基于多層次模糊綜合法的小流域水土保持效益評(píng)價(jià)

霍 妍

(遼寧省朝陽(yáng)縣水土保持局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 引 言

水土流失的積累性、廣泛性和不可逆性特征，決定了水土保持在促進(jìn)社會(huì)發(fā)展和完善自然環(huán)境等方面的重要性地位。水土保持普遍存在多功能、多部門和多學(xué)科的特點(diǎn)，所以必須采用效益評(píng)價(jià)來(lái)判別水土流失治理規(guī)劃的可行性和合理性。各要素對(duì)水土保持效益評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)率難以精確的定量分析，且不同影響因子之間的作用關(guān)系較為復(fù)雜，效益評(píng)價(jià)屬于一個(gè)多層次、多要素的模糊性復(fù)雜系統(tǒng)。另外，從整體上來(lái)說(shuō)其系統(tǒng)功能存在多屬性的特點(diǎn)，即水土保持評(píng)價(jià)屬于具有模糊性、多屬性特征的復(fù)雜問(wèn)題[1-5]。根據(jù)朝陽(yáng)縣羊山溝小流域治理實(shí)際情況和已有研究成果，從多個(gè)不同方面選擇評(píng)價(jià)因子構(gòu)建指標(biāo)體系，對(duì)水保效益利用多層次模糊法進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，以期為全面掌握水土保持改善生態(tài)環(huán)境、遏制水土流失的成效，優(yōu)化設(shè)計(jì)小流域綜合治理方案提供一定參考。

1 多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型

針對(duì)多約束、多層次和多因素的難以用精確數(shù)學(xué)法描述的復(fù)雜問(wèn)題模糊數(shù)學(xué)法具有較強(qiáng)的適用性，目前該方法已廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。一般情況下，復(fù)雜的評(píng)價(jià)體系涉及到的因素較多，且各因素間具有一定的關(guān)聯(lián)性，為便于計(jì)算分析需按照某種屬性將評(píng)判因素集合劃分為多個(gè)層級(jí)，通過(guò)對(duì)每一類參數(shù)的評(píng)價(jià)分析最終給出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)小流域綜合效益的評(píng)價(jià)考慮利用多層次模糊數(shù)學(xué)法。

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

小流域水土保持治理的目標(biāo)是以最低的投資成本獲取最大的綜合效益，對(duì)此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了大量研究，如楊文志等[6]依據(jù)17項(xiàng)評(píng)價(jià)因子和試驗(yàn)區(qū)實(shí)際狀況，提出了綜合評(píng)價(jià)體系；王佑民[7]通過(guò)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)與治理效益之間的關(guān)系，篩選出了18項(xiàng)關(guān)鍵性影響因子；常茂德等[8]基于15項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立了治理效益評(píng)價(jià)體系；孟慶枚等[9]從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)兩個(gè)方面選擇14個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建了復(fù)合型評(píng)價(jià)體系；康玲玲等[10]在遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、客觀性等原則的基礎(chǔ)上提出生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合已有研究資料提出使用頻率較高的指標(biāo)有地表徑流模數(shù)、治理程度、林草覆蓋率和土壤侵蝕模數(shù)；李成杰等[11]初步探討了效益評(píng)價(jià)中存在的問(wèn)題，結(jié)合水土保持實(shí)際情況和相關(guān)資料提出了有效的建議措施；王洪興等[12]從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)3個(gè)方面篩選出17項(xiàng)指標(biāo)，并對(duì)小流域治理效益利用灰色關(guān)聯(lián)法科學(xué)評(píng)價(jià)。系統(tǒng)全面、切實(shí)可行的指標(biāo)體系為效益評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)于生態(tài)與基礎(chǔ)效益現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出了調(diào)水、減蝕、保土、保水效益，從本質(zhì)上而言生態(tài)效益包含了保土、保水效益，所以應(yīng)將其歸為生態(tài)效益。為反應(yīng)不同治理措施的有效性必須引入水土保持效益指標(biāo)，從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)3個(gè)方面開(kāi)展分析。參考有關(guān)資料和已有研究成果，從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)3個(gè)方面選擇11項(xiàng)典型指標(biāo)，并建立遞階層次結(jié)構(gòu)效益評(píng)價(jià)體系，見(jiàn)表1。

表1 水土保持治理效益評(píng)價(jià)體系

1.2 評(píng)判因素集

(1)

采用以上處理方法可確定二級(jí)評(píng)判因子集合，其表達(dá)式為：

U/c={U1,U2,…,Um}

(2)

式中：Ui={uik}為nk個(gè)評(píng)價(jià)因子存在于子集Ui中，且k=1,2,…,nk，i=1,2,…,m。

1.3 綜合評(píng)價(jià)模型

根據(jù)評(píng)價(jià)模型計(jì)算分析子集Ui中的nk個(gè)影響因子，依據(jù)各因素在Ui中的重要性程度賦予相應(yīng)的權(quán)重Ai從而構(gòu)造水土保持綜合效益評(píng)價(jià)決策矩陣Ri，子集Ui的效益評(píng)價(jià)結(jié)果為：

