松花江干流堤防工程防護林的功能性評價1)

王遠明 楊學(xué)春

(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040) (合肥學(xué)院)

在振興東北老工業(yè)基地和“龍江絲路帶”建設(shè)大背景下,松花江作為重要的水利交通樞紐,為我國東北重要工業(yè)基地和國家商品糧生產(chǎn)基地的建設(shè),提供了充足的水利資源和重要的交通保障[1]。為了持續(xù)推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展,保障松花江流域水資源及生態(tài)環(huán)境的安全顯得至關(guān)重要。營造防護林是一項保障松花江水資源安全和防治洪澇災(zāi)害的不可替代的重要措施。當(dāng)前,松花江干流防護林數(shù)量偏少,難以勝任防護任務(wù),難以實現(xiàn)多功能效益,不利于保障松花江流域的生態(tài)安全和發(fā)展經(jīng)濟[2]。因此,松花江干流沿岸防護林需要進行科學(xué)、合理的規(guī)劃與配置,同時兼顧發(fā)展經(jīng)濟、生態(tài)、景觀等功能,最大發(fā)揮防護林的綜合效益,促進松花江沿岸的經(jīng)濟發(fā)展,進而為振興東北老工業(yè)基地和“龍江絲路帶”建設(shè)做出貢獻。

防護林建設(shè)往往是將防護林保持水土、保護農(nóng)田、防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候、減少污染等生態(tài)服務(wù)功能進行結(jié)合,形成以防護效益為主的多功能和多效益的有機整體,促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[3]。我國開展的防護林工程是以生態(tài)效益為主要目標,因此進行生態(tài)影響評價研究的較多,紀平等[4]從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及服務(wù)出發(fā),對中國三北防護林工程第二階段進行生態(tài)效益綜合評價。鄭學(xué)良等[5]基于水源涵養(yǎng)功能對遼東防護林進行健康評價,構(gòu)建的指標包括土壤、枯落物、植被生長情況等。但開展綜合效益評價研究的學(xué)者相對少些,且尚不系統(tǒng)。劉廣全等[6]提出了部分評價指標對黃土高原水土保持林進行綜合效益研究。進入新世紀以后,我國學(xué)者進一步做出了更加具體的研究。慕長龍等[7]先對長江中下游劃分為8個區(qū)域,然后從水源涵養(yǎng)、保土保肥和固碳制氮3方面對各區(qū)域綜合效益進行了計量與評價研究。楊吉華等[8]分析沿黃兩岸綜合防護林的效益時指出,防護林降低了風(fēng)速,減弱了氣流的垂直流動,增加空氣濕度,減輕甚至避免了干熱風(fēng)對農(nóng)作物產(chǎn)量影響,同時在防塵固沙,改善小氣候,減低地下水位,降低鹽堿地土壤含鹽量等方面發(fā)揮了獨特作用。近年來,李怡[9]基于廣東省沿海防護林二期工程建設(shè)規(guī)劃為依據(jù),采用頻度分析、專家咨詢、層次分析等方法對防護林防風(fēng)固沙效益、水源涵養(yǎng)效益、保育土壤效益等生態(tài)效益指標進行分析評價,最后運用博弈理論對下一步廣東省沿海防護林生態(tài)建設(shè)與管理進行相關(guān)探討。張新樂等[10]通過對疏透度、林帶間距、林高與林帶寬度的比值等數(shù)據(jù)間接分析,基于作物倒伏遙感監(jiān)測防護林與作物倒伏面積之間的關(guān)系,進而對防護林防風(fēng)效能進行定量評價,最終對本地區(qū)防護林布局提出相關(guān)建議。本研究通過構(gòu)建基于實際情境分析的堤防工程防護林多功能評價指標體系,利用可拓層次分析法與區(qū)間直覺模糊集計算得到堤防工程防護林多功能防護效果具體配置下的最優(yōu)布局,為東北地區(qū)實際種植防護林時的綜合決策提供參考。

