基于模糊層次分析法的西廒溝淤地壩壩系效益評價(jià)研究

［關(guān)鍵詞］ 層次分析法；模糊模型；評價(jià)指標(biāo)；淤地壩；壩系效益；鄉(xiāng)寧縣；山西省

［摘要］ 通過查閱資料及專家咨詢等方式，建立了鄉(xiāng)寧縣西廒溝小流域淤地壩壩系綜合效益評價(jià)指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3個(gè)層次組成，其中目標(biāo)層為壩系綜合效益，準(zhǔn)則層由生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益3個(gè)一級指標(biāo)組成，指標(biāo)層是準(zhǔn)則層各個(gè)指標(biāo)的細(xì)分，共有15個(gè)二級指標(biāo)。通過層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建了模糊數(shù)學(xué)評價(jià)模型，對西廒溝流域淤地壩壩系綜合效益進(jìn)行評價(jià)，得到其生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益的具體分值分別為82.40、83.09、80.40，綜合效益得分為81.96，達(dá)到了優(yōu)等級，說明該淤地壩壩系取得了良好的綜合效益。

［中圖分類號］ S157[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.04.013

［引用格式］ 習(xí)玉森，楊軍，孫雪姣，等.基于模糊層次分析法的西廒溝淤地壩壩系效益評價(jià)研究[J].中國水土保持，2024（4）：45-48.

黃土高原地區(qū)地理位置和氣候條件獨(dú)特，在自然和人為因素的影響下，水土流失問題嚴(yán)重[1]。淤地壩具有攔蓄溝谷地和坡面產(chǎn)沙[2]、調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)[3]、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[4]等作用，是防治水土流失的重要工程措施。山西省地處黃河中上游的黃土高原地區(qū)，在多年的水土流失綜合治理中積累了豐富的淤地壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。開展淤地壩各方面的定量、定性評估，是衡量其建設(shè)科學(xué)性和合理性的重要依據(jù)[5]。考慮到已有研究成果中對淤地壩的評價(jià)研究多集中在潰壩風(fēng)險(xiǎn)等方面[6-9]，在淤地壩效益評價(jià)方面研究較少，本研究以位于黃土高原地區(qū)的典型代表區(qū)域黃土殘?jiān)珳羡謪^(qū)的山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣西廒溝淤地壩壩系工程為例，通過建立淤地壩效益評價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊層次分析法進(jìn)行壩系效益綜合評價(jià)，希望能為黃土高原地區(qū)淤地壩壩系高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、黃河流域生態(tài)文明建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1研究區(qū)概況 西廒溝流域位于鄉(xiāng)寧縣昌寧鎮(zhèn)境內(nèi)，是黃河一級支流鄂河的一級支溝，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，溝道內(nèi)黃土層深厚，沒有基巖出露，有長流水，兩岸被黃土覆蓋。地處溫帶大陸性氣候區(qū)，春季干旱多風(fēng)，夏季溫度較高，有伏旱，冬季寒冷干燥，年均氣溫9.9 ℃，最高氣溫35.7 ℃，最低氣溫-21.0 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 588 h，無霜期為160～200 d，年均降水量514 mm。流域總面積17.82 km2，平均侵蝕模數(shù)6 600 t/（km2·a）。目前流域內(nèi)共有淤地壩10座，包括骨干壩3座、中型壩7座，其中3座骨干壩已于2016年完成除險(xiǎn)加固，現(xiàn)均由“三大件”構(gòu)成。西廒溝流域淤地壩壩系自2000年開始建設(shè)，2008年完成全部驗(yàn)收工作，壩地主要種植農(nóng)作物為玉米[10]。

2評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建以相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，根據(jù)西廒溝流域淤地壩壩系的特點(diǎn)，在查閱大量資料、現(xiàn)場調(diào)研及咨詢專家后，采用層次分析法，構(gòu)建了由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3個(gè)層次組成的評價(jià)指標(biāo)體系，其中目標(biāo)層為壩系綜合效益，準(zhǔn)則層由生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益3個(gè)一級指標(biāo)組成，指標(biāo)層為3個(gè)一級指標(biāo)細(xì)分出來的15個(gè)二級指標(biāo)。西廒溝流域淤地壩壩系綜合效益評價(jià)指標(biāo)體系見圖1。圖1西廒溝流域淤地壩壩系綜合效益評價(jià)指標(biāo)體系

