于坤霞,白璐璐,李占斌,2,張曉明,孫 倩,方錦麗,解 剛,李 鵬,靳 濤

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710048,西安;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,712100,陜西楊凌;3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100048,北京;4.城固縣水土保持工作站,723200,陜西漢中)

水土保持的生態(tài)效益評(píng)價(jià)是對(duì)建設(shè)項(xiàng)目所使用的水土保持具體措施的效益評(píng)價(jià),是水土保持工程技術(shù)方案及其措施可行性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[13]。高速公路的大規(guī)模建設(shè)[45],給當(dāng)?shù)爻鞘泻瓦B同城市的沿線地區(qū)帶來(lái)不可忽視的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng);但是其建設(shè)周期長(zhǎng)、規(guī)模大、環(huán)境復(fù)雜、結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜的工程特點(diǎn),導(dǎo)致工程在修建前期和施工期間對(duì)其沿線的生態(tài)環(huán)境有著不容忽視的負(fù)面影響,主要是對(duì)地形地貌、土壤、水文、植被和生物資源等方面的影響。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)公路建設(shè)造成的環(huán)境影響進(jìn)行了許多研究。S.C.Trombulak等[6]研究了道路建設(shè)對(duì)于陸地與水生態(tài)系統(tǒng)的影響,總結(jié)了公路建設(shè)的影響性。J.Siskos等[7]采用多準(zhǔn)則數(shù)學(xué)模型,從保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā),通過(guò)實(shí)現(xiàn)考察,確定了在法國(guó)2城市建設(shè)高速公路最終方案,并且劃分生態(tài)相似區(qū),然后通過(guò)線性規(guī)劃的方法進(jìn)行評(píng)估和比較。國(guó)內(nèi)對(duì)高速公路建成后的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究工作近幾年才開(kāi)始,但已有不少學(xué)者投入到生態(tài)評(píng)價(jià)的研究當(dāng)中,并且已經(jīng)取得了一定的研究成果。例如：林顯鋒等[8]運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)的方法,在公路綠化功能的角度下,運(yùn)用層次分析法建立了評(píng)價(jià)體系,并確定了各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,對(duì)如何建立生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有很大的啟示;康玲玲等[9]在分析總結(jié)已有的水土保持綜合治理效益評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法的基礎(chǔ)上,選取了生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)結(jié)合的3大類指標(biāo),采用層次分析法對(duì)黃土高原典型小流域的效益進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià);姜德文[10]對(duì)前期立項(xiàng)階段的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持損益分析進(jìn)行了系統(tǒng)研究,建立了包含1個(gè)目標(biāo)層、7個(gè)準(zhǔn)則層、29個(gè)指標(biāo)層、51個(gè)變量層的損益分析指標(biāo)體系,并提出了開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失影響指數(shù);李廣濤等[11]通過(guò)廣泛的調(diào)查,結(jié)合國(guó)內(nèi)各個(gè)地區(qū)的實(shí)際情況,總結(jié)了線性生產(chǎn)項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和辦法。

高速公路建設(shè)項(xiàng)目水土流失情況復(fù)雜,具有空間跨度大,擾動(dòng)點(diǎn)較為分散,項(xiàng)目區(qū)地貌類型及水土流失類型多樣化等特點(diǎn)[12],故而決定了線性生產(chǎn)項(xiàng)目防治的復(fù)雜性,因此目前對(duì)于線性生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)效益動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究較少。筆者對(duì)西—商高速公路的各個(gè)工程區(qū)進(jìn)行生態(tài)效益動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià),分為3個(gè)時(shí)期：施工前期、植被恢復(fù)期和建成使用期。施工前期指施工準(zhǔn)備期與施工期,主要是對(duì)監(jiān)測(cè)范圍的地形地貌、地面組成物質(zhì)、植被等基本情況進(jìn)行調(diào)查,分析項(xiàng)目建設(shè)前項(xiàng)目區(qū)的水土流失的背景情況;植被恢復(fù)期是指水土保持措施運(yùn)行時(shí)期;建成使用期是指項(xiàng)目建成已經(jīng)投入生產(chǎn)使用時(shí)期。筆者根據(jù)線性生產(chǎn)項(xiàng)目的特點(diǎn),將理論概念與實(shí)地監(jiān)測(cè)相結(jié)合,計(jì)算得到能夠表征生態(tài)環(huán)境的指標(biāo),對(duì)各時(shí)期的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分析,得到生態(tài)效益指數(shù)值和指標(biāo)的綜合得分情況。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果得出水土保持措施對(duì)沿線生態(tài)修復(fù)作用,提出針對(duì)性的建議。