1 研究區(qū)概況

示范區(qū)所屬流域處在松花江干流(哈爾濱至佳木斯段)沿岸,地處北溫帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,夏季溫?zé)岫嘤?冬季寒冷干燥,年內(nèi)溫差較大,多年平均氣溫在3～5 ℃,7月溫度最高,日平均可達22.5 ℃,最高日氣溫曾達40 ℃以上;1月氣溫最低,平均氣溫-20 ℃以下。多年平均降水量一般在500 mm左右,多雨時年降水量可達700～900 mm,而少雨時年降水量只有400 mm。汛期6—9月份的降水量占全年的60%～80%,冬季12月至下一年2月的降水量僅為全年的5%左右。示范區(qū)流域的洪水包括春汛和夏汛,春汛洪水與初春河流開江時的凌汛洪水時間基本上相同,約發(fā)生在每年的4—5月份,凌汛洪水經(jīng)常出現(xiàn)冰壩。夏秋大汛洪水則出現(xiàn)在6—8月份,有時延期到9月份。

2 研究方法

2.1 防護林功能性綜合評價指標體系構(gòu)建

防護林是一個復(fù)雜的社會系統(tǒng)工程,涉及面廣,變量眾多。若要對防護林進行科學(xué)合理客觀的綜合評價,需要借助評價指標體系。目前,篩選指標的方法主要有專家咨詢法、理論分析法、頻度分析法、灰色系統(tǒng)理論、模糊理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、綜合指數(shù)法、系統(tǒng)分析法、分類分析法、邏輯框架分析法等[11-14]。本研究通過對防護林的現(xiàn)場情況進行分析、查閱相關(guān)資料、咨詢相關(guān)學(xué)者,全面綜合考慮防護林情況。首先采取頻度分析法,選取使用頻度較高的評價指標,其次采用專家打分、會議等方式對指標進行調(diào)整,最后結(jié)合項目實際情況對于選取指標進行調(diào)整。

本文針對防護林的功能性防護作用,選取防風(fēng)、防狼、水土保持3種功能,構(gòu)建松花江干流堤防工程多功能防護林綜合評價指標體系。

(1)防風(fēng)指標:林分郁閉度、疏透度、林帶寬高、界面形狀、風(fēng)速、立木表面積、立木蓄積量、防護林離地高度、林帶結(jié)構(gòu)、位置。

(2)防浪指標:樹種排列方式、樹種密度、來波波高、邊緣水深、入射波高、波浪壓力、樹種配置。

(3)水土保持指標:林地蓄水量、林地滲透能力、林地孔隙度、地表徑流系數(shù)、徑流滯時、洪峰流量、滯時、洪枯比、蒸散量、土壤侵蝕面積、侵蝕模數(shù)、輸沙模數(shù)、表土抗蝕強度。

2.2 評價指標權(quán)重確定

堤防工程防護林功能性評價研究中所選擇的指標涉及到多個方面,在研究中,既突出相關(guān)評價人員的理性思考能力,且有相關(guān)的數(shù)據(jù)分析作為支持,進而彌補專家主觀判斷和事情模糊所造成的缺陷。因此,本研究使用可拓層次分析模型計算各指標的權(quán)重[15]。具體步驟如下:

步驟1——建立層次結(jié)構(gòu)。把問題分解成一個層次性的結(jié)構(gòu),按照其決策的目標與決策對象,分成最高層(目標層)、中間層(準則層)、最低層(方案層)。

根據(jù)區(qū)間數(shù)的原理,指標j與指標i的比較結(jié)果如下:

(1)

當(dāng)有t位專家進行評判時,綜合可拓區(qū)間數(shù)aij的計算方法如下:

(2)

