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高等级公路边坡护坡植被适应性评价体系的研究

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2010年第35期 SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 0公路与管理0 科技信息 高等级公路边坡护坡植被适应性 评价体系的研究 蔡亮王盼盼 (汇通路桥建设集团有限公司 河北 高碑店074000) 【摘要】以涿廊高速公路为例,利用1999-2010年的年均降水量、年均气温、日照时间、年积温数据和杨树、柳树、紫穗槐、爬山虎、紫花苜 蓿的生长条件,基于主成分分析和层次分析法建立高等级公路边坡植被适应性评价模型。结果表明:在一定区域范围内.利用主成份和层次分 析法,构建的高等级公路边坡护坡植被适应性评价模型是可行的,并为植被适应性评价探索了一条新方法和途径。 【关键词】主成份分析;层次分析法;高等级公路;边坡植被;适应性 The Research on Slope Vegetation Adaptability Evaluation System of Highway CAI Liang WANG Pan-pan (HtIi Tong Road and Bridge Construction Group Co.Ltd.,Gaobeidian Hebei, O0,China) [Abstract lThe paper collected The annual mean precipitation,annual mean temperature,annual sunshine hours、annual accumulated temperature data in the Zhuozhou—Langfang highway regions covering the period 1999 to 2010.and the growing conditions of P devidiana,Salix babylonico,A morpha fruticosa,Ja,o ̄se creeper and Medicago s ̄ivo.,I1}le highway slope vegetation adaptability assessment model was estbalished based Oil principal component analysis(PCA)and analytic hierarchy process(AHP).The results showed that the assessment model is practicable and ex ̄oro a new ways and means in a certain area. 【Key words]Principal Component Analysis;Analtyical Hierarchy Process;Highway;Slope vegettaion;Adaptability 0引言 20—30em,径50—60cm,生长迅速;插枝繁殖。对空气污染及尘埃的抵抗 力强。垂直分布在海拔13oo米以下,是平原水边常见树种。 随着国民经济的飞速发展,公路、铁路、水利、电力、矿山等工程建 设过程中经常要挖方、填方,从而形成了大量的裸露边坡,对公路周围 2.1.3爬山虎(Japanese creeper)又称爬墙虎、地锦、飞天蜈蚣、假葡萄 生态环境造成严重破坏,带来一系列环境问题。如水土流失、滑坡、泥 藤、捆石龙、枫藤、小虫儿卧草、红丝草、红葛、趴山虎、红葡萄藤。爬山 虎,也称“巴山虎”“常青藤”.葡萄科植物。多年生大型落叶木质藤本植 石流、局部小气候的恶化及生物链的破坏等_l_21。经济建设事业飞速发 展与生态环境保护的“双赢”问题,在国内外早己引起足够重视。目前, 物,常攀缘在墙壁或岩石上。喜阴湿环境,但不怕强光,耐寒,耐旱,耐 由于公路建设与施工造成的公路边坡水土流失日益严重,加剧了区域 贫瘠.耐修剪,怕积水,对土壤要求不严.但在阴湿、肥沃的土壤中生长 最佳。它对二氧化硫等有害气体有较强的抗性。