王 丹,李占斌,李 鵬,高海東,趙賓華,袁水龍

(西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048)

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韭園溝流域淤地壩壩系布局評(píng)價(jià)

王 丹,李占斌,李 鵬,高海東,趙賓華,袁水龍

(西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048)

淤地壩系的科學(xué)布局關(guān)系到流域的防洪安全，對(duì)淤地壩系布局進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以為流域壩系工程的規(guī)劃、建設(shè)和設(shè)計(jì)工作提供理論依據(jù)。將黃土丘陵溝壑區(qū)韭園溝流域劃分為1個(gè)主溝壩系單元和14個(gè)子壩系單元，選取了大型壩占總比、串聯(lián)率、庫(kù)容均衡度、穩(wěn)定系數(shù)、侵蝕模數(shù)、洪量模數(shù)及保收率7個(gè)指標(biāo)，采用AHP、IAHP、熵權(quán)法及組合權(quán)重法分別計(jì)算了各指標(biāo)權(quán)重，依次對(duì)韭園溝壩系布局進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究表明：(1)流域部分子壩系單元布局不合理，但全流域壩系布局合理；(2)IAHP法和組合權(quán)重法在計(jì)算權(quán)重時(shí)更客觀，評(píng)價(jià)結(jié)果較為合理；(3)4種方法中，大型占總比權(quán)重系數(shù)均達(dá)到最大，表明骨干壩對(duì)壩系布局有決定性影響；(4)當(dāng)骨干壩控制全流域50%以上，庫(kù)容均衡度達(dá)0～20萬(wàn)m3/km2，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1/25～1/20，洪量模數(shù)0～10萬(wàn)m3/km2，骨干壩串聯(lián)個(gè)數(shù)低于2.5座/km時(shí)，壩系布局基本合理。

壩系單元; IAHP; 熵權(quán)法; 組合權(quán)重; 壩系布局評(píng)價(jià)

長(zhǎng)期的水土保持實(shí)踐表明，淤地壩在黃土高原地區(qū)水土流失防治中是最行之有效的溝道工程措施。淤地壩的顯著特點(diǎn)是能有效地?cái)r截洪水泥沙，集大面積水肥于小地塊利用，形成高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基本農(nóng)田，從而有效實(shí)現(xiàn)了治黃與治貧、生態(tài)環(huán)境建設(shè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)利益等基本關(guān)系的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。在黃土高原水土保持治理長(zhǎng)河中，其巨大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益已得到廣泛認(rèn)可。

近年來(lái)，為確保發(fā)揮淤地壩的安全效益和整體效益，基于前人的研究經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)基礎(chǔ)，單元控制理論即“小流域?yàn)閱卧?，骨干壩為支架，骨干壩和中小型淤地壩相嵌套”的建壩思路逐漸形成[2]。正是在骨干壩以及中小型壩的配合分工和聯(lián)合運(yùn)用下，小流域的水沙利用能力才得以提高。而流域壩系總體布局的合理與否，決定著壩系工程充分發(fā)揮其系統(tǒng)功能的成敗。不合理的壩系布局可能對(duì)工程自身以及下游的安全，乃至水沙資源的持續(xù)利用造成影響。因此，為給小流域壩系工程的規(guī)劃、建設(shè)和設(shè)計(jì)工作提供理論依據(jù)，以期實(shí)現(xiàn)小流域壩系建設(shè)項(xiàng)目效益的正常發(fā)揮，對(duì)小流域壩系總體布局合理性進(jìn)行的評(píng)價(jià)工作就顯得尤為必要。