則得到第k層元素對k-1層中元素的綜合可拓判斷區(qū)間矩陣可表示為A=(A-,A+)。

步驟3——求取權(quán)重向量。A=(A-,A+)表示可拓判斷區(qū)間矩陣,A-表示負矩陣,是由可拓區(qū)間數(shù)的下界組成的矩陣,A+表示正矩陣,是由可拓區(qū)間數(shù)上界組成的矩陣。首先計算正負矩陣的最大特征值,然后計算出正負矩陣最大特征值對應(yīng)的正分量,歸一化后將其表示為x+和x-。

(3)

式(3)中k和m代表正實數(shù),且滿足0≤kx-≤mx+,當(dāng)0≤k≤1≤m時表示可拓判斷矩陣具有較好的一致性。

求出權(quán)重向量Sk。

(4)

步驟4——層次單排序。假設(shè)a=(a-,a+),b=(b-,b+),V(a≥b)表示a大于或等于b的可能性程度,計算過程如下

(5)

經(jīng)歸一化處理,得到第k層各因素對第k-1層上的第h個影響因素的單排序權(quán)重wk。

步驟5——層次總排序。若k-1層對總目標的排序權(quán)重向量為Wk-1,則第k層上的全體元素對總目標的總排序

Wk=Pk×Wk-1。

(6)

2.3 綜合評價

為了使本研究的評價過程更具客觀性,擬采用區(qū)間直覺模糊理論建立相應(yīng)的評價模型。該方法同時描述評價元素的隸屬度、非隸屬度和猶豫度,能夠有效描述評價過程中的模糊概念,進而能夠更加細膩地刻畫客觀世界的模糊本質(zhì)[16]。基于區(qū)間直覺模糊的防護林功能性綜合評價步驟如下:

步驟1——確定評價集合。查閱相關(guān)資料與案例,走訪相關(guān)學(xué)者專家,建立綜合評價集,即對某項指標功能性評價所設(shè)定的幾個不同等級,例如{優(yōu)、良、中、差}。

步驟2——專家進行評價。在詳細介紹防護林性能的基礎(chǔ)上,結(jié)合實地考察,邀請各專家依據(jù)所建立的評價指標體系對各指標給出評價結(jié)果,評價結(jié)果以區(qū)間直覺模糊集形式給出。區(qū)間直覺模糊集的定義如下:

定義1若X是非空集合,則A={|x∈X}是一個直覺模糊集。其中,μA(x)和v(x)分別為非空集合X中元素x評判集的隸屬度和非隸屬度,且滿足0≤μA(x)≤1,0≤vA(x)≤1,0≤μA(x)+v(x)≤1。πA(x)=1-μA(x)-vA(x)表示猶豫度,滿足0≤πA(x)≤1。

(7)

步驟3——專家權(quán)重確定。在專家評價過程中,不同專家其擅長的領(lǐng)域不同,因此各專家給出的評價信息的效度并不同。對專家給出信息的效度進行分析,確定各專家對不同指標的評價權(quán)重。專家權(quán)重的確定過程如下:

rij和tij的相似度用s(rij,tij)表示,則

(8)

其中,d(rij,tij)表示rij和tij之間的距離,兩者間的距離測度公式如下:

(9)

最終,專家Ei關(guān)于指標Cj給出的評價信息rij的權(quán)重可以表示為:

(10)

步驟4——評價信息集結(jié)。首先,根據(jù)求得的專家權(quán)重,對專家的評價信息進行集結(jié)。

(11)

上式中,wij為各專家的權(quán)重,可得到所有專家評價信息的綜合評判矩陣R0=(rj)m×1。

接著,根據(jù)式(10)中得到的指標權(quán)重,對各指標的評價信息rj進行集結(jié)。集結(jié)公式如下:

(12)

(13)

步驟5——計算得分函數(shù)。步驟4中得到的集結(jié)后的最終評價信息R,利用得分函數(shù)計算防護林的功能評價結(jié)果。得分函數(shù)的計算公式如下:

(14)