爬山虎生性随和,占地 生态环境恶化。因此如何能在较短时间内对裸露公路边坡进行植被快 速恢复,并形成以本地植物为优势种的稳定植物群落.这就对边坡植 少、生长快,绿化覆盖面积大。一根茎粗2cm的藤条,种植两年,墙面绿 被的选择和适应性评价提出了更高的要求 化覆盖面便可达30~50m 。 2.1.4紫花苜蓿(Medicago sativa)俗称“三叶草”,是一种多年生开花 考虑到边坡护坡植被应具有快速生长能力、抗旱、耐贫瘠和覆盖 植物。多年生草本;主根长,多分枝。茎通常直立,近无毛,高30— 性好但同时能与其他植物共生等特点,本文以河北省廊涿高速公路为 100cm。复叶有3小叶,小叶倒卵形或倒披针形,长1—2cm,宽约 例,结合山杨(P devidiana)、柳树(Solix bobylonica)、紫穗槐(Amorpha 0.5cm,顶端圆,中肋稍凸出,上半部叶有锯齿,基部狭楔形;托叶狭披 fruticosa)、爬山虎(Japanese creeper)、紫花苜蓿(Medwago sativa)[3-5]等 针形.全缘。 绿化植物,并利用其生长条件和1999~2010年各县市的降水量、年均 2.1.5紫穗槐 morphafruticosa) ̄.称绵槐、鼬荻、紫花槐、紫翠槐,是 气温等气象数据,基于主成分分析,层次分析法来构建一种适合高等 喜光,耐寒、耐旱、耐湿、耐盐碱、抗风沙、抗逆性极强的灌木,在荒山 级公路边坡护坡植被适应性评价模型,为进一步探讨我国华北地区高 坡、道路旁、河岸、盐碱地均可生长,可用种子和根萌芽无性繁殖,萌芽 等级公路的植物生长适应性的问题提供科学的依据。 性强.根系发达,一年生主根可深入土层0.7m,水平根幅达1m,3年生 1 工程概况 的根长在lm以上,70~80%的根系分布在0.6m以内土层中。 2.2主成份分析法 廊涿高速公路始建于2005年8月27日,是河北省高速公路布局 构建模型过程中由于指标太多,使得分析的复杂性增加。观察指 规划“五纵六横七条线”中“线3”(密云一平谷一三河一香河一廊坊一涿州) 标的增加本来是为了使研究过程趋于完整,为使研究结果清晰明了而 的重要组成路段,于2008年7月22日建成通车。届时廊涿会同京化 一味增加观察指标又让人陷入混乱不清。指标间经常具备一定的相关 (一期)高速公路的建成通车,使河北省高速公路通车里程突破3000 性.故希望用较少的指标代替原来较多的指标,但依然能反映原有的 公里.达到3010公里。廊涿高速公路西起涿州南8公里处的松林店, 全部信息。因此可用主成分分析方法进行降维。 东至廊坊市的旧州.路线全长58-4公里。为双向四车道,全封闭、全立 主成分分析法(Principal Component Analysis) ̄z--种利用降维的思 交,设计速度120公里/小时。全路段共设1个管理处、1个养护中心、1 想.在损失很少信息的前提下把原来多个指标转化为少数几个综合指 个监控中心、2个服务区和6个收费站。 标的多元统计方法 。其数学模型如下: 2植被适应性评价体系的研究方法 fFl= 儿ZXl+ 2IZX2+’・・・・‘ plZXp 2.1边坡护坡植被 {F2-a12zx1+ 2zx2+._…ap2zxp (1) I =al zxl+auZX2+._…a2.1.1中国山杨(P devidiana),别名:大叶杨、响杨、麻嘎勒,乔木,高 imzxp 达20m,树冠圆形或近圆形,树皮光滑,淡绿色或淡灰色,老树基部暗 其中ali,a ,……,ap(ii=l,……,m)为x的协方差阵∑的特征值多 灰色:叶芽微具胶质。叶卵圆形、圆形或三角状圆形,长3~8cm,宽2.5~ 对应的特征向量,ZX。,ZX ,……,ZX。是原始变量经过标准化处理的 7.5cm,先端圆钝,基部圆形或截形。 值。为研究气象因子之间的关系及其对植被生长状况影响程度,其步 2.1.2柳树(Salix 6 ylonica),别名:水柳、垂杨柳、清明柳、垂枝柳、倒 骤如下: 挂柳、倒插杨柳,落叶乔木,柳枝细长,柔软下垂,性喜湿地,高可达 (1)首先将原始数据作标准化处理,消除量纲对分析的影响,计算 180 科技信息 O公路与管理o SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 2010年第35期 相关系数矩阵,见表1。 