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        北票市岳家溝小流域水土保持生態(tài)效益定量評價

        2020-05-07 04:54:26
        黑龍江水利科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:水保生態(tài)效益流域

        劉 菲

        (北票市水土保持局,遼寧 朝陽 122100)

        0 引 言

        在促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)、改良及保護(hù)水土資源、預(yù)防和減少水土流失等方面水保措施的貢獻(xiàn)率即為生態(tài)效益。一般地,水保措施的生態(tài)效益主要涉及改善大氣環(huán)境、恢復(fù)植被、涵養(yǎng)水源及改良土壤4個方面。為全面掌握水保措施改善生態(tài)條件、治理水土流失的效果,科學(xué)指導(dǎo)小流域水土流失治理措施,關(guān)于生態(tài)效益評價諸多學(xué)者開展了研究分析[1]。如王琦等[2]認(rèn)為文獻(xiàn)頻率法、專家經(jīng)驗法和理論推導(dǎo)法等為評價指標(biāo)體系構(gòu)建的常用方法;康玲玲等[3]在遵循客觀性、科學(xué)性、系統(tǒng)性等原則的基礎(chǔ)上篩選了生態(tài)效益評價指標(biāo),結(jié)合現(xiàn)有研究資料提出使用頻率較高的指標(biāo)有地表徑流模數(shù)、治理程度、林草覆蓋率和土壤侵蝕模數(shù)。另外,有學(xué)者根據(jù)區(qū)域特征和評價目標(biāo)的特點(diǎn)提出了具有較強(qiáng)針對性的指標(biāo),如曹睿等[4]引入的風(fēng)蝕模數(shù)、沙化土地百分比和沙塵暴日等參數(shù);丁立仲等[5]選取了病蟲害綜合防治率、秸稈綜合利用率和農(nóng)村新能源比重等指標(biāo);余新曉等[6]選取了氧氣釋放、吸收有害氣體、減少風(fēng)水量等指標(biāo)。在生態(tài)效益評價方法中,DPSIR概念框架法[7]、灰色關(guān)聯(lián)法[8]、模糊綜合法和多目標(biāo)決策法等為國內(nèi)學(xué)者較常用的方法。同時,針對水保措施的生態(tài)效益國外一些學(xué)者也開展了相應(yīng)的研究,如Bekele將水保措施影響農(nóng)作物產(chǎn)量的程度選用隨機(jī)優(yōu)勢準(zhǔn)則進(jìn)行了分析;Park等利用GIS技術(shù)分析了土壤侵蝕與水保措施之間的作用關(guān)系;Rocha等采用SWAT模型揭示了營養(yǎng)物質(zhì)輸移、土壤侵蝕量、徑流量與水土保持措施在流域尺度下的變化規(guī)律。

        針對生態(tài)效應(yīng)的評價研究雖然已獲得相應(yīng)的成果,積累了一定的經(jīng)驗,但對于水土保持的相關(guān)研究仍存在許多不足和空白之處,例如不同水保措施的生態(tài)效應(yīng)作用機(jī)制存在差異,從而使得評價體系的構(gòu)建不夠系統(tǒng)、全面。鑒于此,文章通過分析治理措施的生態(tài)功能物理過程,從多個不同方面選擇評判指標(biāo),對各指標(biāo)權(quán)重考慮選用組合賦權(quán)法確定,并引入研究對象的綜合評價值和指標(biāo)響應(yīng)強(qiáng)度描述不同生態(tài)效應(yīng)的總體響應(yīng)趨勢,以北票市岳家溝小流域為例驗證了其科學(xué)合理性。

        1 生態(tài)效益定量評價模型

        1.1 建立指標(biāo)體系

        通常情況下,水土保持措施的生態(tài)效益主要體現(xiàn)在改善環(huán)境、增加小流域物種豐富度及植被覆蓋率、減少地表徑流、增大土壤肥力及減少土壤侵蝕4個方面。根據(jù)國內(nèi)外水土保持生態(tài)效益評價的實(shí)踐經(jīng)驗、研究成果、四大體現(xiàn)及其成效機(jī)制,遵循層次性、系統(tǒng)性、可行性、科學(xué)性原則建立綜合評價指標(biāo)體系。小流域生態(tài)效益評價體系及其數(shù)據(jù)來源,見表1。