計算出得分函數(shù)值,依據(jù)設(shè)定的評價標準即可得出評價結(jié)果。

3 實例分析

3.1 防護林功能性評價指標體系的建立

基于實際情況,評價指標體系中的目標層應(yīng)為防護林的功能性評價,準則層應(yīng)為實現(xiàn)防護林功能性評價所涉及到的中間環(huán)節(jié),包括防風(fēng)、防浪、水土保持3個準則層指標,指標層即為實現(xiàn)防護林功能性評價所涉及的具體指標。具體指標體系如表1所示。

表1 防護林功能性評價指標體系

3.2 利用可拓層析分析法確定各指標權(quán)重

向相關(guān)專家學(xué)者發(fā)放調(diào)查問卷,對各層指標之間相對重要性進行打分,打分用區(qū)間表示。其中向東北林業(yè)大學(xué)老師發(fā)放10份調(diào)查問卷,收回10份;向黑龍江大學(xué)發(fā)放10份調(diào)查問卷,收回10份;向黑龍江省水利勘探設(shè)計院發(fā)放10份調(diào)查問卷,收回10份。基于以上收回調(diào)查問卷,排除無效問卷后,共計27份有效問卷,回收率為90%,符合要求。

基于有效問卷中的數(shù)據(jù)做科學(xué)性處理,利用可拓層次分析法確定各指標權(quán)重,具體情況如表2～表5所示。

表2 指標層C相對于準則層B的判斷矩陣及相對重要性

表3 指標層C相對于準則層B1的判斷矩陣及相對重要性

表4 指標層C相對于準則層B2的判斷矩陣及相對重要性

表5 指標層C相對于準則層B3的判斷矩陣及相對重要性

(1)基于有效問卷,確定各層指標的判斷矩陣

(2)求權(quán)重向量

以A-B判斷矩陣的計算為例。該判斷矩陣的正負矩陣如下

使用MATLAB分別計算出正負矩陣最大特征值對應(yīng)的特征向量的正分量,結(jié)算結(jié)果如下:

根據(jù)式(3)計算出k和m的值分別為k=0.95、m=1.05。滿足0≤k≤1≤m,符合一致性要求。

根據(jù)式(4)計算出各權(quán)重向量為S1=(kx-,mx+)=(0.178,0.214),S2=(kx-,mx+)=(0.670,0.724),S3=(kx-,mx+)=(0.098,0.113)。

由式(5)得V(S1≥S3)=4.549,V(S2≥S3)=17.997,V(S3≥S3)=1。

歸一化后可得準則層的權(quán)重為W1=(0.196,0.764,0.042)。

同理,最終可得到每個層次各指標的權(quán)重與綜合權(quán)重,如表6所示。

表6 防護林功能性評價指標體系權(quán)重

從表6可以看出,合成權(quán)重占比較大的是排列方式、密度、林帶寬高、風(fēng)速、位置5項。在實際分析過程中,此5項也是重點分析考慮的對象。因此說明層次分析法在此次防護林功能性評價過程中所得到的結(jié)果是準確的。

在本次分析過程中,全部指標都采用了定量分析評價,但是如截面形狀、排列方式等本身就屬于定性指標,根本無法賦值量化。因此專家學(xué)者在打分評判中難免會產(chǎn)生主觀判斷。盡管大部分專家學(xué)者都有著豐富的實踐經(jīng)驗,但這并不能很有效的降低主觀思考對于最終評價結(jié)果的影響,這就使得最終計算結(jié)果具有模糊性并不能使大家信服。因此,區(qū)間直覺模糊集在此處對于所得評價結(jié)果上的處理就顯得尤為重要,能有效降低主觀性判斷的影響,盡可能的得到了一個較為精確的結(jié)果。

