羅 斌 楊 雄 何 毅

(1.西南科技大學 環(huán)境與資源學院， 四川 綿陽 621010；2.四川鹽亭縣水務局， 四川 綿陽 621000)

小流域生態(tài)環(huán)境惡化已逐漸成為制約區(qū)域社會經濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素之一.在治理小流域資金有限情況下，如何準確高效識別小流域生態(tài)健康安全狀況已成為一項重要的民生工程.通過研究小流域生態(tài)安全評價模型，對發(fā)現小流域環(huán)境問題癥結、小流域環(huán)境管理、科學決策小流域綜合整治區(qū)域、維護小流域的生態(tài)安全和保障經濟社會可持續(xù)發(fā)展都有重要的戰(zhàn)略意義.

在小流域生態(tài)健康安全評價研究模型中，解雪峰[1]等使用PSR模型對東陽流域生態(tài)進行評價與預測.彭靜波[2]等使用熵權灰色關聯分析法基于壓力-狀態(tài)-響應模型對西定市安家溝小流域進行安全評價.朱衛(wèi)紅[3]等采用3S技術在圖門江流域濕地進行生態(tài)安全評價與預警研究，并基于結果給出預測和建議.張艷麗[4]等使用遙感和GIS技術手段，以PSR模型建立石羊河流域生態(tài)安全評價指標體系，以層次分析法計算指標權重，計算生態(tài)安全綜合評價值，并對評價結果劃定評價安全區(qū)域.易武英[5]等基于RS和GIS在烏江流域進行生態(tài)安全變化的研究，從自然環(huán)境、社會經濟、景觀生態(tài)三方面構建生態(tài)安全評價指標體系，將熵權法與屬性識別模型耦合，以評價結論給出切實可行的建議.張穎睿[6]以小清河流域生態(tài)環(huán)境現狀調查為基礎，構建流域生態(tài)健康評估體系，研究小清河流域的水域和陸域生態(tài)系統健康狀況.吳先明[7]將歐幾里得距離分析法、灰色關聯度嵌入到TOPSIS模型中，建立基于灰色關聯度的改進TOPSIS模型，并應用到黃河下游水質綜合評價中.

為了準確高效識別小流域生態(tài)健康安全狀況，本文將FAHP-Entropy耦合賦權法與灰色關聯法結合建立小流域生態(tài)健康評估模型，該模型可為流域環(huán)境規(guī)劃、管理、生態(tài)保護及綜合防治提供理論支撐和依據，對維護小流域生態(tài)健康具有重要意義.

1 評價方法

1.1 熵權法

1)設有m個待評價方案，n項待評價指標，構建原始數據矩陣X=(x ij)m×n，將X矩陣標準化得R=

2)第i個指標的熵定義為

3)第i個指標的熵權定義為

1.2 模糊層次分析法

1)運用FAHP的標度原則[8]，構造模糊判斷矩陣q=(r ij)n×n，將模糊判斷矩陣q做一致化處理，構造模糊一致判斷矩陣

2)將模糊一致判斷矩陣M求各指標的和行歸一化權重集W=(w i)n×1.

3)采用matlab編程的冪法求解精度更高的權重，將模糊一致矩陣轉化為互反陣

1.3 FAHP-Entropy耦合賦權法

FAHP確定指標的權重時具有主觀性，而熵權表現為各指標相對競爭的激烈程度，Entropy以客觀數據為基礎計算指標權重具有客觀性.但若客觀數據存在誤差致使局部指標數據差異遠大于現實情況，則所得權重與實際相差甚遠.基于上述客觀情況存在，采用相對熵原理對FAHP法所得權重w'和Entropy法所得權重w″進行修正，得FAHP-Entropy耦合權重[9]為

使用拉格朗日乘子法解優(yōu)化公式(7)，得耦合權重最優(yōu)解[10]：

1.4 灰色關聯模型

1)確定數列的最優(yōu)向量解

依據標準化后的數據，確定數列的最優(yōu)向量

2)計算灰色關聯系數矩陣[11]

式中

3)計算評價對象與最優(yōu)向量的關聯度

4)安全狀況分級標準

根據戴全厚等[12]對黃土丘陵地區(qū)中尺度生態(tài)系統的研究，結合陽春小流域生態(tài)環(huán)境、經濟社會的發(fā)展實際，制定陽春小流域生態(tài)經濟健康狀況分級見表1.小流域生態(tài)經濟健康狀況達到惡性循環(huán)，則表示受到外界因素的影響超過了小流域本身的閾值和忍耐，打破平衡狀態(tài).小流域良性循環(huán)表示一種自我修復、自我更新的高級階段，屬小流域生態(tài)安全的最佳狀態(tài).

表1 小流域生態(tài)經濟健康分級

1.5 評價模型的流程圖

小流域生態(tài)安全狀況評價模型的具體流程圖如圖1所示.

圖1 小流域生態(tài)安全評價流程圖

2 應 用

2.1 小流域概況

陽春小流域地處四川省綿陽市鹽亭縣梓江下游包括陽春村、雙罐村、聯盟村、茂林村、星星村、高華村(如圖2所示).流域內現有水土流失面積7.09 km2，小流域屬中淺丘地貌，流域內山巒起伏，多年平均降水量908.3 mm.陽春小流域內土地總面積為21 km2，其中耕地面積1 103.51 hm2.

圖2 陽春小流域遙感圖

陽春小流域內坡耕地面積大，林地結構單一，疏幼林分布廣泛，徑流量大，土壤抗蝕性弱，水利設施不完善，病險工程多，對當地糧食生產、農村經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境造成了嚴重影響.