圖1 西商高速公路及周邊環(huán)境圖Fig.1 Xi′an-Shangluo highway and its surrounding environment map

1 研究區(qū)概況

西商高速公路途經(jīng)西安市灞橋區(qū)、藍(lán)田縣、商洛市商州區(qū)共3區(qū)15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),最終與滬陜高速(G40)相接,地理位置介于 E 109°00′～110°05′,N 33°45′～34°20′之間,東西長(zhǎng)近 100 km,南北寬約 50 km,嶺北(中低地區(qū))屬于黃河流域,嶺南(階地區(qū))屬于長(zhǎng)江流域。起始路段位于西安市灞橋區(qū),屬關(guān)中盆地,地形起伏不大,海拔為480～720 m。灞橋區(qū)以渭河沖積平原為主,包括3個(gè)類型區(qū),其中北部為渭河沖積平原區(qū),東部為低山丘陵區(qū),東南部為臺(tái)塬區(qū)。途徑的秦嶺山地北側(cè)河流平行于渭河,河谷基本上呈現(xiàn)為“V”型或“U”型,坡陡水急,較之前者地形不平整,相對(duì)高差較大。南側(cè)為樹(shù)枝型水系,河谷較北側(cè)寬緩。終點(diǎn)路段位于商州區(qū)的生王村,屬于新生代形成的構(gòu)造盆地,兩側(cè)多為寬闊的河漫灘,也有較少的階地,河流比較彎曲,地形同樣比較開(kāi)口,海拔較西安稍高,一般為600～800 m。沿線及周邊環(huán)境如圖1所示：

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

以GB/T 15774—1995《水土保持綜合治理效益計(jì)算方法》為基礎(chǔ),結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和生態(tài)特點(diǎn),對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和資料的分析、篩選、整理和再加工,從中抽取與線性生產(chǎn)項(xiàng)目生態(tài)效益評(píng)價(jià)相關(guān)的信息,選用具有層次結(jié)構(gòu)、不同量綱的多個(gè)評(píng)價(jià)因子來(lái)建立效益綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)[1314],指標(biāo)體系分為目標(biāo)層(A)、準(zhǔn)則層(B)、變量層(C)3個(gè)層次,如圖2所示。

該工程建設(shè)項(xiàng)目由主線工程(包括路基、橋隧、立交)、沿線附屬設(shè)施工程、臨時(shí)工程(包括沿線施工營(yíng)地、施工便道等)、取料場(chǎng)和棄渣場(chǎng)5部分組成。結(jié)合生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)資料,篩選與確定水土保持生態(tài)效應(yīng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。按照相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范,對(duì)氣候、水文、土壤、植被、水土流失等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)開(kāi)展實(shí)地觀測(cè)。根據(jù)實(shí)際情況,測(cè)量并計(jì)算調(diào)水(C1、C2、C3、C4、C5)、保土(C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12)、空氣質(zhì)量(C13)、植被恢復(fù)(C14、C15)的水土保持生態(tài)效益指標(biāo)數(shù)據(jù)。其中：C1為工程區(qū)單位面積上單位時(shí)間所產(chǎn)生的徑流量;C2為工程區(qū)總面積的攔蓄總量;C3為項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi)收集的雨洪使用量占收集雨洪總量的比例;C4為項(xiàng)目防治責(zé)任范圍內(nèi)所有排水量,也就是項(xiàng)目區(qū)雨水調(diào)蓄利用多余排出項(xiàng)目區(qū)之外水量總和;C5為項(xiàng)目區(qū)內(nèi)不透水材料硬化地面面積與外環(huán)境總面積的比例;C6為單位面積和單位時(shí)段內(nèi)的土壤侵蝕量;C7為項(xiàng)目建設(shè)區(qū)內(nèi)擾動(dòng)土地的整治面積占擾動(dòng)土地總面積的比例;C8為項(xiàng)目區(qū)容許土壤流失量與治理后土壤侵蝕強(qiáng)度的比例;C9為采取措施后實(shí)際攔擋的棄土(石、渣)與棄土(石、渣)的總量的比例;C10為項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi)填土石方量占挖土石方量的百分比;C11為項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi)剝離表土的利用量占總量的比例;C12為項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi)調(diào)蓄措施中單位體積渾水中所含泥沙的數(shù)量;C13為相同條件下,單位面積無(wú)植物措施滯塵量與有植物措施后滯塵量之比;C14為林草植被面積與可恢復(fù)林草植被面積的比例;C15為林草植被面積與項(xiàng)目建設(shè)區(qū)總面積的比例。

