劉 菲

(北票市水土保持局，遼寧 朝陽 122100)

0 引 言

在促進生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)、改良及保護水土資源、預防和減少水土流失等方面水保措施的貢獻率即為生態(tài)效益。一般地，水保措施的生態(tài)效益主要涉及改善大氣環(huán)境、恢復植被、涵養(yǎng)水源及改良土壤4個方面。為全面掌握水保措施改善生態(tài)條件、治理水土流失的效果，科學指導小流域水土流失治理措施，關于生態(tài)效益評價諸多學者開展了研究分析[1]。如王琦等[2]認為文獻頻率法、專家經(jīng)驗法和理論推導法等為評價指標體系構建的常用方法；康玲玲等[3]在遵循客觀性、科學性、系統(tǒng)性等原則的基礎上篩選了生態(tài)效益評價指標，結合現(xiàn)有研究資料提出使用頻率較高的指標有地表徑流模數(shù)、治理程度、林草覆蓋率和土壤侵蝕模數(shù)。另外，有學者根據(jù)區(qū)域特征和評價目標的特點提出了具有較強針對性的指標，如曹睿等[4]引入的風蝕模數(shù)、沙化土地百分比和沙塵暴日等參數(shù)；丁立仲等[5]選取了病蟲害綜合防治率、秸稈綜合利用率和農(nóng)村新能源比重等指標；余新曉等[6]選取了氧氣釋放、吸收有害氣體、減少風水量等指標。在生態(tài)效益評價方法中，DPSIR概念框架法[7]、灰色關聯(lián)法[8]、模糊綜合法和多目標決策法等為國內學者較常用的方法。同時，針對水保措施的生態(tài)效益國外一些學者也開展了相應的研究，如Bekele將水保措施影響農(nóng)作物產(chǎn)量的程度選用隨機優(yōu)勢準則進行了分析；Park等利用GIS技術分析了土壤侵蝕與水保措施之間的作用關系；Rocha等采用SWAT模型揭示了營養(yǎng)物質輸移、土壤侵蝕量、徑流量與水土保持措施在流域尺度下的變化規(guī)律。

針對生態(tài)效應的評價研究雖然已獲得相應的成果，積累了一定的經(jīng)驗，但對于水土保持的相關研究仍存在許多不足和空白之處，例如不同水保措施的生態(tài)效應作用機制存在差異，從而使得評價體系的構建不夠系統(tǒng)、全面。鑒于此，文章通過分析治理措施的生態(tài)功能物理過程，從多個不同方面選擇評判指標，對各指標權重考慮選用組合賦權法確定，并引入研究對象的綜合評價值和指標響應強度描述不同生態(tài)效應的總體響應趨勢，以北票市岳家溝小流域為例驗證了其科學合理性。

1 生態(tài)效益定量評價模型

1.1 建立指標體系

通常情況下，水土保持措施的生態(tài)效益主要體現(xiàn)在改善環(huán)境、增加小流域物種豐富度及植被覆蓋率、減少地表徑流、增大土壤肥力及減少土壤侵蝕4個方面。根據(jù)國內外水土保持生態(tài)效益評價的實踐經(jīng)驗、研究成果、四大體現(xiàn)及其成效機制，遵循層次性、系統(tǒng)性、可行性、科學性原則建立綜合評價指標體系。小流域生態(tài)效益評價體系及其數(shù)據(jù)來源，見表1。

表1 小流域生態(tài)效益評價體系及其數(shù)據(jù)來源

根據(jù)表1可知，小流域水土保持生態(tài)效益可通過選取的評價指標來反映。該評價體系不僅在空間上體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)結構與治理措施之間的影響關系，而且可直觀的反映治理小流域治理前后的變化特點，具有較強的揭示、評價和分析功能。在構建的層次結構框架中，生態(tài)效應主要體現(xiàn)在目標層，而各項治理措施的內在作用機理主要通過準則層來反映，要素層各參數(shù)可直接用于度量和計算。一般地，根據(jù)各參數(shù)的內涵和對生態(tài)效應的影響可分為成本型、效益型兩類，成本型指標的評價值與屬性值之間存在負相關關系，后者為正相關。表1中，處于成本型的參數(shù)有二氧化碳含量、徑流系數(shù)、土壤容重及侵蝕模數(shù)指標，其他為效益型參數(shù)。