Bi=Ai·Ri[bi1,bi2,…bim]

(3)

針對(duì)二級(jí)模糊評(píng)判矩陣可由生成的一級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)構(gòu)成，在二級(jí)評(píng)價(jià)過(guò)程中評(píng)判決策矩陣如下：

(4)

若小流域水土保持效益評(píng)價(jià)U/c中的各因素子集的權(quán)重為A，則按照以上計(jì)算結(jié)果確定的綜合效益評(píng)價(jià)值為：

B=A·R=(b1,b2,…,bm)

(5)

式中：B為U/c的綜合評(píng)判值和U中各評(píng)判因素的評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.血矛線蟲(chóng)病。病畜日漸消瘦, 精神沉郁，食欲不振、被毛粗亂、腹瀉，放牧?xí)r離群落后,幼畜生長(zhǎng)發(fā)育停滯。嚴(yán)重感染者,四肢外側(cè)被毛脫落，眼結(jié)膜蒼白，高度貧血,下頜間隙、肉垂水腫,頑固性下痢,幼牛腹部增大。病牛最后臥地不起,食欲廢絕，直至死亡。

當(dāng)前，主因素和普通矩陣法為矩陣合成運(yùn)算的兩類常用方法，前者是利用邏輯算子M(∧,∨)取小或取大合成運(yùn)算，在選擇單項(xiàng)最優(yōu)時(shí)較為常用；后者是兼顧了各子系統(tǒng)因素的普通矩陣乘法運(yùn)算，一般適用于多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的排序運(yùn)算。多層次模糊綜合法不僅有效解決了多因素權(quán)重分配困難的問(wèn)題，而且可反映不同層次中各因素的影響程度。

2 水土保持效益評(píng)價(jià)

2.1 小流域概況

羊山溝小流域位于遼寧省朝陽(yáng)縣七道嶺鎮(zhèn)，屬小凌河流域，該小流域?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，年均徑流深112mm，年均降水量515mm，，其中60%降水集中在7、8、9月并多以暴雨的方式發(fā)生。氣候特征為日照充足、雨熱同季、春季干旱、冬季干冷，年均日照時(shí)數(shù)2361h，≥10℃積溫3532.5℃，年均氣溫8.4℃，無(wú)霜期157d，最大凍土深1.20m。羊山溝小流域?qū)儆谕潦|(zhì)中度侵蝕區(qū)，總面積459.59hm2，土流失面積432.55hm2，土壤侵蝕主要以水蝕為主，局部地區(qū)伴隨有風(fēng)力侵蝕。在降水沖刷影響下，流域內(nèi)溝壑侵蝕現(xiàn)象較為突出，其中輕度、中度、強(qiáng)烈及極強(qiáng)烈侵蝕面積分別為3.50、210.34、212.81和5.90hm2，土壤侵蝕模數(shù)為3455t/km2·a。當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，一方面與流域內(nèi)土壤貧瘠肥力且以坡耕地為主、土壤資源產(chǎn)出率低等因素相關(guān)；另一方面，流域內(nèi)荒山荒溝水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞失衡，加之人口外流和農(nóng)業(yè)綜合產(chǎn)出率低等問(wèn)題使得農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整緩慢，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

為有效控制水土流失和穩(wěn)步增大農(nóng)業(yè)與農(nóng)民收入，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展以及改善自然環(huán)，提高生產(chǎn)條件以及農(nóng)村生活水平，朝陽(yáng)縣水土保持部門針對(duì)羊山溝小流域開(kāi)展實(shí)施了一系列的建設(shè)項(xiàng)目和治理措施。建設(shè)實(shí)施的工程治理措施有：實(shí)施保土耕作工程措施，減少坡耕地水土流失，調(diào)節(jié)地表徑流；采取水平槽措施改善荒山地的立地條件，為自然生態(tài)的恢復(fù)提供有利條件；通過(guò)建設(shè)實(shí)施封育治理增大植被覆蓋率，降低水土流失對(duì)土壤的侵蝕作用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、設(shè)計(jì)及調(diào)查結(jié)果，確定羊山溝小流域綜合治理面積398.51hm2，其中經(jīng)濟(jì)林、保土耕作、封育治理面積分別為143.14、73.44、181.93hm2，圍欄570m，標(biāo)志碑1個(gè)，宣傳牌1個(gè)，土谷坊4座，作業(yè)路2.25km。各項(xiàng)工程措施發(fā)揮效益后，可顯著降低土壤流失量，具有顯著的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益；治理前的林草覆蓋率增大至72.08%。各項(xiàng)措施功能效應(yīng)的正常發(fā)揮，可促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，有效遏制水土流失的發(fā)展趨勢(shì)，并為保護(hù)小流域脆弱的生態(tài)環(huán)境和水土流失綜合防治體系的建設(shè)提供新的途徑。

2.2 綜合效益評(píng)價(jià)