3.3 基于區(qū)間直覺模糊集運算的綜合評價

(1)確定評價等級標準。針對評價指標體系中各項指標,建立4個評價等級,每個等級給出相應(yīng)的等級標準,即評價集={μ1μ2μ3μ4}={好 良好 一般 較差},各個評價標準的取值范圍是好(0.75～1.00]、良好(0.50～0.75]、一般(0.25～0.50]和較差(0～0.25]。

(2)確定評價標準的評語集。從東北林業(yè)大學(xué)、黑龍江大學(xué)、黑龍江省水利勘探設(shè)計院各邀請一位專家組成專家組對各指標進行打分,打分值使用區(qū)間直覺模糊集表示。專家打分值匯總后如表7所示。

表7 評價結(jié)果匯總

(3)專家權(quán)重計算。計算出專家評價的權(quán)重,各評價值與均值之間的距離和相似度,最終可求得各專家的評價值權(quán)重,以3位專家對指標層透度(C1)評價指標權(quán)重計算為例。

首先求3位專家對指標層透度(C1)打分的均值為[(0.5+0.65+0.55)/3,(0.75+0.75+0.7)/3][(0.05+0+0)/3,(0.1+0.1+0.05)/3]=[0.57,0.73],[0.02,0.08]。

指標層透度(C1)各項猶豫度為[0.15,0.45],[0.15,0.35],[0.25,0.45],指標層透度(C1)猶豫度均值為[0.18,0.42]。

專家1對指標層透度(C1)的評價值與評價值均值之間的距離為0.05。

同理求得專家2與專家3對C1的評價值與評價值均值之間的距離分別為0.06,0.05。距離總和為0.16。

由相似度公式,專家1對指標層透度(C1)打分的相似度為0.69。同理求得其余二位相似度為0.62,0.69。

由權(quán)重公式可得專家1的權(quán)重為0.345,專家2的權(quán)重為0.31,專家3的權(quán)重為0.345。

匯總后如表8所示。

表8 專家評價指標權(quán)重

(4)專家信息集結(jié)。由式(10)和表8中的專家權(quán)重,如C1的專家綜合評價值為[0.565,0.733],[0.017,0.083]。

將專家給出的評價值進行集結(jié),集結(jié)后的評價值如表9所示。

表9 專家綜合評價值

同理可求得:

4 討論

4.1 指標權(quán)重值

本研究所創(chuàng)建的防護林功能性評價指標體系是遵循相關(guān)原則,參考大量文獻,咨詢相關(guān)專家學(xué)者,以及結(jié)合相關(guān)文件所確定的。在層次分析法應(yīng)用過程中,對于各指標的權(quán)重進行合成,其中排列方式、密度、林帶寬高、風(fēng)速、位置此5項所占比例較大。說明在防護林功能性評價過程中,此5項指標應(yīng)重點考慮,在樹種配置選擇時也應(yīng)結(jié)合此5項指標來選擇。

4.2 區(qū)間直覺模糊評價結(jié)果

本文依據(jù)防護林功能性評價指標體系,將評價結(jié)果劃分為4個等級,即:較差、一般、良好、好。從東北林業(yè)大學(xué)、黑龍江大學(xué)、黑龍江省水利勘探設(shè)計院各邀請一位專家組成專家組對各指標進行打分,打分值采用區(qū)間直覺模糊集表示。區(qū)間直覺模糊集同時考慮了隸屬度和非隸屬度,在實際應(yīng)用過程中更能克服專家打分的主觀性,使評價結(jié)果更加合理。

最終結(jié)合可拓層次分析法求出的各項指標權(quán)重和區(qū)間直覺模糊集評價模型進行復(fù)合運算,得到最終計算結(jié)果為0.533,根據(jù)劃分的評價標準,該防護林功能性評價結(jié)果為良好。通過和實地考察以及結(jié)合3位專家的評價結(jié)果,也肯定了此答案的準確性,說明本次研究取得了一定的成效。

