线性生产建设项目生态效益动态评价及其指标权重分析——以西安—商洛高速为例

于坤霞,白璐璐,李占斌,2,张晓明,孙 倩,方锦丽,解 刚,李 鹏,靳 涛

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,710048,西安;2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌;3.中国水利水电科学研究院,流域水循环模拟与调控国家重点实验室,100048,北京;4.城固县水土保持工作站,723200,陕西汉中)

水土保持的生态效益评价是对建设项目所使用的水土保持具体措施的效益评价,是水土保持工程技术方案及其措施可行性评价的基础[13]。高速公路的大规模建设[45],给当地城市和连同城市的沿线地区带来不可忽视的经济增长;但是其建设周期长、规模大、环境复杂、结构功能复杂的工程特点,导致工程在修建前期和施工期间对其沿线的生态环境有着不容忽视的负面影响,主要是对地形地貌、土壤、水文、植被和生物资源等方面的影响。

目前,国内外对公路建设造成的环境影响进行了许多研究。S.C.Trombulak等[6]研究了道路建设对于陆地与水生态系统的影响,总结了公路建设的影响性。J.Siskos等[7]采用多准则数学模型,从保护生态环境的角度出发,通过实现考察,确定了在法国2城市建设高速公路最终方案,并且划分生态相似区,然后通过线性规划的方法进行评估和比较。国内对高速公路建成后的生态环境影响评价研究工作近几年才开始,但已有不少学者投入到生态评价的研究当中,并且已经取得了一定的研究成果。例如：林显锋等[8]运用综合评价的方法,在公路绿化功能的角度下,运用层次分析法建立了评价体系,并确定了各个指标的权重,对如何建立生态效益评价指标体系有很大的启示;康玲玲等[9]在分析总结已有的水土保持综合治理效益评价指标与方法的基础上,选取了生态、经济、生态经济结合的3大类指标,采用层次分析法对黄土高原典型小流域的效益进行了分析与评价;姜德文[10]对前期立项阶段的开发建设项目水土保持损益分析进行了系统研究,建立了包含1个目标层、7个准则层、29个指标层、51个变量层的损益分析指标体系,并提出了开发建设项目水土流失影响指数;李广涛等[11]通过广泛的调查,结合国内各个地区的实际情况,总结了线性生产项目生态环境的评价准则和办法。

高速公路建设项目水土流失情况复杂,具有空间跨度大,扰动点较为分散,项目区地貌类型及水土流失类型多样化等特点[12],故而决定了线性生产项目防治的复杂性,因此目前对于线性生产建设项目生态效益动态评价研究较少。笔者对西—商高速公路的各个工程区进行生态效益动态评价,分为3个时期：施工前期、植被恢复期和建成使用期。施工前期指施工准备期与施工期,主要是对监测范围的地形地貌、地面组成物质、植被等基本情况进行调查,分析项目建设前项目区的水土流失的背景情况;植被恢复期是指水土保持措施运行时期;建成使用期是指项目建成已经投入生产使用时期。笔者根据线性生产项目的特点,将理论概念与实地监测相结合,计算得到能够表征生态环境的指标,对各时期的指标进行权重分析,得到生态效益指数值和指标的综合得分情况。根据评价结果得出水土保持措施对沿线生态修复作用,提出针对性的建议。

图1 西商高速公路及周边环境图Fig.1 Xi′an-Shangluo highway and its surrounding environment map

1 研究区概况

西商高速公路途经西安市灞桥区、蓝田县、商洛市商州区共3区15个乡镇,最终与沪陕高速(G40)相接,地理位置介于 E 109°00′～110°05′,N 33°45′～34°20′之间,东西长近 100 km,南北宽约 50 km,岭北(中低地区)属于黄河流域,岭南(阶地区)属于长江流域。起始路段位于西安市灞桥区,属关中盆地,地形起伏不大,海拔为480～720 m。灞桥区以渭河冲积平原为主,包括3个类型区,其中北部为渭河冲积平原区,东部为低山丘陵区,东南部为台塬区。途径的秦岭山地北侧河流平行于渭河,河谷基本上呈现为“V”型或“U”型,坡陡水急,较之前者地形不平整,相对高差较大。南侧为树枝型水系,河谷较北侧宽缓。终点路段位于商州区的生王村,属于新生代形成的构造盆地,两侧多为宽阔的河漫滩,也有较少的阶地,河流比较弯曲,地形同样比较开口,海拔较西安稍高,一般为600～800 m。沿线及周边环境如图1所示：

2 评价指标的选取

以GB/T 15774—1995《水土保持综合治理效益计算方法》为基础,结合项目特点和生态特点,对水土保持监测数据和资料的分析、筛选、整理和再加工,从中抽取与线性生产项目生态效益评价相关的信息,选用具有层次结构、不同量纲的多个评价因子来建立效益综合评价系统[1314],指标体系分为目标层(A)、准则层(B)、变量层(C)3个层次,如图2所示。

