黃土高原典型流域生態環境脆弱性的集對分析

張 鑫，杜朝陽，蔡煥杰

（西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊陵712100）

20世紀80年代以來，隨著生態學的發展，特別是景觀生態學的興起。脆弱生態環境領域的研究日趨活躍［1－3］。研究生態脆弱性的方法主要包括：模糊綜合評判法［4－6］、EFI（Ecological Frangibility Index）法［7］、層次分析（AHP）法［8］、主成分分析法［9］、基于RS與GIS的評價方法［10］、物元模型［11］等。生態脆弱性是指生態環境受到外界干擾作用超出自身調節范圍而表現出對干擾的敏感程度，其脆弱性由自然的系統內部演變和人類活動所引起的，也就是它是自然系統和人文系統共同作用的結果。但是目前針對人文系統的脆弱性研究還不夠深入，如脆弱性的因果結構、貧困與人文脆弱性的關系等也還需要深入探討［12］。生態脆弱性研究具有很強的地域性和綜合性，本文在構建流域包含人文因素的生態脆弱性評價指標體系的基礎上，利用基于集對分析方法對生態脆弱性進行評價，探討流域生態脆弱性評價的新思路。

1 研究區概況

選擇黃河的一級支流佳蘆河流域作為研究區。該流域地處毛烏素沙漠南緣，陜北黃土高原北端，發源于陜西榆林市榆陽區雙山鄉斷橋村，由西北向東南，至佳縣佳蘆鎮木廠灣村注入黃河，地理坐標為東經109°59′10″－110°30′00″，北緯37°59′18″－38°28′25″，流域面積1 134km2，水土流失面積高達1 125 km2。流域西北部屬片沙丘陵區，東南部為土石丘陵區，中南部為黃土丘陵區。流域多年平均氣溫10℃，多年平均降雨量395mm，年際變化大，年內分布不均勻且多暴雨，主要集中在7－9月，汛期降雨量占到年降雨量的63.8%。佳蘆河多年平均流量2.85m3／s，平均含沙量168.5kg／m3，年輸沙量1 410萬t，其中7－9月輸沙量1 238萬t，占年總輸沙量的87.8%，輸沙量中大于0.05mm的粗沙占57.2%。流域自然植被很少，主要為人工林草，生態環境比較脆弱。佳蘆河流域包括榆林市榆陽區和佳縣的11個鄉鎮，206個行政村，14.8萬人，人口密度為131人／km2，其中農業人口13.3萬人。2005年流域共完成國內生產總值4.72億元，人均GDP 3 185元，第一、第二、第三產業增加值分別為：3.03億元、0.17萬元、1.52億元，一、二、三產業增加值之比為：64∶4∶32。

2 生態脆弱性指標體系

依據目的性、代表性、整體性、科學性和可操作性的原則，結合佳蘆河流域的現狀，構建佳蘆河流域生態脆弱性的評價指標體系。以自然環境因素為主，綜合考慮人類活動因素，兼顧指標的可操作性和可比性，最終選取了14項指標作為該流域本次生態脆弱性評價指標體系，對該流域生態脆弱性進行分析和綜合評價（見表1）。

表1 佳蘆河流域生態脆弱性評價指標

由于國內外均無統一的生態脆弱性及其相關指標的評價標準，根據全國、陜西省、榆林市等各類指標的取值范圍，參照該流域規劃以及咨詢專家意見后形成如下評價指標標準取值范圍，并進行灰類劃分，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，其類別級數越小，表示脆弱性的程度越大：Ⅰ表示高度脆弱、Ⅱ表示中度脆弱、Ⅲ表示低度脆弱。

3 評價方法

由趙克勤于1989年提出的集對分析法［14］（Set Pair Analysis，SPA）的核心思想是對不確定性系統中的兩個有關聯的集合構造為集對，對集對的某特性做同一性、差異性、對立性分析，然后建立集對的同異反聯系度。

根據所討論問題需要對集合A（x1，x2，…，xN）和集合B（y1，y2，…，yN）所組成的集對 H＝（A，B）展開分析。共得到N個特性，其中有S個特性為A、B所共有，P個特性相對立，其余F＝N－S－P個相異，一般稱：S／N為集合A與集合B在所論問題下的同一度，簡記為a；F／N為集合A與集合B在所論問題下的差異度，簡記為b；P／N為集合A與集合B在所論問題下的對立度，簡記為c。為全面刻畫兩個集合A、B總的聯系狀況，用聯系度μ（A，B）表示如式（1）。

