基于主題分類和組件技術(shù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價

柴 立，張 晴，解建倉，劉建龍，姜仁貴

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基于主題分類和組件技術(shù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價

柴 立1，張 晴2，解建倉1，劉建龍3，姜仁貴1※

（1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，西安 710048；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3. 河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，鄭州 450016）

針對傳統(tǒng)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價存在的指標(biāo)固定和適應(yīng)性較弱等不足，將信息化技術(shù)應(yīng)用到評價中，提出基于主題服務(wù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價模式。針對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境問題確定評價主題，建立基于主題服務(wù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價流程，構(gòu)建評價指標(biāo)庫，對評價方法進(jìn)行組件化。根據(jù)評價主題從灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)庫中篩選合適的評價指標(biāo)，通過對指標(biāo)的優(yōu)選建立針對特定評價主題的評價指標(biāo)體系。基于綜合集成平臺繪制評價主題知識圖，搭建灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價系統(tǒng)。根據(jù)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價主題的特征和建立的評價指標(biāo)體系，確定評價方法。從評價方法組件庫中調(diào)用相應(yīng)組件對不同主題下評價指標(biāo)進(jìn)行計算，實現(xiàn)對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的動態(tài)主題評價。以陜西省涇惠渠灌區(qū)為例開展實證研究，首先，根據(jù)灌區(qū)調(diào)研情況和管理部門的關(guān)注點，結(jié)合專家意見，確定4類評價主題，包括：生態(tài)環(huán)境影響要素主題、資源利用水平主題、工程保障能力主題和可持續(xù)性主題。基于綜合集成平臺開展動態(tài)評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2009年和2014年灌區(qū)生態(tài)環(huán)境介于等級“良”和“一般”之間，且2014年相對于2009年灌區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況有所下降；1997年至2014年灌區(qū)資源利用水平逐年提高，各評價指標(biāo)逐年向良性發(fā)展；2014年灌區(qū)工程保障能力為“一般”，且偏向“良好”；2014年灌區(qū)可持續(xù)性評價結(jié)果等級為“良”。結(jié)果表明：基于主題服務(wù)模式能快速、多角度實現(xiàn)對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的動態(tài)評價，結(jié)果更為可信，相比傳統(tǒng)評價方法更有優(yōu)勢。引入信息化手段，在綜合集成平臺上實現(xiàn)基于主題服務(wù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價，研究結(jié)果對促進(jìn)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展和灌區(qū)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

生態(tài)；環(huán)境管理；主題服務(wù)；動態(tài)評價；涇惠渠灌區(qū)

0 引 言

中國是糧食生產(chǎn)大國，灌區(qū)的健康發(fā)展是糧食、棉、油生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)保障，對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)甚至國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著舉足輕重的作用，也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要支撐。灌區(qū)是一個“人工—自然—社會”復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)[1]，其建設(shè)不僅能促進(jìn)中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還能作為保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要因素，具體體現(xiàn)在改善生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、抑制水土流失等方面。由于中國早期灌區(qū)建設(shè)管理水平低，改革開放后經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人類活動頻繁，對生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，如農(nóng)藥過量使用造成的灌區(qū)水土污染，盲目擴(kuò)灌引起的土地退化和落后灌溉技術(shù)導(dǎo)致的水資源利用效率低[2]，致使灌溉規(guī)模超過灌區(qū)水資源承載能力，地下水位降低引起糧食減產(chǎn)和植被增長速率減緩[3-4]。針對灌區(qū)出現(xiàn)的上述問題，2014年水利部提出建設(shè)“生態(tài)灌區(qū)”的構(gòu)想，黨的十八大則從“五位一體”總布局的戰(zhàn)略高度，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。本文基于此對灌區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評價，可為灌區(qū)管理者提供科學(xué)有效的依據(jù)，促進(jìn)生態(tài)型灌區(qū)的建設(shè)與發(fā)展。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境開展研究，并取得許多有益成果[5-8]。方延旭等[9]建立了灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康二級模糊綜合評價模型，并將模型應(yīng)用到北京市北野廠，結(jié)果表明該文提出的模型能較好評價灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；高鴻永等[3]分析灌區(qū)地下水位深度情況，研究灌區(qū)建設(shè)中的生態(tài)與環(huán)境問題的關(guān)系，結(jié)果表明：通過灌溉間息水可補(bǔ)充生態(tài)水，保持地下水位，改善生態(tài)環(huán)境；肖雨芳[10]介紹了灌區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價過程與方法，并以關(guān)中灌區(qū)研究區(qū)域進(jìn)行實證分析。以往針對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究多集中在城市、農(nóng)業(yè)與河流濕地等方面[11-12]，對灌區(qū)動態(tài)評價相關(guān)研究相對較少[5]。

