趙東陽

(遼寧省朝陽市龍城區(qū)水利局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

大凌河流域主脈貫穿遼西，東南匯入渤海，流域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展迅速且景觀變化劇烈，對保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境、保障居民生活和工農(nóng)業(yè)用水等發(fā)揮著巨大作用，在我國生態(tài)戰(zhàn)略中占據(jù)著重要地位。大凌河具有森林植被保育、生物多樣性保育、水源涵養(yǎng)、水土保持等生態(tài)功能，由于各地不平衡的經(jīng)濟發(fā)展、錯綜復(fù)雜的自然條件和遼闊地域，流域內(nèi)生態(tài)資源流失、生態(tài)環(huán)境惡化等問題日漸凸顯。隨著渤海遼東灣經(jīng)濟帶的建設(shè)，南水北調(diào)工程的實施，在自然資源利用和生態(tài)環(huán)境保護上大凌河的重要性更加突出，促進流域可持續(xù)發(fā)展以及保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境，對于保障渤海遼東灣經(jīng)濟帶、南水北調(diào)工程受水區(qū)和供水水源區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展意義重大。

在綜合治理大凌河生態(tài)環(huán)境工作中水土保持發(fā)揮著關(guān)鍵作用，水保措施的實施有利于提高區(qū)域土地生產(chǎn)力和維護水土資源，有效遏制流域土壤侵蝕的進一步發(fā)展。近年來，在大凌河流域生態(tài)功能區(qū)治理實踐中，水土保持技術(shù)體系取得顯著成效，考慮到流域內(nèi)土壤侵蝕的嚴(yán)重性，如何構(gòu)建適用的效益評價方法，完善治理措施評估體系仍為亟待解決的問題[1-4]。

1 研究方法

1.1 流域概況

大凌河地處遼西低山丘陵區(qū)，主要有清河、細河、涼水河、牤牛河、老虎山河、大定河、瓦子峪河、李二河、紅臺子河等支流。流域內(nèi)屬溫帶季風(fēng)氣候，氣候特點為春秋季短、冬長夏暖、平原風(fēng)大、雨量集中，年均氣溫8.0℃-9.0℃，極端最高與最低氣溫為41.8℃、-29.9℃。年際降水量具有明顯差異，降水量豐、枯比最高可達3倍，受季風(fēng)氣候影響全年70%-80%降水集中于6-9月，年均降水量500mm。河流水系以地下水、大氣降水為主要補給來源，年際徑流量變化較大，徑流豐、枯比最高達10倍，蒸發(fā)量最小、最大時段為5月和1月，年蒸散發(fā)1700mm。

生態(tài)功能區(qū)地貌類型以山丘為主，極少數(shù)為平原，地勢由西北向東南呈階梯式遞減趨勢，從山地、丘陵過渡至山前傾斜平原至渤海西岸，功能區(qū)高程波動起伏大，海拔為400-1200m。地質(zhì)發(fā)育較好，地形破碎，分布有土石質(zhì)“V”型溝壑，土壤類型多為褐土，同時兼具少量栗鈣土與棕壤土，土質(zhì)疏松、土層薄且有機質(zhì)含量低。長期以來，由于毀林開荒、墾草種糧等不合理的土地利用，加之農(nóng)業(yè)種植方式落后，使得原生植被被嚴(yán)重破壞，土地退化、生態(tài)環(huán)境惡化等對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展帶來潛在威脅。

1.2 評價方法

系統(tǒng)多目標(biāo)決策評價能夠在各種限制條件下，考慮不同目標(biāo)間的關(guān)系優(yōu)選出合適的方法，使決策者最終確定“滿意”的方案，對于系統(tǒng)工程問題具有較好適用性，常用的方法有Topsis法、灰色聚類法及層次分析法等。

文章對大凌河流域生態(tài)功能區(qū)水保效益利用系統(tǒng)多目標(biāo)決策法來評價，按照每個指標(biāo)的貢獻率利用層次分析法計算權(quán)重，在此基礎(chǔ)上揭示不同功能質(zhì)保的效益作用，并運用Topsis法、灰色聚類法和權(quán)重值綜合評價每年水保措施，依據(jù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)確定水保效益狀況。通過構(gòu)建評價體系及效益模型，以期為宏觀調(diào)控與綜合管理大凌河流域生態(tài)功能提供決策依據(jù)。