式中：i——差異度系數；j——對立系數。

表2 佳蘆河流域生態脆弱性評價標準

將集對分析方法應用于生態脆弱性綜合評價。將評價流域各項定量指標組成一個集合；將佳蘆河流域生態環境脆弱性標準相應指標組成另外一個集合。這兩個集合構成一個集對。設相應Ⅰ級標準的集合為BⅠ，相應Ⅱ級標準的集合為BⅡ，相應Ⅲ級標準的集合為BⅢ；同時設評價地區的集合為A，這樣在流域生態脆弱性評價指標特性上以聯系度μ（A，BⅠ）表示評價地區和Ⅰ級標準的關系；以聯系度μ（A，BⅡ）表示評價地區和Ⅱ級標準的關系；以聯系度μ（A，BⅢ）表示評價地區和Ⅲ級標準的關系；在評價過程中，如要比較集合A是接近集合BⅠ或BⅡ或BⅢ，只要比較聯系度μ（A，BⅠ）、μ（A，BⅡ）和μ（A，BⅢ）三者的大小便可確定。若μ（A，BⅠ）＞μ（A，BⅡ），則A就評價為接近BⅠ集合。

4 結果分析

確定的聯系度實際運算中要考慮同異反的判別標準。本文采取的判別標準是：當評價因子處于級別范圍內時認為是同一（S）；當評價因子處于相隔的標準級別中，認為是對立（P）；當評價因子處于相鄰的標準級別中，則認為是異（F）［15］。

2005年佳蘆河流域生態脆弱性評價指標的具體值見表3。

表3 2005年佳蘆河流域生態脆弱性評價指標值

根據佳蘆河流域各指標2005年的具體數據與指標標準值，根據公式（1）可以得到：

①在μ（A，BⅠ）中S＝8，F＝5，P＝1

②在μ（A，BⅡ）中S＝5，F＝9，P＝0

③在μ（A，BⅢ）中S＝1，F＝5，P＝8

據集對分析原理，j＝－1，因此μ的計算關鍵是i如何取值。理論上i在［－1，1］，實際上，不同角度、不同性質問題和不同觀點均影響i取值。目前有幾種取值方法［1］。另外還有一種比例法，結合本文所研究的問題，選i＝0和i＝（a－c）／（a＋c）兩種情況，第一種情況是在計算μ值時不考慮相異部分，主要計及起關鍵作用的“同”和“反”部分。第二種情況是考慮將相異部分按同與反所占的比例分配到同和異的部分。根據這些原則計算不同評價指標因子對佳蘆河流域生態脆弱性綜合評價標準集合的聯系度。見表4。

表4 聯系度μ的計算

由集對分析計算得到聯系度

①i＝0時，μ（A，BⅠ）＝0.5，μ（A，BⅡ）＝0.357，μ（A，BⅢ）＝－0.5

得μ（A，BⅠ）＞μ（A，BⅡ）＞μ（A，BⅢ）

得出μ（A，BⅠ）為最大表明佳蘆河流域的生態指標特征值與Ⅰ級評價標準接近，即該流域的生態脆弱性處于高度脆弱狀態。

得μ（A，BⅡ）＞μ（A，BⅠ）＞μ（A，BⅢ）

由于i這樣取值時，無論a、c取何值μ（A，BⅡ）恒為1，所以采用級間比較進行評價。因為μ（A，BⅠ）比μ（A，BⅢ）更為接近μ（A，BⅡ），表明佳蘆河流域生態處于Ⅰ～Ⅱ之間，該流域生態處于比較高的脆弱區。

由以上結果看出不論差異度系數i取何值，各評價結果一致，佳蘆河流域生態處于脆弱狀態。

5 結論

黃土高原是黃河泥沙的主要來源。佳蘆河流域位于陜北黃土高原丘陵溝壑區，是多沙粗沙區，也是生態環境脆弱區。

（1）通過分析影響佳蘆河流域生態脆弱性的因素，從成因和表現結果兩個方面構建了佳蘆河流域生態脆弱性評價指標體系，并將人口素質等人文信息納入生態脆弱性指標體系。

（2）利用集對分析方法對佳蘆河流域生態脆弱性進行了評價。結果表明：當i＝0時，聯系度μ（A，BⅠ）最大，為0.5，說明該流域的生態脆弱性處于高度脆弱狀態；當i＝（a－c）／（a＋c）時，無論a、c取何值μ（A，BⅡ）恒為1，采用級間比較進行評價，因為μ（A，BⅠ）比μ（A，BⅢ）更為接近μ（A，BⅡ），表明佳蘆河流域生態處于Ⅰ～Ⅱ之間，該流域生態處于比較高的脆弱狀態。

（3）將集對分析方法引入到流域生態脆弱性綜合評價中，豐富和改進了流域生態脆弱性的評價理論和方法。集對分析法以聯系度為核心，在處理不確定性問題時，具有計算方便、方法簡單，評判結果客觀、合理等特點；不足之處在于“集對”的數學本質、“聯系度”的確定等理論問題仍需要進行更深入的研究，如差異度系數i和對立度系數j的取值問題等。

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