该工程建设项目由主线工程(包括路基、桥隧、立交)、沿线附属设施工程、临时工程(包括沿线施工营地、施工便道等)、取料场和弃渣场5部分组成。结合生产建设项目监测资料,筛选与确定水土保持生态效应监测指标。按照相应的技术规范,对气候、水文、土壤、植被、水土流失等基础数据开展实地观测。根据实际情况,测量并计算调水(C1、C2、C3、C4、C5)、保土(C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12)、空气质量(C13)、植被恢复(C14、C15)的水土保持生态效益指标数据。其中：C1为工程区单位面积上单位时间所产生的径流量;C2为工程区总面积的拦蓄总量;C3为项目区范围内收集的雨洪使用量占收集雨洪总量的比例;C4为项目防治责任范围内所有排水量,也就是项目区雨水调蓄利用多余排出项目区之外水量总和;C5为项目区内不透水材料硬化地面面积与外环境总面积的比例;C6为单位面积和单位时段内的土壤侵蚀量;C7为项目建设区内扰动土地的整治面积占扰动土地总面积的比例;C8为项目区容许土壤流失量与治理后土壤侵蚀强度的比例;C9为采取措施后实际拦挡的弃土(石、渣)与弃土(石、渣)的总量的比例;C10为项目区范围内填土石方量占挖土石方量的百分比;C11为项目区范围内剥离表土的利用量占总量的比例;C12为项目区范围内调蓄措施中单位体积浑水中所含泥沙的数量;C13为相同条件下,单位面积无植物措施滞尘量与有植物措施后滞尘量之比;C14为林草植被面积与可恢复林草植被面积的比例;C15为林草植被面积与项目建设区总面积的比例。

在所建立的生产建设项目水土保持生态效益评价指标体系中,为了应用于评价模型,需要对指标进行量化[15],计算其隶属度,将其实际量值转化为0～1区间上的量纲为1数值进行模型计算,本文效益指标的隶属度值是根据极优模型计算得到。属于极大最优的指标有 C2、C3、C7、C8、C9、C10、C11、C13、C14、C15,属于适中最优的为C1,属于极小最优的指标有 C4、C5、C6、C12。

图2 生产建设项目水土保持生态效益动态评价指标体系Fig.2 Dynamic evaluation index system of soil and water conservation ecological benefit of production and construction project

3 研究方法

从综合评价体系可以看出高速公路建设项目生态效益评价具有多因素、多准则的特点,因此构建综合效益评价模型,引入主成分分析法和层次分析法,运用主成分分析法进行评价指标综合得分计算,在主成分分析的基础上结合层次分析法计算出各个阶段的评价指标的权重。

3.1 主成分分析综合得分评价

主成分分析也称主分量分析[1618],主要包括主成分提取和综合得分计算。主成分提取指将n维特征映射到k维上(k＜n),k维是全新的正交特征,通过这种方式得到能反映绝大多数信息的主成分,综合得分模型中的系数是通过主成分的方差贡献率与线性组合系数的加权平均值来计算。本文效益指标的权重分析是通过主成分分析法计算得到综合得分来说明的,综合得分越高说明该指标所占的权重越大。

3.2 层次分析法的权重确定

层次分析法[1921]计算权重的步骤如下：1)根据已构建好的指标体系,构造出各层次中的所有判断矩阵;2)进行层次单排序及一致性检验;3)层次总排序及一致性检验;4)得到各指标的权重。在生态效益评价模型中,指标权重的合理与否在很大程度上影响综合评价的科学性和合理性,层次分析法可避免大量指标同时赋权带来的混乱和失误,从而提高评价的准确性和简便性,但是传统的专家打分法得到的指标权重较为主观。为了使指标满足排序一致性,将主成分分析和专家打分相结合,主成分分析得到的综合得分提供给专家供其参考,根据专家打分结果应用层次分析法计算评价指标权重。

3.3 综合评价数学模型

本文以量纲为1的数——生态效益指数[1921]来衡量生产建设项目水土保持措施所带来的效益,并比较同一生产建设项目在水土保持不同阶段的效益变化情况。生态效益指数

式中：Wi为第 i项指标的权重;Ri为i指标的隶属度值。

根据研究,线性生产项目的生态效益指数得分的高低与水土保持措施实施后的恢复情况呈正相关关系,得分越高,治理效益越好,可以把效益分析结果划分为5个不同的等级及其相对应的生态效益指数得分,见表1[19]。

表1 水土保持生态效益分级Tab.1 Grading rules of soil and water conservation ecological benefits

表2 各时期主成分的贡献率及累计贡献率和特征值Tab.2 Contribution rate,accumulated contribution rate and eigenvalues of main components during various periods

4 结果与分析

4.1 水土保持生态效益动态评价指标的综合得分计算

水土流失防治责任时期分为施工前期、自然恢复期以及建成使用期,首先根据水土保持监测所得数据提取出各时期的主成分,然后根据主成分的特征向量系数矩阵得到主成分表达式,计算出各时期各指标的综合得分情况,进行权重分析。通过主成分分析法,分别对各个期进行主成分提取,各时期主成分分析成分矩阵如表2所示。

