基于層次分析法的生產建設項目水土流失影響綜合指數研究

王克勤， 姜德文， 高天天， 楊建英， 張 崢

(1.西南林業大學 環境科學與工程學院， 云南 昆明， 650224；

2.水利部 水土保持監測中心， 北京 100055； 3.北京林業大學 水土保持學院， 北京 100083)

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基于層次分析法的生產建設項目水土流失影響綜合指數研究

王克勤1， 姜德文2， 高天天1， 楊建英3， 張 崢3

(1.西南林業大學 環境科學與工程學院， 云南 昆明， 650224；

2.水利部 水土保持監測中心， 北京 100055； 3.北京林業大學 水土保持學院， 北京 100083)

摘要：[目的] 研究生產建設項目引發的水土流失影響綜合指數，為水土保持科學分類管理提供依據。[方法] 在全國8個水土保持區劃一級區31類生產建設項目中，篩選出國家、省、地(州、市)、縣(區、市)共2 227個項目，收集每個項目的擾動地表面積、損壞植被面積、土石方挖填總量、永久棄渣量、是否涉預防保護區及地貌類型等13項水土保持相關指標。采用專家咨詢法和層次分析法，將生產建設項目水土保持分類指標體系分為目標層(水土流失影響等級)、準則層(生產建設項目類別)、約束層(水土保持區劃一級區)、指標層(水土流失相關指標)4個層次。[結果] 線性工程的影響指數基本呈現出：西南巖溶區(西南紫色土區)>西北黃土高原區(青藏高原區)>南方紅壤區(北方土石山區、東北黑土區)>北方風沙區的趨勢。點式工程在西南巖溶區和西南紫色土區水土流失影響指數較高，而在北方風沙區的水土流失影響指數較小。[結論] 生產建設項目水土保持指標體系中層次劃分合理，層次分析法計算得出的綜合指數可以作為生產建設項目的水土流失影響指數，反映生產建設項目水土流失影響程度的水土流失影響潛在值。

關鍵詞：綜合指數； 水土流失； 生產建設項目； 層次分析法

隨著我國經濟的迅速發展，區域資源開發、城鎮建設、礦產資源開發、交通工程建設等生產建設項目造成的大量水土流失也成為人們關注的焦點。生產建設項目造成的水土流失不僅情況復雜，而且危害十分嚴重。生態環境的破壞和惡化，土地沙漠化迅速擴展，森林資源銳減，水體污染加重等均造成人口、資源、環境等矛盾突出，嚴重影響著社會經濟的可持續發展。但生產建設項目的種類復雜，水土流失的形式多樣，水土流失的影響程度差異較大，對其進行水土流失影響等級劃分有助于進行科學分類管理。

多年來，我國對水土保持中的以下幾個方面進行了大量探討和實踐，主要集中于對水土保持方案的編制、審查、審批程序、方式、內容[1]，水土保持方案的法律地位，項目建議階段、可行性研究階段、設計施工及竣工驗收階段的水土保持要求[2-4]，水土保持設施竣工驗收應具備的條件、驗收范圍與內容、驗收標準、驗收權限、驗收過程、竣工驗收程序[3,5]等，并對生產建設項目水土保持監督管理中存在的問題進行了剖析[6-9]。

世界各國在開發建設項目的水土保持管理方面積累了大量的經驗。美國除了聯邦法律外，各州和縣也可以根據當地的特點立法或對聯邦法進行補充，以有效地保護水土資源[10]。英國學者David L. Higgitt[11]以地中海氣候為背景，倡導水資源和土地可持續利用的市場控制，指出政策法規在土地可持續利用中的決定性作用。澳大利亞學者Harvey N提出該區域有效評價環境影響的相關政策法規以及操作流程，指出所有上報的項目都應該滿足所有合法的要求并對環境管理持續地作出貢獻[12]。日本的水土保持管理中每年由各都道府縣批準的水土保持許可達6 000多件，其中涉及國土部門的項目占60%。這些許可的審查發放，有效地保護了水土、植被資源，減少了土砂災害[13]。日本除了國家法律之外，地方認為有立法必要的，則根據當地實際情況，單獨制定各地方法律[14]。

研究水土保持分類指標，對生產建設項目水土保持綜合評價中定量化分類科學管理具有十分重要的意義。以往的生產建設項目水土保持管理研究大多為水土保持方案編報審批程序、方案編制質量、水土保持監督執法、水土保持設施驗收程序標準管理等方面的研究。《生產建設項目水土保持準入條件研究》雖然涉及到了項目分類，但僅僅是考慮了行業特點的分類，沒有考慮區域特點，而且分類應用僅限于審查和審批等準入環節，而在水土保持其他管理環節上未做全面研究。

