陜西省丹漢江流域重點(diǎn)水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)

張秦嶺，李占斌，王 星

(1 西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2 陜西省水土保持局，陜西 西安 710004)

水土保持措施的適宜性即措施的采納程度，受多種因素的影響[1-2]。水土保持措施的適宜性評(píng)價(jià)是水土保持基礎(chǔ)理論研究的重要內(nèi)容之一。系統(tǒng)分析不同水土保持措施的防治機(jī)制和適宜條件，弄清各種措施的效益，對(duì)于豐富水土保持措施的理論知識(shí)具有十分重要的意義。水土保持措施的適宜性評(píng)價(jià)也是小流域水土保持措施優(yōu)化配置的基礎(chǔ)，可以為水土保持規(guī)劃和土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)確保區(qū)域生態(tài)安全、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，針對(duì)水土保持適宜性評(píng)價(jià)方面的研究，主要是通過(guò)分析水土保持措施的效應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)其好壞；或者通過(guò)水土保持措施的采納程度及其保存率，以及小流域水土保持措施的優(yōu)化配置，來(lái)間接探討水土保持措施的適應(yīng)性[3-4]。這些研究主要存在2點(diǎn)不足：一是水土保持適宜性的理論尚有欠缺，目前僅見(jiàn)對(duì)措施適宜性的定性分析和描述，還無(wú)較為系統(tǒng)的適宜性評(píng)價(jià)理論；二是水土保持適宜性評(píng)價(jià)研究成果明顯不足，特別是水土保持的區(qū)域適宜性研究尚不多見(jiàn)。

水土保持綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是在對(duì)大量信息進(jìn)行綜合的基礎(chǔ)上全面建立的包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境在內(nèi)的指標(biāo)體系，以全面表征流域生態(tài)系統(tǒng)的主要特征。水土保持的適宜性評(píng)價(jià)一般通過(guò)對(duì)典型區(qū)域的詳查，從水土資源、生態(tài)與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面構(gòu)建水土保持綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；然后根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，量化各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)各層次指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行賦值；最后對(duì)典型區(qū)域的水土保持情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[5]。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的水土保持作為一項(xiàng)社會(huì)公益事業(yè)，其投資和實(shí)施主體以國(guó)家為主，絕大部分投資為國(guó)家投資，其中又以中央投資為主，同時(shí)發(fā)動(dòng)群眾積極參與[6]，能夠大規(guī)模實(shí)施并且產(chǎn)生顯著效益的主要是國(guó)家重點(diǎn)水土保持工程。在水土保持措施中能夠產(chǎn)生明顯生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的主要是坡改梯、造林種草等坡面治理措施。因此，在水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)中應(yīng)加大中央投資和坡面治理措施的權(quán)重。

目前用于水土保持適宜性評(píng)價(jià)的方法較多，有學(xué)者用成因分析法和對(duì)比分析法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了水土保持效應(yīng)的估算[7]。有學(xué)者用決策模型和成本-效益分析等方法對(duì)水土保持措施采納程度的影響因素進(jìn)行了定量分析[8]。有學(xué)者提出“雙套對(duì)偶評(píng)價(jià)指標(biāo)體系”,構(gòu)建“求-供”指標(biāo)體系和“產(chǎn)-望”指標(biāo)體系[4]。有學(xué)者采用層次分析法對(duì)縣域水土保持治理措施進(jìn)行了適宜性評(píng)價(jià)[9]。

在陜西省丹漢江流域長(zhǎng)期的水土保持實(shí)踐中，形成了以工程措施、生物措施和耕作措施為主，以山、水、田、林、路等綜合配套的小流域治理體系，取得了顯著的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本研究以20世紀(jì)80年代以來(lái)陜西省丹漢江流域?qū)嵤┑膰?guó)家重點(diǎn)水土保持工程為研究對(duì)象，分析各時(shí)期水土保持工程的動(dòng)態(tài)變化，分別采用層次分析法和主成分分析法，對(duì)水土保持工程的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)2種方法評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行比較，以期為進(jìn)一步開(kāi)展丹漢江流域水土保持工程建設(shè)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 丹漢江流域重點(diǎn)水土保持工程的完成情況

