基于模糊數(shù)學理論的川南地區(qū)典型小流域生態(tài)清潔度綜合評價

周 萍, 文安邦, 嚴冬春, 史忠林, 周 繼

(1.中國科學院，水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所, 山地表生過程與生態(tài)調控重點實驗室, 成都 610041; 2.中國科學院大學，北京 100049)

小流域作為水源匯集的最小單元，是區(qū)域水源保護和水土保持工作的基本要素[1-2]。小流域作為一個開放的、多元化的自然—社會—經濟綜合體，是生態(tài)經濟活動的基礎，其可持續(xù)、健康發(fā)展對區(qū)域人口的生存與發(fā)展起著重要作用[3]。中國的小流域治理工作始于20世紀50 年代[4]。并于80年代初在全國各地相繼開展，到1991年《水土保持法》的頒布，標志著小流域治理進入到以預防為主、依法綜合治理階段。生態(tài)清潔小流域建設的提出源于2003 年，北京市以水源保護為首要目的，首次開展生態(tài)清潔小流域的建設和探索[5]。建設生態(tài)清潔小流域是對傳統(tǒng)的小流域綜合治理的繼承和發(fā)展，生態(tài)清潔小流域綜合治理涉及水土保持、面源污染、點源污染、河流健康和人居環(huán)境等方面[6]。到2014 年底，全國已有30個省的335個縣開展了生態(tài)清潔小流域建設，實施小流域約800 條[7-8]。2018年根據(jù)《關于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略加快推進生態(tài)清潔小流域建設的指導意見》，提出了以生產發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展為要求，結合區(qū)域自然和經濟社會條件稟賦，生態(tài)清潔小流域建設原則上劃分為生態(tài)區(qū)、生產區(qū)、生活區(qū)。根據(jù)“三區(qū)”功能，因地制宜開展流域水系整治、水土流失綜合治理、生態(tài)農業(yè)推廣和人居環(huán)境整治。生態(tài)清潔小流域涉及了系統(tǒng)論、生態(tài)經濟學、景觀生態(tài)學、可持續(xù)發(fā)展理論、水土保持學及生態(tài)系統(tǒng)控制理論等[1]。中國目前在生態(tài)清潔小流域的建設、治理模式等方面已取得了一定成效[9]。

為對小流域的生態(tài)清潔現(xiàn)狀和建設成果進行客觀評價，需建立科學可行的評價指標體系。已有研究主要針對小流域生態(tài)系統(tǒng)健康、小流域生態(tài)經濟評價、小流域水環(huán)境質量等方面評價，對生態(tài)清潔小流域整體綜合評價的研究較缺乏，未建立系統(tǒng)的指標體系及評價方法[10]。選擇合適的評價方法是小流域綜合治理效果評價的關鍵，主要從生態(tài)、經濟和社會三大效益框架出發(fā)[11-12]，利用定性與定量相結合的方法進行流域生態(tài)系統(tǒng)評價。主要研究方法有綜合指數(shù)法[13]、主成分分析法[14]、層次分析法[15-16]、PSR框架模型法[17]、模糊數(shù)學法等。史曉霞等[18]運用逐次投影尋蹤模型對馬來西亞雪蘭莪州的生態(tài)環(huán)境脆弱度進行評價研究。林積泉等[19]構建了小流域環(huán)境質量的綜合評價指標體系。李智廣等[20]對典型小流域治理綜合效益評價的主要指標體系進行了分析和歸類。而與生態(tài)清潔小流域“三區(qū)”功能評價相關的研究還較缺乏。同時急需結合當前研究與實踐的重點，建立科學、可操作的生態(tài)清潔小流域評價指標體系，為不同類型小流域建立相應治理模式提供參考依據(jù)[21]。本文根據(jù)生態(tài)清潔小流域的基本理論及建設實踐，并選擇川南地區(qū)清溪谷典型生態(tài)清潔小流域建設的實際情況，擬采用模糊數(shù)學分析方法和層次分析法，從生態(tài)清潔小流域新要求的生態(tài)、生產、生活3方面進行分析，結合研究區(qū)調研和專家咨詢，選取24個評價指標，構建符合該區(qū)特征的綜合評價指標體系框架，對川南地區(qū)典型生態(tài)清潔小流域清溪谷小流域的生態(tài)清潔程度進行科學的評價研究，以期體現(xiàn)小流域生態(tài)環(huán)境在綜合治理后的清潔現(xiàn)狀和水平，有效指導山區(qū)各級生態(tài)清潔小流域建設工程實施方案的制定，同時為類似區(qū)域生態(tài)清潔小流域建設及其效果評價提供科學理論與數(shù)據(jù)支持。