提取特征根大于1,累计贡献率大于80%[22]认为提取的这个成分基本可以反映原变量的主要信息,由表2得到施工前期、植被恢复期和建成使用期分别取1个主成分、2个主成分和3个主成分。根据提取的主成分,借助SPSS20.0软件和Excel2016计算出特征向量矩阵并描述出主成分表达式,在SPSS20.0数据表里面生成Factor数据,最终计算各个时期生态效益指数的综合得分,并且对综合得分进行排名。

由各个时期的Z表达式进而得出各个时期生态效益指标的综合得分,综合得分按照以下公式计算,综合得分=Z1×1组的方差贡献率+Z2×2组的方差贡献率+Z3×3组的贡献率,计算出结果后,对综合得分排名如图3。

图3 各时期生态效益指标综合得分排名Fig.3 Comprehensive scoring of ecological benefit indexes in each period

在图3中可知线性生产建设项目在施工前期生态效益各评价综合得分排名为：综合得分最高的指标为径流模数与排水量,得分为0.577,土壤侵蚀模数次之。在植被恢复期生态效益各评价指标综合得分排名为：土壤侵蚀模数＞外排水含沙量＞拦蓄量＞排水量＞雨洪利用率＞径流模数。土壤侵蚀模数在植被恢复期敏综合得分最高,为0.782,径流模数的综合得分最低,为-0.632。在建成使用期生态效益各指标的综合得分为：外排水含沙量＞拦渣率＞扰动土地整治率＞表土利用率＞硬化地面控制率＞排水量＞拦蓄量＞林草植被恢复率＞雨洪利用率＞滞尘率＞径流模数＞林草覆盖率＞土壤流失控制比＞土石方利用率＞土壤侵蚀模数。外排水含沙量在建成使用期综合得分最高,为0.221,土壤侵蚀模数的综合得分最低,为-0.156。

4.2 水土保持生态效益动态评价指标层次分析法的权重确定

根据主成分分析结果,结合和专家打分,应用层次分析法计算得到西安—商洛高速公路施工前期、植被恢复期和建成使用期各生态效应评价指标权重,如表3所示。

4.3 水土保持生态效益评价`

西安—商洛高速公路施工前期、植被恢复期和建成使用期中低地区和阶地区不同项目工程区生态效益指数N计算结果如表4所示。

由表4可知,在施工前期主线工程区的生态效益指数在中低地区和阶地区分别为0.455和0.487,远远低于另外2个时期的生态效益指数值,并处于中等生态效益等级。在植被恢复期,可发现主线工程区和沿线附属工程区的生态效益指数的值分别为 0.748、0.780、0.967、0.762,处于良和优的生态效益等级;但是其他区域的生态效益指数均小于0.2,属于差的生态效益等级,主线工程区和沿线附属工程区的防治效果好于其他的分区。在阶地区具有相似的结果,但是中低地区在整体上生态系统较阶地区略差。在建成使用期,主线工程区和沿线附属工程区的生态效益得分略有下降,分别是0.578、0.623、0.598、0.637,但是其他区的生态效益得分有了明显的提高,所有的得分均处于良的等级。

5 结论

1)对线性生产建设项目构建了水土保持生态效益评价指标体系,确立了1个目标层、4个准则层、15个变量层,对变量层的指标进行权重的确定和参数的标准化计算,并且进行了分析。构建的评价指标体系在一定程度上包含了水圈、土圈、气圈、生物圈的多个方面,能够基本上反映线性生产项目的水土保持生态效益。

表3 各个时期各生态效益评价指标权重Tab.3 Weight of each ecological benefit evaluation index in each period

表4 水土保持生态效益指数NTab.4 Soil and water conservation ecological benefit index N

2)以国家高速公路G40西安—商洛段工程为例,对线性生产建设项目水土保持生态效益评价指标运用主成分分析进行了综合得分排名,结果显示在不同时期及不用分区的指标权重综合得分不同,尤其是在不同的时期的综合得分存在较大的差异。在施工前期径流模数最强,综合得分为1.732;在植被恢复期土壤侵蚀模数最强,综合得分为1.592;在建成使用期表土利用率与外排水含沙量最高,分别为0.312和0.320。

3)对比各工程区不同时期各工程区的效益指数,在植被恢复期对于主线工程区和沿线工程区的水土保持措施实施力度大,导致主线工程区和沿线工程区的数值特别高为0.748和0.780,而其他区域的数值偏小,应加强其他区域的水土保持工作。不同时期的生态效益指数秦岭以南地区大于秦岭以北地区的生态效益指数值,说明中低地区的水土流失情况较阶地区更为严重,应有针对性地对中低地区进行更多的水土保持工作。

4)对于建成使用期,主线工程区和沿线附属工程开始频繁使用,不能避免有部分人为破坏的情况发生,故在主线工程区和沿线附属工程区生态效益指数略有下降。以主线工程区在中低地区为例,生态效益指数由生产前期的0.455先提高到植被恢复期的0.748,而后在建成使用期数值略有下降为0.578;但是其生态效益指数仍然比施工前期高,大于原生态系统的生态效益指数。其他区域人为破坏少,水土保持措施的效果明显,生态效益指数增长较大,生态环境得到了相对较好的恢复。