基于模糊层次分析法的环洞庭湖防护林体系建设布局

戴成栋， 柏方敏， 陈朝祖， 徐永新， 杨 楠

(1.湖南省林业厅， 湖南 长沙 410007； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

基于模糊层次分析法的环洞庭湖防护林体系建设布局

戴成栋1， 柏方敏1， 陈朝祖1， 徐永新1， 杨 楠2

(1.湖南省林业厅， 湖南 长沙 410007； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

本文综合考虑环洞庭湖区海拔、土壤类型、土层厚度、土壤有机质、坡度、坡位和植被郁闭度等因素，建立了湖区水土保持多尺度评价指标体系。并采用模糊层次分析法，构建了一种模糊互补判断尺度。此方法应用于环洞庭湖防护林建设的布局规划，验证了其有效性。

模糊层次分析法； 环洞庭湖区； 防护林； 布局

1 模糊层次法的基本原理

1.1 模糊层次分析法(FAHP)简介

层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是美国20世纪70年代出现的一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法，其特点是将人的主观判断过程数学化、思维化，以便使决策依据易于被人接受，因此，更能适合解决复杂的社会科学领域的问题。由于AHP在理论上具有完备性，在结构上具有严谨性，在解决问题上具有简洁性，尤其在解决非结构化决策问题上具有明显的优势，因此在各行各业得到了广泛应用。

层次分析法最大的缺陷是某一层次评价指标很多(如四个以上)时，其思维一致性很难保证。在这种情况下，将模糊法与层次分析法的优势结合起来形成的模糊层次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process, FAHP)，将能很好地解决这一问题。模糊层次分析法FAHP的基本思想和步骤与AHP的步骤基本一致，但仍有以下两方面的不同点[4]：

(1) 建立的判断矩阵不同：AHP是通过元素的两两比较建立判断一致矩阵；而FAHP则通过元素两两比较建立模糊一致判断矩阵；

(2) 求矩阵中各元素相对重要性的权重方法不同。

1.2 模糊层次分析法解决问题的步骤

模糊层次分析法的基本思想是根据多目标评价问题的性质和总目标，把问题本身按层次进行分解，构成一个由下而上的梯阶层次结构。因此在运用AHP决策时，大体上可以分为以下四个步骤[5]。

(1) 分析问题，确定系统中各因素之间的因果关系，对决策问题的各种要素建立多级(多层次)递阶结构模型。

(2) 对同一层次(等级)的要素以上一级的要素为准则进行两两比较，并根据评定尺度确定其相对重要程度，最后据此建立模糊判断矩阵。

随机选取在本院门诊100例患者,并通过随机分组的方式将这些患者分为实验组和观察组,每组患者50例。男性48例,女性52例,年龄21—69岁(>45岁39人,<45岁61人),经比较均无统计学意义。对照组采用一般护理,实验组采用主动护理方式,在病人结束门诊治疗后,对两组患者的医患纠纷发生率进行比较。

(3) 通过一定计算，确定各要素的相对重要度。

(4) 通过综合重要度的计算，对所有的替代方案进行优先排序，从而为决策人选择最优方案提供科学的决策依据。

2 利用模糊层次分析法(FAHP)进行湖区防护林建设规划

2.1 环湖防护林建设的必要性

环洞庭湖区包括岳阳、临湘、云溪、君山、华容、南县、安乡、津市、澧县等地。该区与长江毗邻，地势西高东低，东边属典型的南方红壤丘陵岗地，中间为大面积的平坦肥沃的耕地，西边属低山丘陵区，海拔20～1260m。属中亚热带北部季风湿润气候区，区内热量丰富，雨量充沛。年均降雨量1317～1376mm，雨季集中在4—8月，占全年总雨量的72.3%，为每年洪水泛滥和洪灾多发季节。湘、资、沅、澧四水及淞滋、太平、藕池三口分泄的长江来水都汇入洞庭湖，四水三口年均入湖迳流量达3018亿m3，相当于鄱阳湖的3倍，太湖的10倍[6]。随着长江中上游和洞庭湖区生态系统的破坏，上游和湖区周围各支流地区植被减少，土壤退化，雨水冲刷造成了严重的水土流失。湖区的河床和湖底泥沙过量淤积，蓄水容量降低，洪峰增高，发生溃堤和洪涝灾害的次数增多，严重威胁着湖区800多万人民的生命及财产安全。由于泥沙淤积和围垦，湖泊面积已由原来的6000km2缩小到2691km2，库容180亿m3[7]。

