基于集對(duì)分析模型的水土保持工程效益后評(píng)價(jià)研究

王 靜, 行仙峰, 侯 彪, 李云川, 張連根

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院 云南 昆明 650201; 2.成都理工大學(xué)， 四川 成都 610051;3.云南省高校城鄉(xiāng)水安全與節(jié)水減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650201)

項(xiàng)目后評(píng)價(jià)起源于20世紀(jì)30年代的美國(guó)，是對(duì)已經(jīng)完成的項(xiàng)目或工程的目的、執(zhí)行過(guò)程、效益、作用和影響所進(jìn)行的系統(tǒng)、客觀的綜合分析評(píng)價(jià)[1-2]。其原理是通過(guò)項(xiàng)目活動(dòng)實(shí)踐的檢查總結(jié)，確定項(xiàng)目預(yù)期的目標(biāo)是否達(dá)到；工程規(guī)劃是否合理有效；主要效益指標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)；從而找出成敗的原因；總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)；為未來(lái)的項(xiàng)目提供有效的信息反饋[3]。項(xiàng)目后評(píng)價(jià)經(jīng)過(guò)近80 a的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，然而，由于水土保持工程項(xiàng)目往往因涉及范圍廣、建設(shè)周期長(zhǎng)，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、可持續(xù)性等方面會(huì)產(chǎn)生積極影響，工程效益后評(píng)價(jià)開(kāi)展工作較少。隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)工程的投資力度及建設(shè)深度拓展，對(duì)進(jìn)一步提高水土保持工程項(xiàng)目決策的科學(xué)化水平和投資效益的要求提出新的要求，開(kāi)展水土保持工程項(xiàng)目的后評(píng)價(jià)工作成為目前水保工程一項(xiàng)新的重要內(nèi)容。

水土保持工程效益后評(píng)價(jià)指標(biāo)是指對(duì)水土工程保持效益進(jìn)行定性描述、定量分析時(shí)所用的變量精準(zhǔn)識(shí)別，確定水土保持工程生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的評(píng)價(jià)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，避免項(xiàng)目建設(shè)及管理的人為主觀臆斷。水土保持工程效益后評(píng)價(jià)指標(biāo)及體系的辨識(shí)將明確工程措施實(shí)施前后的影響及作用，進(jìn)而進(jìn)一步識(shí)別制約項(xiàng)目建設(shè)效益的關(guān)鍵因素[4-5]，為工程項(xiàng)目效益評(píng)估提供決策依據(jù)?；陧?xiàng)目后評(píng)價(jià)理論，相對(duì)于傳統(tǒng)的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，集對(duì)分析法[6]可從整體和局部分析水土保持工程效益后評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的多種復(fù)雜關(guān)系，把對(duì)不確定性的辯證認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)換成具體的數(shù)學(xué)問(wèn)題[7]，以此分析水土保持工程評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及水土保持工程指標(biāo)效益的關(guān)聯(lián)度，依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的獨(dú)立客觀性、可操作性和權(quán)威性3大原則，在專業(yè)工程技術(shù)人員和相關(guān)專家技術(shù)人員的指導(dǎo)下，建立了水土保持工程的效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)集對(duì)分析模型評(píng)價(jià)水土保持工程效益。

1 集對(duì)分析評(píng)價(jià)模型

1.1 集對(duì)分析模型

集對(duì)分析是我國(guó)學(xué)者趙克勤[8-10]在1989年提出的一種系統(tǒng)分析理論和方法，核心思想是將系統(tǒng)中普遍聯(lián)系的兩個(gè)集合構(gòu)造為集對(duì)，再對(duì)集對(duì)的各個(gè)特性進(jìn)行同一性、差異性、對(duì)立性分析。構(gòu)建集對(duì)分析模型[11-13]步驟為：

(1) 步驟1。構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)存在相互聯(lián)系的水土保持工程效益指標(biāo)x和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)s，x有n項(xiàng)表征特性，即x=(x1，x2，…，xn)，s亦有n項(xiàng)特性，即s=(s1，s2，…，sn)，x和y構(gòu)成集對(duì)H(x，s)。