本文針對復(fù)雜的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境問題，提出基于主題服務(wù)的灌區(qū)評價服務(wù)模式[13]，對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動態(tài)評價。通過構(gòu)建評價指標(biāo)庫，避免傳統(tǒng)因評價指標(biāo)較少造成的偏差。通過將評價方法進(jìn)行組件化，提供快速的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價服務(wù)。基于綜合集成平臺將評價過程可視化，提高了評價的可信性，通過對評價指標(biāo)、不同指標(biāo)權(quán)重和評價方法的快速修改，為用戶提供動態(tài)、可反饋修正的評價服務(wù)。以陜西省涇惠渠灌區(qū)為例，通過對涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)研確定4個評價主題，搭建基于主題服務(wù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價系統(tǒng)，針對每個主題開展動態(tài)評價。本文研究成果對促進(jìn)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展和灌區(qū)生態(tài)文明建設(shè)具有重要的意義，預(yù)期具有較好應(yīng)用推廣價值。

1 灌區(qū)生態(tài)環(huán)境健康內(nèi)涵

生態(tài)環(huán)境指生態(tài)系統(tǒng)中相對于生物系統(tǒng)的全部外界條件的總和，包括生物和非生物等能在特定空間中可以直接或間接影響有機(jī)體生存和發(fā)展的各個因素[14]。灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是一個半人工的開放性生態(tài)系統(tǒng)，它把自然環(huán)境因素、人工提供的水分條件以及其他人工調(diào)控手段有機(jī)地結(jié)合在一起，具有很強(qiáng)的社會性[15]。生態(tài)系統(tǒng)健康是Schaeffer等[16]1988年首次提出，主要用來描述生態(tài)系統(tǒng)健康度量的問題，由Rapport給出了生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵的詳細(xì)論述，他認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)健康體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)是穩(wěn)定和可持續(xù)的，即隨時間推移能夠維持自身的結(jié)構(gòu)組織，進(jìn)行自我協(xié)調(diào)和對外力脅迫具有抵抗力[17]。國內(nèi)外學(xué)者們研究的側(cè)重點不同，對于生態(tài)系統(tǒng)健康的含義略有差異，如Calow[18]認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)健康表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)具有長期的持續(xù)性；Norris等[19]認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)是指生態(tài)環(huán)境受外界干擾前的原始狀態(tài)；張鳳玲等[20]指出健康的生態(tài)系統(tǒng)具有維持生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組織的能力，也要考慮人類活動和社會效益。

以往針對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價研究主要集中在指標(biāo)體系或者模型方法上，然而，構(gòu)建的評價指標(biāo)體系相對較為固定，評價模型難以適應(yīng)動態(tài)變化。本文采用組件、知識圖和綜合集成平臺等信息技術(shù)，通過構(gòu)建指標(biāo)庫和方法組件庫，提出基于主題服務(wù)的灌區(qū)動態(tài)評價模式。

2 灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價

2.1 動態(tài)評價主題服務(wù)

動態(tài)評價主題服務(wù)基于綜合集成平臺，通過組件技術(shù)實現(xiàn)評價指標(biāo)和方法組件化，在評價過程中選取與主題相關(guān)的評價指標(biāo)及方法組件，將事先開發(fā)好的各種指標(biāo)及方法組件與知識圖相結(jié)合，快速搭建適用于不同主題的評價模型，實現(xiàn)在線快速響應(yīng)、可視可信、評價方法靈活修正的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價。動態(tài)評價的基本流程如圖1所示。首先，明確評價主題。根據(jù)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，將復(fù)雜的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境問題分解為不同評價主題，建立灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價主題庫。其次，開發(fā)組件。確定主題后，從灌區(qū)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)庫和方法庫中選擇合適的評價指標(biāo)和評價方法，采用組件化技術(shù)對評價方法進(jìn)行組件化，開發(fā)相應(yīng)的評價指標(biāo)和方法組件。根據(jù)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價基本流程，基于綜合集成平臺繪制灌區(qū)生態(tài)環(huán)境不同主題的評價知識圖，通過可視可信、可反饋修正等特征開展灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價。

