1、第37卷第6期 2015年6月 人民黄河 YELLOW RIVER Vo137No6 Jun，2015 【水土保持】 树儿梁小流域综合治理效益评价 赵振亚，姬宝霖，宋小园，许 可 (内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特010018) 摘要：将突变理论和模糊数学相结合产生的一种新方法突变级数法，应用于黄土丘陵沟壑区树儿梁小流域综合治 理效益评价中。针对评价效益偏高的问题，通过数值转化方法将其转化为绝对意义下的评价值。结果表明：改进后的 突变级数法与模糊综合评价法所得结果基本一致，说明了此方法合理可行。与传统方法相比，改进后的突变级数法具有 3个优点：一是不需要确定权重，只需要确定各指标的重要程度，减少
2、了人为的主观性；二是计算量小，便于应用；三是模 型应用相对简单，不需要理解特殊的内部机理。大量淤地坝的建设等生态恢复响应措施的实施使生态环境得以改善， 其中生态效益提升最为明显，生态效益评价得分由4提高到了79。综合效益评价得分由10提高到了65，评价等级从 差变为中。说明退耕还林(草)等治理措施的实施使树儿梁小流域坡面径流得到有效控制，在一定程度上减少了土壤侵 蚀，这些治理措施作为一种政策驱动力，同时也作为生态恢复响应措施，极大地促进了研究区环境、社会和经济的协同 发展。 关键词：水土保持；小流域评价；突变级数法；综合治理；黄土丘陵沟壑区 中图分类号：$157 文献标志码：A doi：103
3、969jissn1000 1379201506018 黄土高原是我国水土流失治理的重点地区，黄土 丘陵沟壑区又因其特殊的地貌及人类活动而成为全球 水土流失最严重的区域。严重的水土流失导致生态环 境恶化、耕地面积减少、土地生产力下降、生物多样性 丧失，制约着当地社会经济的发展。 自20世纪8O年代以来，以小流域为单元进行综 合治理已经成为各国治理水土流失的主要形式。为了 掌握小流域生态、经济和社会系统的变化发展过程以 及治理取得的成效，需要对小流域综合治理进行效益 评价。国内小流域综合评价的目标、指标体系和模型 框架主要集中在4个方面：以生态、社会和经济三大 效益为目标的评价方法和模型；压力一状
4、态一响应 模型；生态足迹方法；能值分析法 J。笔者采用 以生态、社会和经济三大效益为目标的评价方法和模 型，运用突变级数法对黄土丘陵沟壑区的典型区 域树儿梁小流域综合治理效益进行评价。 1研究区概况 树儿梁小流域属于黄土丘陵沟壑区第一副区，地 质构造较为简单，第四系地层分布较广，属典型的黄土 丘陵沟壑地貌，土壤主要为灰褐土。流域内地貌表现 为山高坡陡、梁峁起伏，5。以上的坡面占总面积的 927，地势为东高西低。截至2002年底，流域林草 面积达到1 325 hm ，林草覆盖度为121。流域涉及 2县3乡，人口密度487人km 。流域总土地面积 10 966 hm ，农、林、牧用地比例为10：0
5、2：003，土地 利用不合理，生态环境恶化，耕地总体质量差 J。 2003年，树儿梁小流域成为国家发展与改革委员 会在黄土高原七省小流域重点治理对象之一。经过综 合治理，包括基本农田建设、生物措施、坝系工程建设 及部分水土流失严重的坡耕地退耕还林(草)，使水土 流失危害有所减轻。截至2006年底，新增骨干坝18 座、中型淤地坝25座、小型淤地坝20座。树儿梁小流 域2002年和2006年监测结果见表1 (分别采用升 降半梯形公式对各指标进行标准化。其中拦沙率、林草 覆盖率、人均纯收入、劳动生产率、土地生产率、资金产 投比、农产品商品率、人均基本农田、人均产量按照升半 梯形函数计算，侵蚀模数按照
6、降半梯形函数计算)。 2研究方法 21突变理论 突变理论是由法国数学家雷内托姆(Rene Thom) 于1972年提出的。它基于拓扑动力学、分 叉理论、奇异性理论及结构稳定性等数学理论，专门研 究自然界中的不连续变化和突变现象，被誉为“微积 分以后数学的一次革命”_l卜 J。突变理论的本质为 揭示自然界中事物的质变方式如何依赖条件变化的。 目前所讲的突变理论一般是指托姆对非连续变化特征 通过数学推导得出的自然界7种突变形式，其中常用 的有4种(见表2) j。 收稿日期：201409-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50469001)。 作者简介：赵振亚(1987一)，男，山东临沂人，
7、博士研究生，研 究方向为农业水土环境。 通信作者：姬宝霖(1956一)，男，内蒙古达拉特旗人，教授，博 士生导师，从事农业水土环境研究工作。 Email：13904713097139com 67 人民黄河2015年第6期 表2 常用突变模型的归一公式及其模型示意 注：u、 、W、t为系统控制变量； 、 、 为各控制变量相应的突变 级数值 22归一公式的导出 尖点突变模型的势函数为厂( )= + + ，由 -厂( )和 ( )消去 ，可得到分歧方程8“ +27v =0。 还可写成分解形式的分歧方程u=一6x ， ：8x。；变形 r 3 r一 可得到 = ， =詈。都兴富 已经证明了 根号内u、
8、的放大或缩小，不会改变 、 的程度，于 是可转化为 = ， = 。 23评价步骤 (2)用隶属度函数将底层指标(即控制变量)进行 归一化，遵循“越大越好”原则。 (3)应用归一公式从底层指标开始进行综合量化 递归运算，得到系统总突变隶属函数值，遵循“互补” “非互补”原则。 3树儿梁小流域综合治理效益评价 31评价指标体系的构建 小流域水土流失治理综合效益分析与评价是一个 多因素、多目标、多指标的系统评价问题。根据树儿梁 小流域综合治理模式和特点，构建10个能反映水土保 持生态系统结构功能效益的小流域综合治理评价指标 (见图1)。运用文献9中的层次分析法计算权重， 得出各层次指标权重的重要性排
