開發建設項目生態修復環境效益評價

于坤霞， 劉 昱， 李 鵬， 李占斌,2， 王巖博， 張曉明， 解 剛

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 3.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室， 北京 100048)

在人類社會經濟快速發展的同時，需要的資源量也日漸增加，煤炭等資源的大量開發所引起的環境問題也越來越突出，生態環境問題也漸漸成為全社會關注的焦點。陜北地區自然資源豐富，蘊藏著豐富的煤炭、天然氣等能源資源，但在煤炭資源的開采過程中會直接破壞土地資源、減少耕地面積、破壞當地景觀環境，從而產生了大量的煤渣廢棄地，難以實現土地可持續性利用[1]，引發一系列生態環境問題。

生態修復工程的植被措施和工程措施可有效減少工程建設項目區的水土流失，項目建成后，可有效發揮防風固沙、改善小氣候、保持水土、減輕水旱災害、保護野生生物等作用[2]。對開發建設項目的生態修復效益工程進行科學合理的評價，國內外許多學者從不同方面提出了許多關于水土保持生態效益評價的思路[3]，我國對于開發建設項目生態修復的研究開始于20世紀50年代，此后潘葉等[4]對南京幕府山礦山廢棄地建立生態修復效益評價指標體系，再逐層用TOPSIS法綜合、定量評價了各生態修復區的生態修復效益；劉瑞祿等[5]堅持客觀性和系統性原則，采用定量方法，對赤水市水土保持生態修復工程的修復效益評價方法進行了探索；陳梓玄等[6]采用層次分析法，以府谷縣新田煤礦為例，建立了開發建設項目生態修復效益時間、空間的動態評價模型，并對該煤礦的生態修復效益進行了評價；金一鳴[7]對太行山山脈北端黃院采石場采用主成分分析法和聚類分析法，進行了礦山廢棄地工程綠化技術模式生態修復效益研究。

總結前人的研究發現，對于建設項目的生態效益評價主要采用的方法為層次分析法、主成分分析法等，且大多數研究對于評價指標權重的計算僅采用其中一種研究方法，這樣使用單一的指標來評價復雜的系統，會使分析結果帶有一定的片面因素，例如層析分析法的主觀性較大，指標重要程度難以界定；主成分分析法能夠很好地進行多指標綜合分析但分析結果沒有明確的范圍，只能反映強弱關系[8]等。拉格朗日乘子法能夠很好地解決主客觀權重組合的問題[10]。因此，本研究采用拉格朗日乘子法將主成分分析法和層次分析法計算的生產建設項目生態效益指標權重進行優化處理，將得到的最優權重應用于所建立的生態效益動態評價模型中，對項目的水土保持動態效益進行分析。本研究旨在評價生產建設項目水土保持監測效益，量化生產建設項目水土保持生態工程的效果，為今后類似的建設項目提供可參考的技術與經驗。

1 項目區概況

1.1 項目概況

陜西省子長縣永興煤礦位于子長縣余家坪鄉余家溝村，屬煤炭資源整合類項目，由陜西省子長縣永興煤礦有限公司投資建設，項目區地理位置介于東經109°36′17″—109°38′46″，北緯37°04′26″—37°05′23″。永興煤礦資源儲藏量20.420 Mt，設計可采儲量9.951 Mt，生產能力為 0.60 Mt/a，服務年限13 a，建設總工期為15個月(2014年1至2015年3月)。項目區隸屬陜北黃土高原中部，屬典型的黃土梁峁地貌景觀，地勢總體呈西北高，而往東南逐漸降低，海拔1 150～1 315 m，相對高差165 m。項目區內土壤類型主要為黑壚土，成土母質為黃綿土，整合區屬大陸性暖溫帶半干旱氣候，植被屬典型的干旱草原型植被，由于本區氣候寒冷、干旱、多風沙，現有植被以喬木林、灌木林和草本植物為主。

1.2 水土流失概況及措施

子長縣屬于陜西省黃土丘陵溝壑攔沙保土區，參考“陜西省重點防治區劃分結果”，該項目區屬于陜北丘陵重點治理區，主要由礦井工業場地、風井工業場地、炸藥庫、排矸場、場外道路、供電與通信工程線路、供水管線7部分組成。因此將水土流失成因類型分為施工開挖型、渣土堆置型、轉運拋灑型、粉塵污染型4種類型。本項目對水土流失的影響主要表現為在礦產資源開發中對地表土壤結皮和植被的不斷破壞，項目施工期水土流失的主要特點為: ①人為影響占主導性； ②侵蝕物質具有多樣性； ③流失過程具有動態性； ④流失時間具有持續性。

