凌源市宋仗子鎮(zhèn)平房小流域治理效益評估

李志環(huán)

(遼寧省朝陽市凌源市宋杖子鎮(zhèn)人民政府，遼寧 朝陽 122524)

近年來，隨著人們對生態(tài)環(huán)境要求的提升以及水土保持治理工程投資的增加，以小流域為單元的治理效益評估，逐漸成為區(qū)域水土保持規(guī)劃的重要依據(jù)?？茖W(xué)評估工程的治理效益，既能客觀地鑒定其對保障生態(tài)安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟宏觀發(fā)展和水資源持續(xù)利用的作用，系統(tǒng)反映流域的整體改善情況，又能準(zhǔn)確明晰水保措施的適用性與可靠性，并為小流域未來治理提供長期科學(xué)指導(dǎo)，通過對現(xiàn)有治理模式、經(jīng)驗的總結(jié)更加科學(xué)化規(guī)劃決策，切實提升小流域治理的規(guī)范化水平，故小流域治理效益評估具有極其重要的意義。然而，效益評估涉及到社會、經(jīng)濟、自然和人文等一系列因素，它屬于一項多因素耦合的復(fù)雜性系統(tǒng)問題。評估過程中，若僅考慮單一因素勢必會造成較大的偏差，使得重要信息發(fā)生遺漏，加之其較強的不相容性和較高的獨立性，難以全面準(zhǔn)確的反映小流域治理情況。針對以上問題，有關(guān)學(xué)者給出了綜合指數(shù)法、模糊判斷法、層次分析法(AHP)等，其中綜合指數(shù)法與層次分析法具有較強的主觀性，在指標(biāo)權(quán)重賦值時未考慮數(shù)據(jù)的客觀性特征，故其主觀性較為明顯；由于極值的過度強調(diào)，使得模糊判斷法應(yīng)用時易丟失有效信息[1-2]。因此，考慮對各指標(biāo)權(quán)重利用AHP法耦合的熵值法來計算，并以凌源市平房小流域為例，對其治理效益運用改進(jìn)TOPSIS模型評估，以此驗證改進(jìn)方法的科學(xué)適用性。

1 改進(jìn)TOPSIS模型

1.1 指標(biāo)組合賦權(quán)

實行目標(biāo)決策與效益評估的重要前提是合理計算各指標(biāo)權(quán)重，其中主、客觀法為目前較常用的兩類賦權(quán)法。熵值法為典型的客觀法，它是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)實現(xiàn)權(quán)重計算的方法；AHP法為典型的主觀法，能夠以定量數(shù)據(jù)實現(xiàn)復(fù)雜定性問題的轉(zhuǎn)化處理，對于多因素復(fù)雜問題的處理具有較強的實用性，但評價結(jié)果受主觀判斷的影響較大，其具有較強的主觀性。所以，文章考慮將AHP法與熵值法相耦合形成組合賦權(quán)法，以此保證指標(biāo)權(quán)重的客觀性和簡易性，其實現(xiàn)步驟為：

步驟1：結(jié)合小流域治理實際情況和專家意見構(gòu)造判斷矩陣，經(jīng)一致性檢驗獲取各參評因素的主觀權(quán)向量。

步驟2：將判斷矩陣做標(biāo)準(zhǔn)化處理，并對所有參評因素利用熵值法賦權(quán)，從而獲取相應(yīng)的客觀權(quán)重。

步驟3：通過加權(quán)耦合運算確定各因素的綜合權(quán)重。

1.2 效益評價流程

灰色關(guān)聯(lián)法是以幾何曲線間的相似程度為基準(zhǔn)，利用數(shù)學(xué)方法求解關(guān)聯(lián)度，比較數(shù)列Xi={xi(k)/k=1,2.Λ,n}與參考數(shù)列X0={x0(k)/k=1,2,λ,n}的相似程度越高，則兩者的關(guān)聯(lián)性越強，其中xi(k)為無量綱化處理后的參評因子k的標(biāo)準(zhǔn)值，i為評價標(biāo)準(zhǔn)級別。對于對因素、多準(zhǔn)則評估方案，若最佳方案與決策方案的關(guān)聯(lián)度越大，則決策方案的趨近理想狀態(tài)的程度越高，方案的性能越優(yōu)。針對隨機性、不確定性問題的處理灰色關(guān)聯(lián)模型具有較強的適用性，現(xiàn)已在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、經(jīng)濟、地質(zhì)、能源、石油、社會等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對解決科學(xué)研究、生產(chǎn)生活等問題起到重要作用。改進(jìn)TOPSIS模型能夠全面考慮各類因素，運用歐式距離衡量最劣、最優(yōu)與決策方案間的關(guān)系，最終完成決策評估，其實現(xiàn)流程如下：

步驟1：構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)矩陣。采用乘積法對各參評因子的組合權(quán)重與標(biāo)準(zhǔn)化處理后的樣本矩陣進(jìn)行處理，從而構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)矩陣。

步驟2：生成最優(yōu)、最劣方案。為準(zhǔn)確獲取最優(yōu)(劣)方案要充分比較各決策數(shù)列間的關(guān)系，以負(fù)向指標(biāo)的極小值與正向指標(biāo)的極大值生成最優(yōu)方案，并以反向指標(biāo)生成最劣方案。