1989-2010年，陜西省丹漢江流域先后實(shí)施了長(zhǎng)江上中游水土保持重點(diǎn)防治工程(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)治”工程)1～7期項(xiàng)目(編號(hào)為C1～C7)及丹江口庫(kù)區(qū)和上游水土保持工程(簡(jiǎn)稱“丹治”工程)1期項(xiàng)目(編號(hào)為D1)。為了防止重復(fù)投資，“長(zhǎng)治”工程和“丹治”工程各時(shí)期項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中小流域范圍不得重疊，各時(shí)期的治理思路基本一致，主要包括綜合治理措施(坡面整治、溝道防護(hù)、水土保持林草、疏溪固堤、治塘筑堰等)和生態(tài)修復(fù)措施(封育管護(hù)、能源替代、舍飼養(yǎng)畜畜棚等)。

陜西省丹漢江流域各時(shí)期重點(diǎn)水土保持工程的完成情況見(jiàn)表1。從表1可以看出，20世紀(jì)80年代以來(lái)，陜西省丹漢江流域水土保持工程的實(shí)施范圍逐漸擴(kuò)大，由“長(zhǎng)治”1期的3個(gè)縣擴(kuò)大到“丹治”1期的24個(gè)縣；小流域條數(shù)逐漸增加，由“長(zhǎng)治”1期的7條增加到“丹治”1期的348條；單位面積總投資呈增加趨勢(shì)，由“長(zhǎng)治”1期的5.09萬(wàn)元/km2提高到“丹治”1期的24.94萬(wàn)元/km2，在“長(zhǎng)治”5期達(dá)到最大值34萬(wàn)元/km2；單位面積中央投資逐漸增加，由“長(zhǎng)治”1期的0.8萬(wàn)元/km2增加到“丹治”1期的13.45萬(wàn)元/km2，提高了15.8倍；中央投資比例逐漸增加，由“長(zhǎng)治”1期的15.8%提高到“丹治”1期的53.9%。

由于每一期工程的建設(shè)規(guī)模不同，社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況、治理措施、完成投資和治理效益也不同。隨著工程實(shí)施時(shí)期的延伸，增加的人均基本農(nóng)田和經(jīng)果林面積略有減少，但糧食單位面積產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)人均純收入?yún)s大幅提高，說(shuō)明治理措施的質(zhì)量提高。蓄水池(窖)、谷坊、溝渠等小型水利水保工程數(shù)量明顯增加，說(shuō)明工程建設(shè)中更加重視農(nóng)田基本建設(shè)的配套措施，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到改善。年攔蓄泥沙量、年攔蓄徑流量、糧食增產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)林果增產(chǎn)量均呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明工程的效益逐漸顯著。

表1 丹漢江流域各時(shí)期重點(diǎn)水土保持工程的完成情況

續(xù)表1 Continued table 1

2 水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

水土保持綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和資源環(huán)境指標(biāo)，是對(duì)大量信息的綜合，應(yīng)能全面表征流域生態(tài)系統(tǒng)的主要特征。一般采用典型區(qū)域水土流失詳查，從水土資源、生態(tài)與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面構(gòu)建水土保持綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[8]。本研究根據(jù)陜西省丹漢江流域生態(tài)環(huán)境和水土保持工程實(shí)施的實(shí)際情況，結(jié)合已有研究成果[10-12]，選取24個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立丹漢江流域水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層由4個(gè)一級(jí)指標(biāo)構(gòu)成，即社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況、治理措施、完成投資和治理效益，每個(gè)一級(jí)指標(biāo)又各自包含幾個(gè)最能反映其內(nèi)涵的二級(jí)指標(biāo)，具體如表2所示。

表2 丹漢江流域水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系

3 基于層次分析法的水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)

用層次分析法進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，首先需將問(wèn)題層次化，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型；然后通過(guò)專家獨(dú)立打分，求平均(去掉最小值和最大值)分值，確定準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重；最后構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行排序與一致性檢驗(yàn)，排序結(jié)果滿足一致性檢驗(yàn)要求，得出判斷矩陣及運(yùn)算結(jié)果，如表3所示。由表3可知，4個(gè)準(zhǔn)則層的權(quán)重排名是：治理措施(U2)>完成投資(U3)>治理效益(U4)>社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況(U1)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況中權(quán)重最大的是農(nóng)業(yè)人均增加純收入(M6)，治理措施中權(quán)重最大的是水土流失治理面積(M8)，完成投資中權(quán)重最大的是中央投資(M19)，治理效益中權(quán)重最大的是年攔蓄泥沙量(M20)。所有24個(gè)指標(biāo)中權(quán)重排名前3位的分別是中央投資(M19)、水土流失治理面積(M8)和坡改梯面積(M9)。

表3 丹漢江流域水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重排序

指標(biāo)在各時(shí)期工程實(shí)施過(guò)程中的隸屬度為某一評(píng)價(jià)指標(biāo)在某一時(shí)期的數(shù)值占該指標(biāo)總和的比例。丹漢江流域不同時(shí)期水土保持工程各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值見(jiàn)表4。

