灰色關(guān)聯(lián)分析方法在小流域治理工程生態(tài)效益綜合評估中的應(yīng)用

郭愛楓

(朝陽市引白入朝供水工程建設(shè)管理局，遼寧 朝陽 122000)

0 引言

國內(nèi)水土流失治理工程隨著治理力度和措施的不斷加大，其生態(tài)綜合效益得到不斷增強(qiáng)。區(qū)域生態(tài)治理重要評估內(nèi)容為水土流失治理生態(tài)效益，也是水土流失治理效益的綜合體現(xiàn)[1]。近些年來，生態(tài)清潔小流域綜合治理技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，尤其是治理措施完成后，其生態(tài)效益的綜合評估對于生態(tài)清潔小流域技術(shù)推廣和應(yīng)用至關(guān)重要[2]。當(dāng)前，國內(nèi)對于小流域綜合治理效益評估主要體現(xiàn)在治理規(guī)模和治理效果上[3-8]，對于生態(tài)效益綜合評估研究成果還較少，且缺乏生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)體系和評估方法。為提高生態(tài)清潔小流域治理工程生態(tài)效益綜合定量評估的科學(xué)性，通過調(diào)研其他類型水利工程生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)和研究方法[9-12]，提出生態(tài)清潔小流域治理工程生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)體系，并采用當(dāng)前國內(nèi)生態(tài)效益評估較為成熟的AHM-關(guān)聯(lián)分析模型[13-15]，結(jié)合遼寧西部3個(gè)典型小流域進(jìn)行工程實(shí)例研究，研究成果對于小流域治理的生態(tài)效益定量綜合評估方法具有重要參考價(jià)值。

1 研究方法

通過建立灰色關(guān)聯(lián)分析模型對各指標(biāo)權(quán)重理論值βj進(jìn)行計(jì)算，在結(jié)合變量屬性分析模型對各指標(biāo)權(quán)重經(jīng)驗(yàn)值ρj進(jìn)行計(jì)算，在指標(biāo)權(quán)重理論和經(jīng)驗(yàn)值確定基礎(chǔ)上，對模型權(quán)重進(jìn)行組合計(jì)算，得到各評估指標(biāo)的權(quán)重綜合值ωj，考慮不同指標(biāo)量綱不同，AHM-關(guān)聯(lián)分析模型首先對各評估指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方程為：

(1)

式中，Zki—小流域治理生態(tài)效益評估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；Vki—小流域治理生態(tài)效益評估指標(biāo)值。對標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)值進(jìn)行正向變換計(jì)算：

(2)

在生態(tài)效益評估指標(biāo)正向變換的基礎(chǔ)上，對各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行反向變換計(jì)算：

(3)

在對各評估指標(biāo)正向、反向變換后對各評估指標(biāo)進(jìn)行適中計(jì)算：

(4)

式中，VK0—各生態(tài)效益評估指標(biāo)的初始值。在各生態(tài)效益評估指標(biāo)適中計(jì)算基礎(chǔ)上對各評估指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算：

(5)

式中，min|Zk0-Zki|、max|Zk0-Zki|—偏差最小、最大值；ξ—偏差系數(shù)。在關(guān)聯(lián)度計(jì)算基礎(chǔ)上建立評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)矩陣：

(6)

式中，γ—指標(biāo)關(guān)聯(lián)度；m—評估指標(biāo)個(gè)數(shù)；n—評估目標(biāo)個(gè)數(shù)。確定生態(tài)效益評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)矩陣基礎(chǔ)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度綜合計(jì)算：

Y=li1Z1+li2Z2+…linZn

(7)

式中，l—不同指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)在進(jìn)行組合賦值計(jì)算后，需要對指標(biāo)組合賦值進(jìn)行絕對關(guān)聯(lián)度的計(jì)算：

(8)

式中，S0、Si—正向、反向關(guān)聯(lián)度；ε0k—不同指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度絕對值。在指標(biāo)絕對關(guān)聯(lián)度計(jì)算基礎(chǔ)上對相鄰指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度相對值進(jìn)行計(jì)算：

(9)

