庄河市桂云花乡头道岭小流域综合治理效益评价

高清震

(庄河市水务事务服务中心，辽宁 庄河 116400)

0 引 言

水土流失导致当地生产生活水平和抵御自然灾害能力的下降，同时制约着经济可持续发展和人与自然之间的协调平衡，还可引起土壤养分的流失、河道堵塞，并对下游区域的防洪安全和流域内自我发展产生较为严重的威胁。水土流失综合治理属于一项综合性强、覆盖领域广的系统工程，在改良水土资源和改善生态环境、预防及减少水土流失等方面发挥着重大作用[1]。为了科学指导区域水土流失治理工程，全面掌握水保措施改善生态环境、治理水土流失的成效，有必要客观准确的评价小流域治理效益。当前，灰色关联法、模糊数学法和综合指数法等为效益评价的常用方法，其中应用最为广泛的综合指数法，其基本原理是将各类分散信息集成整体反映待评对象的真实状况，然而对于评价等级与总指标、单指标之间的隶属度识别存在不足，往往存在单指标信息遗漏和不相容现象[2]。物元可拓法的基本原理是探索事物的变化过程和物元的可变性、可拓性，通过对事物基本元素的分析找出问题解决方法，该方法能够较为准确的确定单因子状态，最后集成获取参评因子的整体水平，保证了评价结果的准确性与合理性。当前，物元可拓模型在水环境评价、土地资源、水生态和水库调度等领域已得到普遍应用，而涉及水保效益的研究较少。文章以庄河市桂云花乡头道岭小流域为例，对其综合效益运用物元可拓模型评价，以期为丰富水保效益评价中物元可拓模型的应用研究及优化设计小流域治理方案提供一定的决策。

1 水土保持概况

庄河市桂云花乡头道岭小流域位于桂云花乡横道河村境内，地处横道河北岸，流域中心坐标为E122°35′49″，N40°02′23″，总面积3130.24hm2。项目区属于大陆性季风气候，四季分明、暴雨特多、冬季漫长、雨雪充沛，年均气温8.9℃，水面平均蒸散发(E601)770mm，年均降水量789.5mm。

项目区为低山丘陵，土壤类型以砂壤、综壤土为主，土地利用多坡耕地、低丘漫岗地，土壤养分含量低、涵养水源能力差且林草覆盖率低。头道岭小流域属于水力侵蚀类型区，面蚀为水土流失的主要形式，多发生于疏幼林、未成林、次生林地、荒山荒坡无工程果园和坡耕地，在侵蚀皮面上沟蚀呈不同程度的分布。水土流失面积305.54hm2，其中轻度和中度侵蚀面积304.34、1.20hm2，土壤侵蚀模数2500t/km2·a。人类不合理的开发利用和自然环境为导致水土流失的两大原因，其中引起自然侵蚀的主要原因有流域内沟壑纵横、植被覆盖率低、山地丘陵多；人为因素主要体现在粗放式开发利用、盲目开垦及项目开发和规划缺乏论证等。

头道岭小流域治理项目的主要任务为：改善农村生活环境和生产条件，有效防止泥石流、崩塌、滑坡等自然灾害，减轻山洪和水土流失危害，促进农村经济发展和粮食增产。根据当地群众和镇政府的要求及建议，结合项目区水土流失特点和地貌类型特征，确定封禁治理和植物措施为小流域水土流失的重点防治工程，具体如下：①坡耕地整治：果树池台田面积为7.93 hm2，道路为1.815km；修建谷坊2座、排水沟0.06km，设立标志牌1个。②植物措施：果树池台田栽植2a生李子树(嫁接，大红袍)6614株。项目的实施每年增加蓄水量1.78万m3，增拦泥沙0.04万t，森林覆盖率提升0.25%，年经济效益7.14万元。

