朝陽縣水土保持生態(tài)效應高敏感性指標的評價研究

霍 妍

(遼寧省朝陽縣水土保持局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

隨著人們對生態(tài)環(huán)境保護意識的增強和經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，關(guān)于水土流失治理問題越來越引起人們的重視，以區(qū)域生態(tài)治理模式逐漸成為區(qū)域水土保持規(guī)劃的重要依據(jù)。評價指標的敏感性是反映指標對生態(tài)效應評價貢獻率大小或影響程度的重要參數(shù)，對指標敏感性的科學分析不僅能夠為區(qū)域水土保持方案的優(yōu)化調(diào)整提供科學依據(jù)，而且可用于水保效應評價指標的考察與調(diào)整。當前，針對指標敏感性問題諸多學者從不同角度開展了一系列研究，為生態(tài)保護和治理效益評價方面取得了一些成果，如梁歡歡等通過改變指標權(quán)重，運用MCDA分析模塊驗證、分析了權(quán)重賦值的準確性，為風險控制和決策提供科學的指導；周同等針對綠色建筑評價敏感性指標采用得分率統(tǒng)計方法進行科學的分析，通過對較弱敏感性指標成因的分析提出了評價此類參數(shù)的方法；蔡甲冰等針對冬小麥缺水問題運用通經(jīng)原理進行了深入分析，從而確定了影響作物生長的敏感性因子；張鵬、劉永杰等采用灰色關(guān)聯(lián)法和主成分法優(yōu)選了煤礦安全生產(chǎn)的敏感性因子；遲國泰等以財務報告敏感性和主成分原理為依據(jù)，通過對指標權(quán)重和評價因子的篩選提出了更加科學有效的方法[1-7]。鑒于此，結(jié)合已有研究成果和主成分基本原理，針對區(qū)域生態(tài)效應評價問題分析了各指標的敏感性程度，通過對敏感性指標的綜合排序，為生態(tài)效應評價、權(quán)重賦值和評價因子優(yōu)選提供一定決策依據(jù)。

1 研究方法

生態(tài)效應評價指標的選取要考慮研究區(qū)水土保持的特點，各指標實測數(shù)的據(jù)獲取方法有監(jiān)測站監(jiān)測、遙感影像和現(xiàn)場采樣等。為了客觀、準確的反映生態(tài)效應評價因子間的非線性復雜關(guān)系，將多維數(shù)據(jù)利用主成分分析法降維處理，選擇相互獨立的幾個主成分替代多個變量，通過線性組合的初始實測數(shù)據(jù)構(gòu)成各主成分值。這些主成分攜帶的有效信息彼此獨立，且能夠包含絕大部分初始數(shù)據(jù)信息[8-10]。

將生態(tài)效應敏感性指標利用主成分分析法評價，其原理為設(shè)定p、n分別為評價指標和樣本數(shù)，從而構(gòu)造p×n階矩陣X，線性組合p個向量X1、X2、…、Xp，則矩陣X的互不相關(guān)的各主成分可表示為：

Zi=li1X1+li2X2+…+lipXp

(1)

式中：Zi、Xi為第i個主成分和n維向量；lij為系數(shù)。

根據(jù)下述流程實現(xiàn)生態(tài)效應各主成分的識別，具體如下：

步驟一：采用監(jiān)測站監(jiān)測、遙感影像和現(xiàn)場采樣等方式獲取p個指標關(guān)于研究區(qū)n組樣本的實測值，通過標準化處理構(gòu)造實對稱的相關(guān)系數(shù)矩陣R。

步驟二：根據(jù)下述計算公式對水土保持生態(tài)效應各指標的特征向量和特征值進行求解，即：

|R-λiI|=0

(2)

式中：I、λ為單位向量和矩陣特征值。

按照從大到小的原則將特征值進行排序，則有λ1≥λ2≥…≥λp≥0，并將所對應的向量ei進行求解，其中i=1,2,…,p。

步驟三：累計方差貢獻率r和主成分貢獻率ωi的計算公式分別如下：

(3)

(4)

將生態(tài)效應敏感性指標運用組成分分析法識別，選擇的主成分所包含的信息量一般為全部的70%-90%，按照方差累計貢獻率確定保留的主成分，為保證計算精度和評價結(jié)果可靠性按照累計方差>90%確定前k個主成分。

步驟四：分別利用下式計算主成分荷載lij和指標敏感性，即：

(5)

(6)

式中：eij為主成分j關(guān)于向量ei的數(shù)值；βj為生態(tài)效應敏感性指標xj的貢獻率，指標j的敏感性隨βj值的增大而增大，相應的該指標重要性越高；反之，則敏感性和重要性越低。

2 實例分析

2.1 區(qū)域概況

朝陽縣地處遼西山地丘陵區(qū)，大凌河中上游，介于E119°52′-120°47′、N40°55′-41°54′之間，總面積3757km2。該區(qū)域平原面積較少，丘陵分布廣泛且地形多樣，地勢特征表現(xiàn)出自西北向東南傾斜、東南高而西北低的變化特征。境內(nèi)山脈縱貫，有沿深緩平的沖積平原、溝壑縱橫的丘陵和連綿起伏的中低山地，丘陵地區(qū)和山區(qū)存在較大的高差，約為300-600m，因此該區(qū)域?qū)儆谕潦|(zhì)低山丘陵區(qū)。該區(qū)域人類生產(chǎn)活動頻繁、生態(tài)環(huán)境脆弱屬于國家重點水土流失治理區(qū)，由于歷史上干旱少雨、生態(tài)植被嚴重破壞和不合理的土地利用，當?shù)赝寥垒^為貧瘠，植被稀少，土壤抗侵蝕力差，水土流失和生態(tài)環(huán)境破壞問題十分突出，嚴重制約著當?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展和城市生態(tài)環(huán)境保護，城市生態(tài)安全和人居環(huán)境面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。