1 研究內容與方法

1.1 研究區(qū)概況

清溪谷小流域位于四川省瀘州市納溪區(qū)西北大渡口鎮(zhèn)中部，地理位置105°14′20″—105°18′40″E，28°40′40″—28°43′20″N，距離納溪城區(qū)15 km。小流域面積23.58 km2，地勢南高北低，地形地貌屬于丘陵地貌，海拔在264～480 m之間，相對高差60～100 m，流域內溝谷縱橫，狹窄，箱形谷發(fā)育，構造軸部丘頂多形成坪狀高地，軸部兩側呈緊湊排列的陡斜面丘。清溪谷小流域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫17.4 ℃，年極端最高氣溫40.2 ℃，年極端最低氣溫-1.2 ℃，年日照時數(shù)1 050.5 h，無霜期315 d。年平均降水量1 300 mm，降雨量集中在夏秋季的5—9月，占全年降水量的70%，6—8月是暴雨季節(jié)，最大日降雨達150 mm。植被覆蓋率為67.81%。小流域內主要糧食作物是水稻、玉米，主要經濟作物有茶、李子等。流域內的丘頂、部分丘坡有成片天然林，主要為雜竹林。水土流失面積為1.25 km2，占土地總面積的5.3%，主要為水力侵蝕。近年來，隨著流域旅游產業(yè)的發(fā)展，污水、垃圾污染較嚴重，河道水質明顯下降。部分地區(qū)由于植被破壞、徑流改變，土壤乃至地質結構受到影響，存在潛在地質災害。2016年以來，清溪谷小流域嚴格按照建設生態(tài)清潔型小流域的水土保持思路，開展清潔小流域綜合治理工作。目前，該小流域水土流失綜合治理程度在85%以上，林草保存面積占宜林宜草面積的80%以上，25°以上的坡耕地全部退耕還林還草，小流域內平均土壤侵蝕量控制在土壤容許流失量以下。

1.2 資料收集及指標數(shù)據(jù)獲取

清溪谷典型小流域生態(tài)清潔度綜合評價采用的基礎資料有1∶5 萬地形圖，1∶5萬土壤侵蝕強度圖，1∶5 萬植被覆蓋圖(2017年)，1∶10 萬土地利用現(xiàn)狀圖(2017年)。基礎數(shù)據(jù)主要來源于實地調研和研究區(qū)域內長期監(jiān)測數(shù)據(jù)。清溪谷典型小流域水土流失數(shù)據(jù)依據(jù)2011年全國第一次水利普查成果資料，結合現(xiàn)場調查復核的方法確定，土地利用結構及比例、人均水資源量、人口數(shù)量、人均農業(yè)產值、人均住房、第一和第三產業(yè)比值、人均旅游文化產值及人均純收入等數(shù)據(jù)通過以流域為單位實地調研獲取，溝道水文形態(tài)、水質狀況及土壤侵蝕等數(shù)據(jù)來自研究區(qū)內長期定位觀測氣象站和把口站。社會經濟數(shù)據(jù)依據(jù)瀘州市納溪區(qū)2017年統(tǒng)計年鑒、已有文獻資料、現(xiàn)場訪談調查和實地考察等形式獲取，并通過采樣分析補充部分評價指標并驗證指標信息的準確性。

