属性识别模型在水土保持综合效益评价中的应用

杜发兴，吴厚发，肖博文，王雪蓉

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002)

0 引 言

水土流失是目前我国最为严重的生态安全问题，其对生态环境造成严重破坏的同时，对我国经济社会的可持续发展也带来了巨大挑战。针对这一现实问题，近几年全国各地进行了一系列水土保持措施建设，在解决水土流失问题的同时，形成了良好的生态、经济和生活效益。如何科学合理的对水土保持综合效益进行评价，对鉴定水土保持实施效果、提升水土保持技术，进行水土流失治理科学决策具有重要意义[1]。当前，水土保持综合效益常用的评价方法有模糊评价法、灰色系统法、层次分析法等，如：钟原等[2]以陕西水源区为对象，通过构建的水土保持综合效益评价体系，以改进的层次分析法确定指标权重，运用模糊综合评价法衡量了水土保持项目效果。顾剑红[3]采用层次分析法构建了针对广西石漠化地区小流域水土保持综合效益评价模型，并对各小流域水土保持的生态、经济和社会效益进行了评价。马骞等[4]基于灰色系统理论，建立水土保持生态修复效益模型，对山东省平邑项目区进行了评价。传统评价方法虽应用广泛，但仍存在一定的局限性，如模糊评价法在计算中由于取大取小导致损失了许多中间值，灰色系统法和层次分析法评价分辨率低，且有一定的主观性，评价结果精度不高。由于水土保持综合效益的评价空间是有序的，而对有序评价空间不适合用“最大隶属度”识别准则，故传统评价方法所计算出结果其合理性和科学性值得探讨[5]。而属性识别模型在有序分割类和属性识别准则的基础上，以置信度准则、评分准则等为基础，能对事物进行有效识别和比较分析[6,7]。故本文以利川市7条小流域为例，充分考虑各影响因素，从生态、经济和社会三方面建立了水土保持综合效益评价指标体系，运用所建立的基于复合权重的属性识别模型对其进行评价，根据评价结果提出相应建议，以此对利川市水土保持工作提供一定的理论依据，同时拓展了有关水土保持评价的途径，为水土保持评价提供一种更为科学可靠的方法。

1 复合权重属性识别模型

水土保持综合效益评价实际可归结为定性描述的度量问题。为讨论定性描述的度量问题和不同的定性描述之间的关系以及相应的度量之间的关系，我国学者程乾生教授[8]于20世纪90年代提出了属性识别理论模型，该模型已经广泛运用于各类环境质量评价当中。而在属性识别模型中，大多数文献权重计算往往只采用层次分析法计算了主观权重，而忽略了客观权重，导致评价结果脱离样本实际，为此，在权重计算中需要综合考虑主客观权重，对其进行复合权重计算。本质上，水土保持综合效益的评价过程实际上是高维空间到低维空间映射的过程，即求解评价样本数据集对应的评价结论值，针对水土保持综合效益评价问题这类“映射”问题，相对于传统评价方法，运用属性识别模型更为科学合理。运用复合权重属性识别模型对水土保持综合效益评价指标进行建模，用属性识别模型建立样本的属性测度矩阵，引入指标复合权重，最后按置信度准则及评分准则对各样本进行识别比较，实现对水土保持综合效益的评价。

1.1 属性识别理论模型

(1)模型构建。设研究对象空间为X，其包含n个样本x1,x2,…,xn，样本评价指标数为m第i个样本xi可以表示为一个向量xi=(xi1,xi2,…,xim)，1≤i≤n。

设F为X上某类属性空间，(C1,C2,…,Ck)为属性空间F的有序分割类，表示分类标准；I1,I2,…,Im为各评价指标。分类标准矩阵为：

(1)

其中ajk满足aj1aj2>…>ajk。

(2)模型求解。计算第i个样本第j个指标值xij具有属性Ck的属性测度uijk=u(xij∈Ck)。假设aj1>aj2>…>ajk。

当xij≥aj1时，取uij1=1，uij2=…=uijk=0

当xij≤ajk时，取uij1=1，uij1=…=uijk-1=0

当ajl≥xij≥ajl+1时，取

(2)

uijk=0，kl+1。

(3)

依据置信度准则，计算置信度λ：

(4)

认为xi属于Ck类。

为进一步进行详细比较，计算样本xi的得分值：

(5)

式中：nl为Cl的分值，取5≥nl≥1间递减的正整数。

1.2 指标权重的确定

为避免传统权重计算方法带来的不足，本文权重计算采用复合权重计算法，主观权重部分采用序相关法，客观权重部分采用熵权法。序相关法相对于传统的层次分析法而言，不必进行判断矩阵一致性检验，且对统一层次元素个数无限制。而熵权法在计算过程中依托数据本身，能客观地反映出数据本身的信息有序性，使评价结果更符合实际[9]。复合权重计算有机结合了主客观权重，使得指标权重能够同时体现主客观信息，即在反映主观认识的同时很好地保留了原始数据信息，相对于传统权重确定方法而言更为合理。复合权重确定方法参考文献[10]。

各指标复合权重为：

W=αW′+βW″

(6)

上式中：

(7)

(8)

式中：xij表示第i个评价对象的第j项指标的数值。

2 实例分析

利川市地处湖北西南边陲，西靠蜀渝，东接恩施，南邻潇湘，北依三峡，与重庆四县两区交界，是恩施土家族苗族自治州面积最大、人口最多的县级市，全市总面积4 600余km2，平均海拔1 079 m，年降水量1 000～1 200 mm，年平均气温11.1 ℃，无霜期210 d，汛期在5-8月，河流含沙量较多。据最新一次岩溶地区石漠化监测调查数据显示，全市石漠化面积达到63 428 hm2。为响应国家制定石漠化治理十三五规划的号召，利川市规划在2012-2017年间，封山育林11 393.7 hm2，植被保护6 471 hm2，人工造林350.5 hm2，畜牧草地建设595 hm2，坡改梯174.78 hm2。为检验实施成效，同时为接下来的水土保持建设规划提供理论依据，本文以利川市7条小流域2012-2017年间实施水土保持措施所产生的综合效益为评价对象。

