基于改進(jìn)信息熵的水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)研究

曹修森

(陽(yáng)谷縣水利局排灌中心，山東 陽(yáng)谷 252300)

現(xiàn)代很多生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行都是以環(huán)境破壞為代價(jià)的，因此環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)下全球各個(gè)國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)。在各種環(huán)境破壞表現(xiàn)當(dāng)中，水土流失最具代表性，它是因?yàn)榈乇碇脖辉獾狡茐模瑢?dǎo)致地表無(wú)法存儲(chǔ)水分，從而造成植被無(wú)法生長(zhǎng)的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一般發(fā)生在礦山開采、濫伐森林、過(guò)度放牧等地區(qū)。水土流失一旦發(fā)生，該地區(qū)的土地會(huì)發(fā)生土壤侵蝕，生產(chǎn)力下降，而一旦遭遇強(qiáng)降雨，由于缺乏植被的保護(hù)，極易發(fā)生洪澇災(zāi)害，破壞耕田，堵塞河道，甚至威脅人類生命安全[1]。面對(duì)這種情況，為降低水土流失帶來(lái)的危害，人們實(shí)施了多項(xiàng)大型生態(tài)建設(shè)工程，以期恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)。然而，多項(xiàng)大型生態(tài)建設(shè)工程取得的效應(yīng)并不能達(dá)到預(yù)期，這也就說(shuō)明當(dāng)下采取的大型生態(tài)建設(shè)工程并不合理，需要進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

在上述背景下，水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)對(duì)于合理進(jìn)行生態(tài)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此關(guān)于水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)研究有很多。例如，喬梅等以紙坊溝流域?yàn)槔Y(jié)合農(nóng)戶調(diào)研資料，選取了5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和14個(gè)二級(jí)指標(biāo)，并通過(guò)層次分析法計(jì)算了各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，最后通過(guò)線性加權(quán)求和法得出紙坊溝流域的水土保持效應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)得分[2]。潘葉等以幕府山采礦廢棄地作為研究區(qū)，結(jié)合野外調(diào)查采樣和遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算生態(tài)價(jià)值指數(shù)來(lái)判斷水土流失的修復(fù)效果[3]。柯奇畫等針對(duì)西南巖溶區(qū)，經(jīng)過(guò)初選以及復(fù)選，選出了兩類評(píng)價(jià)指標(biāo)，即坡面尺度評(píng)價(jià)指標(biāo)以及區(qū)域尺度評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后采用德爾菲法與層次分析法相結(jié)合的方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，最后通過(guò)構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)量化模型得出水土保持生態(tài)狀態(tài)總得分情況，并完成水土保持生態(tài)狀態(tài)值等級(jí)劃分[4]。

雖然前人研究取得了一定成果，但是評(píng)價(jià)效果有待進(jìn)一步提升。而評(píng)價(jià)效果較差的原因主要是權(quán)重計(jì)算準(zhǔn)確度不足。為此，在研究中，以改進(jìn)后的信息熵方法為基礎(chǔ)構(gòu)建評(píng)估模型，以期為水土保持效應(yīng)分析提供參考，為生態(tài)建設(shè)工程提供改進(jìn)建議。

1 基于改進(jìn)信息熵的水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)模型

水土流失除了會(huì)直接影響耕種外，更嚴(yán)重的是一旦遇到強(qiáng)降雨，會(huì)造成洪澇災(zāi)害，因此我國(guó)一直致力于水土流失地區(qū)的生態(tài)修復(fù)，但是修復(fù)工程取得的水土保持效應(yīng)參差不齊[5]。在此背景下，為提出合理的生態(tài)修復(fù)措施，進(jìn)行水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合信息熵理論，并進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建一種水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)模型。模型構(gòu)建主要分為三部分，即評(píng)價(jià)指標(biāo)選取、指標(biāo)權(quán)值計(jì)算以及綜合評(píng)價(jià)分值計(jì)算。下面針對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行具體分析。

1.1 水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建的首要環(huán)節(jié)就是選取所需要的基礎(chǔ)指標(biāo)。指標(biāo)的選擇對(duì)于評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用效果有著直接的影響。本研究主要通過(guò)指標(biāo)初選以及復(fù)選兩個(gè)階段的工作來(lái)建立最終的指標(biāo)體系[6]。