1.2.1 層次分析法

美國運籌學(xué)家T.L.Saaty以多目標(biāo)綜合評價法與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，提出了一種定性問題定量分析的多準(zhǔn)則決策法——層次分析法(AHP)，可實現(xiàn)數(shù)學(xué)化、模型化轉(zhuǎn)換復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維，具有靈活、實用、簡便等特點[5]。該方法將決策方案的影響因素按照問題性質(zhì)與實現(xiàn)目標(biāo)的程度分解為若干層次，通過對比分析某層次兩兩元素間的相對重要度利用數(shù)學(xué)方法確定權(quán)值，并給出評價體系中每個元素的總排序及其權(quán)重。

其中，排序原理、標(biāo)度原理和梯階層次機構(gòu)原理為AHP的基本原理。通過分析復(fù)雜的系統(tǒng)問題確定總目標(biāo)，并將整個系統(tǒng)按照問題性質(zhì)及目標(biāo)進一步細分為因素層及準(zhǔn)則層，逐次構(gòu)造判斷矩陣計算各因素權(quán)重，通過比較判斷每兩個因子或系統(tǒng)的相對優(yōu)劣程度給出規(guī)定的標(biāo)度，以“1-9”比較標(biāo)度法作為判斷矩陣標(biāo)度值的判定準(zhǔn)則，如表1所示。

表1 “1-9”標(biāo)度準(zhǔn)則

采用層次分析法(AHP)的建模流程總體上可分為4個步驟：①結(jié)合梯階層次框架建立效益評價體系；②考慮專家意見與決策方案的實際情況構(gòu)造判斷矩陣；③經(jīng)特征向量和特征根的計算確定單排序，為保證結(jié)果可靠性需檢驗矩陣一致性；④考慮單排序結(jié)果，對該層級各元素相對于上一層級的重要度計算，由此獲得符合一致性檢驗的權(quán)重值。

為準(zhǔn)確衡量判斷矩陣的偏離一致性引入不考慮最大特征根的一致性指標(biāo)CI，其表達式為CI=(λmax-n)/(n-1)，其中n為矩陣的階數(shù)，λmax為最大特征根；矩陣是否符合一致性檢驗的判定標(biāo)準(zhǔn)為CR<0.10，即CR=CI/RI，RI為考慮不同階數(shù)的平均隨機一致性指標(biāo)，其值按表2確定。若滿足該要求則單層次排序合理，可用于效益評價分析；若不符合該要求則重新調(diào)整矩陣，直至滿足合理性要求停止運算。

表2 檢驗指標(biāo)值RI

1.2.2 灰色聚類法

在控制論與系統(tǒng)論領(lǐng)域，研究者對系統(tǒng)本身的認識程度及系統(tǒng)內(nèi)部信息的了解情況常借助顏色來衡量，“灰”、“白”、“灰”代表信息不完全或不充分、信息完全、信息完全缺乏[6]。人們在實際問題處理時忽略不計一些不確知因素，才能以白色系統(tǒng)替代某些灰色系統(tǒng)，因此普遍存在灰色系統(tǒng)。

1.2.3 Topsis法

灰色關(guān)聯(lián)法(Topsis)是以曲線間的相似程度為基準(zhǔn)，采用數(shù)學(xué)方法計算關(guān)聯(lián)程度的多目標(biāo)決策分析法，對于隨機性、不確定性問題的處理具有較好的可行性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、社會、農(nóng)業(yè)、能源、石油、經(jīng)濟和地質(zhì)等諸多領(lǐng)域，可有效解決生產(chǎn)生活、科學(xué)研究等諸多問題[13]。Topsis法的實質(zhì)是將各決策方案的初始數(shù)據(jù)矩陣?yán)脷w一化公式處理，考慮每個指標(biāo)的屬性確定最劣、最優(yōu)方案，并利用數(shù)學(xué)方法計算最劣、最優(yōu)方案與決策方案之間的距離，最終確定決策方案貼近最優(yōu)方案的程度作為優(yōu)劣評價的依據(jù)。設(shè)m、n為參評指標(biāo)數(shù)和決策方案數(shù)，則構(gòu)造的初始數(shù)據(jù)矩陣A如下：