為改善當?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，加強荒山緩坡的治理力度，促進農(nóng)民增收和帶動地方經(jīng)濟發(fā)展，就必須將地方經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃與水土流失治理、污染控制、自然環(huán)境治理有效結(jié)合，開展以田園路村、山水林草為主的小流域綜合治理。朝陽縣水土保持管理部門和生態(tài)環(huán)境工程技術(shù)服務企業(yè)，依據(jù)治理措施配置、經(jīng)濟社會條件、水土流失類型、地形地貌特征以及自然狀況等勘察資料，經(jīng)實地勘察開展實施了一系列的水土保持綜合治理項目。為了更加全面、客觀的反映水土保持的生態(tài)效應，有必要考慮當?shù)厮亮魇КF(xiàn)狀、特點及其成因，綜合評價高敏感性因子[11]。

2.2 指標敏感性計算

遵循系統(tǒng)性、科學性、可獲取性、合理性和客觀性等原則，綜合考慮朝陽縣地形地貌特征、水土流失特點和土壤侵蝕類型，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件和水土資源開發(fā)利用規(guī)劃，依據(jù)水土保持相關(guān)資料獲取生態(tài)效應敏感性指標值，見表1。

表1 生態(tài)效益敏感性指標實測值

由于不同指標的量綱不同無法直接參與敏感性計算分析，為消除各指標量綱差異性帶來的不可通透性需要采用Z-score法進行標準化處理后，其表達式為：

(7)

根據(jù)標準化處理后的矩陣和主成分原理求解特征值，然后采用累積方差、貢獻率計算方法和矩陣特征值計算結(jié)果，確定主成分貢獻率，如表3。

表2 生態(tài)效益敏感性指標標準值

表3 生態(tài)效應評價累計方差和主成分貢獻率

從表3可以看出，累計方差貢獻率在前2項成分可達到97.11%，所以保留第一、二主成分即可滿足信息量>90%的要求。然后對各指標敏感性和主成分荷載分別利用計算式(5)、(6)進行計算，結(jié)果如表4。

表4 指標敏感性及主成分荷載

2.3 結(jié)果分析

1)按照從小到大的原則將各指標敏感性進行排序，即沙塵暴日、風蝕模數(shù)、耕地面積占比、沙化土體占比、土壤風蝕面積占比、鹽堿地比和林草覆蓋率。生態(tài)效應評價結(jié)果受林草覆蓋率指標的影響最大，對水土保持評價的貢獻率最高；相對于其他指標沙塵暴日的影響程度最弱，應結(jié)合朝陽縣地形地貌特征、水土流失特點及土壤侵蝕類型進一步分析該指標敏感性弱的原因，根據(jù)分析結(jié)果提取切實有效的治理措施。

2)根據(jù)敏感性指標評價結(jié)果，為揭示水保措施的作用效應和生態(tài)效應指標權(quán)重提供一種新的途徑。采用下式計算確定指標權(quán)重αi，即：

(8)

按照以上公式確定指標x1-x7的權(quán)重依次為0.145、0.150、0.146、0.144、0.128、0.140、0.147。較傳統(tǒng)的層次分析法和專家評分法確定的權(quán)重，該方法能夠有效避免專家主觀判斷對生態(tài)效應評價的影響，從而提高結(jié)果的客觀性和準確性，為區(qū)域水土保持規(guī)劃和綜合效應評價提供科學依據(jù)。

3)在指標敏感性分析過程中，該方法彌補了以往方法權(quán)重計算和貢獻率不合理的缺陷，綜合考慮各參數(shù)的貢獻率大小賦予權(quán)重。

4)在生態(tài)效應預測性指標選取時提供科學的判別依據(jù)，通過對較高敏感性指標的長期監(jiān)測預測未來水土流失的可能發(fā)展變化，從而為水土保持方案的科學制定和水土保持規(guī)劃提供參考，揭示各項治理措施的作用機理，進一步完善并修訂綜合治理方案提供一定指導作用。

3 結(jié) 論

1)對遼西低山丘陵區(qū)朝陽縣水土保持生態(tài)效益敏感性指標利用主成分分析法評價，科學合理的確定各指標對生態(tài)效應評價的貢獻率大小，可為水土保持方案的設(shè)計和綜合效應評價提供科學依據(jù)。結(jié)果顯示，前2項主成分鹽堿地占比和林草覆蓋率的累計方差貢獻率可達到97.11%，所以保留第一、二主成分即可滿足信息量>90%的要求。

2)在指標敏感性分析過程中，主成分分析法彌補了以往方法權(quán)重計算和貢獻率不合理的缺陷。然而，綜合考慮各參數(shù)的貢獻率大小賦予權(quán)重針對生態(tài)效應總體評價中敏感性指標分析的應用、弱敏感性指標的應對策略及其成因分析，前瞻性、適用性指標的選取問題扔需要進一步深入研究。