1）生態(tài)效益。①攔蓄泥沙。據(jù)調(diào)查，流域內(nèi)大、中、小型淤地壩每淤積667 m2壩地平均可攔泥8 000、6 000、3 000 t，結(jié)合使用可有效攔蓄泥沙。②減少土壤侵蝕。淤地壩建成后，可以降低流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)，減蝕作用明顯。③提高水資源利用率。淤地壩可有效攔蓄汛期降水，涵養(yǎng)水源，增加非汛期流量。④減少地表徑流。淤地壩等工程措施實(shí)施后，配合林草措施，可有效減少地表徑流。⑤固碳釋氧。在溝道內(nèi)實(shí)施了植物措施，植物是固碳釋氧的主體。2）經(jīng)濟(jì)效益。①種植效益。壩地種植效益是在淤地壩淤積產(chǎn)生的壩地上種植農(nóng)作物等獲得的經(jīng)濟(jì)收益。根據(jù)實(shí)地調(diào)查和資料統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)壩地保收率取80%，按2022年當(dāng)?shù)赜衩變r(jià)格1.2元/kg估算，壩地的種植效益約為154萬元/a。②養(yǎng)殖效益。流域內(nèi)7#中型壩的下游有2處魚塘，總蓄水量6 500 m3，2022年養(yǎng)殖收入約為20萬元。③灌溉效益。灌溉效益是指用壩庫蓄水灌溉下游水澆地產(chǎn)生的收益，淤地壩建設(shè)第二年即可蓄水。據(jù)調(diào)查，流域內(nèi)壩地糧食增產(chǎn)量按1 500 kg/hm2計(jì)算，糧食單價(jià)按玉米價(jià)格1.2元/kg計(jì)算，2022年灌溉效益約為32.4萬元。④淤地壩投入產(chǎn)出比。淤地壩投入產(chǎn)出比是淤地壩投入的金額占產(chǎn)生效益的百分比。據(jù)測算，該流域淤地壩壩系的投入產(chǎn)出比約為78.5%。⑤壩地利用率。壩地利用率是指壩地的利用面積與壩地實(shí)際面積的比值。據(jù)測算，流域內(nèi)壩地利用率約為83%。3）社會效益。①防洪減災(zāi)。淤地壩可通過滯洪蓄洪減輕洪水危害，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)用生產(chǎn)和群眾生活安全提供保障。②改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。淤地壩建成后，除了壩頂可作為連接兩岸的橋梁，改善農(nóng)村交通條件，淤地壩本身具備的水資源調(diào)節(jié)利用功能還有助于改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。③土地利用結(jié)構(gòu)合理。淤地壩建成后可有效增加壩地面積，壩地土壤有機(jī)質(zhì)含量高、抗旱能力強(qiáng)、作物產(chǎn)量高，從而改善了土地利用結(jié)構(gòu)。④增加農(nóng)民收入。淤地壩建成后，通過實(shí)施科學(xué)種田、農(nóng)林牧副漁業(yè)并舉、種養(yǎng)結(jié)合，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入普遍提高。⑤促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。淤地壩建設(shè)和使用增加了農(nóng)民收入，改善了農(nóng)民居住和衛(wèi)生條件，促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3綜合效益評價(jià)的模糊層次數(shù)學(xué)模型

3.1模糊比較矩陣的構(gòu)建淤地壩效益評價(jià)指標(biāo)體系建立后，確立了上下級的隸屬關(guān)系，根據(jù)兩兩打分比較，得出比較矩陣A為A=A11…A1nAn1…Ann（1）式中：Aij為指標(biāo)i與j相比的重要性，當(dāng)j比i重要時(shí)，Aij=0，當(dāng)i和j一樣重要時(shí)，Aij=1，當(dāng)i比j重要時(shí)，Aij=2。傳統(tǒng)的層次分析法一般采用0～9標(biāo)度法。本研究在參考相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，選擇了0～2標(biāo)度法，即改進(jìn)的層次分析法來進(jìn)行專家咨詢打分[11]。此方法克服了主觀判斷的模糊性，不需對矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，較為簡便實(shí)用。

3.2指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重可以通過一系列的計(jì)算方法[12-13]得到。1）構(gòu)建判斷矩陣。判斷矩陣B是對每一層次各因素相對重要性給出的判斷，其計(jì)算公式為Bij=ri－rjrmax－rmin（ km-1）+1（ri≥rj）rj－rirmax－rmin（km－1）+1-1（rj＞ri）（2）其中km= rmax /rmin（3）式中：ri為比較矩陣中第i行因素之和；rmax=max（ri）；rmin=min（ri）；i，j=1，2，…，n。2）構(gòu)建最優(yōu)傳遞矩陣。根據(jù)判斷矩陣B計(jì)算出傳遞矩陣C，進(jìn)而得到最優(yōu)傳遞矩陣D，即通過優(yōu)化算法計(jì)算出一個(gè)矩陣，使得各個(gè)目標(biāo)之間的權(quán)重最大化或最小化，其計(jì)算公式分別為Cij=lg Bij（4）Dij=1n∑nk=1Cik－Cjk（5）3）構(gòu)建擬優(yōu)一致矩陣。構(gòu)建擬優(yōu)一致矩陣D′，使得目標(biāo)函數(shù)在擬優(yōu)一致約束下達(dá)到最優(yōu)值，其計(jì)算公式為D′ij=10Dij （6）4）計(jì)算權(quán)重。權(quán)重反映了每個(gè)指標(biāo)在整體評價(jià)中的相對重要程度。利用方根法，計(jì)算各效益評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。步驟如下： 習(xí)玉森等：基于模糊層次分析法的西廒溝淤地壩壩系效益評價(jià)研究先將擬優(yōu)一致矩陣的各元素按行相乘，得到Mi=∏nj=1D′ij（i=1，2，…，n） ；然后對Mi開n次方，即Wi=nMi ，得到W=（W1，W2，…，Wn）T；最后對W進(jìn)行歸一化處理，得到權(quán)重值Wi′=Wi/∑ni=1Wi 。根據(jù)計(jì)算規(guī)則，對生態(tài)效益U1、經(jīng)濟(jì)效益U2、社會效益U3進(jìn)行兩兩比較判斷打分，得出對總目標(biāo)綜合效益U的相對重要程度比較矩陣（見表1）。對攔蓄泥沙U11、減少土壤侵蝕U12、提高水資源利用率U13、減少地表徑流U14、固碳釋氧U15進(jìn)行兩兩比較判斷打分，得出對生態(tài)效益U1的相對重要程度比較矩陣（見表2）。