目前，已有眾多學(xué)者對(duì)壩系布局合理性評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行了初探。陳騫[3]在小流域壩系建設(shè)的問(wèn)題探討中強(qiáng)調(diào)了土壤侵蝕模數(shù)的確定在淤地壩系布局研究中的重要性；蔣耿民[4]引入模糊數(shù)學(xué)理論，采用多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)淤地壩壩系工程總體布局的綜合評(píng)價(jià)數(shù)值進(jìn)行了具體計(jì)算，初步實(shí)現(xiàn)了淤地壩壩系工程總體布局多目標(biāo)、動(dòng)態(tài)的綜合評(píng)價(jià)效果。然而，目前針對(duì)小流域壩系總體布局合理性開(kāi)展的評(píng)價(jià)工作還存在諸如評(píng)價(jià)指標(biāo)不明確、定性多于定量的缺陷[5]，因而難以得到科學(xué)合理的布局評(píng)價(jià)效果，不能適應(yīng)黃土高原水土保持淤地壩工程建設(shè)的需要。本文選取黃土高原水土保持工程典型示范區(qū)——韭園溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全及效益等各方面因素選取并建立適當(dāng)指標(biāo)，構(gòu)建布局評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)該流域淤地壩系進(jìn)行布局評(píng)價(jià)研究，以期為小流域壩系工程的規(guī)劃、建設(shè)和設(shè)計(jì)工作提供理論依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)概況

韭園溝流域地處陜西省綏德縣，屬于黃土丘陵溝壑丘第Ⅰ副區(qū)，為無(wú)定河中游左岸一級(jí)支流，地理位置位于東經(jīng)110°16′—110°26′，北緯37°33′—37°38′，是黃河中游多沙粗沙主要來(lái)源區(qū)的代表性小流域。主溝長(zhǎng)18 km，平均比降1.15%，溝道斷面呈“V”字形，溝壑密度5.34 km/km2，海拔高程820～1 180 m。流域內(nèi)地形破碎，溝壑縱橫，梁峁起伏，土層深厚，土地貧瘠，植被稀少，墾殖指數(shù)高，水土流失嚴(yán)重，平均土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到14 000 t/(km2·a)，屬于無(wú)定河中下游丘陵溝壑強(qiáng)度流失區(qū)。韭園溝流域地處溫帶半干旱地區(qū)，年蒸發(fā)量1 519～1 600 mm，多年平均降水量為469 mm，雨水多集中在7—9月，且多數(shù)以暴雨形式出現(xiàn)。

韭園溝流域溝道壩系經(jīng)過(guò)多年的示范建設(shè)，截至2010年底，水土保持措施面積4 832.8 hm2，其中基本農(nóng)田、林地、草地面積分別為1 613.6，2 383.9，835.4 hm2，治理程度達(dá)到68.9%。全流域淤地壩共計(jì)257座，總庫(kù)容達(dá)3 016.1萬(wàn)m3，已淤庫(kù)容2 695.6萬(wàn)m3。其中，骨干壩24座，總庫(kù)容為2 111.5萬(wàn)m3，已淤庫(kù)容1 648.6萬(wàn)m3，平均單壩控制面積4.38 km2；中型壩47座，總庫(kù)容為850.3萬(wàn)m3，已淤庫(kù)容722.8萬(wàn)m3，平均單壩控制面積0.98 km2；小型壩186座，總庫(kù)容為407.5萬(wàn)m3，已淤庫(kù)容324.2萬(wàn)m3，平均單壩控制面積0.18 km2。全流域布?jí)蚊芏葹?.7座/km2，總庫(kù)容43.0萬(wàn)m3/km2，已淤庫(kù)容38.5萬(wàn)m3/km2，可淤地面積5.4 hm2/km2，已淤地面積4.4 hm2/km2，人均壩地0.026 hm2。壩地面積與壩控面積之比達(dá)到1/24，壩系進(jìn)入基本保收階段[6]。

