屬性識別模型在水土保持綜合效益評價中的應用

杜發興，吳厚發，肖博文，王雪蓉

(三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002)

0 引 言

水土流失是目前我國最為嚴重的生態安全問題，其對生態環境造成嚴重破壞的同時，對我國經濟社會的可持續發展也帶來了巨大挑戰。針對這一現實問題，近幾年全國各地進行了一系列水土保持措施建設，在解決水土流失問題的同時，形成了良好的生態、經濟和生活效益。如何科學合理的對水土保持綜合效益進行評價，對鑒定水土保持實施效果、提升水土保持技術，進行水土流失治理科學決策具有重要意義[1]。當前，水土保持綜合效益常用的評價方法有模糊評價法、灰色系統法、層次分析法等，如：鐘原等[2]以陜西水源區為對象，通過構建的水土保持綜合效益評價體系，以改進的層次分析法確定指標權重，運用模糊綜合評價法衡量了水土保持項目效果。顧劍紅[3]采用層次分析法構建了針對廣西石漠化地區小流域水土保持綜合效益評價模型，并對各小流域水土保持的生態、經濟和社會效益進行了評價。馬騫等[4]基于灰色系統理論，建立水土保持生態修復效益模型，對山東省平邑項目區進行了評價。傳統評價方法雖應用廣泛，但仍存在一定的局限性，如模糊評價法在計算中由于取大取小導致損失了許多中間值，灰色系統法和層次分析法評價分辨率低，且有一定的主觀性，評價結果精度不高。由于水土保持綜合效益的評價空間是有序的，而對有序評價空間不適合用“最大隸屬度”識別準則，故傳統評價方法所計算出結果其合理性和科學性值得探討[5]。而屬性識別模型在有序分割類和屬性識別準則的基礎上，以置信度準則、評分準則等為基礎，能對事物進行有效識別和比較分析[6,7]。故本文以利川市7條小流域為例，充分考慮各影響因素，從生態、經濟和社會三方面建立了水土保持綜合效益評價指標體系，運用所建立的基于復合權重的屬性識別模型對其進行評價，根據評價結果提出相應建議，以此對利川市水土保持工作提供一定的理論依據，同時拓展了有關水土保持評價的途徑，為水土保持評價提供一種更為科學可靠的方法。

1 復合權重屬性識別模型

水土保持綜合效益評價實際可歸結為定性描述的度量問題。為討論定性描述的度量問題和不同的定性描述之間的關系以及相應的度量之間的關系，我國學者程乾生教授[8]于20世紀90年代提出了屬性識別理論模型，該模型已經廣泛運用于各類環境質量評價當中。而在屬性識別模型中，大多數文獻權重計算往往只采用層次分析法計算了主觀權重，而忽略了客觀權重，導致評價結果脫離樣本實際，為此，在權重計算中需要綜合考慮主客觀權重，對其進行復合權重計算。本質上，水土保持綜合效益的評價過程實際上是高維空間到低維空間映射的過程，即求解評價樣本數據集對應的評價結論值，針對水土保持綜合效益評價問題這類“映射”問題，相對于傳統評價方法，運用屬性識別模型更為科學合理。運用復合權重屬性識別模型對水土保持綜合效益評價指標進行建模，用屬性識別模型建立樣本的屬性測度矩陣，引入指標復合權重，最后按置信度準則及評分準則對各樣本進行識別比較，實現對水土保持綜合效益的評價。

1.1 屬性識別理論模型

(1)模型構建。設研究對象空間為X，其包含n個樣本x1,x2,…,xn，樣本評價指標數為m第i個樣本xi可以表示為一個向量xi=(xi1,xi2,…,xim)，1≤i≤n。

設F為X上某類屬性空間，(C1,C2,…,Ck)為屬性空間F的有序分割類，表示分類標準；I1,I2,…,Im為各評價指標。分類標準矩陣為：

(1)