圖1 動態(tài)評價的基本流程

2.2 評價指標(biāo)庫構(gòu)建

開展灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價，首先，需要構(gòu)建評價指標(biāo)庫，以陜西省涇惠渠為例，根據(jù)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境健康內(nèi)涵，通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)的總結(jié)梳理，灌區(qū)實地調(diào)研以及征詢有關(guān)專家意見等方式，構(gòu)建涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境健康評價指標(biāo)庫，共包括112個評價指標(biāo)（略）。參考國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、灌區(qū)規(guī)劃建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和全國文明灌區(qū)創(chuàng)建管理辦法等，確定各指標(biāo)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。開展評價時，首先確定評價主題，按照主題確定評價目標(biāo)、準(zhǔn)則和指標(biāo)，根據(jù)確定的評價主題特征、專家意見和指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可獲取性，從評價指標(biāo)庫中篩選若干個評價指標(biāo)構(gòu)建對應(yīng)評價主題的評價指標(biāo)體系。

2.3 評價方法組件化

評價方法組件化，即評價者根據(jù)決策的目的，開發(fā)設(shè)計權(quán)重計算方法組件和評價方法組件，經(jīng)測試無誤后，發(fā)布至Web服務(wù)器，最終建成方法組件庫。組件庫的使用簡單、成本低，評價者只需要了解組件庫內(nèi)的所有組件的服務(wù)對象和運算性質(zhì)，通過服務(wù)器定制以及評價主題獲取相應(yīng)組件，并添加到知識圖相應(yīng)節(jié)點下即可計算得到各評價指標(biāo)權(quán)重及評價結(jié)果。1）加權(quán)方法組件庫：采用主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)相結(jié)合的組合賦權(quán)法計算不同指標(biāo)權(quán)重，通過將不同方法得到指標(biāo)的權(quán)值進(jìn)行組合處理，開發(fā)加權(quán)方法組件，建立加權(quán)方法組件庫。2）評價方法組件庫：將評價指標(biāo)、評價方法組件化，建立評價方法組件庫，通過對組件的共享、重用實現(xiàn)模型與方法的快速調(diào)用與反饋修正。下面以模糊綜合評價法為例，分析如何將評價方法組件化。

第1步，給出模糊綜合評價法的計算步驟[21-22]：

4）構(gòu)造評價矩陣，與權(quán)重進(jìn)行模糊合成。將個單因素評價集組合構(gòu)造出總的評價矩陣：

將與權(quán)數(shù)分配集=(1,2,…,a)進(jìn)行模糊合成得到最終模糊決策集=(1,2,…,b)，即=*，*為算子符號。

第2步，根據(jù)上述步驟，結(jié)合組件開發(fā)流程，將模糊綜合評價方法劃分為3個計算組件：計算隸屬度函數(shù)組件、評價矩陣構(gòu)造組件、模糊合成組件。根據(jù)第1步中流程確定3個計算組件邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 模糊綜合評價法計算組件模塊關(guān)系圖

第3步，基于綜合集成平臺，采用組件化軟件開發(fā)技術(shù)對第2步中劃分出來的計算組件進(jìn)行開發(fā)，并存儲到平臺的方法組件庫中，評價過程中，從方法組件庫中調(diào)用相關(guān)組件即可進(jìn)行計算。