2 物元可拓法

对于多目标、多约束不相容复杂问题的处理，物元可拓模型具有良好的适用性与可行性，水保效益评价涉及到的范围广、因素多且各因子间具有不相容特性。所以，考虑选用物元可拓法建立综合评价体系，在识别评价过程中能够大大减少多要素、多角度的客观片面性。可拓集中的“即是又非”的临界概念体现了自然界“非此亦彼”的过度状况，在评判和识别事物时摆脱了“非此即彼”的二值限制，其应用领域更加广泛。所以，对小流域治理效益运用物元可拓分析法进行科学评价，其详细流程如下：

步骤一：水保治理效益物元。将水保效益N、特征C及其对应的特征值V构成的有序三元组R，即效益评价物元为R=(N，C，V)。根据具有n个特征C1，C2，C3，…，Cn及其量值V1，V2，V3，…，Vn的综合效益N，可构成n维物元矩阵，即：

步骤二：经典域和节域物元矩阵。结合项目区综合效益的标准量值及其特征确定经典域RN，表示为：

(1)

式中：Ni为治理效益评价划分的i个等级；C1，C2，…，Cn为治理效益各参评因子；(ain，bin)为评价要素Cn关于等级i的取值范围，由此可构成经典域。

结合事物特征和经典域量值构成节域物元矩阵Rp，其数学表达为：

(2)

式中：(apn，bpn)为针对特征Cn的节域物元量值区间；C1，C2，…，Cn为治理各效益参评因子；Np为水保治理效益的全体评价等级。

步骤三：关联系数及关联度。根据具体的数值定量的描述不相容问题，利用关联函数确定治理效益各评价因子的关联度，即：

(3)

式中：K(Vi)j为综合效益等级j下评价因子i的关联度；

|Vij|=|bin-ain|

(4)

(5)

(6)

其中，i=1，2，3…n；j=i=1，2，3…n；Vpn、Vi为节域和经典域量值区间；ρ(Vi，Vij)、ρ(Vi，Vpn)为经典域Vij、节域Vpn到实轴上任一点Vi的距离。

步骤四：综合关联度与评价等级。不同评价等级下所有参评指标的趋近程度采用综合关联度反映，计算式：

(7)

式中：Ki(p)为效益等级为i时待判物元N的关联度；ωi为评价因子权重；k(vi)j为评价等级为i时单因子关联度。若符合条件Kij=max{Ki(p)}，则评价因子i达到j级标准。Ki(p)值反映了评价对象的隶属等级；当Ki(p)>0时，则代表关于某一评价等级小流域综合治理效益达到目标要求，且达到目标的程度与其值的大小正相关；当-1

步骤五：权重确定。决策过程中获取的数据多少直接决定着结果可靠性、评价精度，当前确定权重的常用方法有熵权法、层次分析AHP法等。考虑专家意见的AHP法往往具有较强的主观性，熵权法依据各指标离散程度表征信息熵的程度，信息熵越小则系统的离散性越大，所提供的有效信息量和赋予的权值就越高；反之，则权重就越小。评价对象关于某项因子相同所赋予的熵值就越高，则表明该因子未提供有效的信息，则评价过程中可不考虑各项因子，从而保证运算效率和准确性。然而，该方法未能考虑专家经验和决策者意见，鉴于此综合考虑二者的优缺点，采用主、客观相结合的方法综合确定效益评价因子权重ω，其计算式为：

(9)

(9)

式中：vij为评价因子i关于第j个评价对象的量值，

3 评价指标体系及经典域、节域

3.1 水保效益评价体系

科学、完善的评价体系为保证评价结果有效性的重要基础，结合效益评价因子的复杂性和项目区水土流失的特征，根据水土流失的特点和效益评价因子的复杂性特征，结合项目区水土流失范围广、降雨侵蚀力大、降雨丰富且强度高、山地众多以及当地社会经济发展等具体情况，遵循可操作性、合理性、独立性和代表性等原则确定目标层、准则层。然后进一步将准则层细分为13项评价因子，并对各指标综合权重利用以上相应公式求解，结果如表1。

表1 综合效益评价体系

3.2 经典域及节域

将治理效益按照物元可拓性和目标要求划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，对应的评语为很好、好、一般、差。根据水土流失治理规范、水保效益计算方法、辽宁地区实际情况建立经典域，构造的水保效益RP和RN1、RN2、RN3、RN4如下：