基于湖区严重的水土流失状况，1998年湖南省林业厅启动了以防浪护堤、水土保持为目的的环湖防护林建设工程。

2.2 建立多尺度的湖区水土保持能力评价指标体系

湖区防护林建设与湖区地理位置和土壤、地形特征密不可分。针对湖区及周边地区地理状况进行评估，必须首先构建与水土保持、社会及经济要求相关的评价指标。如表1所示，多尺度的湖区水土保持指标体系是开展防护林建设规划的基础。

表1 湖区水土保持能力评价的多尺度指标Tab.1 Themulti-scaleassessmentsystemofwaterandsoilconservationaroundDongtingLake评价指标内容Assessmentcontent指标数据/类型Indexdateortype指标量化分段赋值Indexquantificationpiecewiseassignment海拔0～50m150～100m2100～150m3>150m4土壤类型红壤1河潮土2冲积土3土层厚度<20cm120～100cm2>100cm3土壤有机质<6%16%～10%210%～20%320%～30%430%～40%5>40%6坡度<5°16°～15°216°～25°3>25°4坡位上1中2下3植被郁闭度<0.310.3～0.52>0.53

2.3 基于FAHP的模糊互补判断尺度

环洞庭湖区防护林建设体系，按功能归类，一般分为水源涵养林、水土保持林和防浪林。为对环湖区防护林建设布局进行科学规划，必须综合考虑湖区海拔、土壤类型、土层厚度、土壤有机质、坡度、坡位和植被郁闭度等与水土保持相关的多尺度指标，进行林地功能布局决策。

在模糊层次分析法中，模糊互补判断矩阵R表示针对上一层某元素，本层次与有关元素之间重要性的比较。本文假定决策C同多尺度指标a1,a2,…,an有联系，其中决策集对应林地的功能类型，指标集由表1多尺度指标体系给定。

如是构造模糊一致判断矩阵：

Ca1a2…ana1r11r12…r1na2r21r22…r2n……………anrn1rn2…rnn

rij的实际意义是：指标ai和指标aj针对于决策C进行比较时，ai和aj具有模糊关系“…比…重要得多”的隶属度。根据这个判断尺度，指标a1,a2,…,an针对于决策C进行比较，可得到如下的模糊判断矩阵：

R具有如下性质：

(1)rii=0.5，i=1,2,…,n；

(2)rij=1-rji，i=1,2,…,n；

j=1,2,…,n;为了确定指标ai相对于aj的重要性，需要建立一种0.1～0.9的模糊判断尺度，如表2所示。

表2 标度0.1～0.9的决策判断尺度Tab.2 Decision-makingjudgementforscale0.1～0.9标度Scale定义Definition说明Interpretation0.5同等重要表示两个指标相比,同等重要0.6稍微重要表示两个指标相比,一指标比另一指标稍微重要0.7明显重要表示两个指标相比,一指标比另一指标明显重要0.8重要得多表示两个指标相比,一指标比另一指标重要得多0.9极端重要表示两个指标相比,一指标比另一指标极端重要0.1,0.2,0.3,0.4反比较若指标ai与指标aj相比较得到判断rij,则指标ai与指标aj相比较得到的判断为rji=1-rij