2.4 評價主題知識圖繪制

在確定評價主題，建立相關(guān)的評價指標(biāo)庫、方法組件庫后，基于綜合集成平臺繪制評價主題的知識圖。首先，打開綜合集成平臺，新建知識圖，根據(jù)已經(jīng)建立好的評價模型繪制知識圖，從組件庫檢索所需評價指標(biāo)、方法相關(guān)的組件，組件經(jīng)過定制后添加到知識圖相應(yīng)節(jié)點下；若已有繪制好的知識包，且滿足評價主題的要求，可通過知識包管理界面打開已有的知識圖成果，直接使用或者在原知識圖上進(jìn)行改動后使用。主題知識圖主要工作包括：繪制節(jié)點、設(shè)計組件的接口、定制組件等，這些工作之間具有一定的聯(lián)系，比如評價過程中前端組件流向后續(xù)組件的數(shù)據(jù)要求，或者知識圖中前端節(jié)點和后端節(jié)點的關(guān)系，需要考慮組件對環(huán)境依賴的分析。基于繪制好的主題評價知識圖，從組件庫中選擇并定制適合評價主題的方法組件，快速得到不同方法的評價結(jié)果，實現(xiàn)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價。

3 應(yīng)用實例

將基于主題服務(wù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價模式應(yīng)用到?jīng)芑萸鄥^(qū)中，開展涇惠渠生態(tài)環(huán)境主題化動態(tài)評價，研究結(jié)果可為涇惠渠生態(tài)文明建設(shè)以及灌區(qū)管理者提供決策建議。

3.1 灌區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

涇惠渠灌區(qū)位于關(guān)中平原中部，位于108°34′34″～109°21′35″E，34°25′20″～34°41′40″N。灌區(qū)北靠黃土臺塬，西、南、東三面環(huán)繞有涇河、渭河、石川河，灌區(qū)東西方向長約70 km，南北方向?qū)捈s20 km，總面積1180 km2，灌溉著西安、咸陽、渭南三市的涇陽、三原、高陵、臨潼、閻良、富平6個縣（區(qū)），48個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，597個行政村的耕地[23]。灌區(qū)屬于大陸性半干旱季風(fēng)氣候，夏季多雨，降雨量的分布由東南向西北逐漸遞減。涇惠渠灌區(qū)作為陜西省重要的糧食、蔬菜基地，農(nóng)作物主要以小麥、玉米、棉花、蔬菜為主，作物復(fù)種指數(shù)在1.85以上[24-26]。

論文所采用的數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)、《陜西省統(tǒng)計年鑒》、《全國土壤污染狀況調(diào)查結(jié)果》、《陜西省涇惠渠管理局灌溉技術(shù)資料匯編》以及灌區(qū)歷年環(huán)境監(jiān)測報告等。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價主題

根據(jù)前期對涇惠渠灌區(qū)的調(diào)研情況，考慮到管理部門關(guān)注點和灌區(qū)實際情況，結(jié)合相關(guān)專家意見，確定涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境4種類型主題。本文確定的主題主要考慮灌區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及未來發(fā)展?fàn)顩r，包括：生態(tài)環(huán)境影響要素主題、資源利用水平主題、工程保障能力主題和可持續(xù)性主題。確定評價主題后，按照2.3節(jié)將評價方法組件化，針對上述4個主題，本文采用層次分析法、主成分分析法、模糊綜合評價、綜合指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析和物元可拓評價等方法進(jìn)行不同主題下指標(biāo)優(yōu)選與評價[27-28]。上述方法詳見文獻(xiàn)[21-22,29]，篇幅限制，未在文中贅述。