獲得了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度值之后，按照層次分析法，將各適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值進(jìn)行加權(quán)組合，按下式計(jì)算各時(shí)期水土保持工程適宜性的綜合評(píng)價(jià)分值(EI)。

式中：EI為評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)分值，Wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，F(xiàn)i為第i個(gè)指標(biāo)的隸屬度值[10]。

利用得到的各時(shí)期水土保持工程適宜性綜合評(píng)價(jià)分值對(duì)“長(zhǎng)治”1～7期工程和 “丹治”1期工程的適宜性進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，從“長(zhǎng)治”工程1期到7期，綜合評(píng)價(jià)分值EI一直呈波動(dòng)變化，其中“長(zhǎng)治”工程3期EI值最大，“長(zhǎng)治”工程6期EI值最小。2007年啟動(dòng)實(shí)施的“丹治”1期工程由于其治理范圍廣、投資量大、效益顯著，EI值急劇提高，是“長(zhǎng)治”工程3期的3.6倍，顯示該工程具有較強(qiáng)的適宜性。

表4 丹漢江流域不同時(shí)期水土保持工程各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值

表5 丹漢江流域不同時(shí)期水土保持工程適宜性綜合評(píng)價(jià)分值(EI)的計(jì)算結(jié)果

4 基于主成分分析法的水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)

主成分分析法的主要步驟是：(1)根據(jù)研究問(wèn)題選取指標(biāo)與數(shù)據(jù)；(2)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，采用SPSS軟件(社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包)自動(dòng)執(zhí)行[13]；(3)判定指標(biāo)之間的相關(guān)性；(4)確定主成分個(gè)數(shù)；(5)主成分表達(dá)式；(6)主成分命名；(7)計(jì)算主成分與綜合主成分(評(píng)價(jià))值[14]。本研究首先在表1和表2中選取8個(gè)樣本，即從“長(zhǎng)治”1期到“丹治”1期的每個(gè)樣本中選取24個(gè)變量指標(biāo)，構(gòu)成1個(gè)8×24階的數(shù)據(jù)矩陣。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即消除量綱的影響，統(tǒng)一成無(wú)量綱的數(shù)據(jù)。最后利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法，在SPSS軟件中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣轉(zhuǎn)置，如表6所示。利用表6的結(jié)果，求得標(biāo)準(zhǔn)化后的相關(guān)關(guān)系矩陣見(jiàn)表7。

表6 基于主成分分析法的丹漢江流域水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的矩陣轉(zhuǎn)置

表7 丹漢江流域水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系矩陣

續(xù)表7 Continued table 7

然后，計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率，分析結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 丹漢江流域水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)中主成分的方差分析

選取表8中初始特征值大于1的4個(gè)成分(成分1、成分2、成分3、成分4)為主成分。根據(jù)主成分分析原理，用雅可比法(Jacobi)[15]求出特征值及對(duì)應(yīng)于特征值的特征向量，并將其按大小順序排列。4個(gè)主成分的特征向量見(jiàn)表9。

表9 丹漢江流域水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)中各主成分的特征向量

由主成分分析法原理，加權(quán)計(jì)算出各主成分以及綜合成分的得分矩陣，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 丹漢江流域水土保持工程適宜性評(píng)價(jià)中各主成分和綜合成分的得分矩陣

比較表5和表10可見(jiàn),用層次分析法和主成分分析法對(duì)陜西省丹漢江流域重點(diǎn)水土保持工程的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果中，除了“長(zhǎng)治”2期和“長(zhǎng)治”4期的排名略有差異外，其余工程的結(jié)果基本一致，說(shuō)明本研究的評(píng)價(jià)結(jié)果較為合理。

5 結(jié) 論

本研究采用層次分析法和主成分分析法，對(duì)陜西省丹漢江流域重點(diǎn)水土保持工程的適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，目前已經(jīng)完成的陜西省丹漢江流域水土保持工程中，適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重排名前3位的分別是中央投資、水土流失治理面積和坡改梯面積。從“長(zhǎng)治”工程1期到7期，適宜性綜合評(píng)價(jià)分值一直呈波動(dòng)變化，到“丹治”1期工程時(shí)急劇提高，顯示“丹治”1期工程具有較強(qiáng)的適宜性，且利用層次分析法和主成分分析法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Bekele W,Drake L.Soil and water conservation decision behavior of subsistence farmers in the Eastern Highlands of Ethio-pia:A case study of the Hunde-Lafto area [J].Ecological Economics,2003,46(3)：437-451.

