陜西省丹漢江流域重點水土保持工程適宜性評價

張秦嶺，李占斌，王 星

(1 西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048；2 陜西省水土保持局，陜西 西安 710004)

水土保持措施的適宜性即措施的采納程度，受多種因素的影響[1-2]。水土保持措施的適宜性評價是水土保持基礎理論研究的重要內容之一。系統分析不同水土保持措施的防治機制和適宜條件，弄清各種措施的效益，對于豐富水土保持措施的理論知識具有十分重要的意義。水土保持措施的適宜性評價也是小流域水土保持措施優化配置的基礎，可以為水土保持規劃和土地利用規劃提供科學依據，對確保區域生態安全、促進社會經濟發展具有重要的現實意義。目前，針對水土保持適宜性評價方面的研究，主要是通過分析水土保持措施的效應來評價其好壞；或者通過水土保持措施的采納程度及其保存率，以及小流域水土保持措施的優化配置，來間接探討水土保持措施的適應性[3-4]。這些研究主要存在2點不足：一是水土保持適宜性的理論尚有欠缺，目前僅見對措施適宜性的定性分析和描述，還無較為系統的適宜性評價理論；二是水土保持適宜性評價研究成果明顯不足，特別是水土保持的區域適宜性研究尚不多見。

水土保持綜合評價指標體系是在對大量信息進行綜合的基礎上全面建立的包括社會經濟和資源環境在內的指標體系，以全面表征流域生態系統的主要特征。水土保持的適宜性評價一般通過對典型區域的詳查，從水土資源、生態與環境、經濟發展等方面構建水土保持綜合評價指標體系；然后根據建立的評價指標體系，量化各項指標，對各層次指標的權重進行賦值；最后對典型區域的水土保持情況進行綜合評價[5]。長期以來，我國的水土保持作為一項社會公益事業，其投資和實施主體以國家為主，絕大部分投資為國家投資，其中又以中央投資為主，同時發動群眾積極參與[6]，能夠大規模實施并且產生顯著效益的主要是國家重點水土保持工程。在水土保持措施中能夠產生明顯生態效益和經濟效益的主要是坡改梯、造林種草等坡面治理措施。因此，在水土保持工程適宜性評價中應加大中央投資和坡面治理措施的權重。

目前用于水土保持適宜性評價的方法較多，有學者用成因分析法和對比分析法對研究區域進行了水土保持效應的估算[7]。有學者用決策模型和成本-效益分析等方法對水土保持措施采納程度的影響因素進行了定量分析[8]。有學者提出“雙套對偶評價指標體系”,構建“求-供”指標體系和“產-望”指標體系[4]。有學者采用層次分析法對縣域水土保持治理措施進行了適宜性評價[9]。

在陜西省丹漢江流域長期的水土保持實踐中，形成了以工程措施、生物措施和耕作措施為主，以山、水、田、林、路等綜合配套的小流域治理體系，取得了顯著的生態效益、經濟效益和社會效益。本研究以20世紀80年代以來陜西省丹漢江流域實施的國家重點水土保持工程為研究對象，分析各時期水土保持工程的動態變化，分別采用層次分析法和主成分分析法，對水土保持工程的適宜性進行評價，并對2種方法評價的結果進行比較，以期為進一步開展丹漢江流域水土保持工程建設提供科學的決策依據。

1 丹漢江流域重點水土保持工程的完成情況

1989-2010年，陜西省丹漢江流域先后實施了長江上中游水土保持重點防治工程(簡稱“長治”工程)1～7期項目(編號為C1～C7)及丹江口庫區和上游水土保持工程(簡稱“丹治”工程)1期項目(編號為D1)。為了防止重復投資，“長治”工程和“丹治”工程各時期項目在實施過程中小流域范圍不得重疊，各時期的治理思路基本一致，主要包括綜合治理措施(坡面整治、溝道防護、水土保持林草、疏溪固堤、治塘筑堰等)和生態修復措施(封育管護、能源替代、舍飼養畜畜棚等)。

陜西省丹漢江流域各時期重點水土保持工程的完成情況見表1。從表1可以看出，20世紀80年代以來，陜西省丹漢江流域水土保持工程的實施范圍逐漸擴大，由“長治”1期的3個縣擴大到“丹治”1期的24個縣；小流域條數逐漸增加，由“長治”1期的7條增加到“丹治”1期的348條；單位面積總投資呈增加趨勢，由“長治”1期的5.09萬元/km2提高到“丹治”1期的24.94萬元/km2，在“長治”5期達到最大值34萬元/km2；單位面積中央投資逐漸增加，由“長治”1期的0.8萬元/km2增加到“丹治”1期的13.45萬元/km2，提高了15.8倍；中央投資比例逐漸增加，由“長治”1期的15.8%提高到“丹治”1期的53.9%。

由于每一期工程的建設規模不同，社會經濟情況、治理措施、完成投資和治理效益也不同。隨著工程實施時期的延伸，增加的人均基本農田和經果林面積略有減少，但糧食單位面積產量和農業人均純收入卻大幅提高，說明治理措施的質量提高。蓄水池(窖)、谷坊、溝渠等小型水利水保工程數量明顯增加，說明工程建設中更加重視農田基本建設的配套措施，農業生產條件得到改善。年攔蓄泥沙量、年攔蓄徑流量、糧食增產量、經濟林果增產量均呈增加趨勢，說明工程的效益逐漸顯著。