項目水土保持方案設計工程措施主要為截排水溝、沉砂池、土地整治、攔矸壩、急流槽、滲水盲溝、消力池、擋土埂等內容；植被綠化措施主要包括工業場地的綠化美化、水保各個分區的植物措施防護以及臨時用地的植被恢復；項目水土保持方案設計的水土保持臨時措施有臨時攔擋、臨時防塵網苫蓋以及臨時排水。

2 研究數據及方法

2.1 研究數據

本文研究數據來自于陜西省子長縣永興煤礦、天順煤礦、永明煤礦、新田煤礦、麥地掌煤礦的實時監測數據，包括資源整合工程的特性、水土保持措施實施情況以及工程實施各階段水沙流失防治等項目數據。

2.2 生態修復效益評價指標體系標準化處理

本文結合開發建設項目特點以及陜北地區水沙、植被、經濟等特點[11]，基于現有的大量統計數據和數據分析，最終選取具有一定層次結構、不同量綱的多個評價因子來建立效益綜合評價體系。水保生態修復效益評價體系采用層次分析法建立，通過分析效益評價所包含因子的相互關系，將待評價因子分解為目標層(A)、準則層(B)、變量層(C)3個層次的要素，構成遞階層次結構。本項研究中共選取了14個變量指標，既反映了生態恢復的絕對量和相對數量效應，又反映了生態建設恢復后生態環境的逐步恢復情況。依據所建立的生產建設項目水土保持生態效益指標評價體系，對各項評價指標進行量化[12]，各定量指標隸屬的效益評價指標類型如圖1所示。

圖1 生產建設項目水土保持生態效益評價指標體系

各指標隸屬度類型計算公式為:

極小最優型：xi′=|xi-xmax|/xmax-xmin

(1)

極大最優型：xi′=|xi-xmin|/xmax-xmin

(2)

(3)

2.3 生態修復效益綜合評價數學模型

前人的研究多采用生態效益指數來評價生產建設項目水土保持生態修復所帶來的效益[13]。生態效益指數為無量綱數，是根據各個指標的綜合得分對生產建設項目水土保持生態修復進行效益評價，是經濟、社會和生態效益的統一，計算模型為：

(4)

式中：N——生態效益指數；Wi——第i項指標權重；Ri——第i項指標隸屬度值。

其中各項指標的隸屬度采用指數法進行計算。對于指標權重的計算，層次分析法(analytical hierarchy process， AHP)是一種將定性分析與定量分析相結合的研究方法，是研究者對較為復雜系統的決策方式進行簡化的過程。該方法將復雜問題分解為幾個層次和多個因素，通過分析各指標之間的關系、建立對比矩陣，進行因素之間的比較和相應計算，便可得出不同指標的權重大小[14-15]，其存在較大的主觀性。而主成分分析法[16]則是從客觀的角度對個指標的權重進行計算，主要運用降維的思想，將原有多個相關性較強的指標進行重新組合，生成少數幾個彼此不相關的指標，并使這些較少的綜合指標盡可能多地反映原來指標的信息，而且彼此之間互不相關，避免了指標選取過程中的主觀性。

對于同一個評價體系而言，應使得主客觀權重信息均考慮在內，且主客觀權重盡可能接近，因此需要計算考慮主客觀信息在內的綜合權重。最小鑒別信息原理[9]可以用來解決約束條件下的最優化問題，根據最小鑒別信息原理可以建立起綜合權重、主觀權重及客觀權重三者之間的目標函數F為:

(5)

式中：Wi——拉格朗日乘子法計算的第i項權重；W1(i)——層次分析法計算的第i項權重；W2(i)——主成分分析法計算的第i項權重。下同。

在求解Fmin時引入拉格朗日乘子法進行計算可以得到方程的最優解，以此對兩種方法下的主客觀權重進行優化處理，得出最符合需要的各指標權重，拉格朗日乘子法求解公式為[10]：

(6)

3 生態修復效益評價指標權重分析

3.1 主成分指標權重分析

3.1.1 主成分提取 應用IBM SPSS 21.0分析軟件，采用主成分分析法對施工前、施工期和試運行期3個時期的動態生態效益評價指標進行主成分提取，計算結果詳見表1。