式中，S0’、Si’—各評估指標(biāo)正向、反向的關(guān)聯(lián)度相對值；η0k—不同指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度相對值。在不同評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)度相對值確定的基礎(chǔ)上對各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算：

wj=ρ0i/(ρ01+ρ02+…ρ0m)

(10)

式中，ωj—各評估指標(biāo)的權(quán)重綜合值；ρj—評估指標(biāo)的權(quán)重經(jīng)驗(yàn)值。在確定指標(biāo)權(quán)重基礎(chǔ)上對各小流域生態(tài)效益綜合評估度進(jìn)行計(jì)算：

R=Wj×E=(r1，r2，r3…rn)

(11)

式中，R—生態(tài)效益綜合評估值；r—各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 評估指標(biāo)體系構(gòu)建

分別選取遼西地區(qū)駱駝山、莫古溝以及安杖子小流域綜合治理為工程實(shí)例，3個(gè)小流域綜合治理面積分別為3.3、5.2、4.1km2，為生態(tài)清潔小流域試點(diǎn)，3個(gè)小流域水土流失治理面積分別占總面積的50%、65%、45%，流域內(nèi)主要采用生態(tài)林地封禁及生態(tài)林營造作為流域水土保持生態(tài)修復(fù)技術(shù)，此外采用高效栽培技術(shù)作為流域山地丘陵區(qū)經(jīng)濟(jì)林種植技術(shù)，水平梯田與集流聚肥梯田作為各生態(tài)清潔小流域丘陵區(qū)坡耕地綜合治理工程技術(shù)。結(jié)合3個(gè)生態(tài)清潔小流域試點(diǎn)，通過調(diào)查分析和專家經(jīng)驗(yàn)，分別選取6個(gè)評估指標(biāo)對小流域治理工程生態(tài)效益進(jìn)行綜合評估，各評估指標(biāo)見表1。

表1 小流域治理工程生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)

2.2 評估指標(biāo)賦值計(jì)算

結(jié)合朝陽地區(qū)2020—2022年水土保持公報(bào)、水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并結(jié)合2020年朝陽市統(tǒng)計(jì)年鑒，對3個(gè)小流域治理工程的評估指標(biāo)進(jìn)行賦值計(jì)算，其中環(huán)境人口容納量Q按照以下方程進(jìn)行計(jì)算：

Q=S×K/P

(12)

式中，S—治理小流域的土地面積，km2；K—土地利用率，%；P—每個(gè)人所占空間標(biāo)準(zhǔn)。其他指標(biāo)均可從水土保持公報(bào)、水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒獲取相應(yīng)數(shù)值。選取的3個(gè)小流域治理工程生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)見表2。

表2 3個(gè)典型小流域生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)

2.3 評估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

采用專家經(jīng)驗(yàn)方法對各小流域生態(tài)效益評估指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)權(quán)重確定基礎(chǔ)上，結(jié)合式(10)對各評估指標(biāo)的理論權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行組合權(quán)重的分析，3個(gè)典型小流域治理工程生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)組合權(quán)重見表3。

表3 3個(gè)典型小流域生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)組合權(quán)重值

從3個(gè)典型小流域生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)組合權(quán)重值計(jì)算結(jié)果可看出，土壤侵蝕模數(shù)對于小流域治理工程生態(tài)效益而言其指標(biāo)權(quán)重值最高，各流域組合權(quán)重值分別在0.252～0.286之間，其次為水土流失治理率，其組合權(quán)重分別在0.210～0.235之間，對于小流域治理而言，其主要是對其水土流失進(jìn)行治理和防護(hù)，降低水土流失率和土壤侵蝕模數(shù)，從而發(fā)揮小流域治理的工程效益。3個(gè)小流域徑流模數(shù)比權(quán)重值在0.145～0.219之間，由于水土流失率降低，也會(huì)一定程度降低其徑流模數(shù)比，莫古溝小流域治理工程的徑流模數(shù)比權(quán)重值最高為0.219，其徑流模數(shù)比也高于其他兩個(gè)小流域。通過對3個(gè)小流域治理工程進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，計(jì)算的各指標(biāo)組合權(quán)重總體較為合理，符合流域治理的實(shí)際特點(diǎn)。

2.4 評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)矩陣分析

在各評估指標(biāo)組合權(quán)重分析的基礎(chǔ)上，對各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，確定評估指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)矩陣，分析結(jié)果見表4。

