丁新辉,刘孝盈,*,刘广全,朱毕生,王炜炜

1 中国水利水电科学研究院,北京 100038 2 国际泥沙研究培训中心,北京 100048 3 北京林淼生态环境技术有限公司,北京 100085

近年来,沙障固沙技术在治沙领域迅速发展[1- 2],其使用的材料包括各类农作物秸秆、各种沙生植物、粘土、砾石以及新型化学材料等[3- 6]。由于障高、孔隙度和设置形状的不同,所形成的沙障种类繁多,主要包括：高立式沙障、近地式沙障、平铺式沙障；通风型沙障、疏透型沙障、紧密型沙障；网格沙障、带状沙障[7- 10]。马青江等认为针对不同的材料及设置方式,各技术的固沙能力、经济效益以及有效年限等也不尽相同[11]。实际上影响沙障防风效应的因素很多,沙障的材料、规格以及抗腐性能都是重要的因素,此外沙障的组合、主风方向、地貌形态等也会产生一定影响,由此可见,沙障固沙技术的评价是在动态条件下进行的多因素复杂决策过程。

大部分现有研究主要关注沙障固沙技术固沙效应的几个方面,如起沙风速、地表粗糙度、输沙率、土壤含水率、植被成活率等,缺乏全面性,不能够系统地评估沙障固沙技术的固沙效应。目前,国内学者对沙障固沙技术的评价方法主要有比较分析法[12]、效益评价法[13],尚缺乏一套科学、系统的评价指标及计算方法,导致不能有效地对沙障固沙技术进行评价,从而阻碍京津风沙源区沙障固沙技术的推广。本文在梳理国内外研究中有关沙障固沙技术评价指标的基础上,对沙障固沙技术的相关指标进行科学筛选,建立沙障固沙技术评价指标体系,以期为京津风沙源区沙障固沙技术的评价提供科学依据。

1 评价指标选取的原则

基于客观性、代表性、可操作性、完整性的原则,本研究系统的构建了一套沙障固沙技术评价指标体系,并对其评价指标的选取进行了系统研究和论述,为沙障固沙技术的评价和筛选提供了可行性方法,也为沙漠化地区治沙技术集成与推广提供支撑。评价工作以促进沙障固沙技术科学设计和规范化应用为目标,引导治沙技术向提高环境社会效益方向发展。通过查阅大量文献梳理出机械沙障和生物沙障效果评价指标(表1),其中机械沙障效果评价指标21项,生物沙障效果评价指标24项[14-24]。机械沙障更偏重于防风固沙效果,而生物沙障则注重植被的生长情况,二者对土壤理化性质均有改良作用。在实际应用中,通常采用两种沙障相结合,才能取得较好的治沙效果。因此,在对沙障固沙技术进行评价时,选取评价指标应有所兼顾。此外,随着社会经济等环境因素的变化,需要对评价指标进行相应的调整。

表1 各类机械沙障和生物沙障效果评价指标

括号内表示该词在文献中出现的频次

2 京津风沙源区沙障固沙技术评价体系

2.1 评价指标确定

表2 沙障固沙技术判断性指标评价体系

表3 沙障固沙技术准则性指标评价体系

有关准则性指标各个三级指标的描述如下：

技术结构 指构成技术的要素的完整性。根据有无主体技术通过0—4评分标准划分等级,具体评分为：0-无主体技术；1-该技术构成要素缺失较多；2-该技术构成要素有一定的完整性；3-该技术构成要素比较完整；4-该技术构成要素完整。

技术体系 指各种技术之间的相互关系,按主体技术和配套技术的完整程度划分0—4评分等级,具体评分为：0-无配套技术；1-该主体技术有配套技术,但均不完整；2-该主体技术有配套技术,但不完整；3-该主体技术和配套技术均比较完整；4-该主体技术和配套技术完整。

破损率 沙障的破损率是评价各类沙障稳定性的有效指标。沙障布设后,由于自然因素(日照、风沙、动物损毁等)的影响,各种沙障出现了不同程度的破损,按不同的时间节点进行调查记录,得出各种沙障固沙技术的破损情况[28]。

专利含有量 指与各种沙障固沙技术相关的专利的数量,表征技术先进性程度。

专业技术人员需求度 布设每种沙障所需人员的技能水平。技术水平越低,技术应用难度也越低。根据是否需要专业技术人员通过0—4评分标准划分等级,具体评分为：0-无需专业技术人员；1-该技术实施需要很少专业技术人员；2-该技术实施需要一定的专业技术人员；3-该技术实施需要较多专业技术人员；4-该技术实施需要大量专业技术人员。