(1)

步驟4：計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。然后利用下式求解比較與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ，其表達(dá)式為：

(2)

步驟5：求解關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)系數(shù)越多則方案整體評價的關(guān)聯(lián)程度越復(fù)雜，從而獲取的數(shù)據(jù)信息越分散，所以有必要引入一個關(guān)聯(lián)度值衡量每個關(guān)聯(lián)系數(shù)的總體情況，以平均值作為最終的評價關(guān)聯(lián)度，即：

(3)

步驟6：優(yōu)劣排序。結(jié)合關(guān)聯(lián)度最終的計算結(jié)果，確定比較數(shù)列隸屬于參考數(shù)列的“優(yōu)劣程度”，在此基礎(chǔ)上獲取所有參評樣本的效益等級。

2 實例應(yīng)用

2.1 流域概況

研究小流域位于凌源市南部的宋杖子鎮(zhèn)境內(nèi)，流域內(nèi)農(nóng)民收入主要以農(nóng)業(yè)耕種為主，多年來廣種薄收的耕作理念導(dǎo)致大面積的毀林開荒，造成嚴(yán)重的水土流失。此外，不合理的種植觀念直接影響土地生產(chǎn)力的提高，土地資源不能得以因地制宜的利用，難以提高生產(chǎn)潛能并制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展?？紤]到流域內(nèi)現(xiàn)有植物資源豐富，生態(tài)環(huán)境較好，且所處的大凌河流域具有巨大的生態(tài)旅游開發(fā)潛力。因此，實施水土保持綜合治理措施，進(jìn)一步優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，可以有效提高經(jīng)濟增長指數(shù)，這是改善群眾農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件與貧困落后的面貌、加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、有效治理水土流失、提高生產(chǎn)力的一項重要舉措，也是保障防洪、生態(tài)、糧食安全和促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的必然選擇。所以，保護(hù)和恢復(fù)項目區(qū)及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境顯得尤為重要[3-5]。

近年來，在各級黨委政府領(lǐng)導(dǎo)下流域內(nèi)廣大群眾干部艱苦奮斗、自力更生，掀起了大規(guī)模治山治水、改善生態(tài)環(huán)境的熱潮，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度不斷增加，生態(tài)環(huán)境與生產(chǎn)條件得到較大改善，群眾生活水平大大提高。

2.2 水保措施設(shè)計原則

1)水平梯田。①考慮土地利用規(guī)劃，選擇坡度3°-15°之間、土質(zhì)肥沃、土層厚的坡耕地修筑，沿等高線布設(shè)田坎，田面呈長方形或帶形，遵循小彎取直、大彎就勢的原則。②以少占耕地、修筑省工、集中連片、工作方便為要求，考慮地形條件及機械化作業(yè)的要求，地塊長短不一，一般在200m左右，以便于耕作。③交通方便、靠近水源、便于灌溉和機耕。④梯田的斷面設(shè)計一般是坡度越陡、田面越窄，相應(yīng)的田坎越高；坡度越緩則相反。根據(jù)朝陽地區(qū)多年修建梯田的經(jīng)驗，田坎低于1m的梯田在耕作過程中經(jīng)常出現(xiàn)損毀現(xiàn)象，而高于1.5m田坎的梯田相對保存完好，使用年限長，所以本工程田坎高度最低1.5m，最高不高于3m。

2)水平槽。水平槽介于水平臺田與魚鱗坑之間，工程適用于土質(zhì)、土石質(zhì)荒山整地時采用，結(jié)合凌源市多年栽植水保林工程實踐經(jīng)驗，布設(shè)水平槽的地塊坡度介于15°-45°之間，要沿等高線布置。

3)果樹臺田。從早受益、集約化經(jīng)營和商品生產(chǎn)的角度，因地制宜的布設(shè)果樹臺田措施，考慮立地條件發(fā)揮自然資源優(yōu)勢，果樹臺田措施設(shè)計還要滿足方便管理、兼顧周邊、布局合理、相對集中的原則。果樹臺田一般選在5°-25°的坡地上或無工程果園內(nèi)，對于較大的溝壑和向陽背風(fēng)的暖坡地及地塊比較分散的坡、溝地也可作為果樹臺田用地。

4)魚鱗坑。魚鱗坑通常被作為陡坡地(45°)或者被沖溝切割破碎的坡面上(坡度15°-45°)的植樹造林的整地工程。受截水溝修筑條件限制，對坡面徑流擬利用挖坑的方式分散截流，從而遏制水土流失[6]。

5)作業(yè)路面。流域內(nèi)作業(yè)路可以方便運輸及經(jīng)營管理，改善農(nóng)民生產(chǎn)生活條件，同時還可以作為流域內(nèi)部的山間游道。

2.3 效益評價體系

考慮小流域土壤侵蝕現(xiàn)狀和特征，遵循可行性、獨立性、科學(xué)性、有效性等原則選擇6項參評因子，即水平梯田、水平槽、果樹臺田、魚鱗坑、封育治理、修作業(yè)路指標(biāo)，如表1所示。