表1 丹漢江流域各時期重點水土保持工程的完成情況

續表1 Continued table 1

2 水土保持工程適宜性評價指標體系

水土保持綜合評價指標體系包括社會經濟指標和資源環境指標，是對大量信息的綜合，應能全面表征流域生態系統的主要特征。一般采用典型區域水土流失詳查，從水土資源、生態與環境、經濟發展等方面構建水土保持綜合評價指標體系[8]。本研究根據陜西省丹漢江流域生態環境和水土保持工程實施的實際情況，結合已有研究成果[10-12]，選取24個評價指標，建立丹漢江流域水土保持工程適宜性評價指標體系。該評價指標體系的準則層由4個一級指標構成，即社會經濟情況、治理措施、完成投資和治理效益，每個一級指標又各自包含幾個最能反映其內涵的二級指標，具體如表2所示。

表2 丹漢江流域水土保持工程適宜性評價的指標體系

3 基于層次分析法的水土保持工程適宜性評價

用層次分析法進行系統分析時，首先需將問題層次化，形成一個多層次的分析結構模型；然后通過專家獨立打分，求平均(去掉最小值和最大值)分值，確定準則層和指標層的權重；最后構造判斷矩陣，進行排序與一致性檢驗，排序結果滿足一致性檢驗要求，得出判斷矩陣及運算結果，如表3所示。由表3可知，4個準則層的權重排名是：治理措施(U2)>完成投資(U3)>治理效益(U4)>社會經濟情況(U1)。社會經濟情況中權重最大的是農業人均增加純收入(M6)，治理措施中權重最大的是水土流失治理面積(M8)，完成投資中權重最大的是中央投資(M19)，治理效益中權重最大的是年攔蓄泥沙量(M20)。所有24個指標中權重排名前3位的分別是中央投資(M19)、水土流失治理面積(M8)和坡改梯面積(M9)。

表3 丹漢江流域水土保持工程適宜性評價指標體系的權重排序

指標在各時期工程實施過程中的隸屬度為某一評價指標在某一時期的數值占該指標總和的比例。丹漢江流域不同時期水土保持工程各項評價指標的隸屬度值見表4。

獲得了各評價指標的權重和隸屬度值之后，按照層次分析法，將各適宜性評價指標的權重值進行加權組合，按下式計算各時期水土保持工程適宜性的綜合評價分值(EI)。

式中：EI為評價指標的綜合評價分值，Wi為第i個指標的權重，Fi為第i個指標的隸屬度值[10]。

利用得到的各時期水土保持工程適宜性綜合評價分值對“長治”1～7期工程和 “丹治”1期工程的適宜性進行分析，結果見表5。從表5可以看出，從“長治”工程1期到7期，綜合評價分值EI一直呈波動變化，其中“長治”工程3期EI值最大，“長治”工程6期EI值最小。2007年啟動實施的“丹治”1期工程由于其治理范圍廣、投資量大、效益顯著，EI值急劇提高，是“長治”工程3期的3.6倍，顯示該工程具有較強的適宜性。

表4 丹漢江流域不同時期水土保持工程各評價指標的隸屬度值

表5 丹漢江流域不同時期水土保持工程適宜性綜合評價分值(EI)的計算結果

4 基于主成分分析法的水土保持工程適宜性評價

主成分分析法的主要步驟是：(1)根據研究問題選取指標與數據；(2)指標數據標準化，采用SPSS軟件(社會科學統計軟件包)自動執行[13]；(3)判定指標之間的相關性；(4)確定主成分個數；(5)主成分表達式；(6)主成分命名；(7)計算主成分與綜合主成分(評價)值[14]。本研究首先在表1和表2中選取8個樣本，即從“長治”1期到“丹治”1期的每個樣本中選取24個變量指標，構成1個8×24階的數據矩陣。然后對數據進行標準化，即消除量綱的影響，統一成無量綱的數據。最后利用極差標準化方法，在SPSS軟件中進行標準化，得到標準化后的矩陣轉置，如表6所示。利用表6的結果，求得標準化后的相關關系矩陣見表7。

表6 基于主成分分析法的丹漢江流域水土保持工程適宜性評價指標的矩陣轉置

表7 丹漢江流域水土保持工程適宜性評價指標的相關關系矩陣

續表7 Continued table 7

然后，計算主成分貢獻率及累計貢獻率，分析結果見表8。

表8 丹漢江流域水土保持工程適宜性評價中主成分的方差分析

選取表8中初始特征值大于1的4個成分(成分1、成分2、成分3、成分4)為主成分。根據主成分分析原理，用雅可比法(Jacobi)[15]求出特征值及對應于特征值的特征向量，并將其按大小順序排列。4個主成分的特征向量見表9。

表9 丹漢江流域水土保持工程適宜性評價中各主成分的特征向量

由主成分分析法原理，加權計算出各主成分以及綜合成分的得分矩陣，結果見表10。

表10 丹漢江流域水土保持工程適宜性評價中各主成分和綜合成分的得分矩陣

比較表5和表10可見,用層次分析法和主成分分析法對陜西省丹漢江流域重點水土保持工程的適宜性評價結果中，除了“長治”2期和“長治”4期的排名略有差異外，其余工程的結果基本一致，說明本研究的評價結果較為合理。

5 結 論

本研究采用層次分析法和主成分分析法，對陜西省丹漢江流域重點水土保持工程的適宜性進行了評價，結果表明，目前已經完成的陜西省丹漢江流域水土保持工程中，適宜性評價指標權重排名前3位的分別是中央投資、水土流失治理面積和坡改梯面積。從“長治”工程1期到7期，適宜性綜合評價分值一直呈波動變化，到“丹治”1期工程時急劇提高，顯示“丹治”1期工程具有較強的適宜性，且利用層次分析法和主成分分析法得到的評價結果基本一致。

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