2.1 水土保持效益评价指标体系构建

在进行利川市水土保持效益评价指标选择时，充分考虑生态环境现状、有潜在影响的重要因素的变化和人类活动的能动反映，结合石漠化治理十三五规划内容及国内相关研究成果，建立了利川市水土保持效益评价指标体系，详见表1，该指标体系以水土保持综合效益为目标层，生态效益、经济效益、生活效益为准则层，共包含14个指标。

评价标准设定的合理与否将直接影响评价结果的准确性。根据国际通用分类标准、科学研究已判定的生态效应、生态建设标准，将利川市水土保持综合效益评价等级划分为5个等级：Ⅰ等为优、Ⅱ等为良、Ⅲ等为中、Ⅳ等为差、Ⅴ等为极差，并采用专家打分法对其进行评估取值，详见表1。

表1 指标体系及其等级限值表Tab.1 Evaluation Index system and its Grade limit

各评价指标数据取2012-2017年实时数据，数据来源主要是：一是野外调查和实验分析，主要是土壤理化性质测定等；二是相关部门提供的统计数据，包括：《水利普查报告》、《湖北省岩溶地区石漠化综合治理规划》、《利川市岩溶地区石漠化综治理“十三五”规划》、《利川市岩溶地区石漠化监测调查报告》等，详见表2。

表2 综合效益评价指标值Tab.2 Comprehensive benefit evaluation index value of river basin

2.2 实例计算

(1)主观权重计算：根据相关专家建议，结合参考文献[10]，认定水土保持综合效益各评价指标重要性程度依次为：A5>A3>A4>A2>A6>A1>B1>B2>B3>B4>C2>C4>C3>C1，为方便计算，记为X1>X2>X3>X4>X5>X6>X7>X8>X9>X10>X11>X12>X13>X14。依据文献[3]，取r2=1.4、r3=1.4、r4=1.2、r5=1.0、r6=1.2、r7=1.6、r8=1.4、r9=1.0、r10=1.2、r11=1.2、r12=1.4、r13=1.2、r14=1.0。计算得各指标主观权重见表3。

表3 评价指标权重计算表Tab.3 Evaluation index weight calculation table

(2)客观权重计算：根据熵权法计算参照文献[12]，由表1数据求得客观权重结果见表3。

(4)属性测度计算：根据分类标准矩阵、权重系数以及公式(1)，计算得到样本的属性测度矩阵如表4所示。

表4 区域属性测度计算表Tab.4 Calculation table of attribute measure for small watershed

(5)评价结果计算：按照置信度准则和评分准则，取置信度λ=0.6，据公式(2)、式(3)计算水土保持综合效益评价结果及分数如表5所示。

表5 效益评价等级及得分表Tab.5 Grade and score of comprehensive benefit ealuation

从表5可知各流域水土保持综合效益评价结果：茅槽河流域为良；新建河流域、官山河流域、马槽坝河流域、清江河流域均为中，梅子河流域、大沟流域均为差。依据得分值从优到劣排序依次为茅槽河流域、新建河流域、马槽坝河流域、清江河流域、官山河流域、梅子河流域、大沟流域。

从评价结果来看，茅槽河流域水土保持综合效益相比其他流域是最好的，原因在于该流域为利川市规划治理重点示范区域，相比其他流域，该流域地形地势相对简单，水保专项财政投入更多，坡改梯、植树造林、林地保护等水保配套措施建设的更完善。新建河流域、马槽坝河流域、清江河流域、官山河流域评价结果为中，原因在于4个流域面积较大，区域地形复杂，水土保持配套设施建设分布零散，难以形成一定的体系，在流域内人口活动频繁，对水土保持产生的综合效益有一定的威胁。梅子河流域、大沟流域评价结果为差，原因在于2个流域内海拔高，地势复杂，多为高山，土壤耕地面积较其他流域少，原有林木植被遭人为破坏严重，在后期治理过程中，财政投入较少，治理配套设施建设有所欠缺。

针对评价结果为中差的流域，在后期治理过程中，应以水土保持措施体系建设为主体，加大资金投入，重点实施植树造林、林地植被保护、坡改梯等水保措施，配套建设水渠、道路等辅助设施，为发展区域经济提供一定的条件，同时，政府相关部门应协调农林牧渔业的发展，鼓励当地农民发展烟叶、药材等种植业，提高收入的同时，实现水土保持的产业化，促使生态经济可持续发展。

3 结 语

(1)建立了水土保持综合效益评价体系。通过实地考察、专家咨询、结合现有研究成果等多种方式确立了利川市水土保持综合效益评价体系，共包含14个指标，基本能够代表水土保持治理成果。所有指标数据均来源当地实时统计资料，评价具有代表性。

(2)构建了针对水土保持综合效益的评价模型。针对传统评价模型的局限性，引入属性识别模型，同时结合包含主客观权重的复合权重，建立了基于复合权重的属性识别模型。运用该模型对利川市所在的7条小流域水土保持治理综合效益进行评价，评价结果及得分值为接下来有关部门水土保持治理工作提供一定的决策依据。

(3)提出水土保持治理改进意见。针对7条小流域评价结果及分值，对评价结果为中差的相关流域提出以水土保持措施体系建设为主体，完善相关配套设施的建议。