大凌河流域生态功能区水保效益评价研究

赵东阳

(辽宁省朝阳市龙城区水利局，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

大凌河流域主脉贯穿辽西，东南汇入渤海，流域内经济社会发展迅速且景观变化剧烈，对保护区域生态环境、保障居民生活和工农业用水等发挥着巨大作用，在我国生态战略中占据着重要地位。大凌河具有森林植被保育、生物多样性保育、水源涵养、水土保持等生态功能，由于各地不平衡的经济发展、错综复杂的自然条件和辽阔地域，流域内生态资源流失、生态环境恶化等问题日渐凸显。随着渤海辽东湾经济带的建设，南水北调工程的实施，在自然资源利用和生态环境保护上大凌河的重要性更加突出，促进流域可持续发展以及保护区域生态环境，对于保障渤海辽东湾经济带、南水北调工程受水区和供水水源区的经济发展意义重大。

在综合治理大凌河生态环境工作中水土保持发挥着关键作用，水保措施的实施有利于提高区域土地生产力和维护水土资源，有效遏制流域土壤侵蚀的进一步发展。近年来，在大凌河流域生态功能区治理实践中，水土保持技术体系取得显著成效，考虑到流域内土壤侵蚀的严重性，如何构建适用的效益评价方法，完善治理措施评估体系仍为亟待解决的问题[1-4]。

1 研究方法

1.1 流域概况

大凌河地处辽西低山丘陵区，主要有清河、细河、凉水河、牤牛河、老虎山河、大定河、瓦子峪河、李二河、红台子河等支流。流域内属温带季风气候，气候特点为春秋季短、冬长夏暖、平原风大、雨量集中，年均气温8.0℃-9.0℃，极端最高与最低气温为41.8℃、-29.9℃。年际降水量具有明显差异，降水量丰、枯比最高可达3倍，受季风气候影响全年70%-80%降水集中于6-9月，年均降水量500mm。河流水系以地下水、大气降水为主要补给来源，年际径流量变化较大，径流丰、枯比最高达10倍，蒸发量最小、最大时段为5月和1月，年蒸散发1700mm。

生态功能区地貌类型以山丘为主，极少数为平原，地势由西北向东南呈阶梯式递减趋势，从山地、丘陵过渡至山前倾斜平原至渤海西岸，功能区高程波动起伏大，海拔为400-1200m。地质发育较好，地形破碎，分布有土石质“V”型沟壑，土壤类型多为褐土，同时兼具少量栗钙土与棕壤土，土质疏松、土层薄且有机质含量低。长期以来，由于毁林开荒、垦草种粮等不合理的土地利用，加之农业种植方式落后，使得原生植被被严重破坏，土地退化、生态环境恶化等对区域经济发展带来潜在威胁。

1.2 评价方法

系统多目标决策评价能够在各种限制条件下，考虑不同目标间的关系优选出合适的方法，使决策者最终确定“满意”的方案，对于系统工程问题具有较好适用性，常用的方法有Topsis法、灰色聚类法及层次分析法等。

文章对大凌河流域生态功能区水保效益利用系统多目标决策法来评价，按照每个指标的贡献率利用层次分析法计算权重，在此基础上揭示不同功能质保的效益作用，并运用Topsis法、灰色聚类法和权重值综合评价每年水保措施，依据等级划分标准确定水保效益状况。通过构建评价体系及效益模型，以期为宏观调控与综合管理大凌河流域生态功能提供决策依据。

1.2.1 层次分析法

美国运筹学家T.L.Saaty以多目标综合评价法与网络系统理论为基础，提出了一种定性问题定量分析的多准则决策法——层次分析法(AHP)，可实现数学化、模型化转换复杂系统的决策思维，具有灵活、实用、简便等特点[5]。该方法将决策方案的影响因素按照问题性质与实现目标的程度分解为若干层次，通过对比分析某层次两两元素间的相对重要度利用数学方法确定权值，并给出评价体系中每个元素的总排序及其权重。