1.2 計算指標權重

目前，關于水土保持措施改善大氣環(huán)境、恢復植被、改良土壤和涵養(yǎng)水源的成效機制研究仍存在一定的局限性，為獲取客觀、準確的評價結果必須采取合適的方法確定各參數(shù)權重，該過程直接決定著有效信息的獲取。主、客觀賦權法為當前權重計算的兩大類方法，其代表性方法分別為AHP法和熵權法，其中AHP法計算過程較為簡便且原理清晰，但是易受人為主觀因素影響而存在較大偏差；而熵權法能夠大大降低人為因素對計算結果的主觀影響，但也增大了可能出現(xiàn)特殊或極端數(shù)據(jù)的概率。為了更加客觀、準確的反映小流域治理實際情況，對各評價指標權重考慮耦合了主、客觀性的組合賦權法確定，其表達式如下：

ωi=αai+(1-α)bi

(1)

式中：ai、bi分別為AHP法和熵權法計算得到的權重；α為權重折中系數(shù)，文中為0.5。

基于專家知識經(jīng)驗確定各指標權重的層次分析法，其主要流程是依據(jù)實現(xiàn)目標的程度將評價對象進行若干層級的分解，通過對比分析兩兩元素之間的相對重要性構造具有一定相互關聯(lián)的判斷矩陣，最終計算確定各參數(shù)的權向量，詳細的計算流程見文獻。

采用熵值法確定指標權重其主要依據(jù)為各參數(shù)構成的判斷矩陣，信息量越大則該參數(shù)提供的有效信息越大，在評價過程中的重要程度就越高，所以賦予的權值就越大；反之，信息量越低則樣本提供的信息就越少，在評價過程中該樣本的重要程度越低，因此確定的權值就越小。采用下式計算確定客觀權重，即：

(2)

式中：xij為第i各評價指標關于第j個研究對象的標準化量值。

不同評價指標對小流域生態(tài)效應的影響具有正、負之分，因此在評價前需要對各參數(shù)原始屬性進行歸一化處理，其表達式如下：

(3)

式中：Xij為指標i關于評價對象j的初始屬性值。

1.3 確定評價方法

為更加系統(tǒng)科學的揭示水保措施的成效機制及其生態(tài)效應變化特征，必須對小流域不同階段的各指標變幅進行評價分析。通過對評價樣本的綜合評價和單項指標變化的敏感性分析，可準確揭示小流域總體響應趨勢及其生態(tài)效應在不同方面的響應趨勢。

一般地，不同的指標要素所表征的生態(tài)效益響應方式存在一定差異，各評價指標在相同時間尺度內的響應幅度也存在不同。因此，在評價分析小流域生態(tài)效應時，對長期、短期內的生態(tài)效應所考慮的評價因子也不盡相同，針對不同指標在同一時期內的響應響度可按下式計算確定，即：

(4)

上式中：Xi1、Xik分別i指標在治理前和治理后某時期k的屬性值。

根據(jù)各指標權重計算結果和不同時間段內小流域的實際狀況，利用下式計算確定綜合評價值，即：

(5)

式中：Wj為評價小流域j的綜合評價值。

依據(jù)以上計算公式可確定評價對象的Wj值，然后依據(jù)其大小關系可確定生態(tài)效益的優(yōu)劣排序。

2 實例分析

2.1 小流域概況

由于歷史上干旱少雨、土地不合理利用、植被過度砍伐等不利因素影響，北票市地區(qū)的土壤較為貧瘠，植被稀少，土壤抗侵蝕力差，水土流失和土地資源破壞問題十分突出，加之原有生態(tài)系統(tǒng)因土地開發(fā)利用遭到嚴重破壞，河道防洪安全、河道淤積等因素，嚴重影響著小流域可持續(xù)發(fā)展和水土流失狀況，并已成為制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人居環(huán)境改善的瓶頸。