在所建立的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,為了應(yīng)用于評(píng)價(jià)模型,需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化[15],計(jì)算其隸屬度,將其實(shí)際量值轉(zhuǎn)化為0～1區(qū)間上的量綱為1數(shù)值進(jìn)行模型計(jì)算,本文效益指標(biāo)的隸屬度值是根據(jù)極優(yōu)模型計(jì)算得到。屬于極大最優(yōu)的指標(biāo)有 C2、C3、C7、C8、C9、C10、C11、C13、C14、C15,屬于適中最優(yōu)的為C1,屬于極小最優(yōu)的指標(biāo)有 C4、C5、C6、C12。

圖2 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持生態(tài)效益動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Dynamic evaluation index system of soil and water conservation ecological benefit of production and construction project

3 研究方法

從綜合評(píng)價(jià)體系可以看出高速公路建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)效益評(píng)價(jià)具有多因素、多準(zhǔn)則的特點(diǎn),因此構(gòu)建綜合效益評(píng)價(jià)模型,引入主成分分析法和層次分析法,運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合得分計(jì)算,在主成分分析的基礎(chǔ)上結(jié)合層次分析法計(jì)算出各個(gè)階段的評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

3.1 主成分分析綜合得分評(píng)價(jià)

主成分分析也稱主分量分析[1618],主要包括主成分提取和綜合得分計(jì)算。主成分提取指將n維特征映射到k維上(k＜n),k維是全新的正交特征,通過(guò)這種方式得到能反映絕大多數(shù)信息的主成分,綜合得分模型中的系數(shù)是通過(guò)主成分的方差貢獻(xiàn)率與線性組合系數(shù)的加權(quán)平均值來(lái)計(jì)算。本文效益指標(biāo)的權(quán)重分析是通過(guò)主成分分析法計(jì)算得到綜合得分來(lái)說(shuō)明的,綜合得分越高說(shuō)明該指標(biāo)所占的權(quán)重越大。

3.2 層次分析法的權(quán)重確定

層次分析法[1921]計(jì)算權(quán)重的步驟如下：1)根據(jù)已構(gòu)建好的指標(biāo)體系,構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣;2)進(jìn)行層次單排序及一致性檢驗(yàn);3)層次總排序及一致性檢驗(yàn);4)得到各指標(biāo)的權(quán)重。在生態(tài)效益評(píng)價(jià)模型中,指標(biāo)權(quán)重的合理與否在很大程度上影響綜合評(píng)價(jià)的科學(xué)性和合理性,層次分析法可避免大量指標(biāo)同時(shí)賦權(quán)帶來(lái)的混亂和失誤,從而提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)便性,但是傳統(tǒng)的專家打分法得到的指標(biāo)權(quán)重較為主觀。為了使指標(biāo)滿足排序一致性,將主成分分析和專家打分相結(jié)合,主成分分析得到的綜合得分提供給專家供其參考,根據(jù)專家打分結(jié)果應(yīng)用層次分析法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

3.3 綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

本文以量綱為1的數(shù)——生態(tài)效益指數(shù)[1921]來(lái)衡量生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施所帶來(lái)的效益,并比較同一生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在水土保持不同階段的效益變化情況。生態(tài)效益指數(shù)

式中：Wi為第 i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重;Ri為i指標(biāo)的隸屬度值。

