大凌河流域生態(tài)功能區(qū)水保效益評價研究

趙東陽

(遼寧省朝陽市龍城區(qū)水利局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

大凌河流域主脈貫穿遼西，東南匯入渤海，流域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展迅速且景觀變化劇烈，對保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境、保障居民生活和工農(nóng)業(yè)用水等發(fā)揮著巨大作用，在我國生態(tài)戰(zhàn)略中占據(jù)著重要地位。大凌河具有森林植被保育、生物多樣性保育、水源涵養(yǎng)、水土保持等生態(tài)功能，由于各地不平衡的經(jīng)濟發(fā)展、錯綜復雜的自然條件和遼闊地域，流域內(nèi)生態(tài)資源流失、生態(tài)環(huán)境惡化等問題日漸凸顯。隨著渤海遼東灣經(jīng)濟帶的建設，南水北調(diào)工程的實施，在自然資源利用和生態(tài)環(huán)境保護上大凌河的重要性更加突出，促進流域可持續(xù)發(fā)展以及保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境，對于保障渤海遼東灣經(jīng)濟帶、南水北調(diào)工程受水區(qū)和供水水源區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展意義重大。

在綜合治理大凌河生態(tài)環(huán)境工作中水土保持發(fā)揮著關鍵作用，水保措施的實施有利于提高區(qū)域土地生產(chǎn)力和維護水土資源，有效遏制流域土壤侵蝕的進一步發(fā)展。近年來，在大凌河流域生態(tài)功能區(qū)治理實踐中，水土保持技術體系取得顯著成效，考慮到流域內(nèi)土壤侵蝕的嚴重性，如何構建適用的效益評價方法，完善治理措施評估體系仍為亟待解決的問題[1-4]。

1 研究方法

1.1 流域概況

大凌河地處遼西低山丘陵區(qū)，主要有清河、細河、涼水河、牤牛河、老虎山河、大定河、瓦子峪河、李二河、紅臺子河等支流。流域內(nèi)屬溫帶季風氣候，氣候特點為春秋季短、冬長夏暖、平原風大、雨量集中，年均氣溫8.0℃-9.0℃，極端最高與最低氣溫為41.8℃、-29.9℃。年際降水量具有明顯差異，降水量豐、枯比最高可達3倍，受季風氣候影響全年70%-80%降水集中于6-9月，年均降水量500mm。河流水系以地下水、大氣降水為主要補給來源，年際徑流量變化較大，徑流豐、枯比最高達10倍，蒸發(fā)量最小、最大時段為5月和1月，年蒸散發(fā)1700mm。

生態(tài)功能區(qū)地貌類型以山丘為主，極少數(shù)為平原，地勢由西北向東南呈階梯式遞減趨勢，從山地、丘陵過渡至山前傾斜平原至渤海西岸，功能區(qū)高程波動起伏大，海拔為400-1200m。地質(zhì)發(fā)育較好，地形破碎，分布有土石質(zhì)“V”型溝壑，土壤類型多為褐土，同時兼具少量栗鈣土與棕壤土，土質(zhì)疏松、土層薄且有機質(zhì)含量低。長期以來，由于毀林開荒、墾草種糧等不合理的土地利用，加之農(nóng)業(yè)種植方式落后，使得原生植被被嚴重破壞，土地退化、生態(tài)環(huán)境惡化等對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展帶來潛在威脅。

1.2 評價方法

系統(tǒng)多目標決策評價能夠在各種限制條件下，考慮不同目標間的關系優(yōu)選出合適的方法，使決策者最終確定“滿意”的方案，對于系統(tǒng)工程問題具有較好適用性，常用的方法有Topsis法、灰色聚類法及層次分析法等。

文章對大凌河流域生態(tài)功能區(qū)水保效益利用系統(tǒng)多目標決策法來評價，按照每個指標的貢獻率利用層次分析法計算權重，在此基礎上揭示不同功能質(zhì)保的效益作用，并運用Topsis法、灰色聚類法和權重值綜合評價每年水保措施，依據(jù)等級劃分標準確定水保效益狀況。通過構建評價體系及效益模型，以期為宏觀調(diào)控與綜合管理大凌河流域生態(tài)功能提供決策依據(jù)。

1.2.1 層次分析法

美國運籌學家T.L.Saaty以多目標綜合評價法與網(wǎng)絡系統(tǒng)理論為基礎，提出了一種定性問題定量分析的多準則決策法——層次分析法(AHP)，可實現(xiàn)數(shù)學化、模型化轉(zhuǎn)換復雜系統(tǒng)的決策思維，具有靈活、實用、簡便等特點[5]。該方法將決策方案的影響因素按照問題性質(zhì)與實現(xiàn)目標的程度分解為若干層次，通過對比分析某層次兩兩元素間的相對重要度利用數(shù)學方法確定權值，并給出評價體系中每個元素的總排序及其權重。

