基于EF-AHP法的壩式小水電站生態(tài)環(huán)境影響評價

，，，

(長江科學(xué)院 a.流域水環(huán)境研究所；b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

我國水能資源蘊(yùn)藏量豐富，壩式小水電可開發(fā)裝機(jī)容量達(dá)到8 700萬kW，占全國可開發(fā)總量的23%，位居世界第一[1]。單站裝機(jī)容量在5萬kW及以下的小型水電站是農(nóng)村用電的主要供給者[2]，其主要結(jié)構(gòu)形式為壩式水電站[3]。

壩式小水電在發(fā)揮“以電代柴”效益的同時，也對水資源及水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響，比如:建壩導(dǎo)致河流片段化；工程施工導(dǎo)致水土流失增加；蓄水導(dǎo)致河段水量減水等。開展壩式小水電站生態(tài)環(huán)境影響評價研究，對于合理開發(fā)水資源，保護(hù)山區(qū)農(nóng)村水環(huán)境，協(xié)調(diào)水電站開發(fā)與流域自然、社會、經(jīng)濟(jì)之間的相互關(guān)系具有重要意義。

目前，生態(tài)環(huán)境影響評價主要分為單因子評價方法和多因子綜合評價方法，生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)體系主要分為基于數(shù)學(xué)模型的綜合評價指標(biāo)體系[4-5]、基于DSR模式的指標(biāo)體系[6-7]以及基于生態(tài)足跡分析的指標(biāo)體系[8-9]。其中層次分析評價方法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP法)[10]是一種廣泛應(yīng)用于決策問題中的方法。其優(yōu)點(diǎn)在于易于了解復(fù)雜的評價決策問題的本質(zhì)及其內(nèi)在關(guān)系，利用較少的定量數(shù)據(jù)便可將人們的思維過程數(shù)學(xué)化、系統(tǒng)化。但由于其在確定權(quán)重過程中以專家打分法為輔助，受主觀影響較大，結(jié)果的客觀性及方法的適用性受到一定程度影響。而生態(tài)足跡法(Ecological Footprint,簡稱EF法)[11]優(yōu)點(diǎn)在于其計算結(jié)果以全球性生物生產(chǎn)面積表示，各項(xiàng)結(jié)果轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一量綱，使不同的評價指標(biāo)具有可比性，但由于生態(tài)足跡法具有空間互斥性，某些可定量及定性指標(biāo)在轉(zhuǎn)換為生態(tài)足跡的過程中存在精度和物理意義的差異，影響了評價結(jié)果的合理性。本研究擬采用層次分析法評分構(gòu)架，結(jié)合生態(tài)足跡法確定各指標(biāo)權(quán)重，建立一套綜合評價方法(EF-AHP)，旨在消除層次分析法中存在的主觀性缺陷，減小生態(tài)足跡法對結(jié)果的直接影響，為評價壩式小水電站綜合效益提供更為科學(xué)、實(shí)用的新方法。

2 基于EF-AHP法的壩式小水電站綜合評價模型

2.1 生態(tài)環(huán)境效益指標(biāo)評分體系

本研究根據(jù)壩式小水電所處中小河流水文數(shù)據(jù)少的實(shí)際情況，在參考國內(nèi)相關(guān)水電環(huán)境效應(yīng)評價的基礎(chǔ)上，針對長期性影響，遵循以下3個原則進(jìn)行指標(biāo)選?。?/p>

(1)能反映小水電工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)優(yōu)劣。

(2)能夠定量反映小水電工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)域影響范圍、層次和程度。

(3)能夠用于區(qū)域生態(tài)修復(fù)，為減輕或消除區(qū)域生態(tài)負(fù)效應(yīng)提供對策和措施。

本研究將生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的區(qū)域影響評價綜合指數(shù)設(shè)定為目標(biāo)層，在準(zhǔn)則層中設(shè)置4個要素，在指標(biāo)層中設(shè)置8個要素(表1)，綜合最優(yōu)原則，建立壩式小水電站生態(tài)環(huán)境效益層次結(jié)構(gòu)(圖1)。

表1 壩式小水電的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價指標(biāo)Table 1 Index system for assessing the eco-environmental impact of small dam-type hydropower

圖1 壩式小水電站生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchy structure of the index system for assessing the eco-environmental impact of small dam-type hydropower

各指標(biāo)Ci對應(yīng)的評分值Li計算過程分述如下。

2.1.1 河道內(nèi)最小流量(C1)

