基于多層次模糊綜合法的小流域水土保持效益評價

霍 妍

(遼寧省朝陽縣水土保持局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

水土流失的積累性、廣泛性和不可逆性特征，決定了水土保持在促進社會發展和完善自然環境等方面的重要性地位。水土保持普遍存在多功能、多部門和多學科的特點，所以必須采用效益評價來判別水土流失治理規劃的可行性和合理性。各要素對水土保持效益評價的貢獻率難以精確的定量分析，且不同影響因子之間的作用關系較為復雜，效益評價屬于一個多層次、多要素的模糊性復雜系統。另外，從整體上來說其系統功能存在多屬性的特點，即水土保持評價屬于具有模糊性、多屬性特征的復雜問題[1-5]。根據朝陽縣羊山溝小流域治理實際情況和已有研究成果，從多個不同方面選擇評價因子構建指標體系，對水保效益利用多層次模糊法進行科學評價，以期為全面掌握水土保持改善生態環境、遏制水土流失的成效，優化設計小流域綜合治理方案提供一定參考。

1 多層次模糊綜合評價模型

針對多約束、多層次和多因素的難以用精確數學法描述的復雜問題模糊數學法具有較強的適用性，目前該方法已廣泛應用于各個學科領域。一般情況下，復雜的評價體系涉及到的因素較多，且各因素間具有一定的關聯性，為便于計算分析需按照某種屬性將評判因素集合劃分為多個層級，通過對每一類參數的評價分析最終給出綜合評價結果，對小流域綜合效益的評價考慮利用多層次模糊數學法。

1.1 評價指標體系

小流域水土保持治理的目標是以最低的投資成本獲取最大的綜合效益，對此國內外許多學者做了大量研究，如楊文志等[6]依據17項評價因子和試驗區實際狀況，提出了綜合評價體系；王佑民[7]通過分析評價指標與治理效益之間的關系，篩選出了18項關鍵性影響因子；常茂德等[8]基于15項評價指標建立了治理效益評價體系；孟慶枚等[9]從經濟、生態兩個方面選擇14個指標，構建了復合型評價體系；康玲玲等[10]在遵循系統性、科學性、客觀性等原則的基礎上提出生態效益評價指標，結合已有研究資料提出使用頻率較高的指標有地表徑流模數、治理程度、林草覆蓋率和土壤侵蝕模數；李成杰等[11]初步探討了效益評價中存在的問題，結合水土保持實際情況和相關資料提出了有效的建議措施；王洪興等[12]從社會、經濟和生態3個方面篩選出17項指標，并對小流域治理效益利用灰色關聯法科學評價。系統全面、切實可行的指標體系為效益評價的關鍵環節，關于生態與基礎效益現行國家標準給出了調水、減蝕、保土、保水效益，從本質上而言生態效益包含了保土、保水效益，所以應將其歸為生態效益。為反應不同治理措施的有效性必須引入水土保持效益指標，從社會、經濟和生態3個方面開展分析。參考有關資料和已有研究成果，從社會、經濟與生態3個方面選擇11項典型指標，并建立遞階層次結構效益評價體系，見表1。

表1 水土保持治理效益評價體系

1.2 評判因素集

(1)

采用以上處理方法可確定二級評判因子集合，其表達式為：

U/c={U1,U2,…,Um}

(2)

式中：Ui={uik}為nk個評價因子存在于子集Ui中，且k=1,2,…,nk，i=1,2,…,m。

1.3 綜合評價模型

根據評價模型計算分析子集Ui中的nk個影響因子，依據各因素在Ui中的重要性程度賦予相應的權重Ai從而構造水土保持綜合效益評價決策矩陣Ri，子集Ui的效益評價結果為：

Bi=Ai·Ri[bi1,bi2,…bim]

(3)

針對二級模糊評判矩陣可由生成的一級評價參數構成，在二級評價過程中評判決策矩陣如下：

(4)