1.2技術(shù)路線

1.2.1流域壩系單元的劃分小流域壩系一般包含若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子壩系，而子壩系又是構(gòu)成總壩系的基礎(chǔ)單元。子壩系在總壩系群體聯(lián)防中，獨(dú)當(dāng)一面，鎮(zhèn)守一方，同時(shí)通過(guò)其防洪、淤地、生產(chǎn)功能的有機(jī)結(jié)合與分工負(fù)責(zé)以及對(duì)下游壩系的控制作用，保障了下游流域壩系的生產(chǎn)安全與功能發(fā)揮。韭園溝流域壩系的Ⅲ級(jí)溝道具有較合理的布?jí)螚l件和結(jié)構(gòu)，易形成壩系單元。本文根據(jù)該流域壩系現(xiàn)狀分析，按照壩系單位劃分要求，將整個(gè)流域壩系劃分為1個(gè)主溝壩系單元和14個(gè)子壩系單元，并分別以各壩系單元以及全流域?yàn)檠芯繉?duì)象展開(kāi)布局評(píng)價(jià)工作。韭園溝內(nèi)部各壩系單元間的控制與從屬關(guān)系見(jiàn)圖1。

1.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立與計(jì)算淤地壩壩系工程總體布局是一個(gè)涉及因素多、涉及范圍廣的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)其實(shí)現(xiàn)比較深入、全面的評(píng)價(jià)是非常困難的。建立科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，是影響評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性和客觀性的關(guān)鍵。本文基于相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者以往的研究成果，并結(jié)合淤地壩工程實(shí)際，綜合考慮防洪安全、穩(wěn)定可靠以及經(jīng)濟(jì)效益等各方面因素，最終選取大型壩占總比、串聯(lián)率、庫(kù)容均衡度、穩(wěn)定系數(shù)、侵蝕模數(shù)、洪量模數(shù)及保收率7個(gè)指標(biāo)建立布局評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，各指標(biāo)釋義及計(jì)算方法如下：

圖1　韭園溝流域壩系框架控制關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

(1)大型壩占總比。由于一個(gè)流域的防洪標(biāo)準(zhǔn)依賴于整個(gè)流域壩系，尤其是大型骨干壩的調(diào)蓄作用，因此大型壩庫(kù)容占總庫(kù)容的比值越大，其對(duì)洪水的調(diào)節(jié)能力就越強(qiáng)，流域?qū)樗牡钟芰σ簿驮綇?qiáng)。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：L為大型壩占總比(%)；SL為流域壩系(單元)中大型壩總庫(kù)容(萬(wàn)m3)；ST為壩系(單元)總庫(kù)容(萬(wàn)m3)。

(2)串聯(lián)率。由于在有限長(zhǎng)度的流域溝道上，考慮潰壩風(fēng)險(xiǎn)，淤地壩的串聯(lián)個(gè)數(shù)越多，單壩潰決后造成連鎖潰壩的危險(xiǎn)程度就越高，因此，串聯(lián)率越低，布局相對(duì)越合理。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：C為串聯(lián)率(個(gè)/km)；Nc為淤地壩最大串聯(lián)個(gè)數(shù)(個(gè))；G為對(duì)應(yīng)流域溝道長(zhǎng)度(km)。

(3)庫(kù)容均衡度。用來(lái)衡量流域壩系(單元)庫(kù)容的均勻分配程度，該值越小，說(shuō)明流域壩系(單元)對(duì)庫(kù)容的分配越均勻。計(jì)算公式如下：

(3)

式中：B為庫(kù)容均衡度(萬(wàn)m3/km2)；Smax，Smin分別為流域壩系(單元)內(nèi)同類(lèi)別淤地壩的最大庫(kù)容與最小庫(kù)容(萬(wàn)m3)；Ac為流域壩系(單元)控制面積(km2)。

(4)穩(wěn)定系數(shù)。該值反映了壩系(單元)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)也側(cè)面影響流域的經(jīng)濟(jì)效益，而穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性也是布局評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。計(jì)算公式如下：

(4)