3.2.2 不同主題下評價指標(biāo)體系構(gòu)建

由于灌區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的復(fù)雜性，不同灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題會存在差異性，因此沒有一套固定的指標(biāo)體系能夠適用于任何灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境評價，需要根據(jù)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境情況和不同主題更新與修改指標(biāo)體系。通過前期對涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的調(diào)研與分析，結(jié)合專家意見，從2.1構(gòu)建的評價指標(biāo)庫共112個評價指標(biāo)中篩選出對應(yīng)各主題的評價指標(biāo)建立初始評價指標(biāo)體系，再結(jié)合主觀經(jīng)驗和專家意見等方法對指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選。融合多源數(shù)據(jù)對評價指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選[30]，采用的方法主要包括：采用層次分析法計算結(jié)果剔除權(quán)重較小的指標(biāo)，采用共性診斷和相關(guān)性分析剔除關(guān)聯(lián)度較高的指標(biāo)，采用靈敏度分析剔除區(qū)分度不高的指標(biāo)，采用主成分分析方法計算得到各初始指標(biāo)的載荷矩陣，提取具有較高載荷的指標(biāo)，最終構(gòu)建適用于涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境各主題的評價指標(biāo)體系。通過對初始評價指標(biāo)體系的篩選與靈敏度分析，最后確定用于涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境各主題的35個評價指標(biāo)，其中，生態(tài)環(huán)境影響要素主題12個指標(biāo)（圖3a），資源利用水平主題8個指標(biāo)（圖3b），工程保障能力主題6個指標(biāo)（圖3c），可持續(xù)性主題9個指標(biāo)（圖3d）。通過實例應(yīng)用中實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)的評價結(jié)果分析，可以看出，不同主題評價結(jié)果和實際調(diào)研的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況基本吻合，表明論文中所構(gòu)建的評價指標(biāo)體系是相對合理的。

3.2.3 基于綜合集成平臺的動態(tài)評價

基于綜合集成平臺，將上述構(gòu)建的不同主題對應(yīng)的評價指標(biāo)體系進(jìn)行流程化描述與可視化表達(dá)，繪制不同主題對應(yīng)的評價知識圖。按照知識圖調(diào)用2.3中開發(fā)的加權(quán)方法組件計算各主題評價指標(biāo)權(quán)重，計算得到各評價指標(biāo)權(quán)重之后，再從數(shù)據(jù)庫中獲取各評價指標(biāo)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，調(diào)用2.3中開發(fā)的評價方法組件計算得到該主題的評價結(jié)果。考慮到灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性和動態(tài)性，當(dāng)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生較大變化需要增加評價主題或者補(bǔ)充評價指標(biāo)時，基于綜合集成平臺，在知識圖的基礎(chǔ)上可快速進(jìn)行修改，從方法組件庫中調(diào)用相關(guān)組件計算得到新的評價指標(biāo)權(quán)重和評價結(jié)果，實現(xiàn)評價過程的動態(tài)化。

圖3 涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境不同主題評價指標(biāo)體系

3.2.4 不同主題評價結(jié)果分析與討論

根據(jù)前期收集的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)資料，不同主題的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價年限統(tǒng)一到2014年，由于不同評價主題側(cè)重點和評價指標(biāo)的不同，論文中采用不同的評價方法對不同的主題進(jìn)行評價。由于2.3節(jié)對相應(yīng)的評價方法進(jìn)行組件化，基于綜合集成平臺可快速調(diào)用相應(yīng)的評價方法組件進(jìn)行計算，當(dāng)應(yīng)用于國內(nèi)其余灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價時，本文所采用的評價模式同樣適用。

1）生態(tài)環(huán)境影響要素主題

采用層次分析法確定涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境影響要素主題評價指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表1所示。

表1 生態(tài)環(huán)境影響要素主題評價指標(biāo)權(quán)重

采用模糊綜合評價法對2009年和2014年2 a的涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境影響要素進(jìn)行綜合評價，結(jié)果如表2所示。根據(jù)計算得到的隸屬度值進(jìn)行排序，通過與評價等級分值加權(quán)計算得到2009年和2014年2 a生態(tài)環(huán)境影響要素評價最終結(jié)果分別為3.6365和3.46，其中，對應(yīng)等級“一般”的隸屬度最大，分別為0.422 1和0.358 3。由此可見，2009年和2014年涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境影響要素介于等級“良”和“一般”之間，并且，2014年相對于2009年狀況有所下降。經(jīng)過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，評價結(jié)果基本符合灌區(qū)實際情況。

表2 生態(tài)環(huán)境影響要素主題評價結(jié)果

2）資源利用水平主題

采用主成分分析方法確定涇惠渠灌區(qū)資源利用水平主題評價指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表3所示。