若小流域水土保持效益評價U/c中的各因素子集的權重為A，則按照以上計算結果確定的綜合效益評價值為：

B=A·R=(b1,b2,…,bm)

(5)

式中：B為U/c的綜合評判值和U中各評判因素的評價結果。

4.血矛線蟲病。病畜日漸消瘦, 精神沉郁，食欲不振、被毛粗亂、腹瀉，放牧時離群落后,幼畜生長發育停滯。嚴重感染者,四肢外側被毛脫落，眼結膜蒼白，高度貧血,下頜間隙、肉垂水腫,頑固性下痢,幼牛腹部增大。病牛最后臥地不起,食欲廢絕，直至死亡。

當前，主因素和普通矩陣法為矩陣合成運算的兩類常用方法，前者是利用邏輯算子M(∧,∨)取小或取大合成運算，在選擇單項最優時較為常用；后者是兼顧了各子系統因素的普通矩陣乘法運算，一般適用于多項評價指標的排序運算。多層次模糊綜合法不僅有效解決了多因素權重分配困難的問題，而且可反映不同層次中各因素的影響程度。

2 水土保持效益評價

2.1 小流域概況

羊山溝小流域位于遼寧省朝陽縣七道嶺鎮，屬小凌河流域，該小流域為大陸性季風氣候，年均徑流深112mm，年均降水量515mm，，其中60%降水集中在7、8、9月并多以暴雨的方式發生。氣候特征為日照充足、雨熱同季、春季干旱、冬季干冷，年均日照時數2361h，≥10℃積溫3532.5℃，年均氣溫8.4℃，無霜期157d，最大凍土深1.20m。羊山溝小流域屬于土石質中度侵蝕區，總面積459.59hm2，土流失面積432.55hm2，土壤侵蝕主要以水蝕為主，局部地區伴隨有風力侵蝕。在降水沖刷影響下，流域內溝壑侵蝕現象較為突出，其中輕度、中度、強烈及極強烈侵蝕面積分別為3.50、210.34、212.81和5.90hm2，土壤侵蝕模數為3455t/km2·a。當地農村經濟發展落后，一方面與流域內土壤貧瘠肥力且以坡耕地為主、土壤資源產出率低等因素相關；另一方面，流域內荒山荒溝水土流失嚴重，生態環境嚴重破壞失衡，加之人口外流和農業綜合產出率低等問題使得農村產業結構調整緩慢，對當地生態環境和經濟社會發展構成嚴重的威脅。

為有效控制水土流失和穩步增大農業與農民收入，促進當地經濟發展以及改善自然環，提高生產條件以及農村生活水平，朝陽縣水土保持部門針對羊山溝小流域開展實施了一系列的建設項目和治理措施。建設實施的工程治理措施有：實施保土耕作工程措施，減少坡耕地水土流失，調節地表徑流；采取水平槽措施改善荒山地的立地條件，為自然生態的恢復提供有利條件；通過建設實施封育治理增大植被覆蓋率，降低水土流失對土壤的侵蝕作用。根據現場踏勘、設計及調查結果，確定羊山溝小流域綜合治理面積398.51hm2，其中經濟林、保土耕作、封育治理面積分別為143.14、73.44、181.93hm2，圍欄570m，標志碑1個，宣傳牌1個，土谷坊4座，作業路2.25km。各項工程措施發揮效益后，可顯著降低土壤流失量，具有顯著的生態和經濟效益；治理前的林草覆蓋率增大至72.08%。各項措施功能效應的正常發揮，可促進生態環境的良性循環，有效遏制水土流失的發展趨勢，并為保護小流域脆弱的生態環境和水土流失綜合防治體系的建設提供新的途徑。

2.2 綜合效益評價

2.2.1 評價要素集和評語集

依據小流域效益評價梯階框架結構體系分別構造評價要素集合、各單要素子集為，即：U={U1,U2,U3}={生態效益，經濟效益，社會效益}、U1={u11,u12,u13,u14}、U2={u21,u22,u23,u24}、U3={u31,u32}。結合已有研究成果和土壤侵蝕強度分級標準，將效益評價標準劃分四個等級，即V={v1,v2,v3,v4}={好，較好，一般，差}。