其中，排序原理、標度原理和梯階層次機構原理為AHP的基本原理。通過分析復雜的系統(tǒng)問題確定總目標，并將整個系統(tǒng)按照問題性質(zhì)及目標進一步細分為因素層及準則層，逐次構造判斷矩陣計算各因素權重，通過比較判斷每兩個因子或系統(tǒng)的相對優(yōu)劣程度給出規(guī)定的標度，以“1-9”比較標度法作為判斷矩陣標度值的判定準則，如表1所示。

表1 “1-9”標度準則

采用層次分析法(AHP)的建模流程總體上可分為4個步驟：①結(jié)合梯階層次框架建立效益評價體系；②考慮專家意見與決策方案的實際情況構造判斷矩陣；③經(jīng)特征向量和特征根的計算確定單排序，為保證結(jié)果可靠性需檢驗矩陣一致性；④考慮單排序結(jié)果，對該層級各元素相對于上一層級的重要度計算，由此獲得符合一致性檢驗的權重值。

為準確衡量判斷矩陣的偏離一致性引入不考慮最大特征根的一致性指標CI，其表達式為CI=(λmax-n)/(n-1)，其中n為矩陣的階數(shù)，λmax為最大特征根；矩陣是否符合一致性檢驗的判定標準為CR<0.10，即CR=CI/RI，RI為考慮不同階數(shù)的平均隨機一致性指標，其值按表2確定。若滿足該要求則單層次排序合理，可用于效益評價分析；若不符合該要求則重新調(diào)整矩陣，直至滿足合理性要求停止運算。

表2 檢驗指標值RI

1.2.2 灰色聚類法

在控制論與系統(tǒng)論領域，研究者對系統(tǒng)本身的認識程度及系統(tǒng)內(nèi)部信息的了解情況常借助顏色來衡量，“灰”、“白”、“灰”代表信息不完全或不充分、信息完全、信息完全缺乏[6]。人們在實際問題處理時忽略不計一些不確知因素，才能以白色系統(tǒng)替代某些灰色系統(tǒng)，因此普遍存在灰色系統(tǒng)。

1.2.3 Topsis法

灰色關聯(lián)法(Topsis)是以曲線間的相似程度為基準，采用數(shù)學方法計算關聯(lián)程度的多目標決策分析法，對于隨機性、不確定性問題的處理具有較好的可行性，現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)、社會、農(nóng)業(yè)、能源、石油、經(jīng)濟和地質(zhì)等諸多領域，可有效解決生產(chǎn)生活、科學研究等諸多問題[13]。Topsis法的實質(zhì)是將各決策方案的初始數(shù)據(jù)矩陣利用歸一化公式處理，考慮每個指標的屬性確定最劣、最優(yōu)方案，并利用數(shù)學方法計算最劣、最優(yōu)方案與決策方案之間的距離，最終確定決策方案貼近最優(yōu)方案的程度作為優(yōu)劣評價的依據(jù)。設m、n為參評指標數(shù)和決策方案數(shù)，則構造的初始數(shù)據(jù)矩陣A如下：

(1)

考慮每個指標的屬性將所有參評指標劃分為高優(yōu)、低優(yōu)兩類指標，對于越大越優(yōu)或越小越優(yōu)型指標，其歸一化公式如下：

(2)

(3)

根據(jù)每個指標的最小、最大值構造最劣和最優(yōu)向量，其數(shù)學表達式為：

Z+=(Zmax 1，Zmax 2，Λ，Zmax n，)
Z1=(Zmin 1，Zmin 2，Λ，Zmin m，)

(4)

然后以最劣、最優(yōu)向量為基準，考慮利用歐式基本公式計算最優(yōu)、最劣方案與決策方案i的距離，計算式如下：

(5)

結(jié)合接近程度值CI的大小對各決策方案效益狀況進行優(yōu)劣排序，CI值越大則代表決策方案與最優(yōu)方案的接近程度越高，該方案越優(yōu)；反之，值越小則與最優(yōu)方案的接近程度越小，決策方案越劣，其表達式為：

(6)

2 結(jié)果與分析

水土保持功能為林草覆蓋率、攔蓄泥沙量、地表徑流攔蓄水量、治理程度等因素的綜合體現(xiàn)，這些因素均在不同程度上影響著其功能效應的發(fā)揮。根據(jù)大凌河流域水土保持工程數(shù)據(jù)資料，考慮生態(tài)治理現(xiàn)狀及其未來發(fā)展規(guī)劃，深入分析2010-2018年流域環(huán)境整治變化特征，選擇治理面積、壩地、梯田、封山育林、經(jīng)濟果林、水土保持種草、水土保持林7項指標構建水保效益評價體系。該評價體系符合可操作性、可比性、重點性和針對性要求，能夠反映水土保持特點和生態(tài)功能區(qū)特征，更加客觀、準確的評價水保效益狀況。

2.1 層次分析結(jié)果

針對每個指標權重利用層次分析法計算，并將權重值輸入Topsis法和灰色聚類模型，由此完成水保效益評價，如表3所示。結(jié)果顯示，矩陣一致性檢驗的判定標準CR=0.0016<0.10，符合檢驗要求其單層次排序合理，由此獲取的權重可用于效益評價。根據(jù)各指標權重可以確定綜合評價中的層次排序，即生態(tài)治理評價體系中水土保持林、治理面積和壩地的貢獻率較高，應重點關注這幾項指標實行生態(tài)治理效益評價。