4結(jié)果分析在構(gòu)建的指標(biāo)體系中，根據(jù)改進(jìn)的層次分析法計(jì)算出準(zhǔn)則層中生態(tài)效益U1、經(jīng)濟(jì)效益U2、社會效益U33個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分別為0.637 0、0.104 7、0.258 3，說明流域內(nèi)的淤地壩產(chǎn)生的生態(tài)效益最優(yōu)，社會效益次之，經(jīng)濟(jì)效益較少。在生態(tài)效益下的二級指標(biāo)中，攔蓄泥沙和減少土壤侵蝕的權(quán)重較大，均為0.320 0，其余3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重較小，均為0.120 0，說明該壩系主要的生態(tài)功能為攔蓄泥沙和減少土壤侵蝕。在經(jīng)濟(jì)效益下的二級指標(biāo)中，種植效益的權(quán)重最大，為0.426 6，說明在流域內(nèi)壩地種植為主要營收途徑；養(yǎng)殖效益、淤地壩投入產(chǎn)出比的權(quán)重最小，僅為0.077 3，養(yǎng)殖效益低的原因是壩系中只有1座壩的下游建有2處魚塘，受水量較少影響，養(yǎng)殖收入一般。在社會效益下的二級指標(biāo)中，土地利用結(jié)構(gòu)合理、增加農(nóng)民收入的權(quán)重最大，均為0.340 7，說明建設(shè)淤地壩優(yōu)化了土地利用結(jié)構(gòu)，調(diào)整了農(nóng)村的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，合理利用了水土資源，為實(shí)現(xiàn)集約化經(jīng)營創(chuàng)造了條件，同時(shí)壩地的使用增加了耕地面積，壩地單產(chǎn)也高，從而增加了農(nóng)民收入。通過對鄉(xiāng)寧縣西廒溝淤地壩壩系綜合效益進(jìn)行評價(jià)，得到壩系在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益的分值分別為82.40、83.09、80.40，綜合評價(jià)得分為81.96。根據(jù)淤地壩壩系綜合效益評判等級的分類標(biāo)準(zhǔn)，該壩系綜合效益達(dá)到了優(yōu)等級，說明西廒溝淤地壩壩系生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益均較好。

5結(jié)論及展望通過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，結(jié)合實(shí)地調(diào)研結(jié)果和專家學(xué)者的意見，構(gòu)建了貼合西廒溝淤地壩壩系實(shí)際情況的包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的綜合效益評價(jià)指標(biāo)體系。通過改進(jìn)的層次分析法和建立模糊數(shù)學(xué)評價(jià)模型，對鄉(xiāng)寧縣西廒溝淤地壩壩系綜合效益進(jìn)行評價(jià)分析，結(jié)果表明該流域淤地壩壩系生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益均較好，綜合效益為優(yōu)。淤地壩壩系綜合效益評價(jià)結(jié)果影響因素較多，評價(jià)指標(biāo)體系也較為復(fù)雜，今后還需要加強(qiáng)研究，比如：初步建立的淤地壩壩系評價(jià)指標(biāo)體系還有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)和優(yōu)化，使其指標(biāo)能充分體現(xiàn)黃土高原地區(qū)淤地壩的各項(xiàng)效益，能夠?yàn)槠渌貐^(qū)淤地壩或其他水土保持工程措施的綜合效益評價(jià)提供參考；研究中涉及的權(quán)重計(jì)算和指標(biāo)值確定時(shí)采取的專家打分法具有一定的主觀性，對于專家的知識水平要求較高。淤地壩效益評價(jià)中所涉及的評價(jià)方法多種多樣，采用不同的評價(jià)方法有可能會得出不同的結(jié)論，因此對于評價(jià)方法的合理選擇還有待進(jìn)一步研究。

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