基于水利調度工程中的水土保持可持續發展能力評價

郭 繼

(安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 馬鞍山 238251)

對地區可持續發展能力的影響，是目前開展各類工程重點考慮的問題[1-2]。由于我國早期因經濟發展原因，導致水土流失較為嚴重，因此對水土保持的可持續發展能力較為重視。但評價可持續發展能力的因素較多，早期的研究大多是從理論上給出基本的方向判斷。但目前開展工程規劃時，需要地區可持續發展能力的量化評價方法，而當前相關研究仍然較少[3-6]。

1 水利調度工程中的水土保持可持續發展能力評價方法設計

1.1 水土保持生態足跡模型

水土保持生態足跡模型，可以根據地區生態特征以及生態變化狀態，大致判斷出地區水土流失或保持的趨勢[7-9]。本文建立的水土保持生態足跡模型中，首先需要滿足兩個要求：①可以追蹤到水土流失狀態和恢復狀態；②為了解具有生態恢復性的水利調度情況。

首先計算人均年水利消耗量，如下所示：

(1)

式中：i為工程中水源消耗類型；Pi為在第i類水源消耗類型中的水源年生產量；Ii為在第i類水源消耗的外來產生量；Ei為在第i類水源消耗的年消耗量；N為參與消耗的總人口數。

其次計算因消耗項目導致的人均生態土地面積的占用量，公式如下所示：

(2)

式中：Yi為生態土地生產的年均生產力，考慮到均衡因子γi，生態生產土地中的生物生產力存在一定差距，而評價區域中的人均水土保持生態足跡總和為：

ef=∑γiAi=∑γi(Pi+Ii-Ei)/(Yi×N)

(3)

其中的均衡因子γi可以通過對不同類型的水土流失轉化為生物生產力的等價系數來確定。

而后則需要計算地區的水土流失承載力，地區的人均水土生態容量計算公式如下：

ec=∑Qi×γi×yi

(4)

式中：ec為人均水土生態容量；Qi為地區的水土人均擁有量；yi為產量因子。

同時計算地區的水土總承載力，如下所示：

EC=N×ec

(5)

根據式(5)判斷當前地區的水土狀態處于流失或保持。

1.2 水土效益計算

通過生態足跡模型可以粗略地確定當前水土狀態，但無法給出具體的水土保持情況，因此需要對區域的各類特征進行計算[10-12]。以土圈效益來說，小流域中的土圈效益可以采用替代效益并用如下公式進行計算：

(6)

Vce=PceΔE

(7)

式中：ΔE為地區河流下游泥沙的淤積量，m3；Si為地區土圈面積，km2；ei為經過水土保持改善后的區域土壤侵蝕模數，t/km2；ηi為地區泥沙輸移比；γi為地區土壤容重，t/m3；Vce為通過水土保持改善后的地區土壤侵蝕減少的價值；Pce為進行水土保持改善后的成本價值。

1.3 地區水土保持可持續發展評價量化計算

本文對地區水土保持可持續發展評價的量化結果，采用層次單排序方法來進行確定。通過專家對于水土保持的各類因素打分，構筑判斷矩陣[13]。本文中的判斷矩陣D見表1。

表1 因素評價矩陣形式

層次單排序方法可以確定在前一層次下相連接元素重要性的次序權重，并依靠此排序方法對其中的特征向量進行歸一化處理[14-16]。得到層次下的單排序權重向量：

DW=λmaxW

(8)

式中：λmax為D的最大特征根；W為對應λmax的正規特征向量。

為了判斷矩陣D呈現的一致性狀態，需要保證λmax=n，但實際運算中，影響因素較多，因此需要保證矩陣具有客觀性，并檢驗一致性，一致性指標計算如下：

(9)

如果CI=0時，則證明矩陣D存在完全一致性；而CI越大，則證明該矩陣的一致性越差。

表2 層次總排序

從而得出歸一化的正規向量，即可得出當前地區的水土保持可持續發展能力評價數值。

2 實驗論證分析

為了驗證所設計的水土保持可持續發展能力評價方法的可行性，以某地開展中的水利工程為例，對該地區的水土保持情況進行評價，以驗證評價方法的可行性。

2.1 實驗地區介紹

本文中的實驗地區為小流域范圍，流域面積為40.5 km2。該流域包括平原以及山脈深山區，地貌較為復雜，同時流域中存在溝壑，密度為241 km/km2，地區巖性為石灰巖，土壤大多為棕壤，且存在巖層分化現象。由于該地域開展了水利調度工程，一定程度上減少了地區的流域流量，因此需要對該地區未來的水土保持可持續發展能力進行評價。

2.2 評價指標確定

為了實現對該地區的水土保持可持續發展能力評價，首先需要確定評價指標，評價指標及權重見表3。

表3 部分評價指標權重

表3為評價中的部分評價指標，其中有益于水土保持的因素編號為x集合，反之則標為y集合中。

2.3 權重因子確定

根據本文評價方法的層次分析準則，首先需要確定準則層的權重因子，其中包括水土保持的3項主體指標，即地區生態效益、社會效益和經濟效益，并用B1、B2、B3來進行表示，見表4。

表4 準則層指標判斷矩陣

就此得出對應的最大特征值和單位特征向量值。為了保證評價指標的正確性，對其進行一致性檢驗，結果見表5。

表5 各層評價指標的一致性檢驗

2.4 可持續發展能力評價結果

本文實驗中，可以獲得該地區單年的指標參數。本文以當年6及12月份的綜合指標參數作為評價數據并進行計算，結果見表6。

根據表6的計算結果，從總體的水土保持可持續發展能力上來說，合計增幅值為正數，證明該地區在進行水利調度工程時，仍能保有較好的效益正向增幅，說明該地區具有水土保持的可持續發展能力。

表6 地區水土保持的可持續發展能力評價結果

3 結 語

本文通過建立水土保持生態足跡模型，設計了水土保持可持續發展能力評價方法，該方法可以實現將地區的發展能力進行量化，便于相關工程的規劃。但就工程規劃來說，本文方法僅能對已開展的工程可持續發展能力影響進行評價，無法構筑可持續發展能力的數值模擬。今后研究將會結合數值模擬技術，對地區未來可持續發展狀況進行模擬研究。