基于水利調(diào)度工程中的水土保持可持續(xù)發(fā)展能力評價

郭 繼

(安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 馬鞍山 238251)

對地區(qū)可持續(xù)發(fā)展能力的影響，是目前開展各類工程重點考慮的問題[1-2]。由于我國早期因經(jīng)濟發(fā)展原因，導(dǎo)致水土流失較為嚴(yán)重，因此對水土保持的可持續(xù)發(fā)展能力較為重視。但評價可持續(xù)發(fā)展能力的因素較多，早期的研究大多是從理論上給出基本的方向判斷。但目前開展工程規(guī)劃時，需要地區(qū)可持續(xù)發(fā)展能力的量化評價方法，而當(dāng)前相關(guān)研究仍然較少[3-6]。

1 水利調(diào)度工程中的水土保持可持續(xù)發(fā)展能力評價方法設(shè)計

1.1 水土保持生態(tài)足跡模型

水土保持生態(tài)足跡模型，可以根據(jù)地區(qū)生態(tài)特征以及生態(tài)變化狀態(tài)，大致判斷出地區(qū)水土流失或保持的趨勢[7-9]。本文建立的水土保持生態(tài)足跡模型中，首先需要滿足兩個要求：①可以追蹤到水土流失狀態(tài)和恢復(fù)狀態(tài)；②為了解具有生態(tài)恢復(fù)性的水利調(diào)度情況。

首先計算人均年水利消耗量，如下所示：

(1)

式中：i為工程中水源消耗類型；Pi為在第i類水源消耗類型中的水源年生產(chǎn)量；Ii為在第i類水源消耗的外來產(chǎn)生量；Ei為在第i類水源消耗的年消耗量；N為參與消耗的總?cè)丝跀?shù)。

其次計算因消耗項目導(dǎo)致的人均生態(tài)土地面積的占用量，公式如下所示：

(2)

式中：Yi為生態(tài)土地生產(chǎn)的年均生產(chǎn)力，考慮到均衡因子γi，生態(tài)生產(chǎn)土地中的生物生產(chǎn)力存在一定差距，而評價區(qū)域中的人均水土保持生態(tài)足跡總和為：

ef=∑γiAi=∑γi(Pi+Ii-Ei)/(Yi×N)

(3)

其中的均衡因子γi可以通過對不同類型的水土流失轉(zhuǎn)化為生物生產(chǎn)力的等價系數(shù)來確定。

而后則需要計算地區(qū)的水土流失承載力，地區(qū)的人均水土生態(tài)容量計算公式如下：

ec=∑Qi×γi×yi

(4)

式中：ec為人均水土生態(tài)容量；Qi為地區(qū)的水土人均擁有量；yi為產(chǎn)量因子。

同時計算地區(qū)的水土總承載力，如下所示：

EC=N×ec

(5)

根據(jù)式(5)判斷當(dāng)前地區(qū)的水土狀態(tài)處于流失或保持。

1.2 水土效益計算

通過生態(tài)足跡模型可以粗略地確定當(dāng)前水土狀態(tài)，但無法給出具體的水土保持情況，因此需要對區(qū)域的各類特征進行計算[10-12]。以土圈效益來說，小流域中的土圈效益可以采用替代效益并用如下公式進行計算：

(6)

Vce=PceΔE

(7)

式中：ΔE為地區(qū)河流下游泥沙的淤積量，m3；Si為地區(qū)土圈面積，km2；ei為經(jīng)過水土保持改善后的區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)，t/km2；ηi為地區(qū)泥沙輸移比；γi為地區(qū)土壤容重，t/m3；Vce為通過水土保持改善后的地區(qū)土壤侵蝕減少的價值；Pce為進行水土保持改善后的成本價值。

1.3 地區(qū)水土保持可持續(xù)發(fā)展評價量化計算

本文對地區(qū)水土保持可持續(xù)發(fā)展評價的量化結(jié)果，采用層次單排序方法來進行確定。通過專家對于水土保持的各類因素打分，構(gòu)筑判斷矩陣[13]。本文中的判斷矩陣D見表1。