指標(biāo)初選，主要按照指標(biāo)選取原則選出能夠全面、真實(shí)和定量地反映水土保持效應(yīng)的指標(biāo)。指標(biāo)選取原則包括如下：①全面性原則，指標(biāo)的選取盡可能全面反映水土保持效應(yīng)各個(gè)方面的特征和狀況；②代表性原則，選取的指標(biāo)能夠直接反映水土保持效應(yīng)某一方面的具體特征；③易獲性原則，選取的指標(biāo)要比較容易獲得，這樣才能保證選擇的指標(biāo)是真實(shí)的、客觀的和有依據(jù)的；④系統(tǒng)性原則，各個(gè)指標(biāo)之間要存在一定的邏輯關(guān)系，才能共同構(gòu)成一個(gè)具有層次性的有機(jī)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系[7]。

指標(biāo)復(fù)選是指對(duì)初選的指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)和歸納，使得選出的指標(biāo)更加精練，更具有代表性[8]。在復(fù)選當(dāng)中，采用DEMATEL方法(決策實(shí)驗(yàn)室分析法)進(jìn)行指標(biāo)再選，具體過(guò)程如下：

步驟1：輸入初選指標(biāo)；

步驟2：構(gòu)建初選指標(biāo)之間的直接影響矩陣X，其矩陣中的各個(gè)矩陣子為兩兩指標(biāo)之間的影響程度，其表示數(shù)值見表1。

表1 影響程度賦值標(biāo)準(zhǔn)表

由此建立指標(biāo)直接影響矩陣X，其形式如下：

(1)

式中，xij—指標(biāo)i對(duì)指標(biāo)j的影響程度。

步驟3：對(duì)X進(jìn)行規(guī)范化處理，得到X′，其公式如下：

(2)

步驟4：建立指標(biāo)間的綜合影響矩陣。

Y=X′(S-X′)-1=(yij)nn

(3)

式中，S—單位矩陣。

步驟5：計(jì)算指標(biāo)i與指標(biāo)j之間的影響程度Fi與被影響程度Fj，其計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

步驟6：計(jì)算指標(biāo)的中心度和原因度。其中，中心度為指標(biāo)i與指標(biāo)j之間的Fi與Fj之和；原因度為指標(biāo)i與指標(biāo)j之間的Fi與Fj之差。

步驟7：繪制指標(biāo)重要度分布圖，將圖中中心度大于1和原因度大于0的范圍內(nèi)的指標(biāo)作為評(píng)價(jià)模型的指標(biāo)。

通過(guò)指標(biāo)選取原則和DEMATEL方法完成了指標(biāo)的初選與再選，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以用于后期研究[9]。

1.2 基于改進(jìn)熵權(quán)法的指標(biāo)綜合權(quán)重計(jì)算

基于上述選出的評(píng)價(jià)模型指標(biāo)，接下來(lái)需要計(jì)算水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，這是模型構(gòu)建中關(guān)鍵的一步，關(guān)系到模型的評(píng)價(jià)效果，這也是以往構(gòu)建的水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)模型應(yīng)用效果較差的主要原因[10]。針對(duì)這種情況，利用改進(jìn)信息熵的方法計(jì)算指標(biāo)綜合權(quán)重。下面針對(duì)指標(biāo)綜合權(quán)重計(jì)算過(guò)程進(jìn)行具體分析。

熵權(quán)法是一種根據(jù)指標(biāo)反映信息量的多少來(lái)賦予權(quán)值系數(shù)的計(jì)算方法。該方法反映的信息量越多，賦予的權(quán)值系數(shù)越大[11]。然而，熵權(quán)法存在一定的缺陷，因此本節(jié)利用改進(jìn)熵權(quán)法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。該方法基本流程如下：

步驟1：對(duì)水土保持效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

步驟2：計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)樣本值占該指標(biāo)的比重pij。

步驟3：計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值Rj，其計(jì)算公式如下：

(6)

步驟4：計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵冗余度Gj，其值為1與熵值Rj之間的差值。

步驟5：計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，其計(jì)算公式如下：

(7)

步驟6：基于熵權(quán)法的權(quán)重計(jì)算結(jié)束[12]。

步驟7：采用改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重，得出綜合權(quán)重。改進(jìn)熵權(quán)法的綜合權(quán)重計(jì)算過(guò)程如圖1所示。

