灰色关联分析方法在小流域治理工程生态效益综合评估中的应用

郭爱枫

(朝阳市引白入朝供水工程建设管理局，辽宁 朝阳 122000)

0 引言

国内水土流失治理工程随着治理力度和措施的不断加大，其生态综合效益得到不断增强。区域生态治理重要评估内容为水土流失治理生态效益，也是水土流失治理效益的综合体现[1]。近些年来，生态清洁小流域综合治理技术成为研究的热点，尤其是治理措施完成后，其生态效益的综合评估对于生态清洁小流域技术推广和应用至关重要[2]。当前，国内对于小流域综合治理效益评估主要体现在治理规模和治理效果上[3-8]，对于生态效益综合评估研究成果还较少，且缺乏生态效益综合评估指标体系和评估方法。为提高生态清洁小流域治理工程生态效益综合定量评估的科学性，通过调研其他类型水利工程生态效益综合评估指标和研究方法[9-12]，提出生态清洁小流域治理工程生态效益综合评估指标体系，并采用当前国内生态效益评估较为成熟的AHM-关联分析模型[13-15]，结合辽宁西部3个典型小流域进行工程实例研究，研究成果对于小流域治理的生态效益定量综合评估方法具有重要参考价值。

1 研究方法

通过建立灰色关联分析模型对各指标权重理论值βj进行计算，在结合变量属性分析模型对各指标权重经验值ρj进行计算，在指标权重理论和经验值确定基础上，对模型权重进行组合计算，得到各评估指标的权重综合值ωj，考虑不同指标量纲不同，AHM-关联分析模型首先对各评估指标进行标准化处理，标准化计算方程为：

(1)

式中，Zki—小流域治理生态效益评估指标标准化值；Vki—小流域治理生态效益评估指标值。对标准化处理后的指标值进行正向变换计算：

(2)

在生态效益评估指标正向变换的基础上，对各指标标准化值进行反向变换计算：

(3)

在对各评估指标正向、反向变换后对各评估指标进行适中计算：

(4)

式中，VK0—各生态效益评估指标的初始值。在各生态效益评估指标适中计算基础上对各评估指标进行关联度计算：

(5)

式中，min|Zk0-Zki|、max|Zk0-Zki|—偏差最小、最大值；ξ—偏差系数。在关联度计算基础上建立评估指标关联矩阵：

(6)

式中，γ—指标关联度；m—评估指标个数；n—评估目标个数。确定生态效益评估指标关联矩阵基础进行关联度综合计算：

Y=li1Z1+li2Z2+…linZn

(7)

式中，l—不同指标关联系数在进行组合赋值计算后，需要对指标组合赋值进行绝对关联度的计算：

(8)

式中，S0、Si—正向、反向关联度；ε0k—不同指标之间的关联度绝对值。在指标绝对关联度计算基础上对相邻指标之间的关联度相对值进行计算：

(9)

式中，S0’、Si’—各评估指标正向、反向的关联度相对值；η0k—不同指标之间的关联度相对值。在不同评估指标关联度相对值确定的基础上对各指标权重进行计算：

wj=ρ0i/(ρ01+ρ02+…ρ0m)

(10)

式中，ωj—各评估指标的权重综合值；ρj—评估指标的权重经验值。在确定指标权重基础上对各小流域生态效益综合评估度进行计算：

R=Wj×E=(r1，r2，r3…rn)

(11)

式中，R—生态效益综合评估值；r—各指标关联度。

2 工程实例应用

2.1 评估指标体系构建

分别选取辽西地区骆驼山、莫古沟以及安杖子小流域综合治理为工程实例，3个小流域综合治理面积分别为3.3、5.2、4.1km2，为生态清洁小流域试点，3个小流域水土流失治理面积分别占总面积的50%、65%、45%，流域内主要采用生态林地封禁及生态林营造作为流域水土保持生态修复技术，此外采用高效栽培技术作为流域山地丘陵区经济林种植技术，水平梯田与集流聚肥梯田作为各生态清洁小流域丘陵区坡耕地综合治理工程技术。结合3个生态清洁小流域试点，通过调查分析和专家经验，分别选取6个评估指标对小流域治理工程生态效益进行综合评估，各评估指标见表1。

表1 小流域治理工程生态效益综合评估指标

2.2 评估指标赋值计算

结合朝阳地区2020—2022年水土保持公报、水资源公报统计数据，并结合2020年朝阳市统计年鉴，对3个小流域治理工程的评估指标进行赋值计算，其中环境人口容纳量Q按照以下方程进行计算：