设置成本包括工程实施中的设置材料费、人工费、维护费用。

地表粗糙度 地表粗糙度指下垫面平均风速为零时的高度(Z0),是反映地表对风阻抗能力的主要参数[29]。一般认为下垫面越粗糙,零风速出现的高度越高。通过下列公式确定粗糙度:

由于我国人口基数大，老龄化速度快，残疾人口多，康复需求迫切，随着人们康复意识的不断提高，康复医学的现时代价值愈加凸显。

lgZ0= (lgu2-Algu1) /(1-A)

式中,Z0为地表平均粗糙度,cm;u1、u2分别表示高度为Z1、Z2处的风速,m/s;A=u2/u1。

土壤粒度 布设沙障后,地表风速得到有效降低,细小沙粒得以保留,加上植物根系及其枯落物的固沙作用,使表土理化性质得到有效改良,所以土壤粒度也是一个反应沙障固沙技术改土效益的指标[30]。

表土含水率 在沙丘的迎风坡、丘顶和背风坡布设采样点,在前期无降水的情况下,在每一点选择两个测量深度,由便携式土壤水分速测仪测得土壤含水量[31]。 表土含水率越高,说明沙障改土效应越明显。

植被覆盖度 植被覆盖度也是衡量各类沙障固沙技术成效的另一指标,反映了各类沙障内的植被恢复情况[32]。计算方法为通过随机选取多个1 m2的观测点,测得其投影面积,求出平均值,然后除以平均植被面积。

成活率 植物成活率是反应沙障固沙技术是否成功的指标之一。通过调查不同沙障固沙技术在不同坡度的沙丘上植物成活率及植物生长状况,从而反映沙障固沙技术的成效[33]。

产投比 指治理单位面积所需花费,代表各种沙障固沙技术的平均防护效率。

I=C/A

式中,I为产投比,万元/hm2;C表示总花费,万元；A表示总面积,hm2。

防风效能 风速大小是影响沙地移动的主要因素,所以防风效能是衡量沙障固沙技术性能的指标之一[34]。防风效能的计算公式为：

Eh=(uh0-uh)/uh0×100%

式中,Eh为高度h处的防风效能(%)；uh0为对应沙丘高度h0处的平均风速(m/s)；uh为沙障内高度h处的平均风速(m/s)。

输沙率 输沙率是观测沙地高度(0—20 cm)内单位时间通过单位宽度的总沙量。在沙障中部区域设置10孔阶梯式集沙仪进行同步观测输沙率。10孔阶梯式集沙仪观测高度为20 cm,每2 cm为一层,计算出输沙率[35]。

技术与未来发展关联度 未来该区域的经济、社会发展对每种沙障固沙技术的需求程度。需求程度越高,说明这种沙障固沙技术越好。根据技术与未来发展关联度通过0—4评分标准划分等级,具体评分为：0-该技术与未来发展无关联；1-该技术与未来发展关联较少；2-该技术与未来发展有一定的关联性；3-该技术与未来发展关联较多；4-该技术完全适合未来发展。

技术可替代性 技术是否可以被其他技术所替代。沙障固沙技术对环境保护的作用越差,其可替代性越高。根据技术可替代性通过0—4评分标准划分等级,具体评分为：0-该技术无发展前景,可替代性很大；1-该技术可替代性较大；2-该技术有一定可替代性；3-该技术可替代性较小；4-该技术有很大的发展前景,可替代性很小。

沙障固沙技术评价指标体系三级指标信息表征与数据获取方法如表4所示。

表4 沙障固沙技术评价指标体系三级指标信息表征与数据获取方法

2.2 评价指标权重确定

沙障固沙技术评价中涉及的因素很多,各因素之间的主次关系也有所不同。本文采用层次分析法对沙障固沙技术影响指标构建评价体系[36]。层次分析法(analytic hierarchy process,AHP法)是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法。其赋权步骤主要包括构造判断矩阵、层次单排序及一致性检验、层次总排序及一致性检验[37-38]。

通过向石漠化治理技术、荒漠化治理技术、水土保持技术和生态修复技术四个领域的相关专家发放120份调查问卷,并收回112份有效问卷,确定了一二级指标的权重[25]。三级指标的权重确定以技术效益中的生态效益和社会效益为例：我们认为某指标在文献中出现的频次越高,说明该指标为这一技术的研究热点,能反应该技术的实施效果,这一指标在评价体系中的权重越大,从而计算出各指标的权重(图1)。

图1 沙障固沙技术评价体系生态效益各指标权重Fig.1 Each index weight of ecological benefit in sand barrier technology evaluation system