表3 資源利用水平主題評價指標(biāo)權(quán)重

考慮該主題下各指標(biāo)之間有多重相關(guān)關(guān)系，采用模糊綜合評判法和綜合指數(shù)法對1997年、2000年、2003年、2006年、2010年、2014年共6 a進(jìn)行綜合評價，采用粒度分析對2種方法評價結(jié)果進(jìn)行一致性判斷，結(jié)果如表4所示。從評價結(jié)果可知，2種方法評價排序一致，從1997年至2014年，涇惠渠灌區(qū)資源利用水平逐年提高，各評價指標(biāo)逐年向良性發(fā)展。評價結(jié)果和灌區(qū)近年來開展的節(jié)水改造、發(fā)展先進(jìn)灌溉技術(shù)、改善灌溉制度和耕作制度等措施是吻合的。

表4 資源利用水平主題評價結(jié)果

3）工程保障能力主題

采用層次分析法確定涇惠渠灌區(qū)工程保障能力主題評價指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表5所示。

表5 工程保障能力主題評價指標(biāo)權(quán)重

考慮到灌區(qū)工程保障能力各評價指標(biāo)存在的灰色性特征，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對2014年涇惠渠灌區(qū)工程保障能力進(jìn)行評價，結(jié)果如表6所示。結(jié)果顯示：涇惠渠灌區(qū)工程保障能力與等級“一般”關(guān)聯(lián)度最高，且與等級“良”關(guān)聯(lián)度較為相近，表明灌區(qū)工程保障能力“一般”，且偏向“良好”。通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，涇惠渠灌區(qū)線長面廣，田間配套工程不完善，渠道襯砌率相對較低，存在水量滲漏現(xiàn)象，可見，灌區(qū)工程保障有待進(jìn)一步完善。

表6 工程保障能力主題評價結(jié)果

4）可持續(xù)性主題

采用層次分析法確定涇惠渠灌區(qū)可持續(xù)性主題評價指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表7所示。

表7 可持續(xù)性主題評價指標(biāo)權(quán)重

可持續(xù)性主題評價指標(biāo)綜合考慮了資源、環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)等多方面要素，各指標(biāo)間存在深層次相互影響，例如，減少地下水的開采量，就會影響到作物產(chǎn)量，進(jìn)而影響農(nóng)村人均純收入。采用物元可拓評價法對2014年涇惠渠灌區(qū)可持續(xù)性進(jìn)行評價，結(jié)果如表8所示。結(jié)果顯示，灌區(qū)可持續(xù)性對應(yīng)等級“良”的綜合關(guān)聯(lián)度最高，確定最終評價結(jié)果等級為“良”。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，化肥施用強(qiáng)度、地下水資源開采率和地膜回收率3個指標(biāo)表現(xiàn)出來的可持續(xù)性較低，對灌區(qū)的可持續(xù)性影響較大。實際調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)化肥施用量偏高，造成農(nóng)業(yè)面源污染；地下水超采使得地下水漏斗面積擴(kuò)大，致使農(nóng)作物生長受抑；地膜回收困難，降解性差，直接影響土壤的可持續(xù)發(fā)展。

表8 可持續(xù)性主題評價結(jié)果

4 結(jié) 論

1）本文提出基于主題服務(wù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價模式，首先，結(jié)合實地調(diào)研和專家意見確定評價主題，根據(jù)灌區(qū)情況構(gòu)建評價指標(biāo)庫，按照不同的主題從指標(biāo)庫中篩選評價指標(biāo)構(gòu)建評價指標(biāo)體系，對評價方法進(jìn)行組件化開發(fā)實現(xiàn)動態(tài)、可視化評價。涇惠渠灌區(qū)4個主題服務(wù)評價應(yīng)用實例表明：基于主題服務(wù)模式能快速、多角度實現(xiàn)對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價，比傳統(tǒng)評價方法更有優(yōu)勢。結(jié)果表明：2009年和2014年灌區(qū)生態(tài)環(huán)境影響要素介于等級“良”和“一般”之間，且2014年相對于2009年狀況有所下降；1997年至2014年，灌區(qū)資源利用水平逐年提高，各評價指標(biāo)逐年向良性發(fā)展；2014年灌區(qū)工程保障能力為“一般”，且偏向“良好”；2014年灌區(qū)可持續(xù)性最終評價結(jié)果等級為“良”。不同主題的評價結(jié)果與實際調(diào)研情況及前人研究成果較為吻合，說明論文中提出的基于主題服務(wù)的動態(tài)評價結(jié)果可信。