從3個(gè)典型小流域生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)矩陣分析結(jié)果可看出，不同指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度差異較小，對于駱駝山小流域治理工程而言，其關(guān)聯(lián)度最高的指標(biāo)分別為種植業(yè)產(chǎn)出比例和林地草地覆蓋比例，關(guān)聯(lián)度為0.8532，此外土壤侵蝕模數(shù)和種植業(yè)產(chǎn)出比例指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度也可達(dá)0.8294，其他指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度總體低于0.5。對于莫古溝小流域而言，其同樣關(guān)聯(lián)度最高的指標(biāo)分別為種植業(yè)產(chǎn)出比例和林地草地覆蓋比例，關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.9087，土壤侵蝕模數(shù)和種植業(yè)產(chǎn)出比例指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度也達(dá)到0.6528，具有較好的關(guān)聯(lián)度。從安杖子小流域治理工程各生態(tài)效益評估指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度可看出，各指標(biāo)中環(huán)境人口容納量和種植業(yè)產(chǎn)出比例具有較高的關(guān)聯(lián)度.達(dá)到0.8763，種植業(yè)產(chǎn)出比例較大情況下其環(huán)境人口容納量也相對較高。

2.5 生態(tài)效益綜合評估結(jié)果

在確定3個(gè)典型小流域生態(tài)效益綜合評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)矩陣后，結(jié)合式(11)對各典型聯(lián)系指標(biāo)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，并計(jì)算其生態(tài)效益評估值，各典型小流域治理工程生態(tài)效益綜合評估結(jié)果見表5。

表5 3個(gè)典型小流域生態(tài)效益綜合評估結(jié)果

從3個(gè)典型小流域生態(tài)效益綜合評估結(jié)果可看出，駱駝山小流域治理工程各單指標(biāo)生態(tài)效益評估值在0.2040～0.4953之間，水土流失治理率指標(biāo)的生態(tài)效益評估值最高，其次為土壤侵蝕模數(shù)，經(jīng)評估其生態(tài)效益綜合評價(jià)值為1.5740，莫古溝小流域治理工程各單指標(biāo)生態(tài)效益評估值在0.2131～0.5178之間，土壤侵蝕模數(shù)指標(biāo)的生態(tài)效益評估值要高于其他指標(biāo)，其生態(tài)效益綜合評估值為1.1786。安杖子小流域治理工程各單指標(biāo)生態(tài)效益評估值在0.1920～0.5388之間，和其他兩個(gè)小流域治理工程具有一致性，土壤侵蝕模數(shù)指標(biāo)的生態(tài)效益評估值最大，其生態(tài)效益綜合評價(jià)值為1.6430。通過調(diào)研分析，對于小流域治理工程生態(tài)效益評價(jià)而言，當(dāng)生態(tài)效益綜合評估值在0～0.5之內(nèi)，其生態(tài)效益低，當(dāng)評估值在0.5～1.0之間，其生態(tài)效益較低，當(dāng)評估值在1.0～1.5之間，其生態(tài)效益較高，當(dāng)評估值高于1.5，其生態(tài)效益高，通過分析，莫古溝小流域治理工程生態(tài)效益較高，而駱駝山和安杖子小流域治理工程生態(tài)效益高。

3 結(jié)論

(1)在采用AHM-關(guān)聯(lián)分析模型對小流域治理工程生態(tài)效益進(jìn)行綜合評估時(shí)，其評估指標(biāo)理論權(quán)重和經(jīng)驗(yàn)權(quán)重之間差異不能過大，建議理論權(quán)重和經(jīng)驗(yàn)權(quán)重差值控制在±0.05以內(nèi)，從而保證指標(biāo)權(quán)重取值的客觀性。

(2)土壤侵蝕模數(shù)和種植業(yè)產(chǎn)出比例指標(biāo)對小流域治理工程生態(tài)綜合效益影響較為明顯，其指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度應(yīng)控制在0.8以上。

(3)本文選取的生態(tài)效益指標(biāo)未能考慮流域水質(zhì)影響，在后續(xù)研究中應(yīng)針對生態(tài)清潔小流域的功能特點(diǎn)，補(bǔ)充完善水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合評估。