京津風(fēng)沙源區(qū)沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

丁新輝,劉孝盈,*,劉廣全,朱畢生,王煒煒

1 中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038 2 國際泥沙研究培訓(xùn)中心,北京 100048 3 北京林淼生態(tài)環(huán)境技術(shù)有限公司,北京 100085

近年來,沙障固沙技術(shù)在治沙領(lǐng)域迅速發(fā)展[1- 2],其使用的材料包括各類農(nóng)作物秸稈、各種沙生植物、粘土、礫石以及新型化學(xué)材料等[3- 6]。由于障高、孔隙度和設(shè)置形狀的不同,所形成的沙障種類繁多,主要包括：高立式沙障、近地式沙障、平鋪式沙障；通風(fēng)型沙障、疏透型沙障、緊密型沙障；網(wǎng)格沙障、帶狀沙障[7- 10]。馬青江等認(rèn)為針對不同的材料及設(shè)置方式,各技術(shù)的固沙能力、經(jīng)濟(jì)效益以及有效年限等也不盡相同[11]。實(shí)際上影響沙障防風(fēng)效應(yīng)的因素很多,沙障的材料、規(guī)格以及抗腐性能都是重要的因素,此外沙障的組合、主風(fēng)方向、地貌形態(tài)等也會(huì)產(chǎn)生一定影響,由此可見,沙障固沙技術(shù)的評價(jià)是在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行的多因素復(fù)雜決策過程。

大部分現(xiàn)有研究主要關(guān)注沙障固沙技術(shù)固沙效應(yīng)的幾個(gè)方面,如起沙風(fēng)速、地表粗糙度、輸沙率、土壤含水率、植被成活率等,缺乏全面性,不能夠系統(tǒng)地評估沙障固沙技術(shù)的固沙效應(yīng)。目前,國內(nèi)學(xué)者對沙障固沙技術(shù)的評價(jià)方法主要有比較分析法[12]、效益評價(jià)法[13],尚缺乏一套科學(xué)、系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法,導(dǎo)致不能有效地對沙障固沙技術(shù)進(jìn)行評價(jià),從而阻礙京津風(fēng)沙源區(qū)沙障固沙技術(shù)的推廣。本文在梳理國內(nèi)外研究中有關(guān)沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,對沙障固沙技術(shù)的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)篩選,建立沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系,以期為京津風(fēng)沙源區(qū)沙障固沙技術(shù)的評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 評價(jià)指標(biāo)選取的原則

基于客觀性、代表性、可操作性、完整性的原則,本研究系統(tǒng)的構(gòu)建了一套沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系,并對其評價(jià)指標(biāo)的選取進(jìn)行了系統(tǒng)研究和論述,為沙障固沙技術(shù)的評價(jià)和篩選提供了可行性方法,也為沙漠化地區(qū)治沙技術(shù)集成與推廣提供支撐。評價(jià)工作以促進(jìn)沙障固沙技術(shù)科學(xué)設(shè)計(jì)和規(guī)范化應(yīng)用為目標(biāo),引導(dǎo)治沙技術(shù)向提高環(huán)境社會(huì)效益方向發(fā)展。通過查閱大量文獻(xiàn)梳理出機(jī)械沙障和生物沙障效果評價(jià)指標(biāo)(表1),其中機(jī)械沙障效果評價(jià)指標(biāo)21項(xiàng),生物沙障效果評價(jià)指標(biāo)24項(xiàng)[14-24]。機(jī)械沙障更偏重于防風(fēng)固沙效果,而生物沙障則注重植被的生長情況,二者對土壤理化性質(zhì)均有改良作用。在實(shí)際應(yīng)用中,通常采用兩種沙障相結(jié)合,才能取得較好的治沙效果。因此,在對沙障固沙技術(shù)進(jìn)行評價(jià)時(shí),選取評價(jià)指標(biāo)應(yīng)有所兼顧。此外,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)等環(huán)境因素的變化,需要對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

表1 各類機(jī)械沙障和生物沙障效果評價(jià)指標(biāo)

