高清震

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

水土流失導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活水平和抵御自然災(zāi)害能力的下降，同時制約著經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和人與自然之間的協(xié)調(diào)平衡，還可引起土壤養(yǎng)分的流失、河道堵塞，并對下游區(qū)域的防洪安全和流域內(nèi)自我發(fā)展產(chǎn)生較為嚴(yán)重的威脅。水土流失綜合治理屬于一項綜合性強、覆蓋領(lǐng)域廣的系統(tǒng)工程，在改良水土資源和改善生態(tài)環(huán)境、預(yù)防及減少水土流失等方面發(fā)揮著重大作用[1]。為了科學(xué)指導(dǎo)區(qū)域水土流失治理工程，全面掌握水保措施改善生態(tài)環(huán)境、治理水土流失的成效，有必要客觀準(zhǔn)確的評價小流域治理效益。當(dāng)前，灰色關(guān)聯(lián)法、模糊數(shù)學(xué)法和綜合指數(shù)法等為效益評價的常用方法，其中應(yīng)用最為廣泛的綜合指數(shù)法，其基本原理是將各類分散信息集成整體反映待評對象的真實狀況，然而對于評價等級與總指標(biāo)、單指標(biāo)之間的隸屬度識別存在不足，往往存在單指標(biāo)信息遺漏和不相容現(xiàn)象[2]。物元可拓法的基本原理是探索事物的變化過程和物元的可變性、可拓性，通過對事物基本元素的分析找出問題解決方法，該方法能夠較為準(zhǔn)確的確定單因子狀態(tài)，最后集成獲取參評因子的整體水平，保證了評價結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性。當(dāng)前，物元可拓模型在水環(huán)境評價、土地資源、水生態(tài)和水庫調(diào)度等領(lǐng)域已得到普遍應(yīng)用，而涉及水保效益的研究較少。文章以莊河市桂云花鄉(xiāng)頭道嶺小流域為例，對其綜合效益運用物元可拓模型評價，以期為豐富水保效益評價中物元可拓模型的應(yīng)用研究及優(yōu)化設(shè)計小流域治理方案提供一定的決策。

1 水土保持概況

莊河市桂云花鄉(xiāng)頭道嶺小流域位于桂云花鄉(xiāng)橫道河村境內(nèi)，地處橫道河北岸，流域中心坐標(biāo)為E122°35′49″，N40°02′23″，總面積3130.24hm2。項目區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、暴雨特多、冬季漫長、雨雪充沛，年均氣溫8.9℃，水面平均蒸散發(fā)(E601)770mm，年均降水量789.5mm。

項目區(qū)為低山丘陵，土壤類型以砂壤、綜壤土為主，土地利用多坡耕地、低丘漫崗地，土壤養(yǎng)分含量低、涵養(yǎng)水源能力差且林草覆蓋率低。頭道嶺小流域?qū)儆谒η治g類型區(qū)，面蝕為水土流失的主要形式，多發(fā)生于疏幼林、未成林、次生林地、荒山荒坡無工程果園和坡耕地，在侵蝕皮面上溝蝕呈不同程度的分布。水土流失面積305.54hm2，其中輕度和中度侵蝕面積304.34、1.20hm2，土壤侵蝕模數(shù)2500t/km2·a。人類不合理的開發(fā)利用和自然環(huán)境為導(dǎo)致水土流失的兩大原因，其中引起自然侵蝕的主要原因有流域內(nèi)溝壑縱橫、植被覆蓋率低、山地丘陵多；人為因素主要體現(xiàn)在粗放式開發(fā)利用、盲目開墾及項目開發(fā)和規(guī)劃缺乏論證等。