1.3 評價指標體系的框架

生態(tài)清潔小流域評價指標體系應充分體現(xiàn)出小流域在水土流失綜合治理后的清潔現(xiàn)狀和水平,指標可衡量研究區(qū)實施清潔小流域建設后的生產生活條件和生態(tài)環(huán)境狀況。生態(tài)清潔小流域建設評價指標體系的建立應遵循科學性、代表性、可操作性、適用性等原則[22]，根據(jù)指標體系的遴選和建立方法以及清溪谷典型小流域的自然、社會和經濟特征，采用層次分析法構建生態(tài)經濟評價指標體系的框架，清溪谷小流域的生態(tài)經濟指標體系分為3個層次(目標層、準則層、指標層)，包含3個子系統(tǒng)(生態(tài)區(qū)子系統(tǒng)、生產區(qū)子系統(tǒng)、生活區(qū)子系統(tǒng))。剔除有關聯(lián)的指標，本研究初選可以反映典型小流域生態(tài)清潔度的要素指標24項作為小流域生態(tài)清潔度綜合評價指標(表1)。

表1 清溪谷典型小流域生態(tài)清潔度綜合評價指標體系

注：表1 中溝道水文形態(tài)指河流中支撐生物生存的水文及形態(tài)要素，其對水體自然狀態(tài)保持、生物群落的多樣性等具有重要意義，受人類活動的影響較顯著[23]。溝道行洪能力指小流域內村莊不被淹沒或者淹沒損失較小的洪水重現(xiàn)期幾年一遇。

1.4 評價方法

1.4.1 評價指標的歸一化 清溪谷典型小流域生態(tài)清潔度綜合評價首先是對評價指標進行歸一化處理，由于評價系統(tǒng)的具體指標具有不同的量綱和量綱單位，為了解決模型參數(shù)的量綱統(tǒng)一問題，需對具體指標的原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。首先運用模糊集合理論引入隸屬函數(shù)進行指標量化(無量綱標準化處理)。

對于效益型指標，有：yij=(xij/xjmax)c×100%

(1)

對于成本型指標，有：yij=(xjmin/xij)c×100%

(2)

式中：xjmax,xjmin——Ij指標的最大值和最小值，系統(tǒng)運行最佳值。C——刻畫模糊度的常數(shù)，一般C>1，這里取1.1(生態(tài)清潔小流域系統(tǒng)模糊度較低)?；谏鷳B(tài)清潔小流域綜合評價的調查，結合相關標準和專家意見確定清溪谷小流域各項評價指標的上、下限閾值。

1.4.2 評價指標權重的確定 評價過程的關鍵是評價指標權重的確定，評價指標權重的確定是對評價指標的重要性進行賦權，即對各評價指標在整個系統(tǒng)中的影響程度進行度量，以量化和區(qū)分其貢獻大小。由于層次分析法確定多層次多要素的指標權重具有高度的邏輯性、系統(tǒng)性、簡潔性和實用性等優(yōu)點，涉及到的數(shù)據(jù)指標明確簡單，可操作性較好[24]，且考慮生態(tài)清潔小流域評價的多層次性、多因素性，是一個定性與定量相結合的評價系統(tǒng)，因此，本文采用層次分析法來確定評價指標的權重，并進行判斷矩陣的一致性檢驗[25]。若A層次中因素Ak與下層次B1、B2、B3…Bn有聯(lián)系，則判斷矩陣如下：

(3)

式中：bij——判斷矩陣P中的元素，表示對因素Ak而言，Bi與Bj相對重要性的數(shù)值。通過判斷矩陣可以得出各評價指標對上一層因素的權重以及各要素對目標層的權重。

根據(jù)評價體系結構，選用能夠較好解決復雜系統(tǒng)中多層次、多結構和單目標的層次分析法進行小流域生態(tài)清潔評價，提出小流域生態(tài)清潔指數(shù)(C)的計算方法：

(4)

式中：Ai——子目標層內第i個子目標的權重；Bj——某子目標層下第j個指標在該子目標層所占權重；Pij——子目標層內第i個子目標層下選取的第j個指標無量綱化后的分值；m——子目標層內子目標的個數(shù)；n——指標層內指標的個數(shù)。

1.4.3 劃分標準 參考李浩宇等[26]對于流域生態(tài)健康指標評價標準的相關研究的劃分標準，將生態(tài)清潔小流域評價結果分為4 個等級:很清潔、清潔、較清潔、不清潔，并建立生態(tài)清潔小流域評價總得分與評價等級的對應關系為：>0.85 分，“很清潔”等級，0.85 ～0.75 分，“清潔”等級；0.75 ～0.60 分，“較清潔”等級；<0.60 分，“不清潔”等級(表2)。