各级评价指标的权重如表5所示,其中技术相宜性为判断性指标,权重为0.2983,其对应的4个二级指标中,立地适应性权重最大,说明立地条件对生态技术适用性的重要性,其他指标依次排序为目标适宜性,经济条件适宜性和政策法律适宜性,表示生态技术的成功应用与发展目标、经济条件和政策法律是密切相关的；4个一级指标为准则性指标,权重分别为0.2241,0.1499,0.2292,0.0985。在进行沙障固沙技术评价时,首先判断该技术是否符合该地区的发展,只有满足该地区自然、经济、社会发展需求时,才能进入技术评选,然后利用准则性指标评价沙障固沙技术。在强调技术效益的同时,对每项技术进行全面的评价,权重分配合理。技术效益对应的二级指标中权重顺序为生态效益、经济效益和社会效益,以生态效益评价为主,符合我国建设生态文明的要求。生态效益共对应5个三级指标,筛选了能反应沙障固沙技术治沙成效的主要指标,其权重大小排序为地表粗糙度、表土含水率、成活率、土壤粒度和植被覆盖度(图1)。三级指标中防风效能和输沙率对应社会效益,沙障布设后,风速降低,输沙率减小,居民生活受影响越小,社会效益越大。其他二级指标均选取了最能代表该指标特征的三级指标,权重值通过一级和二级指标的权重加权计算而得。总体上该评价指标体系选取指标全面,权重分配合理,可应用在沙障固沙技术的效果评价及筛选工作中。

表5 沙障固沙技术各级评价指标权重

3 讨论

目前在评价沙障固沙技术实施效果时采用的指标不够科学和全面,鉴于此,本文提出了适用于京津风沙源区沙障固沙技术评价指标,能够全面科学地反映沙障固沙技术的效果,但其中仍存在一些问题值得探讨。

不同沙障固沙技术在不同区域和不同时间下的效果具有不确定性,因此对其进行评价时应充分考虑自然条件,只有在地貌,气象等相近的情况下才能进行比较。京津风沙源区沙障固沙技术特性差异明显,应根据不同区域开展相应的沙障固沙技术评价研究。长时间尺度的试验不仅需要较高的时间成本,也需要较大经济投入。沙漠化治理是个动态的过程,沙障固沙技术也具有时间维度的动态性。因此为求评价科学性需限定在一定的时间内,例如选取我国重大治沙工程(通常以5年为期)所涉及的沙障固沙技术作为评价对象,以观测数据为评价依据,并以研究区布设沙障技术的实测效果来验证。选择重大生态工程检验评价模型主要有以下原因：(1)我国实施的重大生态工程都是以五年为期的,从时间尺度上可以避免不同时期的技术其成熟度,技术应用难度等指标的不同,最明显的就是不同时期沙障技术的实施成本差别很大；(2)我国已开展的生态工程大多是针对地域突出的生态环境问题进行的治理研究,所实施的技术也是以问题为导向,针对这些技术进行评价避免了技术的地区差异性。

在确定沙障固沙技术评价指标权重时,应根据待评价技术的特征来确定评价指标的权重,如机械沙障通过降低风速,减少输沙量,而生物沙障主要依靠恢复植被达到固沙的目的,因此这两种沙障固沙技术评价指标的权重也应有所不同。为保证评价指标体系的实用性,技术结构、技术体系、技术相宜性等定性指标主要通过专家打分法获取评价数据。应当避免以综合评价得分评判各生态技术,而是根据不同地区生态问题的需要,通过比较各生态技术的判断性指标和准则性指标,甚至是某些关键三级指标的得分来选择生态技术。为了避免评价结果的无差异性,选取不同类别生态技术的技术效益评价指标应能反映这类生态技术的主要特征。在各评价技术的综合评价得分出现无差异性时,应检查各生态技术三级指标选取是否合理,从而保障评价结果的科学性。

4 结论

本文针对京津风沙源区沙障固沙技术效果评价问题,建立了沙障固沙技术评价的方法体系,明确了沙障固沙技术评价指标集、评价指标权重以及沙障固沙技术评价面临的问题。在沙障固沙技术与自然条件、经济发展水平相协调的前提下,基于文献频次法和层次分析法从技术成熟度、技术应用难度、技术相宜性、技术效益、技术推广潜力 5 个方面共筛选出1项判断性指标、4项准则性指标、14项二级指标和25项三级指标指标,构建出沙障固沙技术评价指标体系。该指标体系以技术效益为主导,兼顾功能性和应用性综合评价,从而对京津风沙源区沙障固沙技术进行全面评价。

致谢：中国科学院水利部水土保持研究所王继军研究员给予帮助，特此致谢。