括號(hào)內(nèi)表示該詞在文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻次

2 京津風(fēng)沙源區(qū)沙障固沙技術(shù)評價(jià)體系

2.1 評價(jià)指標(biāo)確定

表2 沙障固沙技術(shù)判斷性指標(biāo)評價(jià)體系

表3 沙障固沙技術(shù)準(zhǔn)則性指標(biāo)評價(jià)體系

有關(guān)準(zhǔn)則性指標(biāo)各個(gè)三級(jí)指標(biāo)的描述如下：

技術(shù)結(jié)構(gòu) 指構(gòu)成技術(shù)的要素的完整性。根據(jù)有無主體技術(shù)通過0—4評分標(biāo)準(zhǔn)劃分等級(jí),具體評分為：0-無主體技術(shù)；1-該技術(shù)構(gòu)成要素缺失較多；2-該技術(shù)構(gòu)成要素有一定的完整性；3-該技術(shù)構(gòu)成要素比較完整；4-該技術(shù)構(gòu)成要素完整。

技術(shù)體系 指各種技術(shù)之間的相互關(guān)系,按主體技術(shù)和配套技術(shù)的完整程度劃分0—4評分等級(jí),具體評分為：0-無配套技術(shù)；1-該主體技術(shù)有配套技術(shù),但均不完整；2-該主體技術(shù)有配套技術(shù),但不完整；3-該主體技術(shù)和配套技術(shù)均比較完整；4-該主體技術(shù)和配套技術(shù)完整。

破損率 沙障的破損率是評價(jià)各類沙障穩(wěn)定性的有效指標(biāo)。沙障布設(shè)后,由于自然因素(日照、風(fēng)沙、動(dòng)物損毀等)的影響,各種沙障出現(xiàn)了不同程度的破損,按不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查記錄,得出各種沙障固沙技術(shù)的破損情況[28]。

專利含有量 指與各種沙障固沙技術(shù)相關(guān)的專利的數(shù)量,表征技術(shù)先進(jìn)性程度。

專業(yè)技術(shù)人員需求度 布設(shè)每種沙障所需人員的技能水平。技術(shù)水平越低,技術(shù)應(yīng)用難度也越低。根據(jù)是否需要專業(yè)技術(shù)人員通過0—4評分標(biāo)準(zhǔn)劃分等級(jí),具體評分為：0-無需專業(yè)技術(shù)人員；1-該技術(shù)實(shí)施需要很少專業(yè)技術(shù)人員；2-該技術(shù)實(shí)施需要一定的專業(yè)技術(shù)人員；3-該技術(shù)實(shí)施需要較多專業(yè)技術(shù)人員；4-該技術(shù)實(shí)施需要大量專業(yè)技術(shù)人員。

設(shè)置成本包括工程實(shí)施中的設(shè)置材料費(fèi)、人工費(fèi)、維護(hù)費(fèi)用。

地表粗糙度 地表粗糙度指下墊面平均風(fēng)速為零時(shí)的高度(Z0),是反映地表對風(fēng)阻抗能力的主要參數(shù)[29]。一般認(rèn)為下墊面越粗糙,零風(fēng)速出現(xiàn)的高度越高。通過下列公式確定粗糙度:

由于我國人口基數(shù)大，老齡化速度快，殘疾人口多，康復(fù)需求迫切，隨著人們康復(fù)意識(shí)的不斷提高，康復(fù)醫(yī)學(xué)的現(xiàn)時(shí)代價(jià)值愈加凸顯。

lgZ0= (lgu2-Algu1) /(1-A)

式中,Z0為地表平均粗糙度,cm;u1、u2分別表示高度為Z1、Z2處的風(fēng)速,m/s;A=u2/u1。

土壤粒度 布設(shè)沙障后,地表風(fēng)速得到有效降低,細(xì)小沙粒得以保留,加上植物根系及其枯落物的固沙作用,使表土理化性質(zhì)得到有效改良,所以土壤粒度也是一個(gè)反應(yīng)沙障固沙技術(shù)改土效益的指標(biāo)[30]。