9、序为：第一层次，经 济效益生态效益社会效益；第二层次，人均纯收 入土地生产率资金产投比劳动生产率，土壤侵 蚀模数林草覆盖率拦沙率，人均基本农田农产 品商品率人均产粮。在底层指标中，指标的重要性 从左到右排列。 (1)按照系统的内在作用机理，构建评价指标体系。 A(综合效益) 曰l(经济效益) B2(生态效益) B3(社会效益) CI(人 均纯 收入) c2(土 地生 产率) c3(资C4(劳 c5(土C6(林 C7(拦 c8(人 C9(农 c(10 金产 动生 壤侵草覆 沙率) 均基 产品 人均 投比)产率) 蚀模盖率) 本农 商品 产粮) 数) 田) 率) 图1评价指标体系 32运用归一公式
10、进行隶属度计算 通过各模型的归一公式计算各指标的隶属度，对 68 2002年树儿梁小流域进行评价。 XB1=( + + + )4=0622 1 人民黄河2015年第6期 =( c5+ c6+ c7)3=0296 1 XB3=(xc8+,Txc9+Txc1o)3=0459 9 =(x口1+ +,Tx )3=0759 6 对树儿梁小流域2002年的监测结果综合评价值 为076，经济效益为062，生态效益为030，社会效益 为046；同理，可计算出2006年的综合评价值为 095，经济效益为084，生态效益为093，社会效益为 082。 需要指出的是，突变级数法应用于小流域综合治 理效益评价所得的评
11、价指标值不具有实际意义，这是 由突变级数法的归一公式本身的性质决定的。笔者建 立了一个突变评价值与控制变量隶属度之间的对应关 系，可把突变评价指标值转化为具有绝对意义的评价 指标值。 33突变级数法评价指标值的转化 在评价指标体系中，赋予底层指标一个相同的隶 属度值。鉴于隶属度是有优劣概念的，通过对底层指 标的隶属度值进行递归运算，可以得到总的突变评价 值。评价指标体系中的每个突变评价指标转化关系是 不一样的，其对应值见表3。由表3中 的转化关 系，可以得出2002年的综合效益评价值为010，经济 效益为021，生态效益为004，社会效益为010；2006 年的综合效益评价值为065，经济效益
12、为063，生态 效益为079，社会效益为059。将效益值转化为百分 制，并应用小流域综合效益等级划分标准(见表4) 对其进行优劣划分，结果见表5。 表3 y对应关系 Y Y Y 0 0 O15 O8O 065 O95 005 O71 O2O 082 070 096 O1O 076 060 O92 O80 097 表4效益评价等级划分 评价方法年份经济效益生态效益社会效益 综合效益 改进的突2002 21(差)4(差) 10(差) 1O(差) 变级数法2006 63(中) 79(中) 6O(中) 65(中) 模糊综合2002 36(差) 2(差) l3(差) 21(差) 平价法 2006 68(
13、中) 76(中) 6l(中) 69(中) 与文献9中的模糊综合评价法进行对比(见表 5)，可以看出改进的突变级数法得出的结果与模糊综 合评价法基本一致，说明此方法的可行性和合理性。 改进的突变级数法具有3个优点：一是不需要确定权 重，只需要确定各指标的重要程度，减少了人为的主观 性；二是计算量小，便于应用；三是模型应用相对简单， 不需要理解特殊的内部机理。 4结语 突变级数法应用于小流域综合治理评价有两个数 学理论支撑：一个是归一公式，它是由托姆的突变理论 的分歧方程推导得到的；另一个是模糊数学的隶属函 数，它把控制变量的值转化为01，这也是归一公式 应用的前提条件。将改进后的突变级数法应用于
14、小流 域综合治理评价，并以树儿梁小流域为实证研究对象， 得到以下结论。 (1)改进后的突变级数法评价得出的结论与模糊 综合评价法的结论一致，说明了改进的突变级数法应 用于小流域评价的合理性和可行性。 (2)由改进的突变级数法评价结果可以得出，树 儿梁小流域经济效益评价得分提升了42，生态效益得 分提升了75、社会效益得分提升了50。提升最为明显 的是生态效益，原因是淤地坝建设等生态恢复响应措 施促进了生态环境的改善。 (3)经过4 a水土保持治理措施的实施，树儿梁小 流域综合治理效益评价得分从10提升到了65，等级 由差变为中。说明退耕还林(草)等治理措施的实施 使树儿梁小流域坡面径流得到有效
15、控制，一定程度上 减少了土壤侵蚀。这些治理措施作为一种政策驱动 力，同时也作为生态恢复响应措施，极大地促进了研究 区环境、社会和经济的协同发展。 参考文献： 1蔡国军，张仁陟，柴春山安家沟小流域综合治理效益评 价J草业学报，2009，18(6)：2330 2 曹波基于Rs和GIS的小流域综合治理效益评价D 北京：北京林业大学，2011 3 陈渠昌，张如生水土保持综合效益定量分析方法及指标 体系研究J中国水利水电科学研究院学报，2007，5 (2)：95104 4董仁才，余丽军小流域综合治理效益评价的新思路J 中国水土保持，2008(11)：2224 5 侯建才，李占斌，李勉黄土高原丘陵沟壑区一
16、副区小流 域淤地坝系效益分析J水土保持研究，2007，14(2)： 3536 6何兴照，梁剑辉小流域综合评价方法和模型M北京： 中国计划出版社，2008 7 李霞，化相国，焦一之，等遥感技术在小流域规划治理中 69 人民黄河2015年第6期 的应用研究J水土保持研究，2014，21(4)：127130 8 王礼先小流域综合治理的概念与原则J中国水土保 持，2006(2)：16一l7 9 杜峰黄土丘陵沟壑区小流域综合治理效益评价研究 D杨凌：西北农林科技大学，2012 10雷内托姆(Rene Thom)结构稳定性与形态发生学 M成都：四川教育出版社，1992 1 1POSTON T，IAN St