其中，排序原理、标度原理和梯阶层次机构原理为AHP的基本原理。通过分析复杂的系统问题确定总目标，并将整个系统按照问题性质及目标进一步细分为因素层及准则层，逐次构造判断矩阵计算各因素权重，通过比较判断每两个因子或系统的相对优劣程度给出规定的标度，以“1-9”比较标度法作为判断矩阵标度值的判定准则，如表1所示。

表1 “1-9”标度准则

采用层次分析法(AHP)的建模流程总体上可分为4个步骤：①结合梯阶层次框架建立效益评价体系；②考虑专家意见与决策方案的实际情况构造判断矩阵；③经特征向量和特征根的计算确定单排序，为保证结果可靠性需检验矩阵一致性；④考虑单排序结果，对该层级各元素相对于上一层级的重要度计算，由此获得符合一致性检验的权重值。

为准确衡量判断矩阵的偏离一致性引入不考虑最大特征根的一致性指标CI，其表达式为CI=(λmax-n)/(n-1)，其中n为矩阵的阶数，λmax为最大特征根；矩阵是否符合一致性检验的判定标准为CR<0.10，即CR=CI/RI，RI为考虑不同阶数的平均随机一致性指标，其值按表2确定。若满足该要求则单层次排序合理，可用于效益评价分析；若不符合该要求则重新调整矩阵，直至满足合理性要求停止运算。

表2 检验指标值RI

1.2.2 灰色聚类法

在控制论与系统论领域，研究者对系统本身的认识程度及系统内部信息的了解情况常借助颜色来衡量，“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]。人们在实际问题处理时忽略不计一些不确知因素，才能以白色系统替代某些灰色系统，因此普遍存在灰色系统。

1.2.3 Topsis法

灰色关联法(Topsis)是以曲线间的相似程度为基准，采用数学方法计算关联程度的多目标决策分析法，对于随机性、不确定性问题的处理具有较好的可行性，现已广泛应用于工业、社会、农业、能源、石油、经济和地质等诸多领域，可有效解决生产生活、科学研究等诸多问题[13]。Topsis法的实质是将各决策方案的初始数据矩阵利用归一化公式处理，考虑每个指标的属性确定最劣、最优方案，并利用数学方法计算最劣、最优方案与决策方案之间的距离，最终确定决策方案贴近最优方案的程度作为优劣评价的依据。设m、n为参评指标数和决策方案数，则构造的初始数据矩阵A如下：

(1)

考虑每个指标的属性将所有参评指标划分为高优、低优两类指标，对于越大越优或越小越优型指标，其归一化公式如下：

(2)

(3)

根据每个指标的最小、最大值构造最劣和最优向量，其数学表达式为：

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

(4)

然后以最劣、最优向量为基准，考虑利用欧式基本公式计算最优、最劣方案与决策方案i的距离，计算式如下：

(5)

结合接近程度值CI的大小对各决策方案效益状况进行优劣排序，CI值越大则代表决策方案与最优方案的接近程度越高，该方案越优；反之，值越小则与最优方案的接近程度越小，决策方案越劣，其表达式为：

(6)

2 结果与分析

水土保持功能为林草覆盖率、拦蓄泥沙量、地表径流拦蓄水量、治理程度等因素的综合体现，这些因素均在不同程度上影响着其功能效应的发挥。根据大凌河流域水土保持工程数据资料，考虑生态治理现状及其未来发展规划，深入分析2010-2018年流域环境整治变化特征，选择治理面积、坝地、梯田、封山育林、经济果林、水土保持种草、水土保持林7项指标构建水保效益评价体系。该评价体系符合可操作性、可比性、重点性和针对性要求，能够反映水土保持特点和生态功能区特征，更加客观、准确的评价水保效益状况。

2.1 层次分析结果

针对每个指标权重利用层次分析法计算，并将权重值输入Topsis法和灰色聚类模型，由此完成水保效益评价，如表3所示。结果显示，矩阵一致性检验的判定标准CR=0.0016<0.10，符合检验要求其单层次排序合理，由此获取的权重可用于效益评价。根据各指标权重可以确定综合评价中的层次排序，即生态治理评价体系中水土保持林、治理面积和坝地的贡献率较高，应重点关注这几项指标实行生态治理效益评价。