式中：D為穩(wěn)定系數(shù)；Al，Ac分別為流域壩系(單元)的可淤地面積與壩控面積(km2)。

(5)侵蝕模數(shù)。單位時(shí)間、單位面積內(nèi)被剝蝕并發(fā)生位移的土壤侵蝕量[t/(km2·a)]，是用來(lái)衡量土壤侵蝕程度的指標(biāo)。壩系的建設(shè)，一方面可以攔截上游溝道產(chǎn)生的泥沙，另一方面在一定程度上改變了流域(溝道)的侵蝕形態(tài)，是布局合理性評(píng)判不可缺少的指標(biāo)之一。本文利用韭園溝流域10 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)以及2012年快鳥(niǎo)影像的土地利用解譯圖，基于ArcGIS平臺(tái)，采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)計(jì)算全區(qū)土壤侵蝕模數(shù)并進(jìn)行強(qiáng)度分級(jí)(圖2)，在流域劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得出各壩系單元的平均侵蝕模數(shù)。

圖2　韭園溝土壤侵蝕強(qiáng)度

(6)洪量模數(shù)。該指標(biāo)用來(lái)衡量壩系(單元)攔蓄洪水的能力，計(jì)算公式如下：

(5)

式中：M為洪量模數(shù)(萬(wàn)m3/km2)；F選取300年一遇的洪水總量(萬(wàn)m3)；Ac為壩控面積(km2)；

(7)保收率：經(jīng)不同重現(xiàn)期洪水以及淹水深度的計(jì)算，根據(jù)淹水深度不超過(guò)80 cm時(shí)壩地即可保收的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算保收率，該值也可影響到壩系(單元)的相對(duì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算公式如下：

(6)

式中：P為保收率(%)；N為淹水深度不超過(guò)80 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期(a)。

1.2.3流域壩系布局合理性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定本文選用的7個(gè)指標(biāo)中，除侵蝕模數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)和保收率有參考標(biāo)準(zhǔn)外，其余指標(biāo)由于是新列指標(biāo)，暫無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，故結(jié)合數(shù)據(jù)屬性和相關(guān)研究來(lái)擬定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其中關(guān)于穩(wěn)定系數(shù)和保收率，研究表明多沙粗沙區(qū)壩地在20年一遇的洪水條件下，當(dāng)作物保收率在80%以上時(shí)，其經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的，可達(dá)到防洪保收的目的；當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1/30～1/50時(shí)，壩地屬于初步利用階段，為1/20～1/30時(shí)，壩地屬于基本保收階段，大于1/20時(shí)，該壩可實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定[7]；當(dāng)大型占總比達(dá)到50%以上時(shí)，骨干壩可以對(duì)流域進(jìn)行較好的控制，基本達(dá)到壩系建設(shè)的目標(biāo)；串聯(lián)率考慮當(dāng)出現(xiàn)3座以上淤地壩串聯(lián)時(shí)，壩系工程的安全風(fēng)險(xiǎn)增加。由此建立的壩系布局合理性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1　流域壩系布局合理性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.4指標(biāo)權(quán)重的確定對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的賦值方法主要集中在層次分析法、德?tīng)柗品ǖ?，其?jì)算過(guò)程中均包含大量的主觀因素影響，容易產(chǎn)生較大偏差。因此，為對(duì)比分析，本文除了采用層次分析法(AHP)外，還選取改進(jìn)層次分析法(IAHP)、熵權(quán)法以及組合權(quán)重法分別進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

(1)改進(jìn)層次分析法。改進(jìn)的層次分析法(IAHP)[8-10]確定權(quán)重向量克服了常規(guī)層次分析法中標(biāo)度重要性以及權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)的復(fù)雜性，具有直觀、簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)。其步驟如下：

① 構(gòu)造判斷矩陣。在同一層次中，對(duì)各評(píng)價(jià)因素的重要性進(jìn)行兩兩比較，得到綜合比較矩陣，并根據(jù)重要性程度排序指數(shù)構(gòu)造對(duì)應(yīng)的判斷矩陣。各評(píng)價(jià)因素的重要性評(píng)判規(guī)則如下：

(7)

式中：kij是因素i和因素j的比較量化值。判斷矩陣的計(jì)算公式為：

(8)