為提高分類管理的效率，本研究根據不同行業類別、工程規模特性、水土流失狀況等，并結合區域敏感性，以專家咨詢法和層次分析等方法，確定生產建設項目水土保持分類指標值，科學指導水土保持分類管理，提高水土保持工作的科學性和可操作性，為生產建設項目創新分類管理的模式提供科學依據。

1研究對象

生產建設項目種類繁多，本研究選擇的均為與水土保持密切相關的項目，即項目在建設、生產過程中易引發水土流失，項目的建設對區域水土資源環境有一定影響。本研究對象涵蓋了全國八個水土保持區劃一級區17類(31小類)的生產建設項目，包括公路，鐵路，涉水交通，機場，電力行業(火電、核電、輸變電、風電)，水利(水利樞紐、灌區、引調水、堤防、蓄滯洪區、其他小型水利)，水電，礦山(井采、露天)，油氣(開采、管道、儲存與加工)，城建(軌道交通、管網、房地產、工業園區、其他類城建)，林漿紙一體化，農林開發，加工制造廠，社會事業，信息產業等。由于每類項目建設規模不同，產生的水土流失影響也相差較大，因此每類項目包含了大型項目(國家立項審批)和中小型項目(省市縣立項審批)。總計篩選出2 227個項目，其中國家級389項，省級1 077項，地(州、市)級563項，縣(區、市)級198項，數據的選取不僅覆蓋了幾乎所有與水土保持有關的生產建設項目，而且針對每類項目本身規模大小和水土流失影響特性等方面也進行了仔細的篩選，盡量選取具備代表性的項目，使研究能夠反映生產建設項目對水土流失影響的普遍情況。

為有效保證基礎數據來源，本研究從不同水土保持區劃一級區、不同行業、不同規模的生產建設項目水土保持方案中選取與水土流失影響密切相關的數據。主要包括： (1) 擾動地表面積(永久占地和臨時占地)； (2) 損壞植被面積； (3) 土石方挖填總量； (4) 永久棄渣量； (5) 建設總工期； (6) 新增水土流失量； (7) 水土保持投資強度； (8) 是否涉及國家、省、市、縣預防保護區； (9) 地貌類型(山區、丘陵、風沙、平原)； (10) 防治責任范圍面積； (11) 水土保持區劃一級區； (12) 項目審批部門； (13) 水土流失生態不可恢復度。

2研究方法

2.1　以專家咨詢法確定分類指標權重

為了全面、科學、合理地研究和確定各個影響指標對生產建設項目水土流失的貢獻率，本研究采用專家咨詢法，對9類影響指標的權重做了系統的專家調查，收集到大量的專家意見。本次咨詢調查共收集到全國8個水土保持區劃一級區88位專家的意見，專家分布情況包括國家水保方案評審專家、水利部各流域管理機構、各省水行政主管部門、設計科研教學等機構。專家的專業類別包括水土保持、水利水電工程、農田水利、生態等多個與水土保持相關的專業；專家的行業類別涉及水利水電、交通、電力、礦山、煤炭、城建、林業等與水土保持相關的各個行業，并且長期從事水土保持工作，特別是從事生產建設項目的水土保持工作。專家的具體信息情況見表1。

表1　被調查專家信息及人數分布

本研究采用匿名發表意見的方式，通過多輪次調查專家對賦權數值的意見，經過反復征詢、歸納、修改，最后匯總成專家基本一致的看法，作為最后的賦權結果。

2.2　以層次分析法確定水土流失影響程度

層次分析方法是指將決策問題的有關元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性分析和定量分析的一種決策方法。它是對復雜決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析之后，構建一個層次結構模型，然后利用定性和定量信息，把決策的思維過程數學化，從而為求解多準則或無結構特性的復雜決策問題提供一種簡單的決策方法。

運用層次法構造模型，一般分為以下5個步驟完成： (1) 遞階層次結構的建立； (2) 構造比較判斷矩陣； (3) 單準則下的排序； (4) 單準則下的一致性檢驗； (5) 層次總排序。