        表1 小流域生態(tài)效益評價體系及其數(shù)據(jù)來源

        根據(jù)表1可知,小流域水土保持生態(tài)效益可通過選取的評價指標(biāo)來反映。該評價體系不僅在空間上體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與治理措施之間的影響關(guān)系,而且可直觀的反映治理小流域治理前后的變化特點(diǎn),具有較強(qiáng)的揭示、評價和分析功能。在構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)框架中,生態(tài)效應(yīng)主要體現(xiàn)在目標(biāo)層,而各項治理措施的內(nèi)在作用機(jī)理主要通過準(zhǔn)則層來反映,要素層各參數(shù)可直接用于度量和計算。一般地,根據(jù)各參數(shù)的內(nèi)涵和對生態(tài)效應(yīng)的影響可分為成本型、效益型兩類,成本型指標(biāo)的評價值與屬性值之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,后者為正相關(guān)。表1中,處于成本型的參數(shù)有二氧化碳含量、徑流系數(shù)、土壤容重及侵蝕模數(shù)指標(biāo),其他為效益型參數(shù)。

        1.2 計算指標(biāo)權(quán)重

        目前,關(guān)于水土保持措施改善大氣環(huán)境、恢復(fù)植被、改良土壤和涵養(yǎng)水源的成效機(jī)制研究仍存在一定的局限性,為獲取客觀、準(zhǔn)確的評價結(jié)果必須采取合適的方法確定各參數(shù)權(quán)重,該過程直接決定著有效信息的獲取。主、客觀賦權(quán)法為當(dāng)前權(quán)重計算的兩大類方法,其代表性方法分別為AHP法和熵權(quán)法,其中AHP法計算過程較為簡便且原理清晰,但是易受人為主觀因素影響而存在較大偏差;而熵權(quán)法能夠大大降低人為因素對計算結(jié)果的主觀影響,但也增大了可能出現(xiàn)特殊或極端數(shù)據(jù)的概率。為了更加客觀、準(zhǔn)確的反映小流域治理實(shí)際情況,對各評價指標(biāo)權(quán)重考慮耦合了主、客觀性的組合賦權(quán)法確定,其表達(dá)式如下:

        ωi=αai+(1-α)bi

        (1)

        式中:ai、bi分別為AHP法和熵權(quán)法計算得到的權(quán)重;α為權(quán)重折中系數(shù),文中為0.5。

        基于專家知識經(jīng)驗確定各指標(biāo)權(quán)重的層次分析法,其主要流程是依據(jù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的程度將評價對象進(jìn)行若干層級的分解,通過對比分析兩兩元素之間的相對重要性構(gòu)造具有一定相互關(guān)聯(lián)的判斷矩陣,最終計算確定各參數(shù)的權(quán)向量,詳細(xì)的計算流程見文獻(xiàn)。

        采用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重其主要依據(jù)為各參數(shù)構(gòu)成的判斷矩陣,信息量越大則該參數(shù)提供的有效信息越大,在評價過程中的重要程度就越高,所以賦予的權(quán)值就越大;反之,信息量越低則樣本提供的信息就越少,在評價過程中該樣本的重要程度越低,因此確定的權(quán)值就越小。采用下式計算確定客觀權(quán)重,即:

        (2)

        式中:xij為第i各評價指標(biāo)關(guān)于第j個研究對象的標(biāo)準(zhǔn)化量值。

        不同評價指標(biāo)對小流域生態(tài)效應(yīng)的影響具有正、負(fù)之分,因此在評價前需要對各參數(shù)原始屬性進(jìn)行歸一化處理,其表達(dá)式如下:

        (3)

        式中:Xij為指標(biāo)i關(guān)于評價對象j的初始屬性值。

        1.3 確定評價方法

        為更加系統(tǒng)科學(xué)的揭示水保措施的成效機(jī)制及其生態(tài)效應(yīng)變化特征,必須對小流域不同階段的各指標(biāo)變幅進(jìn)行評價分析。通過對評價樣本的綜合評價和單項指標(biāo)變化的敏感性分析,可準(zhǔn)確揭示小流域總體響應(yīng)趨勢及其生態(tài)效應(yīng)在不同方面的響應(yīng)趨勢。

        一般地,不同的指標(biāo)要素所表征的生態(tài)效益響應(yīng)方式存在一定差異,各評價指標(biāo)在相同時間尺度內(nèi)的響應(yīng)幅度也存在不同。因此,在評價分析小流域生態(tài)效應(yīng)時,對長期、短期內(nèi)的生態(tài)效應(yīng)所考慮的評價因子也不盡相同,針對不同指標(biāo)在同一時期內(nèi)的響應(yīng)響度可按下式計算確定,即:

        (4)

        上式中:Xi1、Xik分別i指標(biāo)在治理前和治理后某時期k的屬性值。

        根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果和不同時間段內(nèi)小流域的實(shí)際狀況,利用下式計算確定綜合評價值,即:

        (5)