(2) 步驟2。確定評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度，計(jì)算在j種情況下指標(biāo)i與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)k的聯(lián)系度uijk,其中，i=(1，2，…，n)；k=(1，2，…，K)。差異系數(shù)i其取值在[-1,1]區(qū)間變化，若指標(biāo)值處在所要評(píng)價(jià)的等級(jí)之中，則認(rèn)為是同一；若處于相隔的等級(jí)之中，則認(rèn)為是對(duì)立；若處在相鄰的等級(jí)之中，則認(rèn)為是差異；指標(biāo)值越接近評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，差異系數(shù)越接近1；指標(biāo)值越接近相隔的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，差異系數(shù)越接近-1。當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)xij隨著評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的增大而增大(正向指標(biāo))時(shí)，聯(lián)系度uik的具體計(jì)算公式為：

當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)xij隨著評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的增大而減小(負(fù)向指標(biāo))時(shí)，聯(lián)系度uik的具體計(jì)算公式為：

(3) 步驟3。計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的綜合聯(lián)系度uk：

式中：Aj——各指標(biāo)的權(quán)重值。

(4) 步驟4。計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)的相對(duì)隸屬度表達(dá)公式為：

vk=0.5+0.5uik

把相對(duì)隸屬度歸一化，得：

(5) 步驟5。通過(guò)置信度準(zhǔn)則評(píng)判法進(jìn)行整體評(píng)價(jià)等級(jí)評(píng)判，計(jì)算公式為：

式中：γ——置信度，本文取0.6 (一般取0.5～0.(7)，γ取值越大，評(píng)價(jià)結(jié)果越傾向于保守。

1.2 改進(jìn)評(píng)估模型組合權(quán)重確定

目前常用權(quán)重的確定方法主要有層次分析法[14]和熵值法[15]，層次分析法雖然能夠綜合考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各級(jí)指標(biāo)的重要程度，但是該方法主觀性較強(qiáng)，難以準(zhǔn)確確定權(quán)重賦值；熵值法作為客觀賦權(quán)法，不受主觀判斷的影響，但難以體現(xiàn)研究對(duì)不同指標(biāo)的重視程度，本次將層次分析和熵值法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合、改進(jìn)綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重分析。

1.2.1 層次分析法權(quán)重計(jì)算A1j層次分析法，能夠評(píng)標(biāo)指標(biāo)體系一個(gè)比較全面的總體評(píng)價(jià)?；静襟E如下：①根據(jù)評(píng)標(biāo)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)模型； ②構(gòu)造判斷矩陣； ③層次單排序和一致性檢驗(yàn),滿足一致性比例CR<0.1； ④層次總排序，得到各指標(biāo)層次分析法權(quán)重A1j。

1.2.2 熵值法權(quán)重計(jì)算A2j

(1) 為消除計(jì)量單位和數(shù)量級(jí)之間的差異，對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，按照極值法進(jìn)行無(wú)量綱處理得到無(wú)量綱指數(shù)y：

式中：x——指標(biāo)數(shù)據(jù)；xmax——該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的最大值；xmin——該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的最小值。

(2) 計(jì)算單個(gè)指標(biāo)占指標(biāo)總和的比重：

式中：yj——指標(biāo)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化的數(shù)值。

(3) 計(jì)算指標(biāo)的熵值：

式中：k=(1,2， ，n),指評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)等級(jí)。

(4) 計(jì)算各指標(biāo)因子的熵權(quán)：

式中：m——指標(biāo)數(shù)目。

1.2.3 組合權(quán)重Aj計(jì)算 用層次分析法計(jì)算指標(biāo)的主觀權(quán)重A1j，用熵值法計(jì)算指標(biāo)的客觀權(quán)重A2j，綜合指標(biāo)的主觀權(quán)重A1j和客觀權(quán)重A2j得綜合權(quán)重Aj，j=(1，2,…，m),根據(jù)最小相對(duì)信息熵[13]原理有：

