高清震
(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 莊河 116400)
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(shí)制約著經(jīng)濟(jì)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(xiàng)綜合性強(qiáng)、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(jià)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(jià)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(shí)狀況,然而對于評價(jià)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(jià)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(jià)、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?yàn)槔瑢ζ渚C合效益運(yùn)用物元可拓模型評價(jià),以期為豐富水保效益評價(jià)中物元可拓模型的應(yīng)用研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)小流域治理方案提供一定的決策。
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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)目開發(fā)和規(guī)劃缺乏論證等。
頭道嶺小流域治理項(xiàng)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(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目區(qū)水土流失特點(diǎn)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(diǎn)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(xiàng)目的實(shí)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(jì)效益7.14萬元。
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(jià)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(jià)體系,在識別評價(jià)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(shí)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(yùn)用物元可拓分析法進(jìn)行科學(xué)評價(jià),其詳細(xì)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(jià)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(xiàng)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(jià)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(jià)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(dá)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(jià)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(jià)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(jià)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(shí)軸上任一點(diǎn)Vi的距離。
步驟四:綜合關(guān)聯(lián)度與評價(jià)等級。不同評價(jià)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(jì)算式:
(7)
式中:Ki(p)為效益等級為i時(shí)待判物元N的關(guān)聯(lián)度;ωi為評價(jià)因子權(quán)重;k(vi)j為評價(jià)等級為i時(shí)單因子關(guān)聯(lián)度。若符合條件Kij=max{Ki(p)},則評價(jià)因子i達(dá)到j(luò)級標(biāo)準(zhǔn)。Ki(p)值反映了評價(jià)對象的隸屬等級;當(dāng)Ki(p)>0時(shí),則代表關(guān)于某一評價(jià)等級小流域綜合治理效益達(dá)到目標(biāo)要求,且達(dá)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(jià)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(qiáng)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(jià)對象關(guān)于某項(xiàng)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(jià)過程中可不考慮各項(xiàng)因子,從而保證運(yùn)算效率和準(zhǔn)確性。然而,該方法未能考慮專家經(jīng)驗(yàn)和決策者意見,鑒于此綜合考慮二者的優(yōu)缺點(diǎn),采用主、客觀相結(jié)合的方法綜合確定效益評價(jià)因子權(quán)重ω,其計(jì)算式為: (9) (9) 式中:vij為評價(jià)因子i關(guān)于第j個評價(jià)對象的量值, 科學(xué)、完善的評價(jià)體系為保證評價(jià)結(jié)果有效性的重要基礎(chǔ),結(jié)合效益評價(jià)因子的復(fù)雜性和項(xiàng)目區(qū)水土流失的特征,根據(jù)水土流失的特點(diǎn)和效益評價(jià)因子的復(fù)雜性特征,結(jié)合項(xiàng)目區(qū)水土流失范圍廣、降雨侵蝕力大、降雨豐富且強(qiáng)度高、山地眾多以及當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展等具體情況,遵循可操作性、合理性、獨(dú)立性和代表性等原則確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層。然后進(jìn)一步將準(zhǔn)則層細(xì)分為13項(xiàng)評價(jià)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(jià)體系 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(jì)算方法、遼寧地區(qū)實(shí)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: 根據(jù)頭道嶺小流域綜合治理項(xiàng)目竣工驗(yàn)收報(bào)告、各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表,將數(shù)據(jù)值利用Excel統(tǒng)計(jì)分類,從而構(gòu)造待評復(fù)合物元矩陣Rd,結(jié)果如下: 對項(xiàng)目區(qū)水保效益各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度利用公式(3)、(4)、(5)計(jì)算確定,如表2所示。關(guān)聯(lián)度越大則評價(jià)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(xiàng)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(jià)因子的隸屬等級。 表2 各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果 續(xù)表2 各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果 不同評價(jià)因子對于同一評價(jià)對象而言,其關(guān)聯(lián)度計(jì)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(jià)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(qiáng)的實(shí)用性。各評價(jià)指標(biāo)對于不同對象而言,其貢獻(xiàn)率大小不同,這對于優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合治理方案和確定不同地區(qū)的重點(diǎn)治理方向具有重要意義。 頭道嶺小流域治理的經(jīng)濟(jì)、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(xiàng)目綜合關(guān)聯(lián)度 由表3可知,該小流域治理項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益隸屬于不同評價(jià)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(jì)效益達(dá)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(jià)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(jì)表和項(xiàng)目竣工驗(yàn)收報(bào)告,綜合治理項(xiàng)目的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和綜合效益達(dá)到Ⅱ級以上的區(qū)域占項(xiàng)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(fèi)和勞動力的功能,小流域治理實(shí)際情況和綜合關(guān)聯(lián)度評價(jià)結(jié)果基本吻合??梢?,頭道嶺小流域治理項(xiàng)目取得了較好的社會、經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目的整體效益提升。 對項(xiàng)目區(qū)治理效益運(yùn)用綜合指數(shù)法評價(jià),通過對比分析進(jìn)一步驗(yàn)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(jià)指數(shù)為0.558,能夠達(dá)到較好等級,項(xiàng)目竣工驗(yàn)收報(bào)告與以上兩種方法的評價(jià)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。 1)將頭道溝小流域綜合治理的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益顯著,其中經(jīng)濟(jì)效益達(dá)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(xiàng)目竣工驗(yàn)收報(bào)告和現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查結(jié)果,綜合治理項(xiàng)目的實(shí)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(shí),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(xiàng)目的實(shí)施可促進(jìn)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(jì)上該項(xiàng)目合理可行,為進(jìn)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(jì)多元化發(fā)展等奠定了重要基礎(chǔ)。對于評價(jià)等級不相容、多要素問題分析時(shí)所構(gòu)造的物元模型存在良好的可行性,但仍需要進(jìn)一步深入研究節(jié)域和經(jīng)典域的確定。3 評價(jià)指標(biāo)體系及經(jīng)典域、節(jié)域
3.1 水保效益評價(jià)體系
3.2 經(jīng)典域及節(jié)域
3.3 水保效益待評物元
4 結(jié)果分析
4.1 關(guān)聯(lián)度計(jì)算
4.2 綜合效益評價(jià)等級
4.3 評價(jià)模型驗(yàn)證
5 結(jié) 論