表1 年均降水量、年均气温、年let照时间和年积温的相关系数 年均降水量 年均气温 年均气温 年日照时间 年积温 C.L: 12--l (3) 第二步,查表确定相应的平均随机一致性指标R.I.(random 年均气温 -0.0936 1.0000 00860 -0.9703 【 年日照时问 —0.9353 0 0860 1.0000 一O.1l98 年积温 0.0570 ——0 9703 一0.1198 1.oo00 index).据判断矩阵不同阶数查下表,得到平均随机一致性指标R.I., 表3为1000次正互反矩阵计算结果。 表3平均随机一致性指标R 1 00oo 一0.0936 一O 9353 0.0570 矩阵阶数 1 {2 3 J 4 R.I. O 0 O.52 0.89 5 I 6 1.12 1.26 7 l 8 1.36 1.41 注:样本相关系数通过O 05显著性检验。 第三步,计算一致性比例C.R.(consistency ratio)J=[=J ̄行判断。当 .R.<O.1时.认为判断矩阵的一致性是可以接受的,C.R.>0.1时,认为 (2)计算特征值与特征向量,首先解特征方程 一RI=0求出特征值 C. (._1,2,…,P),并使其按大4,Jl ̄序排列,即 ≥ ≥…,≥ ≥0;然后 判断矩阵不符合一致性要求,需要对该判断矩阵进行重新修正。(3)计算主成分贡献率及累计贡献率,一般取累计贡献率达85% 分别求出对应于特征值 的特征向量Ci(i_1,2,…,P)。 C.R.=器 (4) 以上的特征值 , :,…, 所对应的第一,第二,……,第nl(m≤p)个 3廊涿高速公路植被适应性评价与分析 主成分。由相关系数矩阵计算特征值,以及各个主成分的贡献率与累 计贡献率(见表21。由表2可知,年均降水量、年均气温的累计贡献率 3.1植被适应性指数计算方法 (1)数据标准化:消除各指标量纲,实现统一标准下的定量化表 已高达97.64%,选择二者代表气象指标进行建模。 达,使其在参与多因子综合分析时,保持因子间的均衡与合理性ll3’ 。 表2特征值及主成分贡献率 主成分 年降水量 年均气温 日照时间 年积温 特征值 2.1320 1.7739 0 0862 0.0078 贡献率(%) 53-3O 44 34 2 l6 O.20 累计贡献率(%) 53.3O 97.64 各个参评因子数据经标准化处理后,是一组反映其属性特征的数值, 如式5,6.7。 样本标准化公式: ,2,…, l'2,…,p (5) 99—81 lo0.OO Yi-Y 1,2,…,n; (6) 2.3层次分析法原理 其中 =层次分析法AHP(Analytic Hiearchy Process)的基本原理是排序, 即最终将各方法排出优劣次序.作为决策的依据。其步骤:首先将决策 的问题看作受多种因素影响的大系统,这些相互关联、相互制约的因 素可以按照它们之间的隶属关系排成从高到低的若干层次,然后请专 ∑( 一 ) (7) 是自变量xj(j=l,2,…,p)的离差平方和。 (2)适应性综合评价指数模型:采用加权求和的方法,实现对区域 家、学者、权威人士对各因素两两比较重要性,再利用数学方法,对各 的植被适宜性定量化分析 加权求和的综合评价指数用式(8)计算: 因素层层排序,最后对排序结果进行分析,辅助进行决策17- 。 2.4层次权重计算过程 A:∑W xS 目标层 (8) (1)分析系统中各因素之间的关系,建立系统的递阶层次结构,见 图l: A为单元的植被适应性综合评价指数;W。为第i个指标要素经过 标准化处理后的定量表达值;S 为反映该指标要素对于综合评价重要 性的权重值;p是参与适应性指数综合评价的专题指标要素的数量。 表4边坡护坡植被适应性权重结果表 准则层 准则层 年降水量 年均气温 日照时间 年积温 总排序 准则层权值 紫花苜蓿 O6619 .O.1384 0.0796 O.12O1 权值 0.5163 0.5050 0.1485 0.32O2 0.0733 O.1253 O.2619 0.3996 O.O495 0.3945 方案层 方案 杨树 图1 研究区边坡护坡植被适应性评价模型结构图 (2)对同一层次的各元素关于上一层中某一准则的重要性进行两 两比较,构造两两比较的判断矩阵;针对判断矩阵的准则,其中两个元 素两两比较哪个重要,重要多少,对重要性程度按1-9赋值。 (3)由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重:一般计 层单 排序 权值 爬山虎 柳树 紫穗槐 02404 .0.3872 O.2919 0.0172 0.0772 0.3552 0.2567 O.1730 0.3706 04579 .0.2587 O 33Il 0.2259 O 1844 0.2572 从表4中可以得出,在年降水量、年均气温、日照时间和年积温四 算计算权重采用和法,其原理对于一致性判断矩阵.每一列归一化后 就是相应的权重。综合考虑年降水量、年均气温等因子,对紫穗槐、沙 个指标中,年降水量对地面植被的生长特性影响较大.对起着决定性 的作用,其次依次是年均气温、日照时间、年积温。从单个植被生长特 棘、胡枝子在各地的适应性强度进行排序。 性需求上来说,每个植被的生长所需要的环境会有所不同.呈现了各 (4)一致性检验 不相同的要求。比如在表4紫穗槐一行中权重排序,依次为日照时间、 对于非一致性判断矩阵,每一列归一化后近似其相应的权重,在 年均气温、年降水量、年积温,正说明了紫穗槐一种是喜光、耐寒、耐 对这n个列向量求取算术平均值作为最后的权重,见式(2): 旱、抗逆性极强的灌木。根据表4中层次权重大小总排序权值,得出研 Wi= ∑ (2) 究区的适生植物为紫花苜蓿、杨树、柳树.其次爬山虎、紫穗槐。 f =1 4结束语 借助于数理统计理论与方法.构建研究区域植被做植被适应性进 只有通过检验,才能说明判断矩阵在逻辑上是合理的,才能继续 对结果进行分析。其一致性检验如下: 第一步,计算一致性指标c.I.(consistency index) 行评价是可行的.但忽略了众多气象、地理因子后剔除了对评价适应 性指数的贡献率较小的成分。主成分法分析和层次分析法构建的边坡 181 2010年第35期 SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION o公路与管理0 科技信.I 护坡植被适应性评价模型,减少了专家判断矩阵打分造成数据主观 学,2002。19(6):43—48. 性。还有一定问题需要进一步探讨,比如评价因子的选取及权重的确 [8]金蛟.主成分分析方法在综合评价中的应用啊.中国卫生统计,2008,25(1): 定、数据提取的准确性等方面。在此基础上。需基于RS和GIS技术对 73-74 高等级公路边坡护坡植被的生长状况监测。并在其空间分布进行定量 [9]赵怀武.公路绿化植物适应性研究阴.河北林业科技,2005(4):39. 化进行进一步分析,结果可为环境绿化管理、道路建设、合理利用土地 [1o]程乾生.层次分析法AHP和属性层次模型AHM 叨.系统工程理论与实践, 资源提供定量分析依据 ‘ 1997(11):25—28. [11]程毛林,李宏文.全局主成分分析模型及其在环境评价中的应用m.苏州科 技学院学报:自然科学版,2003.20(2):29—32. 【参考文献】 [12]惠清,岳平七,李海军.天水一定西公路路域地质环境安全评价与灾害防治 [1]周晓,谭红霞.高等级公路生态景观路堑边坡防护探讨【J1.交通科技, 对策研究(1):地质环境安全现状评价们.冰川冻土,2008,30(1):183—188. 20o4,205(4):73—76. [13]王荣华,赵警卫戒国高速公路边坡生态防护研究进展及发展趋势m.公路, [2]贺红亮,王琼,杨知建,等.高等级公路植被护坡现状与展望IJ1.中南公路工 2007(11):199—202. 程,2oo7,32(2):150—153. [14]丁宁,景卫清,孙崤谕,等.靖王高速公路路基两侧不同地形条件紫穗槐种群 [3]蒋自立,江海东.高等级公路边坡植被的选择方案 W第一届全国公路科技 生长的差异【J】.西部林业科学,2008,37(1):108一l12. 创新高层论坛论文集:环保与可持续发展卷.2002:137~140. [4]郭云开,彭文澜,潘志林,等.环境资源遥感的研究与应用 ].华东公路, 作者简介:蔡亮(1985~),男,河北保定人,大学学历,奉科,I程师,主要从 2006.161(5):76—79. 