頭道嶺小流域治理項目的主要任務(wù)為：改善農(nóng)村生活環(huán)境和生產(chǎn)條件，有效防止泥石流、崩塌、滑坡等自然災(zāi)害，減輕山洪和水土流失危害，促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和糧食增產(chǎn)。根據(jù)當(dāng)?shù)厝罕姾玩?zhèn)政府的要求及建議，結(jié)合項目區(qū)水土流失特點和地貌類型特征，確定封禁治理和植物措施為小流域水土流失的重點防治工程，具體如下：①坡耕地整治：果樹池臺田面積為7.93 hm2，道路為1.815km；修建谷坊2座、排水溝0.06km，設(shè)立標(biāo)志牌1個。②植物措施：果樹池臺田栽植2a生李子樹(嫁接，大紅袍)6614株。項目的實施每年增加蓄水量1.78萬m3，增攔泥沙0.04萬t，森林覆蓋率提升0.25%，年經(jīng)濟效益7.14萬元。

2 物元可拓法

對于多目標(biāo)、多約束不相容復(fù)雜問題的處理，物元可拓模型具有良好的適用性與可行性，水保效益評價涉及到的范圍廣、因素多且各因子間具有不相容特性。所以，考慮選用物元可拓法建立綜合評價體系，在識別評價過程中能夠大大減少多要素、多角度的客觀片面性?？赏丶械摹凹词怯址恰钡呐R界概念體現(xiàn)了自然界“非此亦彼”的過度狀況，在評判和識別事物時擺脫了“非此即彼”的二值限制，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。所以，對小流域治理效益運用物元可拓分析法進行科學(xué)評價，其詳細流程如下：

步驟一：水保治理效益物元。將水保效益N、特征C及其對應(yīng)的特征值V構(gòu)成的有序三元組R，即效益評價物元為R=(N，C，V)。根據(jù)具有n個特征C1，C2，C3，…，Cn及其量值V1，V2，V3，…，Vn的綜合效益N，可構(gòu)成n維物元矩陣，即：

步驟二：經(jīng)典域和節(jié)域物元矩陣。結(jié)合項目區(qū)綜合效益的標(biāo)準(zhǔn)量值及其特征確定經(jīng)典域RN，表示為：

(1)

式中：Ni為治理效益評價劃分的i個等級；C1，C2，…，Cn為治理效益各參評因子；(ain，bin)為評價要素Cn關(guān)于等級i的取值范圍，由此可構(gòu)成經(jīng)典域。

結(jié)合事物特征和經(jīng)典域量值構(gòu)成節(jié)域物元矩陣Rp，其數(shù)學(xué)表達為：

(2)

式中：(apn，bpn)為針對特征Cn的節(jié)域物元量值區(qū)間；C1，C2，…，Cn為治理各效益參評因子；Np為水保治理效益的全體評價等級。

步驟三：關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度。根據(jù)具體的數(shù)值定量的描述不相容問題，利用關(guān)聯(lián)函數(shù)確定治理效益各評價因子的關(guān)聯(lián)度，即：

(3)

式中：K(Vi)j為綜合效益等級j下評價因子i的關(guān)聯(lián)度；

|Vij|=|bin-ain|

(4)

(5)

(6)

其中，i=1，2，3…n；j=i=1，2，3…n；Vpn、Vi為節(jié)域和經(jīng)典域量值區(qū)間；ρ(Vi，Vij)、ρ(Vi，Vpn)為經(jīng)典域Vij、節(jié)域Vpn到實軸上任一點Vi的距離。

步驟四：綜合關(guān)聯(lián)度與評價等級。不同評價等級下所有參評指標(biāo)的趨近程度采用綜合關(guān)聯(lián)度反映，計算式：

(7)

式中：Ki(p)為效益等級為i時待判物元N的關(guān)聯(lián)度；ωi為評價因子權(quán)重；k(vi)j為評價等級為i時單因子關(guān)聯(lián)度。若符合條件Kij=max{Ki(p)}，則評價因子i達到j(luò)級標(biāo)準(zhǔn)。Ki(p)值反映了評價對象的隸屬等級；當(dāng)Ki(p)>0時，則代表關(guān)于某一評價等級小流域綜合治理效益達到目標(biāo)要求，且達到目標(biāo)的程度與其值的大小正相關(guān)；當(dāng)-1