2 案例分析

2.1 研究區(qū)概況

研究小流域位于云南省沾益縣東部，地處東經(jīng)103°56′15″—103°59′57″，北緯25°40′26″—25°43′18″。該區(qū)具有典型的高原中山地貌特征，巖溶發(fā)育，地勢(shì)南北高中間低。流域土地總面積24.88 km2，水土流失面積為12.42 km2，耕地面積1 288.08 hm2，占土地總面積的51.78%，其中水田8.54 hm2，梯平地500.01 hm2，坡耕地779.53 hm2；林地1 067.38 hm2，占土地總面積的42.91%，工程治理面積為10.02 km2，其中：坡改梯60.58 hm2，經(jīng)果林18.99 hm2，水保林183.88 hm2，封禁治理240.92 hm2，保土耕作497.71 hm2；生產(chǎn)道路9.48 km，道路排水溝2.97 km，灌溉管道17.38 km，灌樁222個(gè)，100 m3蓄水池1座，150 m3蓄水池1座，300 m3蓄水池1座，20 m3取水池2座，溝道整治1.46 km、谷坊2座、攔砂壩1座。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)項(xiàng)目后評(píng)價(jià)理論，水土保持工程后評(píng)價(jià)效益指標(biāo)用于評(píng)估水土保持工程的實(shí)施效果，結(jié)合水土保持工程的特點(diǎn)，以代表性、可比性、相對(duì)獨(dú)立性、易量化為原則，綜合運(yùn)用調(diào)查研究法、目標(biāo)分解法、多元統(tǒng)計(jì)法等方法選取科學(xué)合理的指標(biāo)[16-18]，參考國(guó)家相關(guān)規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究成果，將水土保持工程效益后評(píng)價(jià)指標(biāo)體系作為目標(biāo)層，水保效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益作為準(zhǔn)則層，優(yōu)選關(guān)鍵的13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層，具體為3個(gè)水保效益指標(biāo)，分別為土壤侵蝕強(qiáng)度、土壤蓄水能力、水土流失面積；3個(gè)生態(tài)效益指標(biāo)，分別為土壤改良度、土壤保肥能力和植被覆蓋度；4個(gè)社會(huì)效益指標(biāo)，分別為人均糧食增加產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品商品率、恩格爾系數(shù)和貧困人口比例；3個(gè)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，分別為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、產(chǎn)投比和人均GDP，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本次研究小流域水土保持效益后評(píng)價(jià)選取《2018座棚小流域監(jiān)測(cè)報(bào)告》和區(qū)域相關(guān)的“十三五”規(guī)劃數(shù)據(jù)，其中2016年為工程實(shí)施前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為本底值，2018年為工程實(shí)施后監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)為目標(biāo)值，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《南方地區(qū)耕地土壤肥力診斷與評(píng)價(jià)(NY/T1749-2009)》、《石漠化敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)》、《土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190-2007)》和當(dāng)?shù)厥逅帘３纸ㄔO(shè)規(guī)劃，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

圖1 水土保持工程效益后評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

值得注意的是，由于數(shù)據(jù)的可獲得性限制，本研究主要分析云南座棚小流域的水土保持工程效益狀況，水土保持工程效益后評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定主要著眼于云南巖溶區(qū)小流域的水土保持治理工程。土壤侵蝕強(qiáng)度、水土流失面積等指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在不同地理區(qū)域存在一定的差異，在分析水土保持工程后評(píng)價(jià)效益時(shí)，需要結(jié)合區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)一步討論確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 2018年小流域水土保持工程效益后評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1 指標(biāo)組合權(quán)重 將本次收集到的數(shù)據(jù)以上文闡述的層次分析法和熵值法相結(jié)合的指標(biāo)權(quán)重確定方法處理，便可得到各指標(biāo)的權(quán)重，其中表2—6為基于DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)建的層次分析法判斷矩陣，滿足CR<0.1，表7為熵值法計(jì)算結(jié)果，表9為指標(biāo)組合權(quán)重的匯總。