表1 因素評價矩陣形式

層次單排序方法可以確定在前一層次下相連接元素重要性的次序權(quán)重，并依靠此排序方法對其中的特征向量進行歸一化處理[14-16]。得到層次下的單排序權(quán)重向量：

DW=λmaxW

(8)

式中：λmax為D的最大特征根；W為對應(yīng)λmax的正規(guī)特征向量。

為了判斷矩陣D呈現(xiàn)的一致性狀態(tài)，需要保證λmax=n，但實際運算中，影響因素較多，因此需要保證矩陣具有客觀性，并檢驗一致性，一致性指標(biāo)計算如下：

(9)

如果CI=0時，則證明矩陣D存在完全一致性；而CI越大，則證明該矩陣的一致性越差。

表2 層次總排序

從而得出歸一化的正規(guī)向量，即可得出當(dāng)前地區(qū)的水土保持可持續(xù)發(fā)展能力評價數(shù)值。

2 實驗論證分析

為了驗證所設(shè)計的水土保持可持續(xù)發(fā)展能力評價方法的可行性，以某地開展中的水利工程為例，對該地區(qū)的水土保持情況進行評價，以驗證評價方法的可行性。

2.1 實驗地區(qū)介紹

本文中的實驗地區(qū)為小流域范圍，流域面積為40.5 km2。該流域包括平原以及山脈深山區(qū)，地貌較為復(fù)雜，同時流域中存在溝壑，密度為241 km/km2，地區(qū)巖性為石灰?guī)r，土壤大多為棕壤，且存在巖層分化現(xiàn)象。由于該地域開展了水利調(diào)度工程，一定程度上減少了地區(qū)的流域流量，因此需要對該地區(qū)未來的水土保持可持續(xù)發(fā)展能力進行評價。

2.2 評價指標(biāo)確定

為了實現(xiàn)對該地區(qū)的水土保持可持續(xù)發(fā)展能力評價，首先需要確定評價指標(biāo)，評價指標(biāo)及權(quán)重見表3。

表3 部分評價指標(biāo)權(quán)重

表3為評價中的部分評價指標(biāo)，其中有益于水土保持的因素編號為x集合，反之則標(biāo)為y集合中。

2.3 權(quán)重因子確定

根據(jù)本文評價方法的層次分析準(zhǔn)則，首先需要確定準(zhǔn)則層的權(quán)重因子，其中包括水土保持的3項主體指標(biāo)，即地區(qū)生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益，并用B1、B2、B3來進行表示，見表4。

表4 準(zhǔn)則層指標(biāo)判斷矩陣

就此得出對應(yīng)的最大特征值和單位特征向量值。為了保證評價指標(biāo)的正確性，對其進行一致性檢驗，結(jié)果見表5。

表5 各層評價指標(biāo)的一致性檢驗

2.4 可持續(xù)發(fā)展能力評價結(jié)果

本文實驗中，可以獲得該地區(qū)單年的指標(biāo)參數(shù)。本文以當(dāng)年6及12月份的綜合指標(biāo)參數(shù)作為評價數(shù)據(jù)并進行計算，結(jié)果見表6。

根據(jù)表6的計算結(jié)果，從總體的水土保持可持續(xù)發(fā)展能力上來說，合計增幅值為正數(shù)，證明該地區(qū)在進行水利調(diào)度工程時，仍能保有較好的效益正向增幅，說明該地區(qū)具有水土保持的可持續(xù)發(fā)展能力。

表6 地區(qū)水土保持的可持續(xù)發(fā)展能力評價結(jié)果

3 結(jié) 語

本文通過建立水土保持生態(tài)足跡模型，設(shè)計了水土保持可持續(xù)發(fā)展能力評價方法，該方法可以實現(xiàn)將地區(qū)的發(fā)展能力進行量化，便于相關(guān)工程的規(guī)劃。但就工程規(guī)劃來說，本文方法僅能對已開展的工程可持續(xù)發(fā)展能力影響進行評價，無法構(gòu)筑可持續(xù)發(fā)展能力的數(shù)值模擬。今后研究將會結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，對地區(qū)未來可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進行模擬研究。