從排序結(jié)果可知，水土保持林、治理面積和壩地面積在水保效益評價體系中所占比例達到65%，對大凌河流域生態(tài)功能區(qū)產(chǎn)生顯著影響，這也是充分發(fā)揮生態(tài)功能的主要措施，未來的生態(tài)治理工程應加大水土保持林、治理面積和壩地面積。雖然其他措施對水保效益的貢獻較小，功能作用不明顯，但對保持生物多樣性發(fā)揮著不可忽視的功效，為充分發(fā)揮生態(tài)區(qū)功能也要給予足夠的重視，以實現(xiàn)生態(tài)效益的最大化目標。

表3 大凌河流域生態(tài)功能區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù) km2

2.2 灰色聚類結(jié)果

在評價功能區(qū)水保效益時灰色聚類分析法可以給出具體的評分值，并依據(jù)評價標準、國家規(guī)定及實際要求給出等級水平，客觀真實的反映區(qū)域?qū)嶋H情況；評價結(jié)果屬于一定時間或區(qū)域范圍內(nèi)的相對概念，而非絕對數(shù)值，可以全面反映不同評價單元的優(yōu)良程度及相對質(zhì)量，為決策方案的實施和設計提供參考[14]。

結(jié)合數(shù)據(jù)資料，以大凌河流域生態(tài)功能區(qū)為例，采用以上7項指標評價2010-2018年整個功能區(qū)的水保效益。將治理效益等級利用灰色聚類分析法劃分為高、中、低三級，評分值為70-100、40-70、0-40，并采用層次分析法求解的權重評價各決策方案的相對優(yōu)劣程度，不同年份的水保效益評分見表4。

表4 灰色聚類水保效益評價

從表4可知，大凌河流域生態(tài)功能區(qū)2010-2012年的水保效益較差，并以2012年的評分最低。該時段正處于綜合整治工程的規(guī)劃實施階段，工程措施、植被措施等各項治理措施不斷完善，其功能作用的發(fā)揮具有一定滯后性，所以控制水土流失的成效不夠明顯。隨后，功能區(qū)水保效益不斷增加，各項措施逐漸發(fā)揮應有的功能效應，有利于改善大凌河流域生態(tài)環(huán)境，推動生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)與可持續(xù)發(fā)展。

2.3 Topsis結(jié)果檢驗

對大凌河流域生態(tài)功能區(qū)水保效益利用Topsis法評價，從而驗證灰色聚類法的準確性、適用性。結(jié)果顯示，2010-2018年功能區(qū)水保效益值為0.21、0.30、0.27、0.36、0.58、0.68、0.75、0.85、0.96。通過線性回歸分析兩種方法評分值，發(fā)現(xiàn)Topsis法與灰色聚類法的線性擬合方程為y=0.0145x-0.276，其中x、y代表灰色聚類法和Topsis法的水保效益分值，兩種方法的相關系數(shù)R2=0.9518，二者存在較高的擬合程度，這表明在評價功能區(qū)水保效益時兩種方法具有較高精準度、可行性，可為深入開展生態(tài)效益分析及大凌河流域生態(tài)治理規(guī)劃提供科學指導。

3 結(jié) 論

1)功能區(qū)生態(tài)治理評價體系中水土保持林、治理面積和壩地的貢獻率較高，應重點關注這幾項指標實施水保效益的評價，并為生態(tài)治理方案設計和功能區(qū)劃提供借鑒。大凌河流域生態(tài)功能區(qū)2010-2012年的水保效益較差，其原因為該時段正處于綜合整治工程的規(guī)劃實施階段，工程措施、植被措施等各項治理措施不斷完善，其功能作用的發(fā)揮具有一定滯后性，所以控制水土流失的成效不夠明顯。隨后，功能區(qū)水保效益不斷增加，各項措施逐漸發(fā)揮應有的功能效應，有利于改善大凌河流域生態(tài)環(huán)境，推動生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)與可持續(xù)發(fā)展。

2)綜合應用Topsis法、灰色聚類法和層次分析法評價功能區(qū)水保效益，可以給出具體的評分值，并按照評價標準、國家規(guī)定及實際要求確定等級水平，能夠客觀真實的反映區(qū)域?qū)嶋H情況，保證評價結(jié)果的科學有效性。

3)未來大凌河流域生態(tài)規(guī)劃和水保治理中，應注重加大水土保護林、治理面積、耕地面積和其他水保措施的整治投入，加快信息資源平臺和數(shù)據(jù)庫建設，加強生態(tài)恢復、水土保持、生物多樣性保護、水資源和生態(tài)環(huán)境保護等研究，實現(xiàn)科學動態(tài)的預測與分析水功能區(qū)水保工作成效，從而為為工管調(diào)控與綜合管理區(qū)域水保治理工作提供科學依據(jù)。