(1)

考慮每個指標(biāo)的屬性將所有參評指標(biāo)劃分為高優(yōu)、低優(yōu)兩類指標(biāo)，對于越大越優(yōu)或越小越優(yōu)型指標(biāo)，其歸一化公式如下：

(2)

(3)

根據(jù)每個指標(biāo)的最小、最大值構(gòu)造最劣和最優(yōu)向量，其數(shù)學(xué)表達式為：

Z+=(Zmax 1，Zmax 2，Λ，Zmax n，)
Z1=(Zmin 1，Zmin 2，Λ，Zmin m，)

(4)

然后以最劣、最優(yōu)向量為基準(zhǔn)，考慮利用歐式基本公式計算最優(yōu)、最劣方案與決策方案i的距離，計算式如下：

(5)

結(jié)合接近程度值CI的大小對各決策方案效益狀況進行優(yōu)劣排序，CI值越大則代表決策方案與最優(yōu)方案的接近程度越高，該方案越優(yōu)；反之，值越小則與最優(yōu)方案的接近程度越小，決策方案越劣，其表達式為：

(6)

2 結(jié)果與分析

水土保持功能為林草覆蓋率、攔蓄泥沙量、地表徑流攔蓄水量、治理程度等因素的綜合體現(xiàn)，這些因素均在不同程度上影響著其功能效應(yīng)的發(fā)揮。根據(jù)大凌河流域水土保持工程數(shù)據(jù)資料，考慮生態(tài)治理現(xiàn)狀及其未來發(fā)展規(guī)劃，深入分析2010-2018年流域環(huán)境整治變化特征，選擇治理面積、壩地、梯田、封山育林、經(jīng)濟果林、水土保持種草、水土保持林7項指標(biāo)構(gòu)建水保效益評價體系。該評價體系符合可操作性、可比性、重點性和針對性要求，能夠反映水土保持特點和生態(tài)功能區(qū)特征，更加客觀、準(zhǔn)確的評價水保效益狀況。

2.1 層次分析結(jié)果

針對每個指標(biāo)權(quán)重利用層次分析法計算，并將權(quán)重值輸入Topsis法和灰色聚類模型，由此完成水保效益評價，如表3所示。結(jié)果顯示，矩陣一致性檢驗的判定標(biāo)準(zhǔn)CR=0.0016<0.10，符合檢驗要求其單層次排序合理，由此獲取的權(quán)重可用于效益評價。根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重可以確定綜合評價中的層次排序，即生態(tài)治理評價體系中水土保持林、治理面積和壩地的貢獻率較高，應(yīng)重點關(guān)注這幾項指標(biāo)實行生態(tài)治理效益評價。

從排序結(jié)果可知，水土保持林、治理面積和壩地面積在水保效益評價體系中所占比例達到65%，對大凌河流域生態(tài)功能區(qū)產(chǎn)生顯著影響，這也是充分發(fā)揮生態(tài)功能的主要措施，未來的生態(tài)治理工程應(yīng)加大水土保持林、治理面積和壩地面積。雖然其他措施對水保效益的貢獻較小，功能作用不明顯，但對保持生物多樣性發(fā)揮著不可忽視的功效，為充分發(fā)揮生態(tài)區(qū)功能也要給予足夠的重視，以實現(xiàn)生態(tài)效益的最大化目標(biāo)。

表3 大凌河流域生態(tài)功能區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù) km2

2.2 灰色聚類結(jié)果

在評價功能區(qū)水保效益時灰色聚類分析法可以給出具體的評分值，并依據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)、國家規(guī)定及實際要求給出等級水平，客觀真實的反映區(qū)域?qū)嶋H情況；評價結(jié)果屬于一定時間或區(qū)域范圍內(nèi)的相對概念，而非絕對數(shù)值，可以全面反映不同評價單元的優(yōu)良程度及相對質(zhì)量，為決策方案的實施和設(shè)計提供參考[14]。