步驟五：權(quán)重確定。決策過程中獲取的數(shù)據(jù)多少直接決定著結(jié)果可靠性、評價精度，當(dāng)前確定權(quán)重的常用方法有熵權(quán)法、層次分析AHP法等?？紤]專家意見的AHP法往往具有較強的主觀性，熵權(quán)法依據(jù)各指標(biāo)離散程度表征信息熵的程度，信息熵越小則系統(tǒng)的離散性越大，所提供的有效信息量和賦予的權(quán)值就越高；反之，則權(quán)重就越小。評價對象關(guān)于某項因子相同所賦予的熵值就越高，則表明該因子未提供有效的信息，則評價過程中可不考慮各項因子，從而保證運算效率和準(zhǔn)確性。然而，該方法未能考慮專家經(jīng)驗和決策者意見，鑒于此綜合考慮二者的優(yōu)缺點，采用主、客觀相結(jié)合的方法綜合確定效益評價因子權(quán)重ω，其計算式為：

(9)

(9)

式中：vij為評價因子i關(guān)于第j個評價對象的量值，

3 評價指標(biāo)體系及經(jīng)典域、節(jié)域

3.1 水保效益評價體系

科學(xué)、完善的評價體系為保證評價結(jié)果有效性的重要基礎(chǔ)，結(jié)合效益評價因子的復(fù)雜性和項目區(qū)水土流失的特征，根據(jù)水土流失的特點和效益評價因子的復(fù)雜性特征，結(jié)合項目區(qū)水土流失范圍廣、降雨侵蝕力大、降雨豐富且強度高、山地眾多以及當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展等具體情況，遵循可操作性、合理性、獨立性和代表性等原則確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層。然后進一步將準(zhǔn)則層細分為13項評價因子，并對各指標(biāo)綜合權(quán)重利用以上相應(yīng)公式求解，結(jié)果如表1。

表1 綜合效益評價體系

3.2 經(jīng)典域及節(jié)域

將治理效益按照物元可拓性和目標(biāo)要求劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，對應(yīng)的評語為很好、好、一般、差。根據(jù)水土流失治理規(guī)范、水保效益計算方法、遼寧地區(qū)實際情況建立經(jīng)典域，構(gòu)造的水保效益RP和RN1、RN2、RN3、RN4如下：

3.3 水保效益待評物元

根據(jù)頭道嶺小流域綜合治理項目竣工驗收報告、各指標(biāo)統(tǒng)計表，將數(shù)據(jù)值利用Excel統(tǒng)計分類，從而構(gòu)造待評復(fù)合物元矩陣Rd，結(jié)果如下：

4 結(jié)果分析

4.1 關(guān)聯(lián)度計算

對項目區(qū)水保效益各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度利用公式(3)、(4)、(5)計算確定，如表2所示。關(guān)聯(lián)度越大則評價指標(biāo)貼近相應(yīng)等級的程度越高，頭道溝小流域綜合治理項目隸屬于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級等級的關(guān)聯(lián)度為0.435、-0.422、-0.816、-0.902，由此表明貼近Ⅰ級的程度最高，同理可依次確定其它評價因子的隸屬等級。

表2 各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

續(xù)表2 各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

不同評價因子對于同一評價對象而言，其關(guān)聯(lián)度計算值存在一定差異，因此確定的效益評判等級不同，即單因子評價結(jié)果呈現(xiàn)出不相容性，針對此類問題物元可拓模型具有較強的實用性。各評價指標(biāo)對于不同對象而言，其貢獻率大小不同，這對于優(yōu)化設(shè)計綜合治理方案和確定不同地區(qū)的重點治理方向具有重要意義。