事道路桥梁施I与设计。 . [5]余晓华.我国西南紫色土地区公路护坡草种适应性研究田.生态科学, 王盼盼(1985一),女,河北邢台人,大学学历,助理I程师,主要从事路桥施 2002,21(4):342—345. I材料管理方面的研究。 [6]白奕.多指标综合评价的主成分分析模型及原理m.陕西师范大学学报:自然 科学版,1998,26(2):105—106. [7]余晓华,江玉林,刘一.应用层次分析法研究公路边坡草种适应性fJ1.草业科 [责任编辑:张慧] (上接第168页)3)工艺控制,施工过程中,必须严格按制定的工 6.2.3施工前必须向施工人员进行安全技术交底。 艺施工,施工员和质监员负责现场监督,检查工艺执行情况。执行中须 6.2.4起重工、电焊工、电工等特殊工种坚持持证上岗。用于施工的船 完善的工艺,报批后再实施。 只必须具备安全合格证书。 6.1_3 内部质量审核 6.2.5施工机具布局要合理,合乎安全规范,且装有安全装置。操作者 内部质量审核每周进行一次,由经理部领导组织有关人员参加, 严格遵守操作规定,操作前要对设备进行检查,机械设备严禁带故障 对质量体系要素进行评审,对存在的问题采取纠正和预防措施,做好 运行。 审核记录。 6.2.6电器设备的外壳要进行防护性接地、接零或绝缘;派专人负责 6.2安全保障措施 电器安全工作,要进行用电安全教育,定期检修电器设备。 6.2.1加强宣传教育工作,强化安全意识,建立安全保障体系,使安全 6.2.7夜间施工时,现场必须有符合操作要求的照明措施。 工作制度化,教育经常化。坚持定期的安全教育和检查制度,设立安全 6.2.8消除一切可能造成火灾、爆炸事故的根源。控制火源、易燃物及 监督岗,支持和发挥安全员的作用。 6.2.2突出强调劳动安全防护用具的佩戴。制定并严格执行施工安全 助燃物。配备足量的灭火器材并且做到合理布置。e 制度。 【责任编辑:汤静】 (上接第172页】筑电气管线大部分都是暗敷的,所以在你看到的房间 重要的,这对全民生命安全和社会经济的稳定具有及其重要的意 里及公共的场合,都很难见到电气管线,因为他们都被埋在墙里或楼 义。 板里,你能看到的是在电气竖井及地下室配电房的电缆沟内,这些电 缆是敷设在空气中,没有穿管。在电缆穿管和不穿管中,都有相关的规 【参考文献】 范规定多大的电缆穿多大的管,要留有一定的余量.这是考虑到电缆 [1]刘天琪,邱晓燕.电力系统分析理论【M】.北京:科学出版社,2005. 工作时的温度要求,要给电缆一定的散热空间。所以,管线的敷设方式 [2]应静良.电线、电缆及其附件实用手册【M】.北京:中国电力出版社: 2O00 也在一定的条件下,影响电缆的耐久性。 信者简介:谢亮(1980一),男,汉族,宁夏,t ̄.4r 1人;2005年毕业于北亭石油化 4结束语 工学院电气I程及其自动化专业.获工学学士学位,助理工程师,现主要建箍电 气设计方面的工作。 对建筑电气管线耐久性相关问题展开研究,不仅从保证电力设备 工作可靠性的观点来看是重要的,而且从预防火灾的角度来看也是很 [责任绵辑 汤静】 (上接第173页)性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素,计算方法还 [3]刘大海.高层建筑结构方案优选【M】.北京:中国建筑工业出版社,2004. 很不完善,单靠数学力学计算还很难使建筑结构在遭遇地震时真正确 [4]方鄂华扁层建筑钢筋混凝土结构概念设计【M】.北京:机械工业出版社,20O 保具有良好的抗震能力。加强概念设计从房屋体型、刚度分布,构件延 [5]吕西林,等.结构地震作用和抗震概念设计[M】.武汉:武汉理工大学出版社 性等问题方面进行合理的设计,再辅以必要的计算和构造措施。才能 2004. 消除建筑物抗震的簿弱环节,以达 合理抗震设计的目的d 1乍者简介:刘 ̄-fz-(1972一),男,江苏南京人,南京广建设计工程有限公司 大学本科,工程师,主要从事结构设计。 【参考文献】 []JgJ3—2002高层建筑混凝土结构技术规程【s】. [2]GB50011-2001建筑抗震设计规范【s】. [责任编辑:张慧] 182 

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