式中：cij為判斷矩陣的對(duì)應(yīng)元素；ri為重要性程度排序指數(shù)；m為矩陣的階數(shù)；kij為比較矩陣的相應(yīng)元素。

② 計(jì)算判斷矩陣的優(yōu)化矩陣。設(shè)原判斷矩陣為C=[cij]mm，則優(yōu)化矩陣的對(duì)應(yīng)元素的計(jì)算公式為：

(9)

③ 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值。計(jì)算各單一評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，公式為：

(10)

式中：i，j=1，2，…，m；wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因素相應(yīng)的歸一化權(quán)重值；m為同一層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

(2)熵權(quán)法。為減少在確定權(quán)重過(guò)程中主觀因素的影響，基于信息熵的群眾賦值法實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)本身信息有序性的客觀反映，它通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)值所構(gòu)成的判斷矩陣來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重，這樣能在一定程度上消除由專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和主觀打分帶來(lái)的誤差，使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際[11]。其計(jì)算步驟[12]如下：

① 構(gòu)建m個(gè)方案n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣：

② 將判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化的判斷矩陣B：

(11)

式中：rmax指同一指標(biāo)下不同方案的最優(yōu)指標(biāo)值；rmin指同一指標(biāo)下不同方案的最劣指標(biāo)值。

③ 根據(jù)熵的定義，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)m個(gè)方案，由此確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為：

(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(12)

為使lnfij有意義，假定：當(dāng)fij=0時(shí)，fijlnfij=0；但當(dāng)fij=1時(shí)，lnfij也等于零，顯然不切合實(shí)際，并且有悖于熵的含義，故將fij修正為：

(13)

進(jìn)而，第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)wj定義為：

(14)

(3)組合權(quán)重法。為合理地確定布局評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，把指標(biāo)的權(quán)重結(jié)構(gòu)分為反映評(píng)價(jià)指標(biāo)不同屬性對(duì)布局合理性影響程度的主觀權(quán)重和反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本值差異信息對(duì)布局合理性影響程度的客觀權(quán)重，本文采用層次分析法(AHP)以及熵權(quán)法分別確定這些權(quán)重，然后利用最小相對(duì)信息熵原理將它們綜合為組合權(quán)重，這樣能夠充分挖掘評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重中的專(zhuān)家主觀經(jīng)驗(yàn)信息和各評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本值的客觀差異信息[13]。其中本次專(zhuān)家打分邀請(qǐng)10位專(zhuān)家參與，返回有效打分表9份。

綜合指標(biāo)的主觀權(quán)重w1j與客觀權(quán)重w2j，可獲得對(duì)應(yīng)的組合權(quán)重wj，j=1～m。顯然wj與w1j和w2j都應(yīng)盡可能接近，根據(jù)最小相對(duì)信息熵原理[14-15]有：

(15)

(16)

用拉格朗日乘子法解上述優(yōu)化問(wèn)題得：

(17)

2　結(jié)果與分析

2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算與賦值

在壩系單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)上，依次計(jì)算1個(gè)主溝壩系單元、14個(gè)子壩系單元以及全流域各指標(biāo)值，匯總見(jiàn)表2。

