西南山区天然气长输管道填埋区植被恢复效果评价研究

岳三琪，赵志超，蔡 强

(国家管网集团重庆天然气管道有限责任公司，重庆 408099)

我国西南山区地形起伏大、坡度陡、河谷纵横，天然气长输管道工程建设对地表扰动强烈，极易在降雨条件下引发洪涝、泥石流、滑坡等自然灾害，严重威胁着管道的运行安全[1]。植物的综合防护与水土保持功能，可有效缓解管道施工带来的负面影响，是长输管道绿色工程建设的重要内容。

天然气长输管道工程的特殊性，导致管道填埋区填土多处于松散状态，水土保持功能降低，水土流失加剧，与一般的工程裸地具有较强的异质性，如何合理评价其植被恢复效果是一个重要问题[2]。近年来，相关学者专家针对多目标综合决策问题提出了一系列不同的方法[3-5]，有关植被恢复效果的评价也已经从定性发展到定量、从单一发展到综合，相关研究评价方法较多[6-7]，但针对管道填埋区植被恢复效果评价的研究却相对较少。本研究针对西南山区天然气长输管道填埋区的植被恢复，将熵权法与多级模糊综合评价法相结合，建立管道填埋区植被恢复效果的综合评价模型，并开展了实践应用，旨在为西南山区天然气长输管道工程填埋区的植被恢复提供必要支持。

1 西南山区天然气长输管道填埋区植被恢复效果评价指标

植被恢复效果的评价可以从多方面开展，结合国内外研究进展和专家咨询，从植被恢复的“土壤-植被”系统的功能出发，选取土壤、植被共2个影响因素作为评价一级指标，建立了西南山区天然气长输管道填埋区植被恢复效果评价指标体系，见表1。

表1 西南山区天然气长输管道填埋区植被恢复效果评价指标

参考植被恢复效果评价相关研究经验，将植被恢复效果评价划分为Ⅰ～Ⅴ共5个等级，从而确定植被恢复效果的评价集V={V1,V2,V3,V4,V5}={优，良，一般，差，极差}。对于各个评价指标的等级划分，我们参考相关规范及研究成果[8]进行了确定，结果见表2。

表2 西南山区天然气长输管道填埋区植被恢复效果评价指标分级标准

2 基于信息熵理论的长输管道填埋区植被恢复效果评价方法

信息熵是将信息从一个模糊的概念转变为精确的概念，它能够衡量和反映信息源的混沌程度，可以通过提供有用信息量的多少来衡量各个不确定性和无序性指标的客观权重，在很多领域得到了重要应用[9-10]。

2.1 建立评价集

参照表1建立工程效果评价影响因素集U，评价指标集具有层次性，即一级指标U={U1,U2,…,Un}。将一级指标按属性进行划分，即二级指标Ui={Ui1,Ui2,…,Uij}(i=1,2,…,n),其中Uij表示第i层第j个指标。评价集是每一个评价指标所有可能的评价结果的集合，根据评价对象的性质和具体情况将评价标准划分等级，参考效果评价的目的，定义评价集V={V1,V2,…,Vk}，其中k为评价等级数。

2.2 利用熵值法计算评价指标权重

(1)假设有m个植被恢复样本，n个评价指标。建立一个多指标的植被恢复效果的原始评价矩阵X′=[x′ij]m×n，即

(1)

式中:x′ij为第i个植被恢复样本的第j项评价指标值。

(2)对样本矩阵X′进行标准化处理。根据熵值的基本性质，当评价对象在某项评价指标上的值都相等时，熵值达到最大，熵权为零，则该指标在综合评价中的作用为零，需将该评价指标剔除。由于西南山区天然气长输管道填埋区植被恢复评价指标体系中各评价指标代表事物的不同属性，其类型和量纲也存在差异，指标间难以进行直接比较，因此需要对原数据作标准化处理，将数据全部转化为无量纲数据。当数据为正效应(指标值越大越好的指标)时，转化公式为

(2)

当数据为负效应时，转化公式为

(3)

上二式中：xij为标准化处理后的指标值(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)。

通过原始数据标准化，得到标准化矩阵X=[xij]m×n，即

(4)

(3)计算第j项评价指标的熵值。根据熵的定义，熵值是作为表征该项指标在植被恢复工程中的重要性，熵值越大，则熵权越小，代表指标的信息效用越小，植被恢复的效果越差。计算各评价指标的熵值公式为

(5)

(6)

上二式中：Ej表示第j项评价指标的熵值，Ej≥0；fij为评价指标j在第i个样本中出现的频率，0≤fij≤1。

(4)计算评价指标的权重，其公式为

(7)

