陕西省丹汉江流域重点水土保持工程适宜性评价

张秦岭，李占斌，王 星

(1 西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048；2 陕西省水土保持局，陕西 西安 710004)

水土保持措施的适宜性即措施的采纳程度，受多种因素的影响[1-2]。水土保持措施的适宜性评价是水土保持基础理论研究的重要内容之一。系统分析不同水土保持措施的防治机制和适宜条件，弄清各种措施的效益，对于丰富水土保持措施的理论知识具有十分重要的意义。水土保持措施的适宜性评价也是小流域水土保持措施优化配置的基础，可以为水土保持规划和土地利用规划提供科学依据，对确保区域生态安全、促进社会经济发展具有重要的现实意义。目前，针对水土保持适宜性评价方面的研究，主要是通过分析水土保持措施的效应来评价其好坏；或者通过水土保持措施的采纳程度及其保存率，以及小流域水土保持措施的优化配置，来间接探讨水土保持措施的适应性[3-4]。这些研究主要存在2点不足：一是水土保持适宜性的理论尚有欠缺，目前仅见对措施适宜性的定性分析和描述，还无较为系统的适宜性评价理论；二是水土保持适宜性评价研究成果明显不足，特别是水土保持的区域适宜性研究尚不多见。

水土保持综合评价指标体系是在对大量信息进行综合的基础上全面建立的包括社会经济和资源环境在内的指标体系，以全面表征流域生态系统的主要特征。水土保持的适宜性评价一般通过对典型区域的详查，从水土资源、生态与环境、经济发展等方面构建水土保持综合评价指标体系；然后根据建立的评价指标体系，量化各项指标，对各层次指标的权重进行赋值；最后对典型区域的水土保持情况进行综合评价[5]。长期以来，我国的水土保持作为一项社会公益事业，其投资和实施主体以国家为主，绝大部分投资为国家投资，其中又以中央投资为主，同时发动群众积极参与[6]，能够大规模实施并且产生显著效益的主要是国家重点水土保持工程。在水土保持措施中能够产生明显生态效益和经济效益的主要是坡改梯、造林种草等坡面治理措施。因此，在水土保持工程适宜性评价中应加大中央投资和坡面治理措施的权重。

目前用于水土保持适宜性评价的方法较多，有学者用成因分析法和对比分析法对研究区域进行了水土保持效应的估算[7]。有学者用决策模型和成本-效益分析等方法对水土保持措施采纳程度的影响因素进行了定量分析[8]。有学者提出“双套对偶评价指标体系”,构建“求-供”指标体系和“产-望”指标体系[4]。有学者采用层次分析法对县域水土保持治理措施进行了适宜性评价[9]。

在陕西省丹汉江流域长期的水土保持实践中，形成了以工程措施、生物措施和耕作措施为主，以山、水、田、林、路等综合配套的小流域治理体系，取得了显著的生态效益、经济效益和社会效益。本研究以20世纪80年代以来陕西省丹汉江流域实施的国家重点水土保持工程为研究对象，分析各时期水土保持工程的动态变化，分别采用层次分析法和主成分分析法，对水土保持工程的适宜性进行评价，并对2种方法评价的结果进行比较，以期为进一步开展丹汉江流域水土保持工程建设提供科学的决策依据。

1 丹汉江流域重点水土保持工程的完成情况

1989-2010年，陕西省丹汉江流域先后实施了长江上中游水土保持重点防治工程(简称“长治”工程)1～7期项目(编号为C1～C7)及丹江口库区和上游水土保持工程(简称“丹治”工程)1期项目(编号为D1)。为了防止重复投资，“长治”工程和“丹治”工程各时期项目在实施过程中小流域范围不得重叠，各时期的治理思路基本一致，主要包括综合治理措施(坡面整治、沟道防护、水土保持林草、疏溪固堤、治塘筑堰等)和生态修复措施(封育管护、能源替代、舍饲养畜畜棚等)。

陕西省丹汉江流域各时期重点水土保持工程的完成情况见表1。从表1可以看出，20世纪80年代以来，陕西省丹汉江流域水土保持工程的实施范围逐渐扩大，由“长治”1期的3个县扩大到“丹治”1期的24个县；小流域条数逐渐增加，由“长治”1期的7条增加到“丹治”1期的348条；单位面积总投资呈增加趋势，由“长治”1期的5.09万元/km2提高到“丹治”1期的24.94万元/km2，在“长治”5期达到最大值34万元/km2；单位面积中央投资逐渐增加，由“长治”1期的0.8万元/km2增加到“丹治”1期的13.45万元/km2，提高了15.8倍；中央投资比例逐渐增加，由“长治”1期的15.8%提高到“丹治”1期的53.9%。

由于每一期工程的建设规模不同，社会经济情况、治理措施、完成投资和治理效益也不同。随着工程实施时期的延伸，增加的人均基本农田和经果林面积略有减少，但粮食单位面积产量和农业人均纯收入却大幅提高，说明治理措施的质量提高。蓄水池(窖)、谷坊、沟渠等小型水利水保工程数量明显增加，说明工程建设中更加重视农田基本建设的配套措施，农业生产条件得到改善。年拦蓄泥沙量、年拦蓄径流量、粮食增产量、经济林果增产量均呈增加趋势，说明工程的效益逐渐显著。