其中ajk滿足aj1aj2>…>ajk。

(2)模型求解。計算第i個樣本第j個指標值xij具有屬性Ck的屬性測度uijk=u(xij∈Ck)。假設aj1>aj2>…>ajk。

當xij≥aj1時，取uij1=1，uij2=…=uijk=0

當xij≤ajk時，取uij1=1，uij1=…=uijk-1=0

當ajl≥xij≥ajl+1時，取

(2)

uijk=0，kl+1。

(3)

依據置信度準則，計算置信度λ：

(4)

認為xi屬于Ck類。

為進一步進行詳細比較，計算樣本xi的得分值：

(5)

式中：nl為Cl的分值，取5≥nl≥1間遞減的正整數。

1.2 指標權重的確定

為避免傳統權重計算方法帶來的不足，本文權重計算采用復合權重計算法，主觀權重部分采用序相關法，客觀權重部分采用熵權法。序相關法相對于傳統的層次分析法而言，不必進行判斷矩陣一致性檢驗，且對統一層次元素個數無限制。而熵權法在計算過程中依托數據本身，能客觀地反映出數據本身的信息有序性，使評價結果更符合實際[9]。復合權重計算有機結合了主客觀權重，使得指標權重能夠同時體現主客觀信息，即在反映主觀認識的同時很好地保留了原始數據信息，相對于傳統權重確定方法而言更為合理。復合權重確定方法參考文獻[10]。

各指標復合權重為：

W=αW′+βW″

(6)

上式中：

(7)

(8)

式中：xij表示第i個評價對象的第j項指標的數值。

2 實例分析

利川市地處湖北西南邊陲，西靠蜀渝，東接恩施，南鄰瀟湘，北依三峽，與重慶四縣兩區交界，是恩施土家族苗族自治州面積最大、人口最多的縣級市，全市總面積4 600余km2，平均海拔1 079 m，年降水量1 000～1 200 mm，年平均氣溫11.1 ℃，無霜期210 d，汛期在5-8月，河流含沙量較多。據最新一次巖溶地區石漠化監測調查數據顯示，全市石漠化面積達到63 428 hm2。為響應國家制定石漠化治理十三五規劃的號召，利川市規劃在2012-2017年間，封山育林11 393.7 hm2，植被保護6 471 hm2，人工造林350.5 hm2，畜牧草地建設595 hm2，坡改梯174.78 hm2。為檢驗實施成效，同時為接下來的水土保持建設規劃提供理論依據，本文以利川市7條小流域2012-2017年間實施水土保持措施所產生的綜合效益為評價對象。

2.1 水土保持效益評價指標體系構建

在進行利川市水土保持效益評價指標選擇時，充分考慮生態環境現狀、有潛在影響的重要因素的變化和人類活動的能動反映，結合石漠化治理十三五規劃內容及國內相關研究成果，建立了利川市水土保持效益評價指標體系，詳見表1，該指標體系以水土保持綜合效益為目標層，生態效益、經濟效益、生活效益為準則層，共包含14個指標。

評價標準設定的合理與否將直接影響評價結果的準確性。根據國際通用分類標準、科學研究已判定的生態效應、生態建設標準，將利川市水土保持綜合效益評價等級劃分為5個等級：Ⅰ等為優、Ⅱ等為良、Ⅲ等為中、Ⅳ等為差、Ⅴ等為極差，并采用專家打分法對其進行評估取值，詳見表1。

表1 指標體系及其等級限值表Tab.1 Evaluation Index system and its Grade limit

各評價指標數據取2012-2017年實時數據，數據來源主要是：一是野外調查和實驗分析，主要是土壤理化性質測定等；二是相關部門提供的統計數據，包括：《水利普查報告》、《湖北省巖溶地區石漠化綜合治理規劃》、《利川市巖溶地區石漠化綜治理“十三五”規劃》、《利川市巖溶地區石漠化監測調查報告》等，詳見表2。