4.2 綜合效益評價等級

頭道嶺小流域治理的經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益綜合關(guān)聯(lián)度依據(jù)公式(7)求解，如表3所示。

表3 準(zhǔn)則層各要素及項目綜合關(guān)聯(lián)度

由表3可知，該小流域治理項目的經(jīng)濟效益隸屬于不同評價等級的關(guān)聯(lián)度為0.142、-0.195、-0.242、-0.274，依據(jù)最大隸屬原則確定經(jīng)濟效益達到Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，社會和生態(tài)效益的最大關(guān)聯(lián)度為-0.022、-0.006。根據(jù)隸屬度的具體內(nèi)涵和取值區(qū)間，社會與生態(tài)效益評價指標(biāo)存在向Ⅱ級、Ⅰ級轉(zhuǎn)化的潛力，且相對于社會效益的轉(zhuǎn)化潛力生態(tài)效益更優(yōu)。結(jié)合頭道嶺小流域水土保持指標(biāo)統(tǒng)計表和項目竣工驗收報告，綜合治理項目的社會、經(jīng)濟、生態(tài)和綜合效益達到Ⅱ級以上的區(qū)域占項目區(qū)的100%、50.8%、82.6%、82.0%，林草和工程措施可有效控制重力侵蝕、土體滑落發(fā)揮坡面穩(wěn)固的作用，減輕水庫江河和下游河道的淤積，具有節(jié)省經(jīng)費和勞動力的功能，小流域治理實際情況和綜合關(guān)聯(lián)度評價結(jié)果基本吻合?？梢?，頭道嶺小流域治理項目取得了較好的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。

從各因子權(quán)重值(表1)的角度分析，對桂云花鄉(xiāng)頭道溝小流域治理效益產(chǎn)生較大影響的因素有土地利用率C12、生產(chǎn)率C7、林草覆蓋增加率C2、人均收入增長率6、土壤侵蝕模數(shù)C3、人均耕地面積C11等，今后的水土流失治理中應(yīng)注重提升這些限制性因子，保證綜合治理項目的整體效益提升。

4.3 評價模型驗證

對項目區(qū)治理效益運用綜合指數(shù)法評價，通過對比分析進一步驗證物元可拓模型的可行性與準(zhǔn)確性，研究發(fā)現(xiàn)該小流域治理效益的綜合評價指數(shù)為0.558，能夠達到較好等級，項目竣工驗收報告與以上兩種方法的評價結(jié)果整體保持一致。由此表明確定的綜合關(guān)聯(lián)度能夠較為準(zhǔn)確的水土保持綜合效益。

5 結(jié) 論

1)將頭道溝小流域綜合治理的社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益顯著，其中經(jīng)濟效益達到Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，社會和生態(tài)效益存在向Ⅱ級、Ⅰ級轉(zhuǎn)化的潛力，且相對于社會效益的轉(zhuǎn)化潛力生態(tài)效益更優(yōu)。

2)結(jié)合項目竣工驗收報告和現(xiàn)場實地調(diào)查結(jié)果，綜合治理項目的實施不僅有助于提升土壤含水量和水源涵養(yǎng)功能，而且可提高地下水位和增大土壤入滲量，減輕洪旱災(zāi)害，在一定程度上緩解了旱情。同時，具有凈化空氣、吸收灰塵及有害氣體等作用，還可消除噪音污染，凈化、美化流域及其周邊的生態(tài)環(huán)境，有助于加快水土流失治理步伐和土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

3)綜合治理項目的實施可促進土地利用和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，在經(jīng)濟上該項目合理可行，為進一步調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大大提升農(nóng)經(jīng)作物產(chǎn)量，帶動鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、地方經(jīng)濟多元化發(fā)展等奠定了重要基礎(chǔ)。對于評價等級不相容、多要素問題分析時所構(gòu)造的物元模型存在良好的可行性，但仍需要進一步深入研究節(jié)域和經(jīng)典域的確定。