表土含水率 在沙丘的迎風(fēng)坡、丘頂和背風(fēng)坡布設(shè)采樣點(diǎn),在前期無降水的情況下,在每一點(diǎn)選擇兩個(gè)測量深度,由便攜式土壤水分速測儀測得土壤含水量[31]。 表土含水率越高,說明沙障改土效應(yīng)越明顯。

植被覆蓋度 植被覆蓋度也是衡量各類沙障固沙技術(shù)成效的另一指標(biāo),反映了各類沙障內(nèi)的植被恢復(fù)情況[32]。計(jì)算方法為通過隨機(jī)選取多個(gè)1 m2的觀測點(diǎn),測得其投影面積,求出平均值,然后除以平均植被面積。

成活率 植物成活率是反應(yīng)沙障固沙技術(shù)是否成功的指標(biāo)之一。通過調(diào)查不同沙障固沙技術(shù)在不同坡度的沙丘上植物成活率及植物生長狀況,從而反映沙障固沙技術(shù)的成效[33]。

產(chǎn)投比 指治理單位面積所需花費(fèi),代表各種沙障固沙技術(shù)的平均防護(hù)效率。

I=C/A

式中,I為產(chǎn)投比,萬元/hm2;C表示總花費(fèi),萬元；A表示總面積,hm2。

防風(fēng)效能 風(fēng)速大小是影響沙地移動(dòng)的主要因素,所以防風(fēng)效能是衡量沙障固沙技術(shù)性能的指標(biāo)之一[34]。防風(fēng)效能的計(jì)算公式為：

Eh=(uh0-uh)/uh0×100%

式中,Eh為高度h處的防風(fēng)效能(%)；uh0為對應(yīng)沙丘高度h0處的平均風(fēng)速(m/s)；uh為沙障內(nèi)高度h處的平均風(fēng)速(m/s)。

輸沙率 輸沙率是觀測沙地高度(0—20 cm)內(nèi)單位時(shí)間通過單位寬度的總沙量。在沙障中部區(qū)域設(shè)置10孔階梯式集沙儀進(jìn)行同步觀測輸沙率。10孔階梯式集沙儀觀測高度為20 cm,每2 cm為一層,計(jì)算出輸沙率[35]。

技術(shù)與未來發(fā)展關(guān)聯(lián)度 未來該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展對每種沙障固沙技術(shù)的需求程度。需求程度越高,說明這種沙障固沙技術(shù)越好。根據(jù)技術(shù)與未來發(fā)展關(guān)聯(lián)度通過0—4評分標(biāo)準(zhǔn)劃分等級(jí),具體評分為：0-該技術(shù)與未來發(fā)展無關(guān)聯(lián)；1-該技術(shù)與未來發(fā)展關(guān)聯(lián)較少；2-該技術(shù)與未來發(fā)展有一定的關(guān)聯(lián)性；3-該技術(shù)與未來發(fā)展關(guān)聯(lián)較多；4-該技術(shù)完全適合未來發(fā)展。

技術(shù)可替代性 技術(shù)是否可以被其他技術(shù)所替代。沙障固沙技術(shù)對環(huán)境保護(hù)的作用越差,其可替代性越高。根據(jù)技術(shù)可替代性通過0—4評分標(biāo)準(zhǔn)劃分等級(jí),具體評分為：0-該技術(shù)無發(fā)展前景,可替代性很大；1-該技術(shù)可替代性較大；2-該技術(shù)有一定可替代性；3-該技術(shù)可替代性較?。?-該技術(shù)有很大的發(fā)展前景,可替代性很小。

沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系三級(jí)指標(biāo)信息表征與數(shù)據(jù)獲取方法如表4所示。

表4 沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系三級(jí)指標(biāo)信息表征與數(shù)據(jù)獲取方法

2.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

沙障固沙技術(shù)評價(jià)中涉及的因素很多,各因素之間的主次關(guān)系也有所不同。本文采用層次分析法對沙障固沙技術(shù)影響指標(biāo)構(gòu)建評價(jià)體系[36]。層次分析法(analytic hierarchy process,AHP法)是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。其賦權(quán)步驟主要包括構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗(yàn)、層次總排序及一致性檢驗(yàn)[37-38]。