2.2.1首先，建立遞階層次結構一般可以將層次分為以下4種類型。

(1) 目標層。只包含一個元素，表示決策分析的總目標，因此也稱為總目標層。

(2) 準則層。包含若干層元素，表示實現總目標所涉及的各子目標，包含各種準則、約束、策略等。

(3) 約束層。表示實現各決策目標的可行方案、措施等，也稱為方案層。

(4) 指標層。反映方案特征的具體指標。

2.2.2構造比較判斷矩陣設有m個目標(方案或元素)，根據某一準則，將這m個目標兩兩進行比較，把第i個目標(i=1,2,…,m)對第j個目標的相對重要性記為aij(j=1,2,…,m)，這樣構造的m階矩陣用于求解各個目標關于某準則的優先權重，成為權重解析判斷矩陣，簡稱判斷矩陣，記作A=(aij)m×m。若決策者能夠準確估計aij(i,j,k=1,2,…,m)，則有aij=1/aji,aij=aik·akj,ajj=1。

根據比較判斷矩陣求得各因素w1,w2,…,wn，對于準則A的相對排序權重的過程稱為單準則下的排序。這里設A=(aij)n×n,A>0。

2.2.3單準則下的一致性檢驗當一致性指標CI=(λmax-m)/(m-1)，隨機指標為RI時，一致性比率CR=CI/RI。

(1) 當CR取0.1時，最大特征值：λmax′=CI(m-1)+m=0.1RI(m-1)+m；

(2) 當n=1,2時，RI=0，這是因為1,2階判斷矩陣總是一致的。

(3) 當n≥3時，若CI<0.1(即λmax<λmax′)，認為比較判斷矩陣的一致性可以接受，否則應對判斷矩陣作適當的修正。

(4) 層次總排序。①計算同一層次所有因素對最高層相對重要性的權重向量，這一過程是自上而下逐層進行的；②設已計算出第k-1層上有nk-1個元素相對總目標的權重向量為：w(k-1)=〔w1(k-1),w2(k-1),…,wn(k-1)(k-1)〕T；③第k層有nk個元素，他們對于上一層次(第k-1層)的某個元素j的單準則權重向量為：pj(k)=〔w1j(k),w2j(k),…,wnkjj(k)〕T(對于與k-1層第j個元素無支配關系的對應wij取值為0)；④第k層相對總目標的權重向量為：wk=〔p1(k),p2(k),…,pk-1(k)〕w(k-1)。

2.2.4層次總排序的一致性檢驗第k層的一致性檢驗指標：

CIk=〔CI1(k-1),CI2(k-1),…,CInk(k-1)〕

w(k-1)

RIk=〔RI1(k-1),RI2(k-1),…,RInk(k-1)〕

w(k-1)

CRk=CR(k-1)+CIk/RIk

當3≤k≤n，CRk<0.1時，可認為評價模型在第k層水平上整個達到局部滿意一致性。

層次分析法計算得出的綜合指數作為生產建設項目的水土流失影響指數，用于反映生產建設項目水土流失影響程度大小的水土流失影響潛值，為一無量綱值，是衡量生產建設項目水土流失影響大小的一個標準尺度。所得指數結果的評定以數值越大對水土流失的影響也越大，數值越小對水土流失的影響越小，即指數值小所得結果較優。本文采用用SPASS 13.0軟件進行層次數據分析和計算。

3結果與分析

3.1　生產建設項目水土保持分類指標體系構建

3.1.1指標體系建立按照層次分析法的理論與方法，將生產建設項目水土保持分類指標體系分為目標層、準則層、約束層、指標層4個層次。

(1) 目標層。即研究的目標層，從整體上反映了各類生產建設項目的水土流失程度等級，共劃分為極嚴重程度、嚴重程度、一般程度、較輕微程度和輕微程度5個等級，為全面、系統地分析研究生產建設項目水土保持分類提供依據。

(2) 準則層。即目標層水土流失程度等級中包含的各個行業類別，反映了不同行業在建設和生產過程中所引發的水土流失危害大小，按行業共分為31個準則層。

(3) 約束層。即各行業在不同水土保持區劃一級區下的水土流失狀況，結合全國土壤侵蝕的實際特點，將每個行業內分解成東北黑土區、北方土石山區、西北黃土高原區、北方風沙區、西南巖溶區、西南紫色土區、南方紅壤區和青藏高原區8個相對獨立又有機結合的子系統，各子系統綜合反映了行業的水土流失特征。

(4) 指標層。即各系統中的關鍵組成成分及主要影響因子，反映了系統中各要素、因子具體的、量化的狀況、關系等，共設置擾動地表面積指標層、損壞植被面積指標層、土石方挖填總量指標層、永久棄渣量指標層、項目建設總工期指標層、新增水土流失量指標層、水土保持投資強度指標層、對區域生態環境及水土資源的影響指標層、地貌類型指標層9個指標。