岳家溝小流域治理項目位于遼西低山丘陵區(qū)大凌河流域中游，地勢特征呈現(xiàn)出自西北向東南傾斜的變化特征。在長期的水力侵蝕下溝壑縱橫、地勢起伏較大且地形破碎，該地區(qū)的地形特點為坡地溝谷交錯、山地丘陵河谷相間，地面坡度處于5°-20°，溝壑密度為4.2km/km2。為恢復、重建小流域生態(tài)系統(tǒng)并為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展提供生態(tài)環(huán)境安全保障，帶動地方經(jīng)濟發(fā)展和加強荒山荒坡治理，北票市水利局和相關單位結合當?shù)厣鐣?jīng)濟條件、小流域治理措施配置、水土流失類型、地形地貌特征和自然狀況的資料，設計編制了綜合治理方案，即完成作業(yè)路面12.0km，完成水保林300hm2，作業(yè)路12.0 km，動用土方23.7萬m3，總用工7.95萬工日，計劃總投資499.7萬元。

根據(jù)岳家溝小流域水保措施實施前、后的有關監(jiān)測資料，獲取各評價指標在2014年、2017年的實測數(shù)據(jù)。岳家溝小流域生態(tài)效益評價指標實測值，見表2。

表2 岳家溝小流域生態(tài)效益評價指標實測值

2.2 結果分析

對參數(shù)初始屬性值利用計算公式(3)進行歸一化處理，并對各指標主、客觀權重和組合權重采用文中相關公式計算確定。根據(jù)計算公式(4)和各指標實測值確定響應強度，生態(tài)效益評價指標響應程度，見表3。

表3 生態(tài)效益評價指標響應程度

從表3可以看出，對不同方法計算確定的結果存在較大差異，如基于熵權法確定的二氧化碳含量、土壤容重、土壤肥力指標的權重值趨近于0，因此可選用考慮了主觀判斷的層次分析法計算確定。所以，組合權重計算結果更加符合實際情況。

根據(jù)各參數(shù)相應強度可以發(fā)現(xiàn)，相對于其他指標的變化植被覆蓋率、徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)更加顯著，由此表明水保措施對小流域的調水、保土效應的響應更加迅速。根據(jù)各參數(shù)響應程度和計算公式(5)，可確定小流域治理前后的綜合評價值為0.42、0.58，可見水保措施的實施有利于小流域生態(tài)環(huán)境的修復，該評價結果和小流域真實狀況基本保持一致。

3 結論

根據(jù)水保措施的成效機制及其在改善大氣環(huán)境、增加植被覆蓋率、減少地表徑流和土壤侵蝕等方面的體現(xiàn)，結合工程實踐經(jīng)驗和國內外相關研究成果，在遵循代表性、科學性和有效性原則的基礎上選擇二氧化碳、物種豐富度、土壤容重、侵蝕模數(shù)、徑流系數(shù)、土壤肥力指數(shù)、植被覆蓋率7項典型指標構成評判體系。然后對各參數(shù)權重考慮選用耦合了熵權法和AHP法的組合賦權法確定，為表征水保措施在不同時間段內的生態(tài)效應，引入指標響應強度揭示了其四大方面的總體響應趨勢。

通過實例分析驗證了生態(tài)效應定量模型的科學性與可行性，結果表明基于組合賦權的權重計算更加科學合理，水保措施對小流域的調水、保土效應的響應更加迅速，水保治理項目的實施有利于小流域生態(tài)環(huán)境的修復。基于生態(tài)效應成效機制構建的評價指標體系，綜合考慮了生態(tài)效應在四個方面的變化特征，能夠更加系統(tǒng)、客觀的體現(xiàn)水保措施實施前后的變化狀況。