通過向石漠化治理技術(shù)、荒漠化治理技術(shù)、水土保持技術(shù)和生態(tài)修復(fù)技術(shù)四個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)專家發(fā)放120份調(diào)查問卷,并收回112份有效問卷,確定了一二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重[25]。三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重確定以技術(shù)效益中的生態(tài)效益和社會(huì)效益為例：我們認(rèn)為某指標(biāo)在文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻次越高,說明該指標(biāo)為這一技術(shù)的研究熱點(diǎn),能反應(yīng)該技術(shù)的實(shí)施效果,這一指標(biāo)在評價(jià)體系中的權(quán)重越大,從而計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重(圖1)。

圖1 沙障固沙技術(shù)評價(jià)體系生態(tài)效益各指標(biāo)權(quán)重Fig.1 Each index weight of ecological benefit in sand barrier technology evaluation system

各級(jí)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重如表5所示,其中技術(shù)相宜性為判斷性指標(biāo),權(quán)重為0.2983,其對應(yīng)的4個(gè)二級(jí)指標(biāo)中,立地適應(yīng)性權(quán)重最大,說明立地條件對生態(tài)技術(shù)適用性的重要性,其他指標(biāo)依次排序?yàn)槟繕?biāo)適宜性,經(jīng)濟(jì)條件適宜性和政策法律適宜性,表示生態(tài)技術(shù)的成功應(yīng)用與發(fā)展目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)條件和政策法律是密切相關(guān)的；4個(gè)一級(jí)指標(biāo)為準(zhǔn)則性指標(biāo),權(quán)重分別為0.2241,0.1499,0.2292,0.0985。在進(jìn)行沙障固沙技術(shù)評價(jià)時(shí),首先判斷該技術(shù)是否符合該地區(qū)的發(fā)展,只有滿足該地區(qū)自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展需求時(shí),才能進(jìn)入技術(shù)評選,然后利用準(zhǔn)則性指標(biāo)評價(jià)沙障固沙技術(shù)。在強(qiáng)調(diào)技術(shù)效益的同時(shí),對每項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行全面的評價(jià),權(quán)重分配合理。技術(shù)效益對應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)中權(quán)重順序?yàn)樯鷳B(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,以生態(tài)效益評價(jià)為主,符合我國建設(shè)生態(tài)文明的要求。生態(tài)效益共對應(yīng)5個(gè)三級(jí)指標(biāo),篩選了能反應(yīng)沙障固沙技術(shù)治沙成效的主要指標(biāo),其權(quán)重大小排序?yàn)榈乇泶植诙?、表土含水率、成活率、土壤粒度和植被覆蓋度(圖1)。三級(jí)指標(biāo)中防風(fēng)效能和輸沙率對應(yīng)社會(huì)效益,沙障布設(shè)后,風(fēng)速降低,輸沙率減小,居民生活受影響越小,社會(huì)效益越大。其他二級(jí)指標(biāo)均選取了最能代表該指標(biāo)特征的三級(jí)指標(biāo),權(quán)重值通過一級(jí)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重加權(quán)計(jì)算而得?？傮w上該評價(jià)指標(biāo)體系選取指標(biāo)全面,權(quán)重分配合理,可應(yīng)用在沙障固沙技術(shù)的效果評價(jià)及篩選工作中。

表5 沙障固沙技術(shù)各級(jí)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3 討論

目前在評價(jià)沙障固沙技術(shù)實(shí)施效果時(shí)采用的指標(biāo)不夠科學(xué)和全面,鑒于此,本文提出了適用于京津風(fēng)沙源區(qū)沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo),能夠全面科學(xué)地反映沙障固沙技術(shù)的效果,但其中仍存在一些問題值得探討。

