灰色關聯分析方法在小流域治理工程生態效益綜合評估中的應用

郭愛楓

(朝陽市引白入朝供水工程建設管理局，遼寧 朝陽 122000)

0 引言

國內水土流失治理工程隨著治理力度和措施的不斷加大，其生態綜合效益得到不斷增強。區域生態治理重要評估內容為水土流失治理生態效益，也是水土流失治理效益的綜合體現[1]。近些年來，生態清潔小流域綜合治理技術成為研究的熱點，尤其是治理措施完成后，其生態效益的綜合評估對于生態清潔小流域技術推廣和應用至關重要[2]。當前，國內對于小流域綜合治理效益評估主要體現在治理規模和治理效果上[3-8]，對于生態效益綜合評估研究成果還較少，且缺乏生態效益綜合評估指標體系和評估方法。為提高生態清潔小流域治理工程生態效益綜合定量評估的科學性，通過調研其他類型水利工程生態效益綜合評估指標和研究方法[9-12]，提出生態清潔小流域治理工程生態效益綜合評估指標體系，并采用當前國內生態效益評估較為成熟的AHM-關聯分析模型[13-15]，結合遼寧西部3個典型小流域進行工程實例研究，研究成果對于小流域治理的生態效益定量綜合評估方法具有重要參考價值。

1 研究方法

通過建立灰色關聯分析模型對各指標權重理論值βj進行計算，在結合變量屬性分析模型對各指標權重經驗值ρj進行計算，在指標權重理論和經驗值確定基礎上，對模型權重進行組合計算，得到各評估指標的權重綜合值ωj，考慮不同指標量綱不同，AHM-關聯分析模型首先對各評估指標進行標準化處理，標準化計算方程為：

(1)

式中，Zki—小流域治理生態效益評估指標標準化值；Vki—小流域治理生態效益評估指標值。對標準化處理后的指標值進行正向變換計算：

(2)

在生態效益評估指標正向變換的基礎上，對各指標標準化值進行反向變換計算：

(3)

在對各評估指標正向、反向變換后對各評估指標進行適中計算：

(4)

式中，VK0—各生態效益評估指標的初始值。在各生態效益評估指標適中計算基礎上對各評估指標進行關聯度計算：

(5)

式中，min|Zk0-Zki|、max|Zk0-Zki|—偏差最小、最大值；ξ—偏差系數。在關聯度計算基礎上建立評估指標關聯矩陣：

(6)

式中，γ—指標關聯度；m—評估指標個數；n—評估目標個數。確定生態效益評估指標關聯矩陣基礎進行關聯度綜合計算：

Y=li1Z1+li2Z2+…linZn

(7)

式中，l—不同指標關聯系數在進行組合賦值計算后，需要對指標組合賦值進行絕對關聯度的計算：

(8)

式中，S0、Si—正向、反向關聯度；ε0k—不同指標之間的關聯度絕對值。在指標絕對關聯度計算基礎上對相鄰指標之間的關聯度相對值進行計算：

(9)

式中，S0’、Si’—各評估指標正向、反向的關聯度相對值；η0k—不同指標之間的關聯度相對值。在不同評估指標關聯度相對值確定的基礎上對各指標權重進行計算：

wj=ρ0i/(ρ01+ρ02+…ρ0m)

(10)

式中，ωj—各評估指標的權重綜合值；ρj—評估指標的權重經驗值。在確定指標權重基礎上對各小流域生態效益綜合評估度進行計算：

R=Wj×E=(r1，r2，r3…rn)

(11)

式中，R—生態效益綜合評估值；r—各指標關聯度。

2 工程實例應用

2.1 評估指標體系構建

分別選取遼西地區駱駝山、莫古溝以及安杖子小流域綜合治理為工程實例，3個小流域綜合治理面積分別為3.3、5.2、4.1km2，為生態清潔小流域試點，3個小流域水土流失治理面積分別占總面積的50%、65%、45%，流域內主要采用生態林地封禁及生態林營造作為流域水土保持生態修復技術，此外采用高效栽培技術作為流域山地丘陵區經濟林種植技術，水平梯田與集流聚肥梯田作為各生態清潔小流域丘陵區坡耕地綜合治理工程技術。結合3個生態清潔小流域試點，通過調查分析和專家經驗，分別選取6個評估指標對小流域治理工程生態效益進行綜合評估，各評估指標見表1。

表1 小流域治理工程生態效益綜合評估指標

2.2 評估指標賦值計算

結合朝陽地區2020—2022年水土保持公報、水資源公報統計數據，并結合2020年朝陽市統計年鑒，對3個小流域治理工程的評估指標進行賦值計算，其中環境人口容納量Q按照以下方程進行計算：

