大，说明该指标越重要，所对应的权重也就越大。据此计算多目标评价决策体系中各指标的权重，可以得到加权综合评价下的最优方案。熵权法[17-18]主要有以下4个步骤：

（1）原始数据矩阵进行标准化

由于各指标数据的量纲、数量级有很大差异，各指标对于优的定义也相去甚远，故需对原始数据进行标准化处理，使数据取值都在0～1之间。可以利用相对隶属度对每一指标进行标准化。指标的优劣程度是一个模糊的概念，在实际决策中，通常用模糊集理论中的隶属度函数进行计算，常见的指标对优的相对隶属度计算公式为

越大越优型：

越小越优型：

式中：ximax——方案集中指标i的最大特征值；

ximin——方案集中指标i的最小特征值。

根据相对隶属度公式，可将评价指标特征值矩阵X标准化为各方案在各指标下对该指标优的相对隶属度矩阵R=(rij)m×n。

（2）计算熵值

指标的熵值可以按如下公式计算

（i=1,2,L,m;j=1,2,L,n）

（3）定义熵权

根据式（3）得到第i个指标的熵值之后，可以得到该指标的熵权。传统的熵权公式为

但是，当指标体系中有几个指标的熵值Hi→1（i=1,2,L,m）时，这几个指标的熵值之间只有微小的差别，而根据传统熵权公式计算出的熵权却出现了成倍数的变化[17]，因此本研究采用改进的熵权公式

（4）计算优属度向量

在待评价决策的n个方案中，定义现有方案中的理想最优解和最劣解分别为

优属度向量中，数值最大的分量对应的方案即为最优方案，对所有分量根据数值大小进行排列，可以得到所有方案由优到劣的排序。

3 考虑多目标的嫩江干流防浪林布局优选

防浪林布局问题是一个多目标决策问题，需要综合考虑多个影响因素对防浪林消波的影响。出于经济和占地面积的考虑，希望可以用较少的植被棵数和较小的防浪林种植宽度，达到较大的消波效果。这3个目标可以用消波系数、植被密度和林带宽度3个指标来表示。定义密度表示单位面积上植被的棵数，防浪林排列方式和行株距的不同，均会导致防浪林密度的变化，根据表1中的25个方案，计算每个方案的植被密度（表1最后一列）。采用模糊熵权法对方案进行优选排序，优选时采用3个目标条件：（1）林带宽度越小越好；（2）消波系数越大越好；（3）植被密度越小越好。

采用熵权法对25个方案、3个指标进行矩阵计算，得到每一个方案的优属度，将所有方案按优属度从高到低进行排序。

3.1 计算相对隶属度矩阵R

根据25个方案的种植宽度、消波系数、植被密度数据，得到本问题的相对隶属度矩阵，绘出各方案的密度和消波系数散点图（图2）。根据散点分布可以看到，密度多集中在0.2～0.6的区域中，消波系数多集中于70%～85%；又由于防浪林宽度超过70m后，消波效果增长不明显，因此可以分别定义3个约束条件的隶属度函数如下：

图2 方案特征值散点图

防浪林林带宽度隶属度函数：

防浪林消波系数隶属度函数：

防浪林植被密度隶属度函数：

计算得到标准化矩阵如下：

3.2 计算熵值向量H

根据式（3）计算出的林带宽度、消波系数和植被密度的熵值分别为：

3.3 计算熵权向量W

根据式（5）计算出的林带宽度、消波系数和植被密度的权重分别为：

3.4 计算优属度向量U

根据式（8）计算出的所有方案在优选目标条件下的优属度为：

统计分析所有方案优属度取值的分布（图3），本研究选取0.9作为优选阈值，从中选择优属度大于0.9的方案作为较优方案，并将这4个方案列于表2，做进一步分析。

图3 各方案优属度取值分布

表2 防浪林方案优选

通过基于模糊熵权法的多目标防浪林布局优选模型优选出的4个较优方案中，防浪林行株距均为2.5m，排列方式均为等边三角形，这是由于在行株距为2.5m、排列方式为等边三角形时，密度达到最低。优选方案的防浪林宽度为40m或50m，未见有方案的宽度是30m，说明虽然在目标中加入了“防浪林宽度越小越好”的约束，但防浪林宽度对防浪林消波具有极大的影响作用，对宽度的变化较敏感。防浪林消波效果对树干半径和树冠半径的变化不明显，对树干半径的变化尤其不明显，总体随树冠和树干半径的增大而增大。可以根据当地树种供应情况选择种植，在保证植被正常生长的前提下保持树冠半径尽可能大。

4 结论

4.1 通过基于模糊熵权法的多目标防浪林布局优选模型计算，推荐“防浪林行株距2.5m，林带宽度40m，排列方式等边三角形”为嫩江干流防浪林优化布局方式，该布局方式可以在较小的防浪林宽度和较少的植被棵数的前提下，达到较高的消波效果。

4.2 嫩江干流同盟段的应用实例证明，本研究提出的基于模糊熵权法的多目标防浪林布局优选模型，求解过程受主观因素影响小，切实可行。该方法可以为其他地区生态护岸工程的防浪林优化布局设计提供指导和借鉴。

［1］ 张宝森，王仲梅.黄河郑州段种植500m宽防浪林可行性研究［J］.华北水利水电大学学报(自然科学版),2005,26(3):71-73.