生態(tài)基流應(yīng)不低于年均流量的30%或保持天然來水量。將生態(tài)基流量定為0級，低于歷史最枯流量為-4級。高于歷史最枯流量的河道流量保證值評分L1為

(1)

2.1.2 水質(zhì)類別(C2)

因壩式小水電運(yùn)行過程中不對水質(zhì)造成污染,如果工程所在河段水質(zhì)已受到污染，則工程運(yùn)行可能會導(dǎo)致污染加劇，也可能通過調(diào)度改善水質(zhì)。因此，將工程建設(shè)前水質(zhì)指標(biāo)定為0級，工程建設(shè)后，水質(zhì)類別改善為正，反之為負(fù)，改善級別數(shù)對應(yīng)分?jǐn)?shù)，以降低至劣于Ⅴ類水為-4級。水質(zhì)參數(shù)選取入河(庫)污染物COD、總氮、總磷3項(xiàng)指標(biāo)評定水質(zhì)類別。

2.1.3 激流性底棲動物種類所占比例(C3)

建壩改變了河流原有的水文特性，導(dǎo)致激流性底棲動物種類相對減少。因此，選用激流性底棲動物種類在底棲動物種類中所占比例的變化來反映建壩對低等水生生物的影響，所占比例D計算公式為

(2)

式中：fd為樣本中激流性底棲動物種類數(shù)；Fi為樣本中所有底棲動物種類數(shù)之和。

C3指標(biāo)的評分公式為

(3)

式中Dj,Dh分別為建壩前、建壩后激流性底棲生物所占比例。

2.1.4 魚類物種多樣性(C4)

將工程建設(shè)前工程影響區(qū)域內(nèi)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)Yj設(shè)為0級。C4指標(biāo)的計算公式為

(4)

式中Yj，Yh分別為建壩前和建壩后Shannon-Wiener多樣性指數(shù)。

2.1.5 河岸植被覆蓋度(C5)

受影響區(qū)域選擇2～3個長度在15～50 m的岸坡樣本，用皮尺測定每個植被分布面積，計算植被覆蓋度，以其平均值表示該河段的植被覆蓋度。將建壩前植被覆蓋度設(shè)為0級。C5指標(biāo)評分公式為

(5)

式中Zj，Zh分別為建壩前、建壩后植被覆蓋度。

2.1.6 水土流失量(C6)

常采用經(jīng)驗(yàn)公式法和類比法組合，計算因工程建設(shè)造成的水土流失量，即

(6)

式中：Ws表示擾動地表新增水土流失量(t)；n為預(yù)測單元數(shù)目；Fi表示第i個預(yù)測單元的擾動面積(km2)；Mik表示擾動后第i個預(yù)測單元第k個時段的土壤侵蝕模數(shù)(t/(km2·a))；Mi0表示擾動前第i個預(yù)測單元土壤侵蝕模數(shù)(t/(km2·a))；Ti表示擾動時段(a)。

將建壩前水土流失量設(shè)為0級，C6指標(biāo)的評分公式為

(7)

式中wj和wh分別為建壩前、建壩后水土流失量。

2.1.7 土地利用合理性(C7)

小水電開發(fā)的土地利用主要包括兩方面：一是工程占地是否合理；二是施工棄渣和固體廢物是否合理利用。將工程施工前該區(qū)域建筑用地面積Tj設(shè)為0級，評分公式為

(8)

式中Tj,Th分別為建壩前、建壩后土地利用性評級。

2.1.8 植被保護(hù)(C8)

環(huán)境效益評估主要評價“以電代柴”所起的作用大小。計算公式為

L8=P×5 。

(9)

式中P為用于 “以電代柴”的電量在該水電站總發(fā)電量中所占的比例。

2.2 生態(tài)環(huán)境效益指標(biāo)權(quán)重確定及綜合等級評價

傳統(tǒng)的層次分析法采用專家打分法來進(jìn)行權(quán)重設(shè)置，受主觀性影響較大。本研究中擬引入生態(tài)足跡的思想來計算權(quán)重。將評價地區(qū)的各類生物生產(chǎn)性土地面積經(jīng)均衡因子和產(chǎn)量因子(表2)校正后得到生態(tài)足跡，即

EF=∑airiyi。

(10)

式中：ai為第i類生物生產(chǎn)性土地面積；ri為第i類全球均衡因子；yi為第i類中國產(chǎn)量因子；EF為生態(tài)足跡。

表2 不同類型生物生產(chǎn)性土地的全球均衡因子和中國產(chǎn)量因子Table 2 Values of global proportional factor and Chinese yield factor of biologically productive land patterns