        式中:Wj為評價小流域j的綜合評價值。

        依據(jù)以上計算公式可確定評價對象的Wj值,然后依據(jù)其大小關(guān)系可確定生態(tài)效益的優(yōu)劣排序。

        2 實(shí)例分析

        2.1 小流域概況

        由于歷史上干旱少雨、土地不合理利用、植被過度砍伐等不利因素影響,北票市地區(qū)的土壤較為貧瘠,植被稀少,土壤抗侵蝕力差,水土流失和土地資源破壞問題十分突出,加之原有生態(tài)系統(tǒng)因土地開發(fā)利用遭到嚴(yán)重破壞,河道防洪安全、河道淤積等因素,嚴(yán)重影響著小流域可持續(xù)發(fā)展和水土流失狀況,并已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和人居環(huán)境改善的瓶頸。

        岳家溝小流域治理項目位于遼西低山丘陵區(qū)大凌河流域中游,地勢特征呈現(xiàn)出自西北向東南傾斜的變化特征。在長期的水力侵蝕下溝壑縱橫、地勢起伏較大且地形破碎,該地區(qū)的地形特點(diǎn)為坡地溝谷交錯、山地丘陵河谷相間,地面坡度處于5°-20°,溝壑密度為4.2km/km2。為恢復(fù)、重建小流域生態(tài)系統(tǒng)并為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展提供生態(tài)環(huán)境安全保障,帶動地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和加強(qiáng)荒山荒坡治理,北票市水利局和相關(guān)單位結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)條件、小流域治理措施配置、水土流失類型、地形地貌特征和自然狀況的資料,設(shè)計編制了綜合治理方案,即完成作業(yè)路面12.0km,完成水保林300hm2,作業(yè)路12.0 km,動用土方23.7萬m3,總用工7.95萬工日,計劃總投資499.7萬元。

        根據(jù)岳家溝小流域水保措施實(shí)施前、后的有關(guān)監(jiān)測資料,獲取各評價指標(biāo)在2014年、2017年的實(shí)測數(shù)據(jù)。岳家溝小流域生態(tài)效益評價指標(biāo)實(shí)測值,見表2。

        表2 岳家溝小流域生態(tài)效益評價指標(biāo)實(shí)測值

        2.2 結(jié)果分析

        對參數(shù)初始屬性值利用計算公式(3)進(jìn)行歸一化處理,并對各指標(biāo)主、客觀權(quán)重和組合權(quán)重采用文中相關(guān)公式計算確定。根據(jù)計算公式(4)和各指標(biāo)實(shí)測值確定響應(yīng)強(qiáng)度,生態(tài)效益評價指標(biāo)響應(yīng)程度,見表3。

        表3 生態(tài)效益評價指標(biāo)響應(yīng)程度

        從表3可以看出,對不同方法計算確定的結(jié)果存在較大差異,如基于熵權(quán)法確定的二氧化碳含量、土壤容重、土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重值趨近于0,因此可選用考慮了主觀判斷的層次分析法計算確定。所以,組合權(quán)重計算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

        根據(jù)各參數(shù)相應(yīng)強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn),相對于其他指標(biāo)的變化植被覆蓋率、徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)更加顯著,由此表明水保措施對小流域的調(diào)水、保土效應(yīng)的響應(yīng)更加迅速。根據(jù)各參數(shù)響應(yīng)程度和計算公式(5),可確定小流域治理前后的綜合評價值為0.42、0.58,可見水保措施的實(shí)施有利于小流域生態(tài)環(huán)境的修復(fù),該評價結(jié)果和小流域真實(shí)狀況基本保持一致。

        3 結(jié)論

        根據(jù)水保措施的成效機(jī)制及其在改善大氣環(huán)境、增加植被覆蓋率、減少地表徑流和土壤侵蝕等方面的體現(xiàn),結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗和國內(nèi)外相關(guān)研究成果,在遵循代表性、科學(xué)性和有效性原則的基礎(chǔ)上選擇二氧化碳、物種豐富度、土壤容重、侵蝕模數(shù)、徑流系數(shù)、土壤肥力指數(shù)、植被覆蓋率7項典型指標(biāo)構(gòu)成評判體系。然后對各參數(shù)權(quán)重考慮選用耦合了熵權(quán)法和AHP法的組合賦權(quán)法確定,為表征水保措施在不同時間段內(nèi)的生態(tài)效應(yīng),引入指標(biāo)響應(yīng)強(qiáng)度揭示了其四大方面的總體響應(yīng)趨勢。

        通過實(shí)例分析驗證了生態(tài)效應(yīng)定量模型的科學(xué)性與可行性,結(jié)果表明基于組合賦權(quán)的權(quán)重計算更加科學(xué)合理,水保措施對小流域的調(diào)水、保土效應(yīng)的響應(yīng)更加迅速,水保治理項目的實(shí)施有利于小流域生態(tài)環(huán)境的修復(fù)?;谏鷳B(tài)效應(yīng)成效機(jī)制構(gòu)建的評價指標(biāo)體系,綜合考慮了生態(tài)效應(yīng)在四個方面的變化特征,能夠更加系統(tǒng)、客觀的體現(xiàn)水保措施實(shí)施前后的變化狀況。

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