［2］ 张茂章，宋正明.不同林相结构防浪林的消波性能计算［J］.水利水电科技进展,2013,33(6):40-43.

［3］ 李锡泉，吴敏，汤玉喜.洞庭湖区防浪林林分林冠结构的研究［J］.湖南林业科技,2007,34(1):5-7.

［4］ 张敏，刘洪林，张立师.洪泽湖大堤生物防护模式的实践［J］.人民长江,2008,39(3):54-56.

［5］ 刘达，黄本胜，邱静，等.华南沿海防浪林带种植宽度对消浪效果影响的试验研究［J］.水利水电技术,2015,46(9):109-114.

［6］ 刘逸诘，李国庆，田晔林，等.近30年来山东半岛东部沿海防护林动态变化研究［J］.林业科技，2017，42（2）：56-59.

［7］ 张茂章.影响淮河中游防浪林建设的因素分析及树种选择［J］.中国水利,2015(9):22-24.

［8］ 章家昌.防波林的消波性能［J］.水利学报,1966(2):49-52.

［9］ Moller I,Spencer T.Wave dissipation over macro-tidal saltmarshes:Effects of marsh edge typology and vegetation change［J］.Journal of Coastal Research,2002,36(4):506-521.

［10］ 黄本胜，吉红香.植物护岸对大堤波浪爬高影响试验初探［J］.水利技术监督,2005,13(3):43-46.

［11］ 吉红香，黄本胜，邱秀云，等.植物护岸对波压力的影响试验研究［J］.广东水利水电,2006(2):17-19.

［12］ Shannon C E.The Mathematical Theory of Communications,I and II［J］.Bell System Technical Journal,1948,27(3):379-423.

［13］ 汤瑞凉，郭存芝，董晓娟.灌溉水资源优化调配的熵权系数模型研究［J］.河海大学学报：自然科学版,2000,28(1):18-21.

［14］ 李磊，贾磊，赵晓雪，等.层次分析-熵值定权法在城市水环境承载力评价中的应用［J］.长江流域资源与环境,2014,23(4):456-460.

［15］ 王远坤，李建，王栋.基于多尺度熵理论的葛洲坝水库对长江干流径流影响研究［J］.水资源保护,2015,31(5):14-18.

［16］ 张继国，刘新仁.水文水资源中不确定性的信息熵分析方法综述［J］.河海大学学报：自然科学版,2000,28(6):32-37.

［17］ 崔坤明.近岸刚性植被水域波浪传播的数值模拟分析［D］.大连：大连理工大学,2016.

［18］ 周惠成，张改红，王国利.基于熵权的水库防洪调度多目标决策方法及应用［J］.水利学报,2007,38(1):100-106.

［19］ 闫文周，顾连胜.熵权决策法在工程评标中的应用［J］.西安建筑科技大学学报：自然科学版,2004,36(1):98-100.

（责任编辑：潘启英）

Abstract Anti-wave forest isan effectivemeasure to reduce thewave runup and protect the embankment.In order to optim ize the layoutof anti-wave forestand improve thewave damping effectof anti-wave forest,an optimized layoutmodelbased on fuzzy entropymethod isproposed.The aim of thisselectionmodel is to improve the elim ination effectwhile reduce the economic input and planting area,considering the factors such as forest arrangement,row spacing,trunk radius,crown radius,and forestw idth.Taking the adjacent section of Tongmeng Hydrological Station in Nenjiang River as an example,the fuzzy entropy method is used to optim ize the layout.It is recommended that theequilateral trianglearrangementw ith spacing of2.5m andw idth of40m beused as theoptimal layoutof theanti-wave forestofNenjiang River.

Key words Anti-wave forest;Optimal layout;Fuzzy entropymethod;Nenjiang Rivermainstream

Optim ized Layout Design of Anti-wave Forest Based on M ultiple Targets

REN Jie
（College of Hydrology and Water Resources,Hehai University,Jiangsu Nanjing 210098）

S 759.2,TV 871.2

A

1001-9499（2017） 05-0038-05

* 黑龙江省应用技术研究与开发计划项目（GZ16B031，GZ16B035）

第1作者简介：任杰（1994-），女，博士研究生，主要从事水文水资源、生态水利方面的研究。通讯作者：董增川（1963-），男，教授。

2017-07-12