基于改進信息熵的水土保持效應綜合評價研究

曹修森

(陽谷縣水利局排灌中心，山東 陽谷 252300)

現代很多生產活動的進行都是以環境破壞為代價的，因此環境保護成為當下全球各個國家關注的焦點。在各種環境破壞表現當中，水土流失最具代表性，它是因為地表植被遭到破壞，導致地表無法存儲水分，從而造成植被無法生長的一種現象。這種現象一般發生在礦山開采、濫伐森林、過度放牧等地區。水土流失一旦發生，該地區的土地會發生土壤侵蝕，生產力下降，而一旦遭遇強降雨，由于缺乏植被的保護，極易發生洪澇災害，破壞耕田，堵塞河道，甚至威脅人類生命安全[1]。面對這種情況，為降低水土流失帶來的危害，人們實施了多項大型生態建設工程，以期恢復當地生態。然而，多項大型生態建設工程取得的效應并不能達到預期，這也就說明當下采取的大型生態建設工程并不合理，需要進行改進和優化。

在上述背景下，水土保持效應綜合評價對于合理進行生態建設具有重要的現實意義，因此關于水土保持效應綜合評價的相關研究有很多。例如，喬梅等以紙坊溝流域為例，結合農戶調研資料，選取了5個一級指標和14個二級指標，并通過層次分析法計算了各個指標的權重，最后通過線性加權求和法得出紙坊溝流域的水土保持效應的綜合評價得分[2]。潘葉等以幕府山采礦廢棄地作為研究區，結合野外調查采樣和遙感數據，通過計算生態價值指數來判斷水土流失的修復效果[3]?？缕娈嫷柔槍ξ髂蠋r溶區，經過初選以及復選，選出了兩類評價指標，即坡面尺度評價指標以及區域尺度評價指標，然后采用德爾菲法與層次分析法相結合的方法計算指標權重，最后通過構建的綜合評價量化模型得出水土保持生態狀態總得分情況，并完成水土保持生態狀態值等級劃分[4]。

雖然前人研究取得了一定成果，但是評價效果有待進一步提升。而評價效果較差的原因主要是權重計算準確度不足。為此，在研究中，以改進后的信息熵方法為基礎構建評估模型，以期為水土保持效應分析提供參考，為生態建設工程提供改進建議。

1 基于改進信息熵的水土保持效應綜合評價模型

水土流失除了會直接影響耕種外，更嚴重的是一旦遇到強降雨，會造成洪澇災害，因此我國一直致力于水土流失地區的生態修復，但是修復工程取得的水土保持效應參差不齊[5]。在此背景下，為提出合理的生態修復措施，進行水土保持效應綜合評價具有重要的現實意義。針對上述問題，結合信息熵理論，并進行改進，構建一種水土保持效應綜合評價模型。模型構建主要分為三部分，即評價指標選取、指標權值計算以及綜合評價分值計算。下面針對這三個部分進行具體分析。

1.1 水土保持效應綜合評價指標選擇

水土保持效應綜合評價模型構建的首要環節就是選取所需要的基礎指標。指標的選擇對于評價模型的應用效果有著直接的影響。本研究主要通過指標初選以及復選兩個階段的工作來建立最終的指標體系[6]。

指標初選，主要按照指標選取原則選出能夠全面、真實和定量地反映水土保持效應的指標。指標選取原則包括如下：①全面性原則，指標的選取盡可能全面反映水土保持效應各個方面的特征和狀況；②代表性原則，選取的指標能夠直接反映水土保持效應某一方面的具體特征；③易獲性原則，選取的指標要比較容易獲得，這樣才能保證選擇的指標是真實的、客觀的和有依據的；④系統性原則，各個指標之間要存在一定的邏輯關系，才能共同構成一個具有層次性的有機統一的評價體系[7]。

指標復選是指對初選的指標進行總結和歸納，使得選出的指標更加精練，更具有代表性[8]。在復選當中，采用DEMATEL方法(決策實驗室分析法)進行指標再選，具體過程如下：

步驟1：輸入初選指標；

步驟2：構建初選指標之間的直接影響矩陣X，其矩陣中的各個矩陣子為兩兩指標之間的影響程度，其表示數值見表1。

表1 影響程度賦值標準表

由此建立指標直接影響矩陣X，其形式如下：

(1)

式中，xij—指標i對指標j的影響程度。

步驟3：對X進行規范化處理，得到X′，其公式如下：

(2)

步驟4：建立指標間的綜合影響矩陣。

Y=X′(S-X′)-1=(yij)nn

(3)

式中，S—單位矩陣。

步驟5：計算指標i與指標j之間的影響程度Fi與被影響程度Fj，其計算公式如下：

(4)

(5)