表2 目標(biāo)層A與基準(zhǔn)層Bi的判斷矩陣

注：λmax為判斷矩陣的最大特征根；CR為判斷矩陣的一致性比例。下同。

表3 基準(zhǔn)層B1與因子層C1j的判斷矩陣

表4 基準(zhǔn)層B2與因子層C2j的判斷矩陣

表5 基準(zhǔn)層B3與因子層C3j的判斷矩陣

表6 基準(zhǔn)層B4與因子層C4j的判斷矩陣

表7 熵值法權(quán)重計(jì)算結(jié)果

從表8可得，水土保持工程效益指標(biāo)體系由水保效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益，經(jīng)濟(jì)效益4個(gè)部分組成，其中水保效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益，經(jīng)濟(jì)效益的層次權(quán)重分別是0.48，0.215，0.108，0.196；熵值權(quán)重分別是0.229，0.23，0.308，0.233；組合權(quán)重分別是0.477，0.211，0.108，0.203；結(jié)果表明，水保效益所占比重最大，生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益占有較大比重，社會(huì)效益比重最小，由于熵值權(quán)重的影響，使指標(biāo)權(quán)重大小次序發(fā)生變化，這從側(cè)面印證了熵值法的客觀作用，使指標(biāo)權(quán)重占比更加合理化，達(dá)到了預(yù)期目的，說(shuō)明權(quán)重改進(jìn)是有必要的。

表8 水土保持工程效益后評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重匯總

2.4.2 結(jié)果分析 根據(jù)表1的數(shù)據(jù)采用集對(duì)分析模型分析，可得到水土保持工程效益后評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的各個(gè)指標(biāo)的綜合聯(lián)系度、相對(duì)隸屬度，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表9，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，2018年座棚小流域水土保持工程效益評(píng)價(jià)總體處于2級(jí)水平，有3個(gè)指標(biāo)處于三級(jí)水平，10個(gè)指標(biāo)處于2級(jí)水平，流域治理的成效顯著、可供開(kāi)發(fā)的空間和潛力較大，符合該小流域建設(shè)前后的實(shí)際情況。

表9 改進(jìn)集對(duì)分析模型評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié) 論

本研究嘗試建立了一套適用于云南巖溶區(qū)小流域的水土保持工程效益后評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從水保效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益四個(gè)方面構(gòu)建了指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，在運(yùn)用AHP和熵值法計(jì)算的組合權(quán)重確定各指標(biāo)權(quán)重基礎(chǔ)上，探索應(yīng)用集對(duì)分析法構(gòu)建基于水土保持工程效益后評(píng)價(jià)的集對(duì)分析模型，對(duì)水土保持工程效益進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。以云南典型座棚小流域?yàn)槔?，?yàn)證了該模型在云南巖溶區(qū)石漠化小流域的適用性，為云南巖溶區(qū)石漠化小流域的水土保持工程進(jìn)一步實(shí)施提供了科學(xué)依據(jù)。

由于實(shí)測(cè)的監(jiān)測(cè)年限較短，未能對(duì)座棚小流域的工程未來(lái)一段時(shí)期的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益做出有效測(cè)定。工程效益隨著年限的增加，研究區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)隨著實(shí)際情況做出一些微調(diào)，以便進(jìn)行更加科學(xué)的比較，同時(shí)工程項(xiàng)目的實(shí)施措施也可以根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的情況進(jìn)一步針對(duì)性完善，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

其次，基于對(duì)集對(duì)分析法的研究探討，本文在構(gòu)建水土保持工程效益后評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，嘗試性地將該方法運(yùn)用到水土保持工程效益后評(píng)價(jià)中，基本達(dá)到了預(yù)期的研究目的。由于效益評(píng)價(jià)指標(biāo)與工程實(shí)施措施緊密相關(guān)，其受制于小流域的工程實(shí)施狀況和當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件，該研究中的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)僅適用于云南巖溶區(qū)石漠化小流域。所以水土保持工程效益后評(píng)價(jià)的指標(biāo)選擇、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定，集對(duì)分析法中聯(lián)系度的普適性等問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究。