不同沙障固沙技術(shù)在不同區(qū)域和不同時(shí)間下的效果具有不確定性,因此對其進(jìn)行評價(jià)時(shí)應(yīng)充分考慮自然條件,只有在地貌,氣象等相近的情況下才能進(jìn)行比較。京津風(fēng)沙源區(qū)沙障固沙技術(shù)特性差異明顯,應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域開展相應(yīng)的沙障固沙技術(shù)評價(jià)研究。長時(shí)間尺度的試驗(yàn)不僅需要較高的時(shí)間成本,也需要較大經(jīng)濟(jì)投入。沙漠化治理是個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,沙障固沙技術(shù)也具有時(shí)間維度的動(dòng)態(tài)性。因此為求評價(jià)科學(xué)性需限定在一定的時(shí)間內(nèi),例如選取我國重大治沙工程(通常以5年為期)所涉及的沙障固沙技術(shù)作為評價(jià)對象,以觀測數(shù)據(jù)為評價(jià)依據(jù),并以研究區(qū)布設(shè)沙障技術(shù)的實(shí)測效果來驗(yàn)證。選擇重大生態(tài)工程檢驗(yàn)評價(jià)模型主要有以下原因：(1)我國實(shí)施的重大生態(tài)工程都是以五年為期的,從時(shí)間尺度上可以避免不同時(shí)期的技術(shù)其成熟度,技術(shù)應(yīng)用難度等指標(biāo)的不同,最明顯的就是不同時(shí)期沙障技術(shù)的實(shí)施成本差別很大；(2)我國已開展的生態(tài)工程大多是針對地域突出的生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行的治理研究,所實(shí)施的技術(shù)也是以問題為導(dǎo)向,針對這些技術(shù)進(jìn)行評價(jià)避免了技術(shù)的地區(qū)差異性。

在確定沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí),應(yīng)根據(jù)待評價(jià)技術(shù)的特征來確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,如機(jī)械沙障通過降低風(fēng)速,減少輸沙量,而生物沙障主要依靠恢復(fù)植被達(dá)到固沙的目的,因此這兩種沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)有所不同。為保證評價(jià)指標(biāo)體系的實(shí)用性,技術(shù)結(jié)構(gòu)、技術(shù)體系、技術(shù)相宜性等定性指標(biāo)主要通過專家打分法獲取評價(jià)數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)避免以綜合評價(jià)得分評判各生態(tài)技術(shù),而是根據(jù)不同地區(qū)生態(tài)問題的需要,通過比較各生態(tài)技術(shù)的判斷性指標(biāo)和準(zhǔn)則性指標(biāo),甚至是某些關(guān)鍵三級(jí)指標(biāo)的得分來選擇生態(tài)技術(shù)。為了避免評價(jià)結(jié)果的無差異性,選取不同類別生態(tài)技術(shù)的技術(shù)效益評價(jià)指標(biāo)應(yīng)能反映這類生態(tài)技術(shù)的主要特征。在各評價(jià)技術(shù)的綜合評價(jià)得分出現(xiàn)無差異性時(shí),應(yīng)檢查各生態(tài)技術(shù)三級(jí)指標(biāo)選取是否合理,從而保障評價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。

4 結(jié)論

本文針對京津風(fēng)沙源區(qū)沙障固沙技術(shù)效果評價(jià)問題,建立了沙障固沙技術(shù)評價(jià)的方法體系,明確了沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)集、評價(jià)指標(biāo)權(quán)重以及沙障固沙技術(shù)評價(jià)面臨的問題。在沙障固沙技術(shù)與自然條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相協(xié)調(diào)的前提下,基于文獻(xiàn)頻次法和層次分析法從技術(shù)成熟度、技術(shù)應(yīng)用難度、技術(shù)相宜性、技術(shù)效益、技術(shù)推廣潛力 5 個(gè)方面共篩選出1項(xiàng)判斷性指標(biāo)、4項(xiàng)準(zhǔn)則性指標(biāo)、14項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)和25項(xiàng)三級(jí)指標(biāo)指標(biāo),構(gòu)建出沙障固沙技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系以技術(shù)效益為主導(dǎo),兼顧功能性和應(yīng)用性綜合評價(jià),從而對京津風(fēng)沙源區(qū)沙障固沙技術(shù)進(jìn)行全面評價(jià)。

致謝：中國科學(xué)院水利部水土保持研究所王繼軍研究員給予幫助，特此致謝。