根據(jù)研究,線性生產(chǎn)項(xiàng)目的生態(tài)效益指數(shù)得分的高低與水土保持措施實(shí)施后的恢復(fù)情況呈正相關(guān)關(guān)系,得分越高,治理效益越好,可以把效益分析結(jié)果劃分為5個(gè)不同的等級(jí)及其相對(duì)應(yīng)的生態(tài)效益指數(shù)得分,見(jiàn)表1[19]。

表1 水土保持生態(tài)效益分級(jí)Tab.1 Grading rules of soil and water conservation ecological benefits

表2 各時(shí)期主成分的貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率和特征值Tab.2 Contribution rate,accumulated contribution rate and eigenvalues of main components during various periods

4 結(jié)果與分析

4.1 水土保持生態(tài)效益動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合得分計(jì)算

水土流失防治責(zé)任時(shí)期分為施工前期、自然恢復(fù)期以及建成使用期,首先根據(jù)水土保持監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)提取出各時(shí)期的主成分,然后根據(jù)主成分的特征向量系數(shù)矩陣得到主成分表達(dá)式,計(jì)算出各時(shí)期各指標(biāo)的綜合得分情況,進(jìn)行權(quán)重分析。通過(guò)主成分分析法,分別對(duì)各個(gè)期進(jìn)行主成分提取,各時(shí)期主成分分析成分矩陣如表2所示。

提取特征根大于1,累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%[22]認(rèn)為提取的這個(gè)成分基本可以反映原變量的主要信息,由表2得到施工前期、植被恢復(fù)期和建成使用期分別取1個(gè)主成分、2個(gè)主成分和3個(gè)主成分。根據(jù)提取的主成分,借助SPSS20.0軟件和Excel2016計(jì)算出特征向量矩陣并描述出主成分表達(dá)式,在SPSS20.0數(shù)據(jù)表里面生成Factor數(shù)據(jù),最終計(jì)算各個(gè)時(shí)期生態(tài)效益指數(shù)的綜合得分,并且對(duì)綜合得分進(jìn)行排名。

由各個(gè)時(shí)期的Z表達(dá)式進(jìn)而得出各個(gè)時(shí)期生態(tài)效益指標(biāo)的綜合得分,綜合得分按照以下公式計(jì)算,綜合得分=Z1×1組的方差貢獻(xiàn)率+Z2×2組的方差貢獻(xiàn)率+Z3×3組的貢獻(xiàn)率,計(jì)算出結(jié)果后,對(duì)綜合得分排名如圖3。

圖3 各時(shí)期生態(tài)效益指標(biāo)綜合得分排名Fig.3 Comprehensive scoring of ecological benefit indexes in each period

在圖3中可知線性生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在施工前期生態(tài)效益各評(píng)價(jià)綜合得分排名為：綜合得分最高的指標(biāo)為徑流模數(shù)與排水量,得分為0.577,土壤侵蝕模數(shù)次之。在植被恢復(fù)期生態(tài)效益各評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合得分排名為：土壤侵蝕模數(shù)＞外排水含沙量＞攔蓄量＞排水量＞雨洪利用率＞徑流模數(shù)。土壤侵蝕模數(shù)在植被恢復(fù)期敏綜合得分最高,為0.782,徑流模數(shù)的綜合得分最低,為-0.632。在建成使用期生態(tài)效益各指標(biāo)的綜合得分為：外排水含沙量＞攔渣率＞擾動(dòng)土地整治率＞表土利用率＞硬化地面控制率＞排水量＞攔蓄量＞林草植被恢復(fù)率＞雨洪利用率＞滯塵率＞徑流模數(shù)＞林草覆蓋率＞土壤流失控制比＞土石方利用率＞土壤侵蝕模數(shù)。外排水含沙量在建成使用期綜合得分最高,為0.221,土壤侵蝕模數(shù)的綜合得分最低,為-0.156。

4.2 水土保持生態(tài)效益動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)層次分析法的權(quán)重確定

根據(jù)主成分分析結(jié)果,結(jié)合和專家打分,應(yīng)用層次分析法計(jì)算得到西安—商洛高速公路施工前期、植被恢復(fù)期和建成使用期各生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,如表3所示。

