集對分析模型在遼西水保綜合治理效益定量評估中的應用

楊 揚

(盤山縣農業水利事務服務中心，遼寧 盤山 124000)

1 引言

遼寧西部屬于遼寧省水土流失較為嚴重的區域，流域年土壤侵蝕量占全省土壤侵蝕量的比重高達49%左右[1]。從20世紀90年代末，遼寧省加大了對水土流失嚴重區域的治理，水土流失效果逐步顯現[2]。水土保持效益的定量評估對于水土保持規劃和設計的合理性十分重要。近些年來，許多學者采用不同方法對水土保持效益進行了評估。魯秀杰[3]從經濟、生態和社會三個效益出發，構建了水土保持效益綜合評估體系，對朝陽縣下洼小流域水土保持效果進行可合理評估。王琳[4]結合灰色投影理論，以大石橋市周家鎮三道嶺小流域水土流失生態治理示范區為例，對生態治理效益評估指標體系進行了優化和篩選，結果表明該方法具有較好的可靠性和適用性。傅光華[5]采用成本效益評估法對退耕還林區的生態治理效益進行分析，并提出生態效益量化的方法，有效解決了大范圍水土保持治理區的生態效益量化難題。這些研究成果構建的水土保持區治理效益評估大都未能考慮各指標之間的關聯度，存在一定的局限性，陳傳勝[6]研究表明水土保持效益評估指標之間不是相互獨立，而存在顯著的關聯度，在進行水土保持效益評估，需要考慮不同指標之間的關聯度，從而合理地設置評估指標體系。集對分析模型通過建立評估指標之間的映射關系，來確定指標權重，在生態治理效益定量綜合評估中得到較好的應用[7-11]，但在水土保持綜合效益評估中還應用較少，為此本文基于集對分析模型，構建水保綜合治理效益定量評估指標體系，并以遼西某水保治理區域為例，對其治理效益進行定量綜合評估。

2 指標體系構建及評估原理

2.1 評估指標體系構建

本文從水土保持生態、經濟、社會效益三個方面，通過優化和篩選，確定了13個評價指標，各目標層對應的評價指標見表1。

表1 水土保持效益綜合評估指標體系

2.2 評估原理

集對分析模型對各評價指標進行排序，計算方程為：

C1=(λmax-n)/(n-1)

(1)

式中：C1表示為各指標一致度；λmax表示為指標的特征根最大值；n表示為指標的階數排序。

各評價指標排序后，對其熵權值進行分析，分析方程為：

R=(rij)m×n

(2)

式中：rij表示為指標的熵值；m表示為評估指標的個數。

在確定各評估指標熵值后，對各評估指標的熵權值進行計算，計算方程為：

(3)

其中：

(4)

bij=(rmax-rij)/(rmax-rmin)

(5)

式中：Hi表示為第個評估指標計熵權計算值；fij表示為各評估指標之間的關聯度；bij表示為評估指標歸一化指數；rmax、rmin表示為熵值最大和最小值。

在熵值計算基礎上對各評估指標的權重進行估算，估算方程為：

(6)

式中：Wi表示各評估指標權重計算值。

本文對各評估指標權重進行組合值的計算，計算方程為：

(7)

式中：W1表示為指標組合權重。

3 實例分析

3.1 工程概況

本文以三道溝小流域為研究對象，流域位于建平縣北部義成功鄉境內。區域屬于土石質中度侵蝕，土壤侵蝕較為嚴重。侵蝕方式主要以水蝕為主，侵蝕溝壑分布較為廣泛，水土流失面積占流域總面積的54.50%，為1358.70 hm2。其中輕度侵蝕占水土流失面積的23.69%，為321.89 hm2；中度侵蝕面積占水土流失面積的62.93%，為854.99 hm2；強烈侵蝕占水土流失面積的13.38%，為181.82 hm2。流域的溝壑密度為2.4 km/km2，土壤侵蝕模數均值為3804 t/(km2·a)。目前，流域內已治理的水土流失面積為832.71 hm2，占原有水土流失面積的27.38%，其中：梯田17.34 hm2，經濟林19.58 hm2，水保林759.79 hm2。通過水土保持治理，流域內的植被覆蓋率不斷提高，生態環境得到顯著提升。