2.4 基于模糊层次分析法规划湖区防护林布局的实现

根据决策判断尺度，结合各区域地理、地势、土壤、植被等的不同特点及土地利用现状，以山峰和湖面为骨干，行政区域为单元，全面规划。从实际出发，因地制宜，合理调整土地利用结构，在运用AHP决策时，在获取湖区水土保持相关数据的基础上，通过以下四个步骤完成规划。

(1) 分析问题，根据湖区水土保持特点，确定系统中各指标，针对湖区林地布局建立湖区水土保持的多尺度指标体系。

(2) 对同以水土保持为准则对各多尺度指标进行两两比较，构造模糊一致判断矩阵。

(3) 根据评定尺度确定其相对重要程度，建立模糊判断矩阵，确定各要素的相对重要度。

(4) 通过各指标重要度的计算，对所有的指标进行优先排序，从而为决策人选择最优方案提供科学的决策依据。

3 防护林工程的布局

环洞庭湖防护林建设工程于1998年启动，建设过程中遵循模糊层次分析法规划的布局，按防护林分区设置，同时引进参与式造林模式，充分考虑受益群众的意愿，进行了林种结构调整，充分发挥林业的社会、经济和生态三大效益。环洞庭湖防护林体系布局见图1。

图1 环洞庭湖区防护林体系建设布局规划 Fig.1 The layout of protection forest around Dongting Lake

4 结论

本文取得以下研究成果： 一是通过分析影响湖区水土保持的各类因素，建立了湖区水土保持的相对尺度指标体系，内容涵盖湖区海拔、土壤类型、土层厚度、土壤有机质、坡度、坡位和植被郁闭度等各类影响因素，具有一定的针对性和科学性； 二是借助采用模糊层次分析法，确定水土保持评价指标的重要程度，该方法简单有效且符合实际，使水土保持规划综合考虑多种因素，使决策更趋于科学、合理； 三是利用本法对环洞庭湖区进行防护林建设规划和实施，将湖区林地规划为水源涵养林、水土保持林、经济型防护林和防浪林四种功能类型，取得了良好的生态和经济效益，验证了本法具有一定的科学性和实用性。

[1] 蒋丽娟.国内外防护林研究综述[J].湖南林业科技，2000，27(3):21-27.

[2] 中华人民共和国森林法[EB/OL].http://www.gov.cn/banshi/2005-09/13/content_68753.htm，2005.

[3] 梁万君，王宪成，胡海清.防护林布局的评价方法[J].东北林业大学学报，2005，33(5)：24-26.

[4] 张吉军.模糊层次分析法[J].模糊系统与数学，2000，14(2):80-88.

[5] 陈守煜.工程模糊集理论与应用[M].北京:国防工业出版社，1998:1-243.

[6] 田育新，李锡泉，张灿明.封山育林的综合效益研究[J].湖南林业科技，2002,29(增刊)：52-54.

[7] 湖南省发展与改革委员会.洞庭湖区生态保护与环境治理规划[R].2009:1-54.

(责任编辑： 谭著明)

ThelayoutofprotectionforestaroundDongtingLakewithfuzzyanalytichierarchyprocess

DAI Chengdong1, BO Fangmin1, CHEN Chaozu1, XU Yongxin1, YANG Nan2

(1. Forestry Department of Hunan Province, Changsha 410007, China; 2. Hunan Forestry Academy, Changsha 410004, China)

The multi-scale assessment system of water and soil conservation around Dongting Lake was established based on the altitude, soil types, thickness of soil horizon, soil organic matter, degree of slope, slope position and canopy density. The fuzzy complementary judgment criterion was constructed by the fuzzy analytic hierarchy process, which was proved to be practical in layout of protection forest around Dongting Lake.

fuzzy analytic hierarchy process; around Dongting Lake; protection forest; layout

2010 — 12 — 24

2010 — 12 — 29

湖南省林业厅重点项目“环洞庭湖防护林体系建设技术”，国家林业局推广项目“长江中游洞庭湖水系防护林营建技术示范”。

S 727.2

A

1003 — 5710(2010)06 — 0021 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2010. 06. 006