4.3 評價指標體系和評價模型

(1)可行性。從評價指標體系的建立上來看,本研究所構(gòu)建的防護林功能性評價指標體系,主要參考了《5(SG-3)黑龍江省堤防工程多功能防護林模式耦合優(yōu)化配置研究與示范東北林業(yè)大學(xué)》《東北地區(qū)不同結(jié)構(gòu)防護林防風(fēng)效能研究》《防護林不同林木布置模式對風(fēng)浪阻力的特性研究》的相關(guān)研究成果研討內(nèi)容,以及其他相關(guān)文獻的有關(guān)信息,并通過反復(fù)篩選、咨詢相關(guān)專家學(xué)者得到的,從理論上來看是符合要求的。

從評價方法上看,從評價指標選取的相關(guān)文獻說明和綜合評價方法之間的對比,結(jié)合防護林獨有的特點,最終選取可拓層次分析法求取指標權(quán)重,使用區(qū)間直覺模糊集進行防護林功能性評價,通過專家學(xué)者對于指標之間相對重要性打分,確定指標相對重要性權(quán)重,專家打分結(jié)果使用區(qū)間數(shù)表示,接著采用區(qū)間直覺模糊進行評價,同時考慮指標的隸屬度和非隸屬度,使得最終結(jié)果盡可能不受主觀性影響,具有說服力。

(2)準確度。依據(jù)評價指標體系和評價方法,本文最終實例分析所得結(jié)果為:水曲柳、旱柳、水冬瓜赤楊+茶條槭、金銀忍冬+香蒲、千屈菜、菖蒲配置下的防護林功能性評價結(jié)果為良好,對比相關(guān)項目的評價結(jié)果,以及咨詢相關(guān)專家學(xué)者,對于此結(jié)果都較為肯定。單從結(jié)果上看,評價指標體系與評價方法是可行的。

另外,評價方法中相關(guān)調(diào)查問卷的填寫者大多為本專業(yè)專家學(xué)者,在專業(yè)內(nèi)各自研究方向具有一定的代表性,也都或多或少、直接或間接地參與了本次項目,對項目實際情況較為了解。所以從確定指標權(quán)重方面來說,權(quán)重的數(shù)值同樣具有可信度。

(3)實用性。本研究評價對象地處松花江沿岸,是典型的高緯度低海拔地區(qū)。本次研究評價對象最終功能性評價結(jié)果為良好。這不僅表明所選配置、評價指標體系、方法模型是可行的。同時也表明在周邊地區(qū),此種配置、方法、體系是可推廣的,另外其評價結(jié)果與各指標權(quán)重會影響周邊地區(qū)以及相同緯度帶下的相關(guān)防護林研究。

另外,本文構(gòu)建的評價指標體系分為目標層、準則層、方案層。基本囊括了防護林功能性評價所需考慮的諸多因素。由于評價指標體系相對簡單合理,指標相關(guān)數(shù)據(jù)的收集也較為方便,大大降低了相關(guān)工作人員的工作強度。因此本項目的相關(guān)體系與方法是值得借鑒的。

(4)適用范圍與存在問題。本次評價分析涉及范圍廣,時間跨度大,對于東北地區(qū)防護林建設(shè)具有指導(dǎo)意義。另外對其他地區(qū)不同情況下的防護理研究也提供了一定的指導(dǎo)作用。

相對而言,可拓層次分析法和區(qū)間直覺模糊評價法只能在最大程度上消除主觀思考所帶來的影響,但這并不代表全部消除,主觀因素對于評價分析的影響是仍然存在的。

5 結(jié)論

基于建立的防護林功能性評價指標體系和綜合評價模型,結(jié)合松花江干流示范區(qū)實際情況,通過調(diào)查問卷的形式確定具體樹種配置,在此基礎(chǔ)上進行功能性評價,最終結(jié)果表明所選配置防護林的功能性評價為良好。既驗證了建立的評價指標體系和評價模型的可行性和可靠性,又針對評價結(jié)果給出了相應(yīng)的意見和建議。