2）基于綜合集成平臺搭建基于主題服務(wù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價系統(tǒng)，繪制不同主題知識圖，使整個評價過程可視可信。用戶通過開發(fā)組件和繪制主題知識圖，借助信息技術(shù)使得復(fù)雜的評價問題簡單化。采用組件技術(shù)，建立評價指標(biāo)權(quán)重計算方法和評價方法組件庫，對同一評價主題或者不同主題，可快速提取方法組件快速搭建評價系統(tǒng)，得到不同指標(biāo)體系、多種評價方法的評價結(jié)果，基于平臺對評價指標(biāo)體系進(jìn)行快速更新，對知識圖進(jìn)行動態(tài)修正，實現(xiàn)動態(tài)評價。

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Dynamic evaluation mode for ecological environment in irrigation based on theme classify and component technology

Chai Li1, Zhang Qing2, Xie Jiancang1, Liu Jianlong3, Jiang Rengui1※

(1.710048,; 2.100081,; 3.450016,)

To resolve the limitations of traditional method for evaluating ecological environment in the irrigation area, dynamic theme service model was proposed in this paper using information technology. The evaluation themes are identified according to the problems of irrigation area. The dynamical evaluation process of ecological environment in irrigation area based on theme service is established. To build the evaluation indices library and develop the evaluation method component, the appropriate evaluation index is selected from the ecological environment evaluation indices library in the irrigated area according to the evaluation theme. The evaluation index system for specific evaluation theme is established after the optimization of indices. The evaluation theme knowledge map is drawn based on the comprehensive integrated platform and the ecological environment dynamic evaluation system is established. The evaluation methods are determined according to the characteristics of the ecological environment evaluation theme and the evaluation indices system. The corresponding component is invoked from the evaluation method component library to calculate the evaluation indices for different themes, and realize dynamic theme evaluation for the ecologic environment in irrigation area. Taking the Jinghuiqu irrigation area in Shaanxi Province as the study case, 4 evaluation themes including the ecological environment influential factor theme, the resource utilization level theme, the engineering support capacity theme and the sustainability theme are determined based on the investigation situation and concerns of the management department in the irrigation area, and the opinions of the experts. The results showed that the ecological environment in irrigation district was between good and mediocre in 2009 and 2014, and the ecological environment situation of irrigation district decreased in 2014 compared with that in 2009; from 1997 to 2014, the utilization level of irrigation resources increased year by year, and each evaluation index developed to a healthy grade year by year; the support capacity of irrigation district was mediocre in 2014, and it tended to be good; the result of irrigation district sustainability evaluation was good in 2014. As the results show: The service model can achieve dynamic evaluation of ecological environment of irrigation area quickly with multi-angle view, the evaluation result is more credible, so it has more advantages compared to the traditional evaluation method. Using the information technologies, the paper introduces a dynamic evaluation model for the ecological environment in the irrigation area based on the comprehensive integrated platform, and the results of the paper are of great importance for the healthy development of the ecological environment and ecological civilization construction in the irrigation area.

ecology; environmental management; theme service; dynamic evaluation; Jinghuiqu irrigation canal

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.023

S274

A

1002-6819(2017)-24-0174-08

2017-06-21

2017-11-20

國家重點研發(fā)計劃資助（2016YFC0401409）；國家自然科學(xué)基金項目（51509201，51679188）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（2016M590964）；陜西省高校科協(xié)青年人才托舉計劃項目（20160217）

柴立，男，陜西商洛人，博士，主要從事灌區(qū)生態(tài)環(huán)境評價研究。Email：919854612@qq.com

姜仁貴，男，江西玉山人，博士，副教授，主要從事城市防洪減災(zāi)與應(yīng)急管理研究。Email：jrengui@163.com

柴 立，張 晴，解建倉，劉建龍，姜仁貴. 基于主題分類和組件技術(shù)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(24)：174－181. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.0174 http://www.tcsae.org

Chai Li, Zhang Qing, Xie Jiancang, Liu Jianlong, Jiang Rengui. Dynamic evaluation mode for ecological environment in irrigation based on theme classify and component technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 174－181. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.024 http://www.tcsae.org