从排序结果可知，水土保持林、治理面积和坝地面积在水保效益评价体系中所占比例达到65%，对大凌河流域生态功能区产生显著影响，这也是充分发挥生态功能的主要措施，未来的生态治理工程应加大水土保持林、治理面积和坝地面积。虽然其他措施对水保效益的贡献较小，功能作用不明显，但对保持生物多样性发挥着不可忽视的功效，为充分发挥生态区功能也要给予足够的重视，以实现生态效益的最大化目标。

表3 大凌河流域生态功能区统计数据 km2

2.2 灰色聚类结果

在评价功能区水保效益时灰色聚类分析法可以给出具体的评分值，并依据评价标准、国家规定及实际要求给出等级水平，客观真实的反映区域实际情况；评价结果属于一定时间或区域范围内的相对概念，而非绝对数值，可以全面反映不同评价单元的优良程度及相对质量，为决策方案的实施和设计提供参考[14]。

结合数据资料，以大凌河流域生态功能区为例，采用以上7项指标评价2010-2018年整个功能区的水保效益。将治理效益等级利用灰色聚类分析法划分为高、中、低三级，评分值为70-100、40-70、0-40，并采用层次分析法求解的权重评价各决策方案的相对优劣程度，不同年份的水保效益评分见表4。

表4 灰色聚类水保效益评价

从表4可知，大凌河流域生态功能区2010-2012年的水保效益较差，并以2012年的评分最低。该时段正处于综合整治工程的规划实施阶段，工程措施、植被措施等各项治理措施不断完善，其功能作用的发挥具有一定滞后性，所以控制水土流失的成效不够明显。随后，功能区水保效益不断增加，各项措施逐渐发挥应有的功能效应，有利于改善大凌河流域生态环境，推动生态系统的良性循环与可持续发展。

2.3 Topsis结果检验

对大凌河流域生态功能区水保效益利用Topsis法评价，从而验证灰色聚类法的准确性、适用性。结果显示，2010-2018年功能区水保效益值为0.21、0.30、0.27、0.36、0.58、0.68、0.75、0.85、0.96。通过线性回归分析两种方法评分值，发现Topsis法与灰色聚类法的线性拟合方程为y=0.0145x-0.276，其中x、y代表灰色聚类法和Topsis法的水保效益分值，两种方法的相关系数R2=0.9518，二者存在较高的拟合程度，这表明在评价功能区水保效益时两种方法具有较高精准度、可行性，可为深入开展生态效益分析及大凌河流域生态治理规划提供科学指导。

3 结 论

1)功能区生态治理评价体系中水土保持林、治理面积和坝地的贡献率较高，应重点关注这几项指标实施水保效益的评价，并为生态治理方案设计和功能区划提供借鉴。大凌河流域生态功能区2010-2012年的水保效益较差，其原因为该时段正处于综合整治工程的规划实施阶段，工程措施、植被措施等各项治理措施不断完善，其功能作用的发挥具有一定滞后性，所以控制水土流失的成效不够明显。随后，功能区水保效益不断增加，各项措施逐渐发挥应有的功能效应，有利于改善大凌河流域生态环境，推动生态系统的良性循环与可持续发展。

2)综合应用Topsis法、灰色聚类法和层次分析法评价功能区水保效益，可以给出具体的评分值，并按照评价标准、国家规定及实际要求确定等级水平，能够客观真实的反映区域实际情况，保证评价结果的科学有效性。

3)未来大凌河流域生态规划和水保治理中，应注重加大水土保护林、治理面积、耕地面积和其他水保措施的整治投入，加快信息资源平台和数据库建设，加强生态恢复、水土保持、生物多样性保护、水资源和生态环境保护等研究，实现科学动态的预测与分析水功能区水保工作成效，从而为为工管调控与综合管理区域水保治理工作提供科学依据。