表2　韭園溝各壩系單元指標(biāo)匯總

大型壩占總比根據(jù)其對(duì)洪水的調(diào)節(jié)能力進(jìn)行定量賦值，當(dāng)大型壩的庫(kù)容控制率達(dá)到或超過(guò)50%時(shí)賦值為1，每減小10%，賦值相應(yīng)減小0.2；洪量模數(shù)根據(jù)其對(duì)洪水的攔蓄能力進(jìn)行定量賦值，當(dāng)洪量模數(shù)小于5萬(wàn)m3/km2時(shí)賦值為1，每增加2萬(wàn)m3/km2，賦值相應(yīng)減小0.2；串聯(lián)率參考串聯(lián)淤地壩連鎖潰壩對(duì)下游工程的威脅程度進(jìn)行定量賦值，當(dāng)串聯(lián)率為0時(shí)賦值為1，串聯(lián)率每增加1，賦值減小0.2；侵蝕模數(shù)根據(jù)其對(duì)土壤侵蝕的控制程度進(jìn)行定量賦值，當(dāng)侵蝕模數(shù)小于4 000 t/(km2·a)時(shí)賦值為1，每增加2 000 t/(km2·a)，賦值相應(yīng)減小0.2；穩(wěn)定系數(shù)根據(jù)其對(duì)流域相對(duì)穩(wěn)定的貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量賦值，當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)大于1/20時(shí)賦值為1，小于1/50時(shí)賦值為0，處于中間值時(shí)內(nèi)插取值；庫(kù)容均衡度根據(jù)其對(duì)庫(kù)容的分配均勻程度進(jìn)行定量賦值，當(dāng)均衡度為0時(shí)賦值為1，每增加10萬(wàn)m3/km2，賦值相應(yīng)減小0.1；保收率根據(jù)壩地保收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定量賦值，當(dāng)保收率小于80%時(shí)賦值為0，每增加5%，賦值相應(yīng)增加0.2。各壩系單元指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化賦值匯總見(jiàn)表3。

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

依次采用層次分析法(AHP)、改進(jìn)層次分析法(IAHP)、熵權(quán)法和組合權(quán)重法分別計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，匯總見(jiàn)表4。

表3　壩系單元指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化賦值

表4　不同方法的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

2.3布局得分值計(jì)算與合理性評(píng)價(jià)

韭園溝流域壩系布局得分值計(jì)算如下：

(18)

式中：B為流域壩系單元布局綜合得分；Ci為7個(gè)指標(biāo)賦分值；Wi為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)布局評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不同方法所得布局得分值與合理性結(jié)果不同，匯總結(jié)果見(jiàn)表5。計(jì)算結(jié)果顯示：韭園溝1個(gè)主溝壩系單元和14個(gè)子壩系單元布局多數(shù)是合理的，盡管個(gè)別壩系單元存在不合理布局，但從全流域來(lái)看，淤地壩壩系布局是合理的。相比壩系單元，由于整個(gè)流域的大型壩庫(kù)容控制率較高，并且穩(wěn)定系數(shù)較大，從而導(dǎo)致得分值較高。

表5　韭園溝流域壩系布局得分值與評(píng)價(jià)結(jié)果

由表5可知，各壩系單元中下橋溝壩系單元綜合得分值較低，評(píng)價(jià)結(jié)果為不合理，從單項(xiàng)指標(biāo)分值來(lái)看，是由于其在洪量模數(shù)、侵蝕模數(shù)、保收率3項(xiàng)指標(biāo)的得分值較低，分析可能由于該壩系單元內(nèi)單壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低或放水建筑物的養(yǎng)護(hù)工作不到位，從而抵御洪水的能力不足所導(dǎo)致。結(jié)合韭園溝小流域2012年7月15日暴雨淤地壩水損調(diào)查情況得知，在該場(chǎng)暴雨中下橋溝流域的下橋溝2號(hào)壩的涵洞和臥管全毀，產(chǎn)生了較大的破壞，這在一定程度上驗(yàn)證了本結(jié)果的可靠性。