表2 生態(tài)清潔小流域評價等級劃分評價總得分

2 結果與分析

2.1 清溪谷典型小流域生態(tài)清潔度綜合評價指標體系的權重

根據(jù)生產發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展要求，結合當?shù)刈匀缓徒洕鐣l件稟賦，清溪谷生態(tài)清潔小流域劃分為生態(tài)區(qū)、生產區(qū)、生活區(qū)。需根據(jù)“三區(qū)”功能，因地制宜實施了流域水系整治、水土流失綜合治理、生態(tài)農業(yè)推廣和人居環(huán)境整治。首先對統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實地調查數(shù)據(jù)進行歸一化無量綱處理。并運用模糊集合理論分別對效益型指標和成本型指標進行無量綱標準化處理量化。再通過建立指標決策矩陣，并計算指標層和準則層的權重系數(shù)(表3)。

由表3可以看出，清溪谷典型小流域生態(tài)清潔度綜合評價中生產指標和生活指標權重明顯高于生態(tài)指標，說明清溪谷典型小流域經過生態(tài)清潔治理后，生態(tài)環(huán)境顯著改善，對該小流域的生態(tài)農業(yè)發(fā)展及人居環(huán)境整治還需加強。清溪谷典型小流域由于其獨特的地質地貌及氣候水文條件，較適合發(fā)展農業(yè)生態(tài)旅游及具有地方區(qū)域特色的特早茶種植，這對該生態(tài)清潔小流域的生態(tài)農業(yè)發(fā)展、農民增收及聚落環(huán)境改善具有較強的促進作用。清溪谷小流域的生態(tài)指標主要是針對流域水系整治及水土流失綜合治理，其中溝道水文形態(tài)(指標權重為0.045)、土壤侵蝕模數(shù)(指標權重為0.045)和林業(yè)用地比例(指標權重為0.047)3個指標對生態(tài)環(huán)境的影響較大。生產指標主要是針對小流域的生態(tài)農業(yè)建設和發(fā)展提出的，其中人均旅游文化產值(指標權重為0.051)，第一和第三產業(yè)比值(指標權重為0.055)及農民人均純收入(指標權重為0.054)3個指標對該小流域生態(tài)農業(yè)產業(yè)發(fā)展影響較大。生活指標主要是指對小流域人居環(huán)境的整治。生活指標中影響較大的指標為生活垃圾處理率(指標權重為0.048)、化肥施用強度(指標權重為0.053)和農藥施用強度(指標權重為0.055)。從生態(tài)清潔小流域的評價指標框架及評價結果來看，生態(tài)指標(流域水系整治及水土流失綜合治理)所占權重為0.247，生產指標(生態(tài)農業(yè))所占權重為0.373，生活指標(人居環(huán)境整治)所占權重為0.380。清溪谷生態(tài)清潔小流域建設的重點為生態(tài)農業(yè)建設和人居環(huán)境整治，即生產區(qū)和生活區(qū)建設為主。

表3 清溪谷典型小流域生態(tài)清潔度綜合評價指標權重

2.2 清溪谷典型小流域生態(tài)清潔度綜合評價與等級劃分

對清溪谷典型小流域生態(tài)清潔系統(tǒng)進行綜合評價與等級劃分時，運用模糊數(shù)學理論和層次分析法，將評價總指數(shù)的范圍劃分成若干連續(xù)區(qū)間，每一區(qū)間代表一個評價等級，每個區(qū)間代表一種流域發(fā)展狀況，形成連續(xù)的等級階梯。同時，參考李浩宇等[26]對流域生態(tài)健康指標評價標準的相關研究的劃分標準，本研究運用多目標分級評價方法，得出清溪谷生態(tài)清潔小流域生態(tài)指標層得分為0.732，生產指標層得分為0.807，生活指標層得分為0.764，小流域綜合評價總得分為0.772(表4)。