Q=S×K/P

(12)

式中，S—治理小流域的土地面积，km2；K—土地利用率，%；P—每个人所占空间标准。其他指标均可从水土保持公报、水资源公报、统计年鉴获取相应数值。选取的3个小流域治理工程生态效益综合评估指标见表2。

表2 3个典型小流域生态效益综合评估指标

2.3 评估指标权重计算

采用专家经验方法对各小流域生态效益评估指标经验权重确定基础上，结合式(10)对各评估指标的理论权重进行计算，并进行组合权重的分析，3个典型小流域治理工程生态效益综合评估指标组合权重见表3。

表3 3个典型小流域生态效益综合评估指标组合权重值

从3个典型小流域生态效益综合评估指标组合权重值计算结果可看出，土壤侵蚀模数对于小流域治理工程生态效益而言其指标权重值最高，各流域组合权重值分别在0.252～0.286之间，其次为水土流失治理率，其组合权重分别在0.210～0.235之间，对于小流域治理而言，其主要是对其水土流失进行治理和防护，降低水土流失率和土壤侵蚀模数，从而发挥小流域治理的工程效益。3个小流域径流模数比权重值在0.145～0.219之间，由于水土流失率降低，也会一定程度降低其径流模数比，莫古沟小流域治理工程的径流模数比权重值最高为0.219，其径流模数比也高于其他两个小流域。通过对3个小流域治理工程进行实地调查，计算的各指标组合权重总体较为合理，符合流域治理的实际特点。

2.4 评估指标关联矩阵分析

在各评估指标组合权重分析的基础上，对各指标之间的关联度进行分析，确定评估指标之间的关联矩阵，分析结果见表4。

从3个典型小流域生态效益综合评估指标关联矩阵分析结果可看出，不同指标之间的关联度差异较小，对于骆驼山小流域治理工程而言，其关联度最高的指标分别为种植业产出比例和林地草地覆盖比例，关联度为0.8532，此外土壤侵蚀模数和种植业产出比例指标之间的关联度也可达0.8294，其他指标之间的关联度总体低于0.5。对于莫古沟小流域而言，其同样关联度最高的指标分别为种植业产出比例和林地草地覆盖比例，关联度高达0.9087，土壤侵蚀模数和种植业产出比例指标之间的关联度也达到0.6528，具有较好的关联度。从安杖子小流域治理工程各生态效益评估指标之间的关联度可看出，各指标中环境人口容纳量和种植业产出比例具有较高的关联度.达到0.8763，种植业产出比例较大情况下其环境人口容纳量也相对较高。

2.5 生态效益综合评估结果

在确定3个典型小流域生态效益综合评估指标关联矩阵后，结合式(11)对各典型联系指标关联度进行分析，并计算其生态效益评估值，各典型小流域治理工程生态效益综合评估结果见表5。

表5 3个典型小流域生态效益综合评估结果

从3个典型小流域生态效益综合评估结果可看出，骆驼山小流域治理工程各单指标生态效益评估值在0.2040～0.4953之间，水土流失治理率指标的生态效益评估值最高，其次为土壤侵蚀模数，经评估其生态效益综合评价值为1.5740，莫古沟小流域治理工程各单指标生态效益评估值在0.2131～0.5178之间，土壤侵蚀模数指标的生态效益评估值要高于其他指标，其生态效益综合评估值为1.1786。安杖子小流域治理工程各单指标生态效益评估值在0.1920～0.5388之间，和其他两个小流域治理工程具有一致性，土壤侵蚀模数指标的生态效益评估值最大，其生态效益综合评价值为1.6430。通过调研分析，对于小流域治理工程生态效益评价而言，当生态效益综合评估值在0～0.5之内，其生态效益低，当评估值在0.5～1.0之间，其生态效益较低，当评估值在1.0～1.5之间，其生态效益较高，当评估值高于1.5，其生态效益高，通过分析，莫古沟小流域治理工程生态效益较高，而骆驼山和安杖子小流域治理工程生态效益高。

3 结论

(1)在采用AHM-关联分析模型对小流域治理工程生态效益进行综合评估时，其评估指标理论权重和经验权重之间差异不能过大，建议理论权重和经验权重差值控制在±0.05以内，从而保证指标权重取值的客观性。

(2)土壤侵蚀模数和种植业产出比例指标对小流域治理工程生态综合效益影响较为明显，其指标之间的关联度应控制在0.8以上。

(3)本文选取的生态效益指标未能考虑流域水质影响，在后续研究中应针对生态清洁小流域的功能特点，补充完善水质指标进行综合评估。