3.1.2分類指標的選擇根據生產建設項目水土流失影響等級研究結果，與水土流失影響程度等級一致，分輕微程度水土流失危害、較輕微程度水土流失危害、一般程度水土流失危害、嚴重程度水土流失危害和極嚴重程度水土流失危害5個目標層，每一個目標層包含不同的準則層(生產建設項目類別)，每一個準則層均包含東北黑土區、北方土石山區、西北黃土高原區、北方風沙區、南方紅壤區、西南巖溶區、西南紫色土區和青藏高原區8個約束層，每個約束層包含了9個指標層，包括擾動地表面積、損壞植被面積、土石方挖填總量、永久棄渣量、項目建設總工期、新增水土流失量、水土保持投資強度、對區域生態環境及水土資源的影響和地貌類型。

3.1.3生產建設項目水土保持分類指標體系根據分類指標體系建立的原則，通過每個目標、準則、約束、指標的選取和分析，建立分類指標體系(見表2)。

3.2　確定評價指標的權重

經對全國相關行業88位專家的咨詢，并進行計算分析，最終的分類指標權重見表3。

3.3　指標數據標準化

本研究所選指標數據量綱不同，有多種計量單位，在進行分析計算時需首先對其進行標準化處理。分別對數據庫中的擾動地表面積、損壞植被面積(單位擾動面積的損壞植被量)、土石方挖填總量(單位擾動面積的土石方挖填量)、永久棄渣量(單位擾動面積的永久棄渣量)、項目建設總工期、新增水土流失量(單位擾動面積的新增水土流失量)、水土保持投資強度共計7個指標數據，依據評價指標及專家咨詢法中確定的評價指標權重，直接進行指標數據標準化，把數據變為(0, 1)之間的小數，把有量綱的表達式轉化為無量綱的純量。由于數據太多，標準化結果不能在本文中表達。

表2　生產建設項目水土保持分類指標體系框架

表3　生產建設項目水土保持分類指標權重

除對上述7個定量指標進行標準化計算外，本研究尚有兩個定性指標需賦值參與計算，賦值結果為：對區域生態環境及水土資源影響程度指標(是否涉及國家、省、市、縣水土流失重點預防保護區)，屬于預防保護區的項目該指標賦值為0.3，不屬于預防保護區的項目該指標賦值為0；地貌類型指標(山區—丘陵—風沙—平原)，屬于山區地貌類型的項目該指標賦值為0.6，屬于丘陵地貌類型的項目該指標賦值為0.4，屬于風沙地貌類型的項目該指標賦值為0.4，屬于平原地貌類型的項目該指標賦值為0.2。

3.4　層次分析計算

用研究方法中的層次分析方法對標準化后的指標數據用SPASS軟件進行計算分析，最終得到綜合指數，即生產建設項目水土流失影響指數(表4)。

表4　生產建設項目水土流失影響指數

注：①“—”表示該一級區未收集到該類生產建設項目的群體數據； ②露天礦工程包括露天金屬礦非金屬礦和煤礦； ③井采礦工程包括井采金屬礦、非金屬礦和煤礦； ④社會事業包括教育、衛生、文化、廣電、旅游等；⑤信息產業包括電信、郵政等。

3.5　水土流失影響指數分析

由表4層次分析計算結果可知，線性工程(鐵路、公路、油氣管道、軌道交通、引調水、管網、輸變電、堤防)在各水土保持區劃一級區水土流失影響指數分布較規律，影響指數基本呈現西南巖溶區(西南紫色土區)>西北黃土高原區(青藏高原區)>南方紅壤區(北方土石山區、東北黑土區)>北方風沙區，線性工程沿一個方向長距離建設，而寬度較窄，受地形隨機影響較小，因此能較為全面地反映其所在水土保持區劃一級區的水土流失一般特征。點式工程(露天礦、機場工程、油氣開采、林漿紙一體化、核電站、水電站、工業園區、加工制造、涉水交通、水利樞紐、火電、風電、灌區、蓄滯洪區、其他小型水利、井采礦、油氣儲存與加工、農林開發、房地產、其他類城建、社會事業、信息產業)在各水土保持區劃一級區水土流失影響指數分布則不明顯，究其原因主要是由于建設相對集中在一個區域內，受地形隨機影響較大，不能完全反映一個水土保持區劃一級區的水土流失特征。總體上來說，仍是西南巖溶區和西南紫色土區水土流失影響指數較高，而北方風沙區的水土流失影響指數較小。這是主要由于西南巖溶區和西南紫色土區由于山高坡陡，高溫多雨，巖溶和紫色土發育而造成水土流失嚴重，而北方風沙區則由于氣候干燥，大風和沙暴強烈，導致該區受到風沙侵蝕威脅，較其他水土保持區劃一級區水土流失危害低。