圖1 改進(jìn)熵權(quán)法的綜合權(quán)重計(jì)算過(guò)程

綜合權(quán)重計(jì)算公式如下：

(8)

因子分析法彌補(bǔ)了熵權(quán)法的缺點(diǎn)，使得權(quán)重計(jì)算更加合理。

1.3 綜合評(píng)價(jià)分值計(jì)算

基于上一節(jié)計(jì)算出來(lái)的指標(biāo)權(quán)重，在本節(jié)構(gòu)建水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)模型，得出綜合評(píng)價(jià)分值。綜合評(píng)價(jià)模型描述公式如下：

(9)

式中，Q—水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)分值；Hj—水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，取值為0～1。

基于計(jì)算出來(lái)的水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)分值，對(duì)比表2，劃分水土保持效應(yīng)等級(jí)。

表2 水土保持效應(yīng)等級(jí)劃分表

通過(guò)對(duì)比表2，明確生態(tài)修復(fù)工程水土保持效應(yīng)等級(jí)以及是否合格，以便為后續(xù)水土修復(fù)工程改進(jìn)提供可靠的依據(jù)。

2 評(píng)價(jià)模型應(yīng)用分析

為測(cè)試所構(gòu)建評(píng)價(jià)模型的實(shí)證效果，以某研究區(qū)為例，進(jìn)行評(píng)價(jià)模型應(yīng)用效果分析。

2.1 研究區(qū)

某研究區(qū)為山東某市境內(nèi)。該地區(qū)表層風(fēng)化嚴(yán)重，局部陡峭山坡坡面基巖裸露，存在崩塌現(xiàn)象，因此容易產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失。

為修復(fù)該地區(qū)水土流失問(wèn)題，進(jìn)行了生態(tài)保護(hù)工程，以期恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)。本章節(jié)就以該地區(qū)為例，進(jìn)行基于改進(jìn)信息熵的水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用分析。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于1.1節(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取流程，選擇模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取結(jié)果

(1)生態(tài)效益：①為水土流失治理度；②為流域徑流深；③為土壤侵蝕模數(shù)；④為土壤保肥能力；⑤為植被覆蓋程度；⑥為生物多樣性指數(shù)；⑦為煤矸石排放量；⑧為石漠化發(fā)生率；⑨為土壤孔隙度；⑩為地面小氣候。

(3)社會(huì)效益：?為恩格爾系數(shù)；?為土地利用率；?為土地生產(chǎn)率；?為環(huán)境人口容量；?為災(zāi)害發(fā)生頻率；?為脫貧率。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

利用現(xiàn)有相關(guān)年鑒、文獻(xiàn)、調(diào)查資料和NDVI產(chǎn)品，搜集研究區(qū)2015—2020年之間水土保持生態(tài)效應(yīng)各指標(biāo)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理，取值為0～1，結(jié)果見表3。

表3 水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值表

(續(xù)表)

2.4 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

利用改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算表3中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

2.5 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

將表3和表4結(jié)果帶入公式(9)，計(jì)算得出研究區(qū)水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)分值，見表5。

表5 研究區(qū)水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)分值

將表5中的結(jié)果與表2中劃分水土保持效應(yīng)等級(jí)劃分表進(jìn)行對(duì)比，得出該研究區(qū)水土保持效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)為一般，說(shuō)明該地區(qū)的生態(tài)修復(fù)效果雖然達(dá)到合格水平，但是僅僅達(dá)到初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)修復(fù)工程仍需要持續(xù)進(jìn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該水土保持治理效果綜合評(píng)價(jià)體系的適用性，筆者還將評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行了抽樣對(duì)比分析，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果基本與評(píng)價(jià)結(jié)論相同，該評(píng)價(jià)體系切實(shí)可行。但是在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)評(píng)價(jià)體系內(nèi)部分評(píng)分項(xiàng)由于在設(shè)置上存在一定的重疊，并且二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)未能涵蓋現(xiàn)場(chǎng)中需要治理的所有內(nèi)容，故評(píng)價(jià)體系本身還存在一定的不足之處。因此，在應(yīng)用該評(píng)價(jià)體系時(shí)，應(yīng)結(jié)合評(píng)價(jià)對(duì)象的水土流失特征及治理目標(biāo)，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)和相應(yīng)的權(quán)重值進(jìn)行一定的微調(diào)，從而使其能夠被更廣泛地應(yīng)用在水體保持治理領(lǐng)域。