3.3 水保效益待评物元

根据头道岭小流域综合治理项目竣工验收报告、各指标统计表，将数据值利用Excel统计分类，从而构造待评复合物元矩阵Rd，结果如下：

4 结果分析

4.1 关联度计算

对项目区水保效益各指标关联度利用公式(3)、(4)、(5)计算确定，如表2所示。关联度越大则评价指标贴近相应等级的程度越高，头道沟小流域综合治理项目隶属于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级等级的关联度为0.435、-0.422、-0.816、-0.902，由此表明贴近Ⅰ级的程度最高，同理可依次确定其它评价因子的隶属等级。

表2 各指标关联度计算结果

续表2 各指标关联度计算结果

不同评价因子对于同一评价对象而言，其关联度计算值存在一定差异，因此确定的效益评判等级不同，即单因子评价结果呈现出不相容性，针对此类问题物元可拓模型具有较强的实用性。各评价指标对于不同对象而言，其贡献率大小不同，这对于优化设计综合治理方案和确定不同地区的重点治理方向具有重要意义。

4.2 综合效益评价等级

头道岭小流域治理的经济、社会、生态效益综合关联度依据公式(7)求解，如表3所示。

表3 准则层各要素及项目综合关联度

由表3可知，该小流域治理项目的经济效益隶属于不同评价等级的关联度为0.142、-0.195、-0.242、-0.274，依据最大隶属原则确定经济效益达到Ⅰ级标准，社会和生态效益的最大关联度为-0.022、-0.006。根据隶属度的具体内涵和取值区间，社会与生态效益评价指标存在向Ⅱ级、Ⅰ级转化的潜力，且相对于社会效益的转化潜力生态效益更优。结合头道岭小流域水土保持指标统计表和项目竣工验收报告，综合治理项目的社会、经济、生态和综合效益达到Ⅱ级以上的区域占项目区的100%、50.8%、82.6%、82.0%，林草和工程措施可有效控制重力侵蚀、土体滑落发挥坡面稳固的作用，减轻水库江河和下游河道的淤积，具有节省经费和劳动力的功能，小流域治理实际情况和综合关联度评价结果基本吻合。可见，头道岭小流域治理项目取得了较好的社会、经济和生态效益。

从各因子权重值(表1)的角度分析，对桂云花乡头道沟小流域治理效益产生较大影响的因素有土地利用率C12、生产率C7、林草覆盖增加率C2、人均收入增长率6、土壤侵蚀模数C3、人均耕地面积C11等，今后的水土流失治理中应注重提升这些限制性因子，保证综合治理项目的整体效益提升。

4.3 评价模型验证

对项目区治理效益运用综合指数法评价，通过对比分析进一步验证物元可拓模型的可行性与准确性，研究发现该小流域治理效益的综合评价指数为0.558，能够达到较好等级，项目竣工验收报告与以上两种方法的评价结果整体保持一致。由此表明确定的综合关联度能够较为准确的水土保持综合效益。

5 结 论

1)将头道沟小流域综合治理的社会、经济、生态效益显著，其中经济效益达到Ⅰ级标准，社会和生态效益存在向Ⅱ级、Ⅰ级转化的潜力，且相对于社会效益的转化潜力生态效益更优。

2)结合项目竣工验收报告和现场实地调查结果，综合治理项目的实施不仅有助于提升土壤含水量和水源涵养功能，而且可提高地下水位和增大土壤入渗量，减轻洪旱灾害，在一定程度上缓解了旱情。同时，具有净化空气、吸收灰尘及有害气体等作用，还可消除噪音污染，净化、美化流域及其周边的生态环境，有助于加快水土流失治理步伐和土地利用结构的优化。

3)综合治理项目的实施可促进土地利用和农业产业结构的优化调整，在经济上该项目合理可行，为进一步调整农村产业结构，大大提升农经作物产量，带动乡镇企业、地方经济多元化发展等奠定了重要基础。对于评价等级不相容、多要素问题分析时所构造的物元模型存在良好的可行性，但仍需要进一步深入研究节域和经典域的确定。