4種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果中，除王家溝、馬家溝、水堰溝和下橋溝存在差異以外，其余壩系單元合理性評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的，這表明結(jié)果具有一定的可靠性。其中AHP法和熵權(quán)法評(píng)價(jià)結(jié)果完全相同，而IAHP法與組合權(quán)重法評(píng)價(jià)結(jié)果則趨于保守。分析表4可知，AHP法與熵權(quán)法權(quán)重差異主要在洪量模數(shù)和保收率上，前者主要通過(guò)專(zhuān)家打分進(jìn)行確定，人為主觀因素影響較大，而后者完全是基于數(shù)據(jù)本身計(jì)算而得，雖反映了各評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本值的客觀差異信息，但缺乏定性因素以及經(jīng)驗(yàn)信息的考慮，故評(píng)價(jià)結(jié)果都各有缺陷。相對(duì)于AHP法，IAHP法由于在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)對(duì)評(píng)價(jià)因素的重要性評(píng)判原則得到簡(jiǎn)化，主觀性因素影響有一定程度的降低，因此各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)更能反映指標(biāo)對(duì)布局合理性貢獻(xiàn)率的大小及程度，由此得出的評(píng)價(jià)結(jié)果也更加合理。而組合權(quán)重法由于將反映評(píng)價(jià)指標(biāo)不同屬性對(duì)布局合理性影響程度的主觀權(quán)重和反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本值差異信息對(duì)布局合理性影響程度的客觀權(quán)重進(jìn)行了組合計(jì)算，可充分挖掘評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重中的專(zhuān)家主觀經(jīng)驗(yàn)信息和各評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本值的客觀差異信息，由此得出的結(jié)果更加合理、嚴(yán)謹(jǐn)和全面。因此，通過(guò)后兩種方法計(jì)算得到的小流域壩系布局合理性取得了較理想的結(jié)果。

同時(shí)，綜合分析表3與表5可看出，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為基本合理或不合理的壩系單元對(duì)應(yīng)大型占總比指標(biāo)的分值均為0。分析表4，也可發(fā)現(xiàn)4種方法中大型占總比這一指標(biāo)權(quán)重系數(shù)均達(dá)到最大，從而對(duì)其最終的布局得分值造成影響。這更加說(shuō)明了大型骨干壩在壩系布局中的重要地位，加強(qiáng)骨干壩建設(shè)更應(yīng)該在布局規(guī)劃中得到重視。此外，結(jié)合綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)大型壩控制全流域50%以上，庫(kù)容均衡度達(dá)到0～20萬(wàn)m3/km2，同時(shí)穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1/25～1/20，洪量模數(shù)0～10萬(wàn)m3/km2，骨干壩串聯(lián)個(gè)數(shù)低于2.5座/km時(shí)，此時(shí)的壩系布局基本上是合理的。

3　結(jié) 論

(1)韭園溝1個(gè)主溝壩系單元和14個(gè)子壩系單元布局多數(shù)是合理的，盡管壩系單元存在不合理布局，但從全流域來(lái)看，淤地壩壩系布局也是合理的；

(2)4種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果除王家溝、馬家溝、水堰溝和下橋溝存在差異以外，其余壩系單元合理性評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的，這表明各結(jié)果具有一定的可靠性，各方法也具有一定的適應(yīng)性，其中由于IAHP法和組合權(quán)重法在計(jì)算權(quán)重時(shí)的主觀性得到了一定程度上的避免，評(píng)價(jià)結(jié)果更加嚴(yán)謹(jǐn)和合理，在小流域壩系布局合理性評(píng)價(jià)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景；

(3)4種方法中大型占總比這一指標(biāo)權(quán)重系數(shù)均達(dá)到最大，這更加說(shuō)明了大型骨干壩在壩系布局中的重要地位，加強(qiáng)骨干壩建設(shè)更應(yīng)該在布局規(guī)劃中得到重視。由于本文所列指標(biāo)均為新列指標(biāo)，暫無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)的相關(guān)性及適用性還有待進(jìn)一步研究。

[1]王英順,田安民.黃土高原地區(qū)淤地壩試點(diǎn)建設(shè)成就與經(jīng)驗(yàn)[J].中國(guó)水土保持,2005(12):44-46.

[2]藺明華,王志意,段文中.淤地壩研究的回顧與展望[J].中國(guó)水利,2003(9):62-64.

[3]陳騫.小流域壩系建設(shè)中的幾個(gè)問(wèn)題及建議[J].中國(guó)水土保持,2008(2):55-56.

[4]蔣耿民.淤地壩壩系工程總體布局綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及模型研究[D].陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2010.

[5]蔣得江.試論小流域壩系總體布局合理性評(píng)價(jià)若干問(wèn)題[J].河西學(xué)院學(xué)報(bào),2009,25(5):48-52.