結(jié)合數(shù)據(jù)資料，以大凌河流域生態(tài)功能區(qū)為例，采用以上7項指標(biāo)評價2010-2018年整個功能區(qū)的水保效益。將治理效益等級利用灰色聚類分析法劃分為高、中、低三級，評分值為70-100、40-70、0-40，并采用層次分析法求解的權(quán)重評價各決策方案的相對優(yōu)劣程度，不同年份的水保效益評分見表4。

表4 灰色聚類水保效益評價

從表4可知，大凌河流域生態(tài)功能區(qū)2010-2012年的水保效益較差，并以2012年的評分最低。該時段正處于綜合整治工程的規(guī)劃實施階段，工程措施、植被措施等各項治理措施不斷完善，其功能作用的發(fā)揮具有一定滯后性，所以控制水土流失的成效不夠明顯。隨后，功能區(qū)水保效益不斷增加，各項措施逐漸發(fā)揮應(yīng)有的功能效應(yīng)，有利于改善大凌河流域生態(tài)環(huán)境，推動生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)與可持續(xù)發(fā)展。

2.3 Topsis結(jié)果檢驗

對大凌河流域生態(tài)功能區(qū)水保效益利用Topsis法評價，從而驗證灰色聚類法的準(zhǔn)確性、適用性。結(jié)果顯示，2010-2018年功能區(qū)水保效益值為0.21、0.30、0.27、0.36、0.58、0.68、0.75、0.85、0.96。通過線性回歸分析兩種方法評分值，發(fā)現(xiàn)Topsis法與灰色聚類法的線性擬合方程為y=0.0145x-0.276，其中x、y代表灰色聚類法和Topsis法的水保效益分值，兩種方法的相關(guān)系數(shù)R2=0.9518，二者存在較高的擬合程度，這表明在評價功能區(qū)水保效益時兩種方法具有較高精準(zhǔn)度、可行性，可為深入開展生態(tài)效益分析及大凌河流域生態(tài)治理規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)。

3 結(jié) 論

1)功能區(qū)生態(tài)治理評價體系中水土保持林、治理面積和壩地的貢獻率較高，應(yīng)重點關(guān)注這幾項指標(biāo)實施水保效益的評價，并為生態(tài)治理方案設(shè)計和功能區(qū)劃提供借鑒。大凌河流域生態(tài)功能區(qū)2010-2012年的水保效益較差，其原因為該時段正處于綜合整治工程的規(guī)劃實施階段，工程措施、植被措施等各項治理措施不斷完善，其功能作用的發(fā)揮具有一定滯后性，所以控制水土流失的成效不夠明顯。隨后，功能區(qū)水保效益不斷增加，各項措施逐漸發(fā)揮應(yīng)有的功能效應(yīng)，有利于改善大凌河流域生態(tài)環(huán)境，推動生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)與可持續(xù)發(fā)展。

2)綜合應(yīng)用Topsis法、灰色聚類法和層次分析法評價功能區(qū)水保效益，可以給出具體的評分值，并按照評價標(biāo)準(zhǔn)、國家規(guī)定及實際要求確定等級水平，能夠客觀真實的反映區(qū)域?qū)嶋H情況，保證評價結(jié)果的科學(xué)有效性。

3)未來大凌河流域生態(tài)規(guī)劃和水保治理中，應(yīng)注重加大水土保護林、治理面積、耕地面積和其他水保措施的整治投入，加快信息資源平臺和數(shù)據(jù)庫建設(shè)，加強生態(tài)恢復(fù)、水土保持、生物多樣性保護、水資源和生態(tài)環(huán)境保護等研究，實現(xiàn)科學(xué)動態(tài)的預(yù)測與分析水功能區(qū)水保工作成效，從而為為工管調(diào)控與綜合管理區(qū)域水保治理工作提供科學(xué)依據(jù)。