表1 丹汉江流域各时期重点水土保持工程的完成情况

续表1 Continued table 1

2 水土保持工程适宜性评价指标体系

水土保持综合评价指标体系包括社会经济指标和资源环境指标，是对大量信息的综合，应能全面表征流域生态系统的主要特征。一般采用典型区域水土流失详查，从水土资源、生态与环境、经济发展等方面构建水土保持综合评价指标体系[8]。本研究根据陕西省丹汉江流域生态环境和水土保持工程实施的实际情况，结合已有研究成果[10-12]，选取24个评价指标，建立丹汉江流域水土保持工程适宜性评价指标体系。该评价指标体系的准则层由4个一级指标构成，即社会经济情况、治理措施、完成投资和治理效益，每个一级指标又各自包含几个最能反映其内涵的二级指标，具体如表2所示。

表2 丹汉江流域水土保持工程适宜性评价的指标体系

3 基于层次分析法的水土保持工程适宜性评价

用层次分析法进行系统分析时，首先需将问题层次化，形成一个多层次的分析结构模型；然后通过专家独立打分，求平均(去掉最小值和最大值)分值，确定准则层和指标层的权重；最后构造判断矩阵，进行排序与一致性检验，排序结果满足一致性检验要求，得出判断矩阵及运算结果，如表3所示。由表3可知，4个准则层的权重排名是：治理措施(U2)>完成投资(U3)>治理效益(U4)>社会经济情况(U1)。社会经济情况中权重最大的是农业人均增加纯收入(M6)，治理措施中权重最大的是水土流失治理面积(M8)，完成投资中权重最大的是中央投资(M19)，治理效益中权重最大的是年拦蓄泥沙量(M20)。所有24个指标中权重排名前3位的分别是中央投资(M19)、水土流失治理面积(M8)和坡改梯面积(M9)。

表3 丹汉江流域水土保持工程适宜性评价指标体系的权重排序

指标在各时期工程实施过程中的隶属度为某一评价指标在某一时期的数值占该指标总和的比例。丹汉江流域不同时期水土保持工程各项评价指标的隶属度值见表4。

获得了各评价指标的权重和隶属度值之后，按照层次分析法，将各适宜性评价指标的权重值进行加权组合，按下式计算各时期水土保持工程适宜性的综合评价分值(EI)。

式中：EI为评价指标的综合评价分值，Wi为第i个指标的权重，Fi为第i个指标的隶属度值[10]。

利用得到的各时期水土保持工程适宜性综合评价分值对“长治”1～7期工程和 “丹治”1期工程的适宜性进行分析，结果见表5。从表5可以看出，从“长治”工程1期到7期，综合评价分值EI一直呈波动变化，其中“长治”工程3期EI值最大，“长治”工程6期EI值最小。2007年启动实施的“丹治”1期工程由于其治理范围广、投资量大、效益显著，EI值急剧提高，是“长治”工程3期的3.6倍，显示该工程具有较强的适宜性。

表4 丹汉江流域不同时期水土保持工程各评价指标的隶属度值

表5 丹汉江流域不同时期水土保持工程适宜性综合评价分值(EI)的计算结果

4 基于主成分分析法的水土保持工程适宜性评价

主成分分析法的主要步骤是：(1)根据研究问题选取指标与数据；(2)指标数据标准化，采用SPSS软件(社会科学统计软件包)自动执行[13]；(3)判定指标之间的相关性；(4)确定主成分个数；(5)主成分表达式；(6)主成分命名；(7)计算主成分与综合主成分(评价)值[14]。本研究首先在表1和表2中选取8个样本，即从“长治”1期到“丹治”1期的每个样本中选取24个变量指标，构成1个8×24阶的数据矩阵。然后对数据进行标准化，即消除量纲的影响，统一成无量纲的数据。最后利用极差标准化方法，在SPSS软件中进行标准化，得到标准化后的矩阵转置，如表6所示。利用表6的结果，求得标准化后的相关关系矩阵见表7。

表6 基于主成分分析法的丹汉江流域水土保持工程适宜性评价指标的矩阵转置

表7 丹汉江流域水土保持工程适宜性评价指标的相关关系矩阵

续表7 Continued table 7

然后，计算主成分贡献率及累计贡献率，分析结果见表8。

表8 丹汉江流域水土保持工程适宜性评价中主成分的方差分析

选取表8中初始特征值大于1的4个成分(成分1、成分2、成分3、成分4)为主成分。根据主成分分析原理，用雅可比法(Jacobi)[15]求出特征值及对应于特征值的特征向量，并将其按大小顺序排列。4个主成分的特征向量见表9。

表9 丹汉江流域水土保持工程适宜性评价中各主成分的特征向量

由主成分分析法原理，加权计算出各主成分以及综合成分的得分矩阵，结果见表10。

表10 丹汉江流域水土保持工程适宜性评价中各主成分和综合成分的得分矩阵

比较表5和表10可见,用层次分析法和主成分分析法对陕西省丹汉江流域重点水土保持工程的适宜性评价结果中，除了“长治”2期和“长治”4期的排名略有差异外，其余工程的结果基本一致，说明本研究的评价结果较为合理。

5 结 论

本研究采用层次分析法和主成分分析法，对陕西省丹汉江流域重点水土保持工程的适宜性进行了评价，结果表明，目前已经完成的陕西省丹汉江流域水土保持工程中，适宜性评价指标权重排名前3位的分别是中央投资、水土流失治理面积和坡改梯面积。从“长治”工程1期到7期，适宜性综合评价分值一直呈波动变化，到“丹治”1期工程时急剧提高，显示“丹治”1期工程具有较强的适宜性，且利用层次分析法和主成分分析法得到的评价结果基本一致。

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