4結 論

(1) 生產建設項目水土保持分類指標體系分為目標層、準則層、約束層、指標層4個層次。目標層劃分為極嚴重程度、嚴重程度、一般程度、較輕微程度和輕微程度5個等級；準則層按行業共分為31個；約束層為不同水土保持區劃一級區，分別為東北黑土區、北方土石山區、西北黃土高原區、北方風沙區、西南巖溶區、西南紫色土區、南方紅壤區和青藏高原區；指標層共有擾動地表面積指標層、損壞植被面積指標層、土石方挖填總量指標層、永久棄渣量指標層、項目建設總工期指標層、新增水土流失量指標層、水土保持投資強度指標層、對區域生態環境及水土資源的影響指標層、地貌類型指標層9個指標。

(2) 層次分析法計算得出的綜合指數可以作為生產建設項目的水土流失影響指數，用于反映生產建設項目水土流失影響程度大小的水土流失影響潛值，其數值越大對水土流失的影響也越大，數值越小對水土流失的影響越小。

(3) 線性工程的影響指數基本呈現出：西南巖溶區(西南紫色土區)>西北黃土高原區(青藏高原區)>南方紅壤區(北方土石山區、東北黑土區)>北方風沙區的趨勢，能較為全面地反映其所在水土保持區劃一級區的水土流失一般特征。

(4) 點式工程在西南巖溶區和西南紫色土區水土流失影響指數較高，而北方風沙區的水土流失影響指數較小。除了這3個差異明顯的一級區外，在其他一級區，由于受地形隨機影響較大，不能完全反映一個水土保持區劃一級區的水土流失特征，點式工程的水土流失影響指數分布規律性則不明顯。

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A Study on Comprehensive Index of Soil and Water Loss of Production and Construction Projects Using Analytic Hierarchy Process

WANG Keqin1， JIANG Dewen2， GAO Tiantian1， YANG Jianying3， ZHANG Zheng4

(1.EnvironmentScienceandEnginierringFaculty,SouthwestForestryUniversity,Kunming,Yunnan650224,China； 2.MonitoringCenterofSoilandWaterConservation,MinistryofWaterResources,Beijing100055,China； 3.SoilandWaterConservationFaculty,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Abstract：[Objective] To develop a comprehensive index for the evaluation of soil and water loss in production and construction projects in order to provide a basis for the classification of management strategies. [Methods] The 2 227 projects were selected from 31 production and construction projects types at national, provincial, and prefecture levels in eigth first class national soil and water conservation zones. Then the information on 13 indexes such as disturbed surface soil area, damaged vegetation area, cubic meter of earth and stone, permanent discarded earth and stone, etc. were collected in every project. The index system of production and construction projects were divided into 4 grades as the destination layer(influencing on soil water erosion), criterion layer(the types of production and construction projects), constraints layer( the first class soil water conservation divisions), index layer( the index about soil and water loss) based on the consultation with specialist and the analytic hierarchy process(AHP) method. [Results] The index of the linear works showed a trend as the southwestern karst area>the northwestern Loess Plateau area and Tibetan Plateau area>the southern red soil area, northern earth and rock area and northeastern black earth area>the northern sand wind area. The index of soil and water loss of the point works was higher in the southwestern karst area and southwestern purple soil area, and low in the north sand wind area. [Conclusion] The gradation system is reasonable in the index system of soil and water loss in a production and construction projects. Comprehensive index calculated by AHP method can be used as evaluation index of soil and water loss, reflecting potential influence of soil and water loss in a production and construction projects.

Keywords:synthesize index; soil and water loss; production and construction projects; gradation analysis method

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0136-07

中圖分類號：S157.1

通訊作者：姜德文 ( 1959— )，男(漢族)，內蒙古自治區阿拉善盟人，博士，教授級高級工程師 ,研究方向為水土保持管理與技術咨詢。E-mail:jiangdw888@ sina.com。

收稿日期：2014-12-06修回日期：2015-03-06

資助項目：水利部“生產建設項目水土保持分類管理名錄研究”(2012—2014)

第一作者：王克勤(1964—)，男(漢族)，甘肅省莊浪縣人，博士，教授，博士生導師。研究方向為小流域環境綜合治理的理論與技術研究。E-mail：wangkeqin7389@sina.com。