[2] Bewket W.Soil and water conservation intervention with conventional technologies in northwestern highlands of Ethiopia:Acceptance and adoption by farmers [J].Land Use Policy,2007,24(2)：404-416.

[3] 代富強(qiáng),劉剛才.紫色土丘陵區(qū)典型水土保持措施的適宜性評(píng)價(jià) [J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2011,9(4):23-30.

Dai F Q,Liu G C.Suitability evaluation of typical soil and water conservation measures in hilly areas of purple soil [J].Science of Soil and Water Conservation，2011,9(4):23-30.(in Chinese)

[4] 劉剛才,張建輝,杜樹漢,等.關(guān)于水土保持措施適宜性的評(píng)價(jià)方法 [J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2009,7(1):108-111.

Liu G C,Zhang J H,Du S H,et al.On the suitability assessment of soil and water conservation measures [J].Science of Soil and Water Conservation,2009,7(1):108-111.(in Chinese)

[5] 劉紀(jì)根,張平倉(cāng),喻惠花.水土流失治理率綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架研究 [J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2008,25(3):82-85,89.

Liu J G,Zhang P C,Yu H H.Health diagnosis in representative regions in Changjiang Basin based on soil and water loss improvement rate [J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2008,25(3):82-85,89.(in Chinese)

[6] 張志蘭.水土保持工程投資狀況分析與對(duì)策 [J].中國(guó)水土保持,2002,24(6):13-14.

Zhang Z L.Analysis and prevention countermeasures of investment of soil and water conservation engineering [J].Chinese Journal of Soil and Water Conservation,2002,24(6):13-14.(in Chinese)

[7] 陳江南,曾茂林,康玲玲,等.孤山川流域已有水土保持措施蓄水減沙效益計(jì)算成果分析 [J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(4):135-138.

Chen J N,Zeng M L,Kang L L,et al.Analysis of water and sediment reduction effects by completed soil and water conservation treatments in Gushanchuan Watershed [J].Journal of Soil and Water Conservation,2003,17(4):135-138.(in Chinese)

[8] Tenge A J,Graaff J D,Hella J P.Financial efficiency of major soil and water conservation measures in West Usambara highlands,Tanzania [J].Applied Geography,2005,25(4):348-366.

[9] 仇亞琴,王水生,賈仰文,等.汾河流域水土保持措施水文水資源效應(yīng)初析 [J].自然資源學(xué)報(bào),2006,21(1):26-32.

Qiu Y Q,Wang S S,Jia Y W,et al.Analysis of hydrology and water resources effects by soil and water conservation treatments in Fenhe River Basin [J].Journal of Natural Resource,2006,21(1):26-32.(in Chinese)

[10] 陳梓玄,李占斌,李 鵬,等.陜北黃土高原縣域水土保持治理的適宜性評(píng)價(jià) [J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,37(12):159-167.

Chen Z X,Li Z B,Li P,et al.Suitability evaluation of soil and water conservation of counties in Loess Plateau [J].Journal of Northwest A&F University：Nat Sci Ed,2009,37(12):159-167.(in Chinese)

[11] Dawson E M,Roth W H,Drescher A.Slope stability analysis by strength reduction [J].Geotechnique,1999,49(6):835-840.

[12] Zhang X,Quine T A,Walling D E.Soil erosion rates on sloping cultivated land on the Loess Plateau near Ansai,Shaanxi Province,China:An investigation using 137Cs and rill measurements [J].Hydrology Processes,1998,12(1):171-189.

[13] 張 力.SPSS在生物統(tǒng)計(jì)中的應(yīng)用 [M].福建廈門:廈門大學(xué)出版社，2008.

Zhang L.Application of SPSS in biometric [M].Xiamen,Fujian:Xiamen University Pess,2008.(in Chinese)

[14] 白慧強(qiáng).主成分分析法在SPSS中的應(yīng)用：以文峪河河岸帶林下草本群落為例 [J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009,19(9):173-176.

Bai H Q.The application of the principle components analysis in SPSS：Taking the herbage community under forest in the riparian zone of Wenyuhe River as the example [J].Sci-tech Information Development & Economy,2009,19(9):173-176.(in Chinese)

[15] 劉銳寬,陶敬東.雅可比(Jacobi)方程的一種解法 [J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1994,13(4):115-118.

Liu R K,Tao J D.A solution of Jacobi equation [J].Journal of Fuxin Mining Institute:Nat Sci Ed,1994,13(4):115-118.(in Chinese)