表1 2010-2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)與指標(biāo)權(quán)重

2.4 結(jié)果與分析

結(jié)合前文所述運算流程，對各參評因子權(quán)重利用AHP法和熵權(quán)法求解，經(jīng)過耦合計算確定相應(yīng)的組合權(quán)重，見表1。然后將初始數(shù)據(jù)利用標(biāo)準(zhǔn)化公式處理，通過加權(quán)運算構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)矩陣E：

(4)

運用文中所述公式(1)分別求解出最優(yōu)(劣)方案與決策方案之間的歐式距離，結(jié)果結(jié)果為：Li+=(0.862，0.868，0.901，0.995)；Li-=(0.981，0.946，0.895，0.852)；然后利用公式(2)求解關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi=(0.315，0.326，0.441，0.627)，并采用公式(3)獲取各方案的最終關(guān)聯(lián)度為：Yi=(0.315，0.352，0.561，0.774)。小流域治理效益變化趨勢如圖1，研究表明2010-2013年流域內(nèi)的水保效益變化不顯著，而后呈現(xiàn)出快速上升的變化特征，截止2019年效益評價值達(dá)到初始狀態(tài)2倍。由此可見，隨著時間的推移各項水保措施開始發(fā)揮效應(yīng)，對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、保持水土等發(fā)揮著明顯成效。

圖1 變化趨勢圖

根據(jù)平原小流域治理工程有關(guān)資料，各項措施均以減少土壤侵蝕、改善自然環(huán)境為主，不增加經(jīng)濟效益，故評估僅包括蓄水保土、生態(tài)與社會效益三個部分。

1)經(jīng)濟效益：經(jīng)計算各項治理措施的實施能夠提高治理程度到79.57%，2019年各項新增措施年蓄水總量達(dá)68.59萬m3，保土達(dá)13190t，年產(chǎn)生間接經(jīng)濟效益143.77萬元。

2)生態(tài)效益：①通過對工程區(qū)實施大面積的水保治理，流域內(nèi)的降雨得到有效攔截、分散、滯緩，增大了常水流量；由于保水保土能力的大幅度提升明顯改善了土壤生態(tài)系統(tǒng)，對提高地力、減少養(yǎng)分流失具有積極作用。

一方面,攔截地表徑流，增加土壤含水量，涵養(yǎng)水源，可有效遏制水土流失；另一方面，增加入滲量，提高地下水位，使干旱現(xiàn)象得到緩解，從而減輕洪旱災(zāi)害。②改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)：各項水土保持措施實施后，在2-5a內(nèi)能大幅度提高土壤蓄水保墑能力，土壤理化性質(zhì)和土壤能力得到相應(yīng)提高，增強土壤抗沖性、抗蝕性和透水性，提高土壤氮磷鉀等有機質(zhì)含量。③其它生態(tài)效益，可使流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境得到改善，對減少水質(zhì)污染、改善調(diào)節(jié)小氣候、凈化空氣、美化環(huán)境、保護(hù)野生植物等方面將發(fā)揮巨大的作用，同時進(jìn)一步加快流域內(nèi)水土流失的治理步伐，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到改善，該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿叭藗兊纳钏揭矊⒌玫胶艽筇岣?，也為生態(tài)系統(tǒng)的逐步恢復(fù)創(chuàng)造有利的條件。

3)社會效益：①經(jīng)過水土保持開發(fā)性治理措施的實施，合理的調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，水土流失得到有效控制，保護(hù)土地肥力，提高土壤水分和土地生產(chǎn)能力，增強項目區(qū)的抗旱能力，有效地調(diào)節(jié)河川徑流，降低泥沙含量，減輕洪澇災(zāi)害給當(dāng)?shù)卦斐傻膿p失。②優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)迅速提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，從根本上改善工程區(qū)地產(chǎn)低效的現(xiàn)狀，拓寬農(nóng)村勞動就業(yè)門路以及帶動其它產(chǎn)業(yè)發(fā)展，隨著農(nóng)民收入的提高，生活水平明顯改善，加快向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，推動科技文化發(fā)展，由此實現(xiàn)社會進(jìn)步和流域內(nèi)的經(jīng)濟進(jìn)一步發(fā)展。

3 結(jié) 論

1)以凌源市宋仗子鎮(zhèn)平房小流域為例，為挖掘初始數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律引入灰色關(guān)聯(lián)度法，并利用各決策樣本和最(劣)方案的序列數(shù)據(jù)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)矩陣，科學(xué)評價決策方案的優(yōu)劣程度。結(jié)果表明，對于小流域水保治理效益的評估改進(jìn)TOPSIS模型表現(xiàn)出較強的適用性、有效性，模型原理清晰、計算簡單且能夠考慮各類因素。

2)根據(jù)小流域治理相關(guān)資料，對小流域水保效益利用改進(jìn)TOPSIS模型評估能夠客觀、真實的反映其變化情況。水保措施的實施發(fā)揮著顯著的蓄水保土、生態(tài)和社會效益，可為流域宏觀調(diào)控、決策管理和治理規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)。