2.2.2 確定評判決策矩陣

對各評價指標采用模糊數學法定量估算，從而確定各單要素子集Ui的決策矩陣Ri，然后將各評價指標按照劃分的等級標準進行分析。結合朝陽縣羊家溝小流域治理項目的實際情況，將社會、經濟與生態效益劃分為4個標準，不同等級標準下各指標的代表值見表2。

表2 小流域水土保持效益評價標準

按照上述分級標準，確定決策矩陣Ri的計算公式為：

Ri=(rijk)

(6)

式中：k、i、j分別為單要素評價等級數、子集數及其指標數。

對于評價指標值越小則水保效益越優型指標(如徑流模數)，其rijk值按如下方法確定：

評價等級隸屬于第1級時：

(7)

評價等級隸屬于第1-c-1級時：

(8)

評價等級隸屬于第c級時：

(9)

按照上述相反的求法確定評價指標值越大則水保效益越優型指標(如植被覆蓋度)，由此可確定評價體系中各個參數的rijk值。根據羊家溝小流域水土保持項目相關資料，結合現場調查結果獲取各指標監測值，見表2。

2.2.3 權重的計算

在綜合評價體系中各評價指標關于上一層某參數的貢獻率不同，為了獲取客觀、準確的評價結果必須采取合適的方法計算各指標權重系數。采用貢獻率法構造各單要素的權重系數向量Wi，計算式為：

ui=xi/si

(10)

Wi=ui/∑ui

(11)

式中：si、xi為指標i的標準值與實測值；Wi、ui為指標i的權重及其超標倍數。

將各子集權重系數依據主觀判斷和專家咨詢法計算確定，由此求得計算結果為W=[0.36、0.35、0.29]。

2.2.4 多層次綜合評價

根據多層次模糊綜合法和各項目監測成果，分別確定社會、經濟和生態效益的單要素權重向量為：W1=[0.365,0.084,0.207,0.344]；W2=[0.538,0.224,0.136,0.102]；W3=[0.46,0.54]。

按照文中所述決策矩陣構造方法，確定單要素子集的判斷矩陣如下：

根據普通矩陣相乘法計算確定社會、經濟與生態效益子集Ui的評價結果，即：B1=[0.292,0.129,0.442,0.137]；B2=[0.862,0.084,0.051,0]；B3=[0.698,0.302,0,0]。

根據以上計算結果，構建效益評價各子集的評判矩陣如下：

根據計算公式B=W·R=[0.61,0.15,0.19,0.05]確定綜合效益，結果表明羊家溝小流域綜合治理工程發揮著顯著的社會、經濟與生態效益；根據各單要素評價結果，該小流域的社會與經濟效益也很好，但仍需要進一步提高生態效益，應繼續增大領導覆蓋率、加強生態環境的改善。

項目治理期末，當地人均糧食產量超過500kg/人，在很大程度上促進了農民經濟發展，人均收入由之前的4045元提高至5440元，大大提升了農民的生活水平。另外，小流域治理項目增加林地面積143.14hm2，減少荒山面積143.14hm2，結合當地實際情況，農、林、果用地比例由原來的1∶2.23∶0.00調整為1∶2.23∶1.70。根據實地考察和現場測量結果，該評價結果與小流域治理實際情況基本一致，可見所構建的評價體系和選用的方法具有可行性和可靠性。

3 結 論

結合現有研究成果和羊家溝小流域治理項目實際情況，對治理項目的綜合效益利用多層次模糊綜合法評價，可為揭示各項治理措施的成效提供一定指導，為小流域綜合效益評價和水土保持方案的優化設計提供科學依據。關于分級標準的劃分和評價指標的選取，結合項目實際情況作了初步的探討，未來仍需要進一步研究評價指標的優選問題，不斷完善綜合評價體系。