2.2.1 評(píng)價(jià)要素集和評(píng)語(yǔ)集

依據(jù)小流域效益評(píng)價(jià)梯階框架結(jié)構(gòu)體系分別構(gòu)造評(píng)價(jià)要素集合、各單要素子集為，即：U={U1,U2,U3}={生態(tài)效益，經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)效益}、U1={u11,u12,u13,u14}、U2={u21,u22,u23,u24}、U3={u31,u32}。結(jié)合已有研究成果和土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將效益評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分四個(gè)等級(jí)，即V={v1,v2,v3,v4}={好，較好，一般，差}。

2.2.2 確定評(píng)判決策矩陣

對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)采用模糊數(shù)學(xué)法定量估算，從而確定各單要素子集Ui的決策矩陣Ri，然后將各評(píng)價(jià)指標(biāo)按照劃分的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。結(jié)合朝陽(yáng)縣羊家溝小流域治理項(xiàng)目的實(shí)際情況，將社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益劃分為4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下各指標(biāo)的代表值見(jiàn)表2。

表2 小流域水土保持效益評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

按照上述分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定決策矩陣Ri的計(jì)算公式為：

Ri=(rijk)

(6)

式中：k、i、j分別為單要素評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)、子集數(shù)及其指標(biāo)數(shù)。

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)值越小則水保效益越優(yōu)型指標(biāo)(如徑流模數(shù))，其rijk值按如下方法確定：

評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬于第1級(jí)時(shí)：

(7)

評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬于第1-c-1級(jí)時(shí)：

(8)

評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬于第c級(jí)時(shí)：

(9)

按照上述相反的求法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大則水保效益越優(yōu)型指標(biāo)(如植被覆蓋度)，由此可確定評(píng)價(jià)體系中各個(gè)參數(shù)的rijk值。根據(jù)羊家溝小流域水土保持項(xiàng)目相關(guān)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果獲取各指標(biāo)監(jiān)測(cè)值，見(jiàn)表2。

2.2.3 權(quán)重的計(jì)算

在綜合評(píng)價(jià)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于上一層某參數(shù)的貢獻(xiàn)率不同，為了獲取客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果必須采取合適的方法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。采用貢獻(xiàn)率法構(gòu)造各單要素的權(quán)重系數(shù)向量Wi，計(jì)算式為：

ui=xi/si

(10)

Wi=ui/∑ui

(11)

式中：si、xi為指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)測(cè)值；Wi、ui為指標(biāo)i的權(quán)重及其超標(biāo)倍數(shù)。

將各子集權(quán)重系數(shù)依據(jù)主觀判斷和專家咨詢法計(jì)算確定，由此求得計(jì)算結(jié)果為W=[0.36、0.35、0.29]。

2.2.4 多層次綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)多層次模糊綜合法和各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)成果，分別確定社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益的單要素權(quán)重向量為：W1=[0.365,0.084,0.207,0.344]；W2=[0.538,0.224,0.136,0.102]；W3=[0.46,0.54]。

按照文中所述決策矩陣構(gòu)造方法，確定單要素子集的判斷矩陣如下：

根據(jù)普通矩陣相乘法計(jì)算確定社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益子集Ui的評(píng)價(jià)結(jié)果，即：B1=[0.292,0.129,0.442,0.137]；B2=[0.862,0.084,0.051,0]；B3=[0.698,0.302,0,0]。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，構(gòu)建效益評(píng)價(jià)各子集的評(píng)判矩陣如下：

根據(jù)計(jì)算公式B=W·R=[0.61,0.15,0.19,0.05]確定綜合效益，結(jié)果表明羊家溝小流域綜合治理工程發(fā)揮著顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益；根據(jù)各單要素評(píng)價(jià)結(jié)果，該小流域的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益也很好，但仍需要進(jìn)一步提高生態(tài)效益，應(yīng)繼續(xù)增大領(lǐng)導(dǎo)覆蓋率、加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的改善。

項(xiàng)目治理期末，當(dāng)?shù)厝司Z食產(chǎn)量超過(guò)500kg/人，在很大程度上促進(jìn)了農(nóng)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人均收入由之前的4045元提高至5440元，大大提升了農(nóng)民的生活水平。另外，小流域治理項(xiàng)目增加林地面積143.14hm2，減少荒山面積143.14hm2，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，農(nóng)、林、果用地比例由原來(lái)的1∶2.23∶0.00調(diào)整為1∶2.23∶1.70。根據(jù)實(shí)地考察和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，該評(píng)價(jià)結(jié)果與小流域治理實(shí)際情況基本一致，可見(jiàn)所構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系和選用的方法具有可行性和可靠性。

3 結(jié) 論

結(jié)合現(xiàn)有研究成果和羊家溝小流域治理項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)治理項(xiàng)目的綜合效益利用多層次模糊綜合法評(píng)價(jià)，可為揭示各項(xiàng)治理措施的成效提供一定指導(dǎo)，為小流域綜合效益評(píng)價(jià)和水土保持方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)于分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的劃分和評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況作了初步的探討，未來(lái)仍需要進(jìn)一步研究評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)選問(wèn)題，不斷完善綜合評(píng)價(jià)體系。