Q=S×K/P

(12)

式中，S—治理小流域的土地面積，km2；K—土地利用率，%；P—每個人所占空間標準。其他指標均可從水土保持公報、水資源公報、統計年鑒獲取相應數值。選取的3個小流域治理工程生態效益綜合評估指標見表2。

表2 3個典型小流域生態效益綜合評估指標

2.3 評估指標權重計算

采用專家經驗方法對各小流域生態效益評估指標經驗權重確定基礎上，結合式(10)對各評估指標的理論權重進行計算，并進行組合權重的分析，3個典型小流域治理工程生態效益綜合評估指標組合權重見表3。

表3 3個典型小流域生態效益綜合評估指標組合權重值

從3個典型小流域生態效益綜合評估指標組合權重值計算結果可看出，土壤侵蝕模數對于小流域治理工程生態效益而言其指標權重值最高，各流域組合權重值分別在0.252～0.286之間，其次為水土流失治理率，其組合權重分別在0.210～0.235之間，對于小流域治理而言，其主要是對其水土流失進行治理和防護，降低水土流失率和土壤侵蝕模數，從而發揮小流域治理的工程效益。3個小流域徑流模數比權重值在0.145～0.219之間，由于水土流失率降低，也會一定程度降低其徑流模數比，莫古溝小流域治理工程的徑流模數比權重值最高為0.219，其徑流模數比也高于其他兩個小流域。通過對3個小流域治理工程進行實地調查，計算的各指標組合權重總體較為合理，符合流域治理的實際特點。

2.4 評估指標關聯矩陣分析

在各評估指標組合權重分析的基礎上，對各指標之間的關聯度進行分析，確定評估指標之間的關聯矩陣，分析結果見表4。

從3個典型小流域生態效益綜合評估指標關聯矩陣分析結果可看出，不同指標之間的關聯度差異較小，對于駱駝山小流域治理工程而言，其關聯度最高的指標分別為種植業產出比例和林地草地覆蓋比例，關聯度為0.8532，此外土壤侵蝕模數和種植業產出比例指標之間的關聯度也可達0.8294，其他指標之間的關聯度總體低于0.5。對于莫古溝小流域而言，其同樣關聯度最高的指標分別為種植業產出比例和林地草地覆蓋比例，關聯度高達0.9087，土壤侵蝕模數和種植業產出比例指標之間的關聯度也達到0.6528，具有較好的關聯度。從安杖子小流域治理工程各生態效益評估指標之間的關聯度可看出，各指標中環境人口容納量和種植業產出比例具有較高的關聯度.達到0.8763，種植業產出比例較大情況下其環境人口容納量也相對較高。

2.5 生態效益綜合評估結果

在確定3個典型小流域生態效益綜合評估指標關聯矩陣后，結合式(11)對各典型聯系指標關聯度進行分析，并計算其生態效益評估值，各典型小流域治理工程生態效益綜合評估結果見表5。

表5 3個典型小流域生態效益綜合評估結果

從3個典型小流域生態效益綜合評估結果可看出，駱駝山小流域治理工程各單指標生態效益評估值在0.2040～0.4953之間，水土流失治理率指標的生態效益評估值最高，其次為土壤侵蝕模數，經評估其生態效益綜合評價值為1.5740，莫古溝小流域治理工程各單指標生態效益評估值在0.2131～0.5178之間，土壤侵蝕模數指標的生態效益評估值要高于其他指標，其生態效益綜合評估值為1.1786。安杖子小流域治理工程各單指標生態效益評估值在0.1920～0.5388之間，和其他兩個小流域治理工程具有一致性，土壤侵蝕模數指標的生態效益評估值最大，其生態效益綜合評價值為1.6430。通過調研分析，對于小流域治理工程生態效益評價而言，當生態效益綜合評估值在0～0.5之內，其生態效益低，當評估值在0.5～1.0之間，其生態效益較低，當評估值在1.0～1.5之間，其生態效益較高，當評估值高于1.5，其生態效益高，通過分析，莫古溝小流域治理工程生態效益較高，而駱駝山和安杖子小流域治理工程生態效益高。

3 結論

(1)在采用AHM-關聯分析模型對小流域治理工程生態效益進行綜合評估時，其評估指標理論權重和經驗權重之間差異不能過大，建議理論權重和經驗權重差值控制在±0.05以內，從而保證指標權重取值的客觀性。

(2)土壤侵蝕模數和種植業產出比例指標對小流域治理工程生態綜合效益影響較為明顯，其指標之間的關聯度應控制在0.8以上。

(3)本文選取的生態效益指標未能考慮流域水質影響，在后續研究中應針對生態清潔小流域的功能特點，補充完善水質指標進行綜合評估。