表2 綜合效益評價指標值Tab.2 Comprehensive benefit evaluation index value of river basin

2.2 實例計算

(1)主觀權重計算：根據相關專家建議，結合參考文獻[10]，認定水土保持綜合效益各評價指標重要性程度依次為：A5>A3>A4>A2>A6>A1>B1>B2>B3>B4>C2>C4>C3>C1，為方便計算，記為X1>X2>X3>X4>X5>X6>X7>X8>X9>X10>X11>X12>X13>X14。依據文獻[3]，取r2=1.4、r3=1.4、r4=1.2、r5=1.0、r6=1.2、r7=1.6、r8=1.4、r9=1.0、r10=1.2、r11=1.2、r12=1.4、r13=1.2、r14=1.0。計算得各指標主觀權重見表3。

表3 評價指標權重計算表Tab.3 Evaluation index weight calculation table

(2)客觀權重計算：根據熵權法計算參照文獻[12]，由表1數據求得客觀權重結果見表3。

(4)屬性測度計算：根據分類標準矩陣、權重系數以及公式(1)，計算得到樣本的屬性測度矩陣如表4所示。

表4 區域屬性測度計算表Tab.4 Calculation table of attribute measure for small watershed

(5)評價結果計算：按照置信度準則和評分準則，取置信度λ=0.6，據公式(2)、式(3)計算水土保持綜合效益評價結果及分數如表5所示。

表5 效益評價等級及得分表Tab.5 Grade and score of comprehensive benefit ealuation

從表5可知各流域水土保持綜合效益評價結果：茅槽河流域為良；新建河流域、官山河流域、馬槽壩河流域、清江河流域均為中，梅子河流域、大溝流域均為差。依據得分值從優到劣排序依次為茅槽河流域、新建河流域、馬槽壩河流域、清江河流域、官山河流域、梅子河流域、大溝流域。

從評價結果來看，茅槽河流域水土保持綜合效益相比其他流域是最好的，原因在于該流域為利川市規劃治理重點示范區域，相比其他流域，該流域地形地勢相對簡單，水保專項財政投入更多，坡改梯、植樹造林、林地保護等水保配套措施建設的更完善。新建河流域、馬槽壩河流域、清江河流域、官山河流域評價結果為中，原因在于4個流域面積較大，區域地形復雜，水土保持配套設施建設分布零散，難以形成一定的體系，在流域內人口活動頻繁，對水土保持產生的綜合效益有一定的威脅。梅子河流域、大溝流域評價結果為差，原因在于2個流域內海拔高，地勢復雜，多為高山，土壤耕地面積較其他流域少，原有林木植被遭人為破壞嚴重，在后期治理過程中，財政投入較少，治理配套設施建設有所欠缺。

針對評價結果為中差的流域，在后期治理過程中，應以水土保持措施體系建設為主體，加大資金投入，重點實施植樹造林、林地植被保護、坡改梯等水保措施，配套建設水渠、道路等輔助設施，為發展區域經濟提供一定的條件，同時，政府相關部門應協調農林牧漁業的發展，鼓勵當地農民發展煙葉、藥材等種植業，提高收入的同時，實現水土保持的產業化，促使生態經濟可持續發展。

3 結 語

(1)建立了水土保持綜合效益評價體系。通過實地考察、專家咨詢、結合現有研究成果等多種方式確立了利川市水土保持綜合效益評價體系，共包含14個指標，基本能夠代表水土保持治理成果。所有指標數據均來源當地實時統計資料，評價具有代表性。

(2)構建了針對水土保持綜合效益的評價模型。針對傳統評價模型的局限性，引入屬性識別模型，同時結合包含主客觀權重的復合權重，建立了基于復合權重的屬性識別模型。運用該模型對利川市所在的7條小流域水土保持治理綜合效益進行評價，評價結果及得分值為接下來有關部門水土保持治理工作提供一定的決策依據。

(3)提出水土保持治理改進意見。針對7條小流域評價結果及分值，對評價結果為中差的相關流域提出以水土保持措施體系建設為主體，完善相關配套設施的建議。