由表4可知，該小流域系統(tǒng)已達到“清潔”等級，系統(tǒng)處于良性、協(xié)調、穩(wěn)定發(fā)展狀態(tài)。通過清潔型小流域治理，改善了當?shù)剞r業(yè)生產條件、完善產業(yè)結構調整，有效控制了面源污染，提供了潔凈的水源、優(yōu)美的生態(tài)和人居環(huán)境，促進了流域水土資源、生態(tài)環(huán)境和經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

表4 清溪谷典型小流域生態(tài)清潔度綜合評價及等級

3 討論與結論

本研究基于清溪谷典型小流域的自然、社會和經濟特征，采用模糊數(shù)學法和層次分析法構建生態(tài)清潔評價指標體系的框架，將清溪谷生態(tài)清潔小流域的綜合評價指標體系分為3個層次，即目標層、準則層、指標層，包含生態(tài)區(qū)、生產區(qū)、生活區(qū)3個子系統(tǒng)，剔除關聯(lián)度較高的指標，本研究初選溝道水文形態(tài)、農業(yè)用地比例、生活污水處理率等24項作為清溪谷小流域生態(tài)清潔度綜合評價的指標因子。

通過開展清溪谷清潔小流域的各項綜合治理，使得該小流域的土壤侵蝕面積減少，部分水土流失區(qū)域轉化成了農業(yè)用地或經濟林用地，小流域水質狀況由治理之前的Ⅳ類水質提升為Ⅲ類水質。近幾年來，清溪谷生態(tài)清潔小流域的生態(tài)旅游觀光業(yè)、特早生態(tài)有機茶園建設、特色農家樂等不斷發(fā)展，帶動了流域系統(tǒng)人均旅游文化產值的提高，一定程度上增加了農民收入。在人居環(huán)境整治方面，主要從農村生活污水處理率、生活垃圾處理率的提高和農業(yè)化肥、農藥使用強度的減少為主要抓手，進行清潔小流域生活區(qū)的建設和改善，從而提高整個清潔小流域的建設效果。從研究結果來看，清溪谷生態(tài)清潔小流域建設以生態(tài)區(qū)、生產區(qū)、生活區(qū)“三區(qū)”建設為核心。因地制宜實施流域水系整治、水土流失綜合治理、生態(tài)農業(yè)推廣和人居環(huán)境整治，從生態(tài)清潔小流域的評價指標框架及評價結果來看，流域水系整治及水土流失綜合治理的生態(tài)指標所占權重為0.247，生態(tài)指標層得分為0.732，生產指標所占權重為0.373，生產指標層得分為0.807，人居環(huán)境整治所占權重為0.380，生活指標層得分為0.764，該生態(tài)清潔小流域建設的重點為生態(tài)農業(yè)建設和人居環(huán)境整治，即生產區(qū)和生活區(qū)建設為主。再運用多目標分級評價方法得出清溪谷典型小流域生態(tài)清潔度的綜合評價總指數(shù)分值為0.772，說明清溪谷典型小流域生態(tài)清潔系統(tǒng)已達到“清潔”等級，小流域系統(tǒng)處于良性、協(xié)調、穩(wěn)定的發(fā)展狀態(tài)。

本研究運用模糊數(shù)學法和層次分析法不僅避免了人為制定權重的主觀性，評價理論清晰，評價方法簡捷，可操作性強，也反映了生態(tài)清潔小流域在建設前后的突變特征。但本研究中仍存在一些不足。如本研究在各指標的選取過程中不可避免的受到人為主觀因素的影響，各指標間的相對重要性可能會隨著生態(tài)清潔小流域在治理和發(fā)展而變化。同時，當前生態(tài)清潔小流域建設中還存在前期的調查和監(jiān)測較少或缺失等問題。且隨著生態(tài)清潔小流域建設工作不斷推進，如何系統(tǒng)地開展監(jiān)測以及準確地評價生態(tài)清潔小流域建設效果，仍是擺在水土保持管理者和建設者面前的一個難題[27]。需要在今后的工作中，將評價體系不斷運用于實踐，根據(jù)分析評價效果與實際效果的契合度進行不斷修正，使評價結果更加客觀和準確，使評價體系更趨完善和科學，為類似小流域或區(qū)域生態(tài)清潔綜合治理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。