17、ewantCatastrophe Theory and Appli cationMLord：Pitman，1978 12何平，赵子都突变理论及其应用M大连：大连理工 大学出版社，1989 13 冯平，李绍飞，李建柱基于突变理论的地下水环境风险 评价J自然灾害学报，2008，17(2)：1318 14张端梅，梁秀娟，李钦伟，等基于突变理论的吉林西部 灌区地下水环境风险评价J农业机械学报，2013，44 15 16 17 18 19 【1)：951130 李绍飞，孙书洪，王向余突变理论在海河流域地下水环 境风险评价中的作用J水利学报，2007，38(11)： 13121317 张先起，彭小飞，范瑞
18、祺基于突变分级模型的淤地坝坝 系规划方案优选J排灌机械工程学报，2013，31(7)： 586591 梁洪涛，康凤举，翟楠楠基于突变理论与梯形模糊数的 海洋视景仿真逼真度综合评定J江苏大学学报：自然 科学版，2014，35(1)：5055 史志富，张安，刘海燕，等基于突变理论与模糊集的复 杂系统多准则决策J系统工程与电子技术，2006，28 (7)：10101013 都兴富突变理论在经济领域的应用(下册)M成 都：电子科技大学出版社，1994 Comprehensive Benefits Evaluation of Shuerliang Small Watershed of the Gulli
19、ed Rolling Loess Area ZHAO Zhenya，JI Baolin，SONG Xiaoyuan，XU Ke (Inner Mongolia Agricultural University，hohhot 010018，China) Abstract：Combining with the catastrophe theory and fuzzy mathematics，a new method of toproduce the catastrophe progression method was produced and applied to the benefit evalu
20、ation of comprehensive management of Shuerliang small watershed in the gullied rolling loess area Aiming to the evaluation problem of higher result，it was transformed into absolute evaluation values by using numerical transformation meth odThe results show that a)the improved catastrophe progression
21、 method and fuzzy comprehensive evaluation method are consistent with the results，to illustrate the rationality and feasibility of this methodComparing with the traditional method，this method has 3 advantages：first ly，it is to determine the weight，only need to determine the impoance of each index，re
22、ducing the subjectivity；secondly，it is a small a mount of calculation，easy to use；thirdly，it is about the application of the model is relatively simple，do not need to know the internal mech anism of specia1b)The large quantity of warping dams construction of ecological restoration measures of the im
23、plementation of response to the ecological environment can be improved，which is the most obvious improvement of ecological benefit，ecological benefit evaluation index is increased from 4 to 79C)The comprehensive benefit evaluation index is increased from 10 to 65，while the evaluation class is from w
24、orse to mediumIt shows that the implemented measures of returning farmland to forest(grass)have effectively controlled the slope surface run off，which reduces the erosion effect to a certain extentAs a policy driven and a response to the ecological rehabilitation measures，these measures greatly promote the harmonious development of regional environment，society and economy Key words：soil and water conservation；evaluation of small watershed；mutation progression method；comprehensive treatment；gullied roll ing loess area 【责任编辑张华兴】 70