表1 項目各時期評價指標主成分提取

注：Z1，Z2，Z3分別表示各工程階段監測指標的第1，2，3主成分。

在施工前期由于建設項目未開工，因此所監測的指標只有土壤侵蝕模數、徑流模數、水土流失量3個指標。從表1可知，第1個指標對應的特征根大于1，提取一個指標的累積方差貢獻率為86.510%，超過80%。因此，第一個指標可以反映全部指標的信息，可以代替原來的3個指標。根據主成份對原來指標的荷載數，可知3個指標均為重要指標。在施工期對建設項目區生態修復監測的指標為土壤侵蝕模數、徑流模數、水土流失量、排水量4個。前2個指標對應的特征根大于1，提取前2個指標的累積方差貢獻率達到96.230%，超過80%，因此前2個指標基本可以反映全部指標的信息，可以用來代替原來的4個指標。

由表1計算的主成分矩陣可將土壤侵蝕模數、徑流模數、水土流失量4個指標歸為第一指標，即為最主要指標；排水量為第2指標，即為次主要指標。在試運行期，項目監測指標為全部14個指標，前4個指標對應的特征根大于1，前3個指標的累積方差貢獻率達到89.189%，超過80%。因此，提取前3個指標基本可以反映全部指標的信息，可以代替原來的14個指標。由表1可知，第1—3指標與第4指標對原來指標的荷載數，將攔渣率、林草覆蓋率、林草植被恢復率、土石方利用率歸為第1主成分，即為最重要指標；擾動土地整治率、土壤侵蝕模數、單位擾動面積水土保持投資強度、單位水土流失面積水土保持投資強度、水保投資占項目總投資百分比、徑流模數、單位水土流失量為第2主成分，即為次重要指標；水土流失治理度、排水量為第3主成分，即為若重要指標；土壤流失控制比為第4主成分，即為最弱重要指標。

3.1.2 主成分指標權重計算 根據以上主成分分析的方差貢獻率與線性組合系數的加權平均得到施工前期，施工期，試運行期3個不同時段各評價指標的綜合得分，根據綜合得分確定各指標權重，其計算結果詳見表2。指標的綜合得分越高，權重越大，對生態修復效益評價的影響越大。表2中表明，在施工前期單位水土流失量與土壤侵蝕模數對生態修復效益評價影響最明顯，徑流模數次之；在施工期水土流失量、排水量、土壤侵蝕模數3個指標對生態修復效益評價的影響基本一致，對效益評價較為重要，徑流模數次之；在試運行期，單位水土流失量、單位擾動面積水土保持投資強度及土石方利用率等對效益評價較為重要，其他指標次之，單位排水量的影響最弱。

表2 項目各階段指標權重計算

注：“—”表示無結果。下同。

3.2 層次分析法指標權重計算

根據專家打分結構構造判斷矩陣，計算不同時期生態修復各指標的權重。計算確定準則層的B1，B2，B3，B4的權重分別為0.27，0.42，0.20和0.11，在各層次單排序均滿足一致性檢驗的基礎上，對得出的權重進行歸一化處理，最終結果詳見表3。由表中計算可知，層次總排序的一致性比率CR=0.021<0.1，則認為層次總排序的計算結果具有滿意的一致性。對比表2和表3發現，在施工前期及施工期，對應指標對于生態修復效益評價的影響權重在重要程度上表現一致；在試運行期，土壤侵蝕模數、土石方利用率、單位擾動面積水土保持投資強度及單位水土流失量的權重降低，林草覆蓋率及林草植被恢復率的權重升高，并成為對效益評價最為重要的指標。

表3 層次分析法權重計算

注：層次總排序一致性:CI=0，RI=1.022，CR=0.021<0.1。

3.3 拉格朗日乘子法權重優化處理

以上主成分分析和層次分析法計算的權重均帶有一定的片面因素，因此利用拉格朗日乘子法對各權重進行優化處理，以得出最符合需要的各階段指標權重，根據公式(6)計算結果詳見表4。

4 生產建設項目動態生態修復效益評價

4.1 水土保持生態效益指標隸屬度計算

將生產建設項目水土保持生態效益評價的各指標進行標準化處理，按定量指標隸屬的效益評價類型(圖1)，對照與永興煤礦較為類似的其他4個煤礦(天順煤礦、永明煤礦、新田煤礦、麥地掌煤礦)，將不同功能區的隸屬度值進行累加，對應公式(1)—(3)計算各指標在施工前期，施工期，試運行期3個階段的隸屬度。由于項目的推進，建設開發區的水土保持環境不斷變化，各項指標受工程進展影響表現出在不同施工時期的隸屬度值各不相同，具體結果詳見表5。