步驟6：計算指標的中心度和原因度。其中，中心度為指標i與指標j之間的Fi與Fj之和；原因度為指標i與指標j之間的Fi與Fj之差。

步驟7：繪制指標重要度分布圖，將圖中中心度大于1和原因度大于0的范圍內的指標作為評價模型的指標。

通過指標選取原則和DEMATEL方法完成了指標的初選與再選，建立評價指標體系，以用于后期研究[9]。

1.2 基于改進熵權法的指標綜合權重計算

基于上述選出的評價模型指標，接下來需要計算水土保持效應綜合評價指標權重，這是模型構建中關鍵的一步，關系到模型的評價效果，這也是以往構建的水土保持效應綜合評價模型應用效果較差的主要原因[10]。針對這種情況，利用改進信息熵的方法計算指標綜合權重。下面針對指標綜合權重計算過程進行具體分析。

熵權法是一種根據指標反映信息量的多少來賦予權值系數的計算方法。該方法反映的信息量越多，賦予的權值系數越大[11]。然而，熵權法存在一定的缺陷，因此本節利用改進熵權法進行指標權重計算。該方法基本流程如下：

步驟1：對水土保持效應評價指標進行標準化處理。

步驟2：計算第j項指標下第i個樣本值占該指標的比重pij。

步驟3：計算第j項指標的熵值Rj，其計算公式如下：

(6)

步驟4：計算第j項指標的信息熵冗余度Gj，其值為1與熵值Rj之間的差值。

步驟5：計算第j項指標的權重，其計算公式如下：

(7)

步驟6：基于熵權法的權重計算結束[12]。

步驟7：采用改進熵權法計算權重，得出綜合權重。改進熵權法的綜合權重計算過程如圖1所示。

圖1 改進熵權法的綜合權重計算過程

綜合權重計算公式如下：

(8)

因子分析法彌補了熵權法的缺點，使得權重計算更加合理。

1.3 綜合評價分值計算

基于上一節計算出來的指標權重，在本節構建水土保持效應綜合評價模型，得出綜合評價分值。綜合評價模型描述公式如下：

(9)

式中，Q—水土保持效應綜合評價分值；Hj—水土保持效應綜合評價指標標準化值，取值為0～1。

基于計算出來的水土保持效應綜合評價分值，對比表2，劃分水土保持效應等級。

表2 水土保持效應等級劃分表

通過對比表2，明確生態修復工程水土保持效應等級以及是否合格，以便為后續水土修復工程改進提供可靠的依據。

2 評價模型應用分析

為測試所構建評價模型的實證效果，以某研究區為例，進行評價模型應用效果分析。

2.1 研究區

某研究區為山東某市境內。該地區表層風化嚴重，局部陡峭山坡坡面基巖裸露，存在崩塌現象，因此容易產生嚴重的水土流失。

為修復該地區水土流失問題，進行了生態保護工程，以期恢復當地生態。本章節就以該地區為例，進行基于改進信息熵的水土保持效應綜合評價模型的應用分析。

2.2 評價指標體系

基于1.1節評價指標選取流程，選擇模型的評價指標，構建評價指標體系，如圖2所示。

圖2 評價指標選取結果

(1)生態效益：①為水土流失治理度；②為流域徑流深；③為土壤侵蝕模數；④為土壤保肥能力；⑤為植被覆蓋程度；⑥為生物多樣性指數；⑦為煤矸石排放量；⑧為石漠化發生率；⑨為土壤孔隙度；⑩為地面小氣候。

(3)社會效益：?為恩格爾系數；?為土地利用率；?為土地生產率；?為環境人口容量；?為災害發生頻率；?為脫貧率。

2.3 數據采集與處理

利用現有相關年鑒、文獻、調查資料和NDVI產品，搜集研究區2015—2020年之間水土保持生態效應各指標數據，并進行指標標準化處理，取值為0～1，結果見表3。

表3 水土保持效應綜合評價指標標準化值表

(續表)

2.4 指標權重計算結果

利用改進熵權法計算表3中各個評價指標的綜合權重，結果見表4。

表4 指標權重計算結果

2.5 綜合評價結果

將表3和表4結果帶入公式(9)，計算得出研究區水土保持效應綜合評價分值，見表5。

表5 研究區水土保持效應綜合評價分值

將表5中的結果與表2中劃分水土保持效應等級劃分表進行對比，得出該研究區水土保持效應綜合評價為一般，說明該地區的生態修復效果雖然達到合格水平，但是僅僅達到初級標準，生態修復工程仍需要持續進行。

3 結語

為了進一步驗證該水土保持治理效果綜合評價體系的適用性，筆者還將評價結果與現場實際情況進行了抽樣對比分析，現場調查結果基本與評價結論相同，該評價體系切實可行。但是在現場調查的過程中發現評價體系內部分評分項由于在設置上存在一定的重疊，并且二級評價指標項未能涵蓋現場中需要治理的所有內容，故評價體系本身還存在一定的不足之處。因此，在應用該評價體系時，應結合評價對象的水土流失特征及治理目標，對評價指標項和相應的權重值進行一定的微調，從而使其能夠被更廣泛地應用在水體保持治理領域。