计算得出每一项指标基于熵权法的客观赋值的权重，然后先确定二级评价指标的熵权矩阵Wi={ωi1,ωi2,…,ωij}，再确定一级评价指标的熵权矩阵W={ω1,ω2,…,ωn}。

2.3 建立模糊关系矩阵

根据已经建立的评价集V，需要对被选对象的各项影响因素进行合理的评判，即确定各因素Ui对应于各评判级别的隶属度rij(0≤rij≤1)。对于指标越小表明天然气长输管道工程填埋区植被恢复效果越好的负效应指标，采用降半梯形隶属函数计算。其中，降半梯形隶属函数的定义如下：

当j=1时

(8)

当j=2,3,…,k-1时

(9)

当j=k时

(10)

式中：x为评价边坡指标数据的实际值；rij为第i个评价因素对第j级评价标准的隶属度，它反映了评价因素和评价等级之间用隶属度表示的模糊关系，rij越接近1则隶属于模糊集合的程度就越大；vi(j-1)、vij、vi(j+1)为各指标分级的标准值。

对于指标越大表明植被恢复效果越好的正效应指标，采用升半梯形隶属函数计算，升半梯形隶属函数的定义如下：

当j=1时

(11)

当j=2,3,…,k-1时

(12)

当j=k时

(13)

根据所建立的隶属函数，通过对评价指标的定量和定性分析得到模糊关系矩阵R(即隶属度矩阵)，即

(14)

2.4 多级模糊综合评价

根据评价指标权重集合Wi和评价隶属矩阵R，首先进行一级模糊综合评价，得到各被评事物的模糊综合评价结果向量S，即

(15)

式中：S表示评价影响因素Ui对评价集V的隶属向量。

然后在单因素评价基础上进行二级模糊综合评价，根据模糊向量单值化的原则，得出综合评价结论，即

A=S×W

(16)

最后根据最大隶属度原则，取隶属度最大的等级即为研究区域天然气管道填埋区植被恢复效果的评价等级。

3 实例验证

3.1 研究区概况与数据获取

研究地位于重庆市涪陵区，该区为四川盆地和盆边山地过渡地带，境内地势以低山丘陵为主，地处中亚热带湿润季风气候区，常年平均气温18.1 ℃，年均降水量为1 072 mm。

选择了国家管网集团重庆天然气管道有限责任公司南川—涪陵天然气长输管道的2处管道填埋区作为研究对象，均于2020年5月15日开始实施植被恢复措施，2020年10月对现场进行了数据采集与分析，指标值见表3。

表3 中石化南川—涪陵天然气长输管道填埋区植被恢复效果评价指标值

3.2 指标权重

选取的上述评价指标均为正效应指标，可按照(2)式进行正效应标准化变换，然后将表3各评价指标的数据运用上述熵权法运算，可以得到中石化南川—涪陵天然气长输管道填埋区植被恢复效果评价指标权重，见表4。

表4 各层次评价指标权重的计算结果

3.3 建立模糊关系矩阵

依据评价等级标准，确定评价因素集合Ui对评价集V的评价隶属矩阵R。建立评价隶属矩阵R是模糊综合评判的关键，根据评价指标的不同效应，分别代入上述隶属函数公式，可以得出影响Ⅰ号场地和Ⅱ号场地植被恢复效果的模糊关系矩阵，其中Ⅰ号场地的二级指标隶属矩阵分别为

Ⅱ号场地的二级指标隶属矩阵分别为

3.4 多级模糊综合评价

根据二级评价指标的模糊关系矩阵和权重值(表4)，利用公式(15)首先进行一级评价，得到Ⅰ号场地的一级模糊评价矩阵SⅠ为

同理可得Ⅱ号场地的一级模糊评价矩阵SⅡ为

最后进行二级评价，根据一级模糊评价矩阵和一级评价指标权重值(表4)，利用公式(16)计算植被恢复效果的综合评价结果A，并根据最大隶属度原则确定等级，见表5。

表5 中石化南川—涪陵天然气长输管道填埋区植被恢复效果评价结果

4 结 论

(1)根据利用熵权法计算的评价指标权重结果可知，土壤占一级评价指标的权重值为0.600，在一级指标中的贡献量最大，是影响植被恢复效果的重要因素。土壤提供满足植被正常生长所需的基础物质，不仅提供了植被生长所需的合理物理结构，还是植被水分转化利用的平台与载体，同时也为植被群落的种类与多样性提供了重要条件。

(2)通过多级模糊综合评价结果并结合最大隶属度原则可知，位于重庆涪陵地区Ⅰ号场地的最大隶属度为0.416，评价结果为Ⅰ级，属于优；Ⅱ号场地的最大隶属度为0.630，评价结果为Ⅰ级，也属于优，与实际情况相符。