3.2 評估指標的熵值綜合計算

結合表1水土保持效益綜合評估指標篩選結果，采用式(4)對不同目標層指標的熵值進行計算，結果見表2。

表2 水土保持綜合效益評估指標熵值計算結果

從計算結果可分析，構建的水土保持效益綜合評估指標體系生態、經濟、社會三個準則層的熵值變化較小，生態效益的熵值最大，這主要是因為水土保持最為主要的目標為生態效益目標，因此該效益準則層各目標的熵值最大，其次是社會效益，經濟效益各指標的熵值低于其他兩個準則層，經濟效益主要為水土保持綜合治理效益的附屬指標進行分析。

3.3 評估指標的歸一化指數結果

在生態、社會、經濟效益評估指標熵值分析的基礎上，對篩選的13個評估指標進行歸一化計算，計算結果見表3。

從表3可看出，不同指標之間的歸一化指數和其指標的熵值具有較為明顯的相關性，在生態效益目標層中，土壤侵蝕模數和土壤肥力兩個評估指標的關聯度最大，而在經濟效益目標層中，人均糧食產量和糧食總產量之間的相關度最大。土地退化率和土地生產率是社會效益目標層中兩個關聯度最大的指標。不同指標之間的關聯度越大，其指標歸一化指數越高。

3.4 指標權重的估算

在指標歸一化指數計算的基礎上，充分考慮不同指標之間的關聯度，結合層次分析方法對水土保持效益綜合評估指標的權重進行估算，估算結果見表4。

從表4可看出，指標權重估算結果較為合理、客觀，不同指標權重之間的差異度較小，其中生態效益各指標權重最高，而經濟效益各指標權重相對較低，在各指標中林草覆蓋率的權重最大，對于區域水土保持效益綜合評估影響明顯，因此一般將林草覆蓋率作為區域水土保持效益評估最為主要的指標，其次為區域土壤侵蝕模數，水土保持綜合治理的主要目標是降低區域的土壤侵蝕模數，減少區域土壤侵蝕量，因此該指標的權重也較大。

表3 各評估指標的歸一化指數計算結果

表4 各評估指標單一權重計算結果

3.5 組合權重的計算

在各單一指標計算的基礎上，結合式(7)對不同目標層的指標組合權重進行計算，水土保持效益綜合評估指標的組合權重計算結果見表5。

從表5可看出，各指標組合權重值均低于0.8，采用層次分析方法計算的各指標單一權重略高，這主要是因為各指標的熵權值較小，其次層次分析方法下各指標權重由于未能考慮不同指標的關聯度，因此有所偏小，采用組合權重進行計算后，結合各評估指標的歸一化指數分析結果，對其指標組合權重進行計算，使得各指標權重更為合理。

表5 不同評估指標權重組合值的計算結果

3.6 綜合效益評估結果

在各評估指標組合權重計算結果的基礎上，從生態、經濟和社會三個目標層出發，對各目標層的水土保持效益進行評估，結果見表6～表8。

表6 水土保持生態效益評估結果

表7 水土保持經濟效益評估結果

表8 水土保持社會效益評估結果

對于研究區域而言，水土保持治理后期地表徑流和林草覆蓋率下的生態效益評估值高于土壤侵蝕模數和土壤保肥能力，這主要是因為在三道溝小流域，通過改善土壤條件使得其地表徑流有所影響，通過增加林草覆蓋率，降低了區域土壤侵蝕量，但一定程度降低了地表徑流深。而在經濟效益方面，各指標綜合評估值均低于生態效益的評估值，這主要是因為水土流失治理更為看重的區域生態環境的改善，因此其效益評估值高于經濟效益的評估值。從三道溝小流域社會效益看，通過區域水土流失治理后，區域土壤退化的比例明顯減少，也提高了區域土地的生產率，農村人口比例受水土保持治理影響度相對較低，因此其評估值低于土地退化和土地生產率兩個指標評估值。

4 結論

(1)水土保持效益評估指標之間的關聯度越大，其指標歸一化指數越高，林草覆蓋率和土壤侵蝕模數關聯度最高，因此兩個評估指標的歸一化指數也較大，在具體分析時，應重點考慮林草覆蓋率和土壤侵蝕模數關聯度進行指標組合權重的合理設定。

(2)在生態效益評估中，由于林草覆蓋率的增加，使得地表徑流深有所減少，這主要是因為林草覆蓋率的增加，使得區域土壤蓄水能力提升，降低了地表徑流量，也減少了區域水土流失量，對于區域生態效益增加有利。