4.3 水土保持生態(tài)效益評(píng)價(jià)`

西安—商洛高速公路施工前期、植被恢復(fù)期和建成使用期中低地區(qū)和階地區(qū)不同項(xiàng)目工程區(qū)生態(tài)效益指數(shù)N計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可知,在施工前期主線工程區(qū)的生態(tài)效益指數(shù)在中低地區(qū)和階地區(qū)分別為0.455和0.487,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于另外2個(gè)時(shí)期的生態(tài)效益指數(shù)值,并處于中等生態(tài)效益等級(jí)。在植被恢復(fù)期,可發(fā)現(xiàn)主線工程區(qū)和沿線附屬工程區(qū)的生態(tài)效益指數(shù)的值分別為 0.748、0.780、0.967、0.762,處于良和優(yōu)的生態(tài)效益等級(jí);但是其他區(qū)域的生態(tài)效益指數(shù)均小于0.2,屬于差的生態(tài)效益等級(jí),主線工程區(qū)和沿線附屬工程區(qū)的防治效果好于其他的分區(qū)。在階地區(qū)具有相似的結(jié)果,但是中低地區(qū)在整體上生態(tài)系統(tǒng)較階地區(qū)略差。在建成使用期,主線工程區(qū)和沿線附屬工程區(qū)的生態(tài)效益得分略有下降,分別是0.578、0.623、0.598、0.637,但是其他區(qū)的生態(tài)效益得分有了明顯的提高,所有的得分均處于良的等級(jí)。

5 結(jié)論

1)對(duì)線性生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目構(gòu)建了水土保持生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,確立了1個(gè)目標(biāo)層、4個(gè)準(zhǔn)則層、15個(gè)變量層,對(duì)變量層的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的確定和參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算,并且進(jìn)行了分析。構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系在一定程度上包含了水圈、土圈、氣圈、生物圈的多個(gè)方面,能夠基本上反映線性生產(chǎn)項(xiàng)目的水土保持生態(tài)效益。

表3 各個(gè)時(shí)期各生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Weight of each ecological benefit evaluation index in each period

表4 水土保持生態(tài)效益指數(shù)NTab.4 Soil and water conservation ecological benefit index N

2)以國(guó)家高速公路G40西安—商洛段工程為例,對(duì)線性生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)運(yùn)用主成分分析進(jìn)行了綜合得分排名,結(jié)果顯示在不同時(shí)期及不用分區(qū)的指標(biāo)權(quán)重綜合得分不同,尤其是在不同的時(shí)期的綜合得分存在較大的差異。在施工前期徑流模數(shù)最強(qiáng),綜合得分為1.732;在植被恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)最強(qiáng),綜合得分為1.592;在建成使用期表土利用率與外排水含沙量最高,分別為0.312和0.320。

3)對(duì)比各工程區(qū)不同時(shí)期各工程區(qū)的效益指數(shù),在植被恢復(fù)期對(duì)于主線工程區(qū)和沿線工程區(qū)的水土保持措施實(shí)施力度大,導(dǎo)致主線工程區(qū)和沿線工程區(qū)的數(shù)值特別高為0.748和0.780,而其他區(qū)域的數(shù)值偏小,應(yīng)加強(qiáng)其他區(qū)域的水土保持工作。不同時(shí)期的生態(tài)效益指數(shù)秦嶺以南地區(qū)大于秦嶺以北地區(qū)的生態(tài)效益指數(shù)值,說(shuō)明中低地區(qū)的水土流失情況較階地區(qū)更為嚴(yán)重,應(yīng)有針對(duì)性地對(duì)中低地區(qū)進(jìn)行更多的水土保持工作。

4)對(duì)于建成使用期,主線工程區(qū)和沿線附屬工程開(kāi)始頻繁使用,不能避免有部分人為破壞的情況發(fā)生,故在主線工程區(qū)和沿線附屬工程區(qū)生態(tài)效益指數(shù)略有下降。以主線工程區(qū)在中低地區(qū)為例,生態(tài)效益指數(shù)由生產(chǎn)前期的0.455先提高到植被恢復(fù)期的0.748,而后在建成使用期數(shù)值略有下降為0.578;但是其生態(tài)效益指數(shù)仍然比施工前期高,大于原生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益指數(shù)。其他區(qū)域人為破壞少,水土保持措施的效果明顯,生態(tài)效益指數(shù)增長(zhǎng)較大,生態(tài)環(huán)境得到了相對(duì)較好的恢復(fù)。