[6]田永宏.韭園溝示范區(qū)小流域壩系布局分析[J].中國(guó)水土保持,2006(9):21-22.

[7]田永宏,王英順.黃河流域多沙粗沙區(qū)壩地防洪保收研究[J].中國(guó)水土保持,1997(4):18-22.

[8]蔣得江.黃土高原西部水土保持壩系布局與評(píng)價(jià)[M].鄭州:鄭州大學(xué)出版社,2010.

[9]陳風(fēng)光,姚海林,史衛(wèi)國(guó).模糊綜合評(píng)價(jià)法在堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011(S1):67-70.

[10]Dyer J S.Remarks on the analytic hierarchy process[J].Management Science,1990,36(3):249-258.

[11]張先起,王臣博,李恩寬.小流域淤地壩壩系方案優(yōu)選熵權(quán)屬性識(shí)別模型[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2013(11):85-89.

[12]Chen S Z,Wang X J,Zhao X J,et al.An attribute recognition model based on entropy weight for evaluating the quality of groundwater sources[J].Journal of China University of Mining & Technology,2008,18(1):72-75.

[13]吳開(kāi)亞,金菊良.區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)的熵組合權(quán)重屬性識(shí)別模型[J].地理科學(xué),2008,28(6):754-758.

[14]Bierkens J,Kappen H J.Explicit solution of relative entropy weighted control[J].Systems & Control Letters,2014,72:36-43.

[15]雷功炎.關(guān)于將相對(duì)熵用于層次分析的簡(jiǎn)單注記[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,1995,15(3):65-68.

Evaluation of Overall Distribution of Check Dam System in the Jiuyuangou Watershed

WANG Dan,LI Zhanbin,LI Peng,GAO Haidong,ZHAO Binhua,YUAN Shuilong

(Key Laboratory of Northwest Water Resources and Environment Ecology of Ministry of Education,Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China)

The scientific layout of check dam system was related to the safety of flood control of a watershed.The evaluation of overall distribution of check dam system in the Jiuyuangou Watershed were carried out in order to provide theoretical basis for the planning,construction and design work of the dam system engineering of small watershed.The Jiuyuangou Watershed was divided into one main gully dam system unit and 14 sub dam system units,and then the evaluation system of overall distribution of check dam system was established by a comprehensive selection of 7 indexes including the proportion of key dams,series rate,capacity equilibrium degree,stability coefficient,erosion modulus,flood modulus and yield ensuring rate.The Analytic Hierarchy Process (AHP),Improved Analytic Hierarchy Process (IAHP),entropy method and combination weighting method were applied to calculate the weight of each index,through which the overall distribution of the check dam system of Jiuyuangou Watershed was evaluated.The results showed that: (1)although the distribution of part sub dam system units were unreasonable,that of the whole watershed seemed to be reasonable; (2)the results of the IAHP method and the combination weighting method were more reasonable because of their objective theory when calculating the weight coefficient; (3)the weight of the index ‘proportion of key dams’ reached the maximum in the four methods,which further indicated that key dam had a decisive influence on dam system layout; (4)when the key dams controlled above 50% of the whole watershed,capacity equilibrium degree reached to 0～200 000 m3/km2,stability coefficient 1/25～1/20,flood modulus 0～100 000 m3/km2,the number of series of key dam was less than 2.5 per kilometer,at this time,the overall distribution of check dam system was basically reasonable.

dam system unit; IAHP; entropy method; combination weighting; evaluation of distribution of check dam system

2015-09-12

2015-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41330858);國(guó)家自然科學(xué)基金(41471226，41401305)

王丹(1991—),女,陜西榆林人,在讀碩士,研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源。E-mail:danwang943@163.com

李占斌(1965—),男,河南鎮(zhèn)平人,博士,研究員,主要從事土壤侵蝕和水土保持方面的研究。E-mail:zbli@ms.iswc.ac.cn

S157

A

1005-3409(2016)05-0049-07