表4 拉格朗日乘子法權重優化處理

注：W1(i)為層次分析法權重；W2(i)為主成分分析法權重；W為拉格朗日乘子法權重。

表5 不同時期各指標的隸屬度

4.2 生產建設項目動態生態修復效益評價

綜合以上計算結果，利用開發建設項目生態修復效益綜合評價數學模型，由公式(4)計算永興煤礦資源整合生態修復動態效益指數N，并與層次分析法及主成分分析法的計算結果進行比較。計算結果詳見表6。由表6可知，3種方法下所得的項目階段性效益指標差別不大，均表現為施工前期最大，施工后運行期的生態效益指數大于施工期，雖然土壤侵蝕模數、徑流模數和單位水土流失量指標在試運行期得到了很好的控制，但是相比施工前期，試運行期對土地有較大的擾動，因此試運行期生態效益指數仍然低于施工前期。

表6 不同權重分析方法下項目各階段生態效益指數計算

層次分析法在施工前期及施工期內所得項目生態效益指數最高，在試運行期最低；主成分分析法在施工前期及施工期內生態效益指數最低，在試運行期最高；拉格朗日權重法計算結果位于前兩者之間，主要在試運行期避免了層次分析法的過低值及主成分分析法的過高值。通過考慮主觀客觀兩種方法，對權重進行優化組合計算得到的各階段綜合生態效益指數分別為0.562,0.318,0.392。試運行期生態效益指數高于施工期，生態效益指數增長的主要原因是植被措施，工程措施等工程相繼建設完成并開始發揮其水土保持效益，計算表明水土保持等措施對建設項目進行生態修復是有效的。永興煤礦資源整合建設項目區內的水土保持設施運行良好，已實施的水土保持措施防治范圍能夠滿足防治水土流失的需要，各項指標的整治結果如下:擾動土地整治率97%、水土流失總治理度92%、攔渣率98%、土壤流失控制比0.53、林草植被恢復率98%、林草覆蓋率30.89%，基本達到或超過了目標值。根據計算，試運行期土壤流失總量與施工期相比有較大的下降，表明各項水土保持措施正在發揮作用。試運行期各主要擾動區域內土壤流失量均有較大幅度減少，也表明了各類水土流失防治措施產生了相應的水土保持效益。評價結果與工程實際情況相吻合，具有一定的區域適應性。

該項目實施后，雖然所帶來的修復效益水平不是很高，但總體上是朝著生態修復的目標進行的。生態恢復工程需要進行長期動態監測和分析，其特點具有漸進性、緩慢性，而該生態恢復工程的監測時間較短，因此試運行期的生態效益指數可能低估了該項目的社會效益。影響修復區域的社會和經濟效益的因素很多，而社會和經濟效益是綜合評價生態修復效益成果的主要影響因素，同時綜合評價需要大量的數據和合理健全的評價指標體系，為了使本研究的評價體系、評價精度更加精準，以便更好地評價生態修復工程的社會效益和經濟效益，生態修復各指標的需要進行長期監測，在今后的工作中有待進一步提高。

5 結 論

本研究對陜西省子長縣境內永興煤礦的資源整合項目，以生態效益指數為綜合評價指標，建立了建設開發區域不同建設時期下水土保持生態修復效益指數動態變化的評價體系，并基于該評價體系對項目生態修復效益進行評價，其中使用拉格朗日乘子法對主成分和層次分析法所計算的權重進行優化處理，很好地將主客觀計算的權重進行結合使生態修復效益指數值更加準確。

(1) 本研究建立了由1個目標層，4個準則層，14個指標組成的開發建設項目生態修復效益研究指標體系，該體系包括保水效益、保土效益、植被效益及水土保持經濟效益4個方面，體系內評價指標和變量均具有相對可靠的來源，且大多可量化、可測度，為研究分析提供了可行性依據。

(2) 根據拉格朗日乘子法下計算所得的指標權重認為，在施工前期，土壤侵蝕模數及單位水土流失量的權重最大，表現出對該項目階段的影響較大，是因為施工前期因工程開挖等地面破壞工程的進行，使得地表水土流失較大；在施工期內，4個指標的權重差別不大，徑流模數的權重明顯增加，表現出因工程施工的進行，項目區產流量的增加；在試運行期，林草覆蓋率及林草植被恢復率的權重高于其他指標，對項目該階段的影響最大，究其原因認為是生態修復措施開始發揮效益所致。

(3) 結合開發建設活動的實踐，計算出該項目生態恢復效益在施工前期，施工期，試運行期三個階段的生態效益指數分別為0.562，0.318和0.392，其中試運行期的效益指數是施工期的1.23倍，數據表明在施工期遭到破壞的生態環境由于生態修復工程相繼建設完成開始發揮其水土保持效益，生態修復工程使得建設項目區生態環境得到了改善。