2.2 構建評價指標體系

在綜合考慮小流域生態(tài)系統的復雜性和多元性特點基礎上，從資源環(huán)境支持力度、社會經濟響應程度、生態(tài)綜合功能3個方面建立小流域生態(tài)安全評價指標體系結構[2]，如圖3所示.

圖3 小流域生態(tài)安全評價層次結構模型

2.3 數據標準化

選擇的生態(tài)安全評價指標涉及到自然、社會經濟等方面，基礎數據差異較大，選取極值法將本不具有可比性的數據，處理為具有可比性.

相對大者為好的指標：

以小流域數據為依據，運用公式(12)將原始數據經標準化見表2.

2.4 計算評價指標FAHP-Entropy耦合權重

運用公式(2)求各指標客觀權重見表3.運用模糊層次分析法公式(6)求得各指標權重見表4，運用公式(8)得FAHP-Entropy耦合權重見表4.

表2 小流域生態(tài)安全評價指標原始值

表3 小流域生態(tài)安全評價指標標準化值及熵權權重

表4 小流域生態(tài)安全評價指標模糊層次權重與FAHP-Entropy耦合權重

續(xù)表4 小流域生態(tài)安全評價指標模糊層次權重與FAHP-Entropy耦合權重

2.5 計算灰色關聯系數矩陣和關聯度

以標準化后的數據為依據，確定數列的最優(yōu)向量[2]為M=(1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1)，將M代入公式(10)，得到灰色關聯系數矩陣見表5.將表5中的灰色關聯系數矩陣和耦合權重代入公式(11)，計算陽春小流域生態(tài)安全狀況關聯度見表6，采用表1的生態(tài)安全等級劃分標準，得1965年至2017年生態(tài)安全狀況見表6.

表5 小流域生態(tài)安全評價指標灰色關聯系數矩陣

2.6 生態(tài)安全與指標間相關性

雷達圖是一種多元數據評價方法，能夠將評價過程中所有要素數值反映在一個平面媒介上，可直觀反映指標間潛在聯系，通常指標越多，雷達圖越接近圓形，若圓形有凹陷處，則是存在問題之處.選取陽春小流域安全關聯度最高的2017年、最低的1995年、中間的2015年作為分析目標，作小流域指標雷達圖(如圖4所示)，對比1995年、2015年、2017年雷達圖內部面積，發(fā)現2017年最大，2015年次之，1995年最差；小流域生態(tài)安全評價指標雷達圖的重心由1995年的圓心處，逐漸過渡到2017年的重心向西南略傾斜，反映準則層指標-社會經濟響應，對小流域生態(tài)安全良性發(fā)展起到了積極作用.此外在土地利用結構、人均耕地、副業(yè)貢獻率、人口密度指標處存在雷達圖凹陷，這是由我國人口基數大、人口城市較為集中化、農村人口分散等基本國情所致.

圖4 陽春小流域評價指標雷達

2.7 評價結果分析

由圖5可知，陽春小流域生態(tài)安全狀況呈現先下降，后平穩(wěn)，然后再上升的總體趨勢.1975-1995年，屬于大興土木、國家進行粗放型發(fā)展時期，人為因素在一定程度上破壞了小流域自身自我調節(jié)、自我恢復的生態(tài)機制.2001年以后，陽春小流域的生態(tài)經濟健康狀況有相對穩(wěn)定過渡到良好狀態(tài)，到2017年接近良性循環(huán)狀態(tài).這與小流域內實施系列水土保持綜合措施及國家2000年以后實施的退耕還林還草等有直接因素相關.

圖5 陽春小流域生態(tài)安全評價灰色關聯度走勢及預測圖

利用表5的1965-2017年陽春小流域生態(tài)安全值作為原始數據，采用ORIGIN9.1使用GRUSS預測生態(tài)安全指數的發(fā)展趨勢如圖5所示，得預測公式：

式中，x是時間，Y是預測的小流域生態(tài)安全水平.結果檢驗相關系數R2=0.838 87，R2越接近1表明曲線擬合狀況越好.由公式(13)與圖5可得將來陽春村小流域生態(tài)安全狀況將會越來越好，生態(tài)安全狀況向良性發(fā)展，有望將來一直維持在一個良性循環(huán)的最佳狀態(tài).

3 結 論

1)采用FAHP法求主觀權重與熵權法求客觀權重，基于相對熵原理求取FAHP-Entropy耦合權重，結合灰色分析模型客觀的評價陽春小流域的生態(tài)安全狀況.在小流域整治資金有限的情況下，使治理范圍更精準，使治理流域范圍有據可依，為決策治理區(qū)域提供理論支持.

2)陽春小流域生態(tài)安全評價指標反映準則層-社會經濟響應，對流域生態(tài)安全良性發(fā)展起到支配作用.采用雷達圖反映土地利用結構、人均耕地、副業(yè)貢獻率、人口密度指標對陽春小流域生態(tài)安全影響較大.

3)陽春小流域1965年至2017年生態(tài)安全狀況指數總體呈現：先下降，后平穩(wěn)，再上升的總體趨勢，并運用GRUSS預測生態(tài)安全指數的發(fā)展趨勢，得生態(tài)安全狀況由相對穩(wěn)定過渡到良好狀態(tài)，再逐漸接近良性循環(huán)，有望將來一直維持在良性循環(huán)的最佳狀態(tài).