注：數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[12]

應(yīng)用生態(tài)足跡法相關(guān)公式計算準(zhǔn)則層中各指標(biāo)生物生產(chǎn)性面積(EFi)方法分述如下。

2.2.1 河道內(nèi)最小流量(C1)

生態(tài)基流保障水面面積對應(yīng)的生態(tài)足跡需求值EF1為

(11)

2.2.2 水質(zhì)類別(C2)

改善水質(zhì)所需水域面積對應(yīng)的生態(tài)足跡需求值EF2為

(12)

式中:C1和C2分別代表建壩前和建壩后河段COD濃度值(g/L);Sk為改善到原有水質(zhì)所需水域面積。

2.2.3 激流性底棲動物種類所占比例(C3)

河道減水脫水對激流性底棲動物造成影響相應(yīng)的生態(tài)足跡需求值EF3為

EF3=kShr5y5=Sh。

(13)

式中：Sh為河道減水脫水面積；k為比例系數(shù)，底棲動物到魚類能量傳遞效率最高為20%,所以比例系數(shù)k取5。

2.2.4 魚類物種多樣性(C4)

河道減水脫水對魚類造成的影響對應(yīng)的生態(tài)足跡需求值EF4為

EF4=Shr5y5=0.2Sh。

(14)

2.2.5 河岸植被覆蓋度(C5)

河岸植被生態(tài)足跡需求值EF5為

EF5=Szr3y3=1.001Sz。

(15)

式中Sz為河岸植被減少面積。

2.2.6 水土流失量(C6)

岸坡水土流失生態(tài)足跡需求值EF6為

EF6=Str3y3=1.001St。

(16)

式中St為電站施工破壞林地造成的水土流失面積。

2.2.7 土地利用合理性(C7)

電站及引水設(shè)施占地及棄渣占用河道生態(tài)足跡需求值EF7為

EF7=Sdr3y3+Sqr5y5+Sgr2y2=

1.001Sd+0.2Sq+4.648Sg。

(17)

式中：Sd為電站及引水設(shè)施占用林地面積；Sq為棄渣占用河道面積；Sg為電站建設(shè)減少耕地面積。

2.2.8 植被保護(hù)(C8)

“以電代柴”生態(tài)足跡需求值EF8為

(18)

式中：r3為林地均衡因子，取值為1.1；Pe為多年平均發(fā)電量；te為電力能源折算系數(shù)，te=3.6×106J/(kW·h)；Ce為每公頃森林每年累積的可更新的生物能量，Ce=800×108J/hm2。

將上述指標(biāo)生態(tài)足跡值按從下向上的次序匯總出準(zhǔn)則層生態(tài)足跡值，兩兩相除之后按1-9標(biāo)度法在yaahp軟件判斷矩陣中進(jìn)行賦值,即

(19)

式中：EFi為Ci指標(biāo)的EF值；EFj為Cj指標(biāo)的EF值；Wij為判斷矩陣中第i行j列值。

將計算結(jié)果中各指標(biāo)權(quán)重與評分值進(jìn)行加權(quán)計算，即

(20)

式中：R為綜合評價指數(shù)；WCj為指標(biāo)Cj在整個響應(yīng)評價體系中的權(quán)重；LCj為指標(biāo)Cj得分；n為指標(biāo)個數(shù)。

壩式小水電站的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合評價指數(shù)等級如表3所示。

表3壩式小水電站的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合評價指數(shù)等級
Table3Gradingofassessmentindexesofsmalldam-typehydropower

綜合評價指數(shù)評價指數(shù)的意義R<-1總體為負(fù)效應(yīng),且負(fù)效應(yīng)特別嚴(yán)重,需對工程作特別處理,并考慮拆除-1≤R<-0.5總體為負(fù)效應(yīng),且正效應(yīng)較小,負(fù)效應(yīng)嚴(yán)重,需停止工程運(yùn)行,從各方面進(jìn)行整頓,采取有效手段減輕負(fù)效應(yīng)-0.5≤R<0總體為負(fù)效應(yīng),負(fù)效應(yīng)較嚴(yán)重,需采取適當(dāng)?shù)墓こ膛c非工程措施,減輕負(fù)效應(yīng),提高正效應(yīng)0≤R<0.5總體為正效應(yīng),但負(fù)效應(yīng)偏大,需改進(jìn)和完善環(huán)境保護(hù)措施,優(yōu)化工程運(yùn)行管理,減輕負(fù)效應(yīng),提高正效應(yīng)0.5≤R<1總體為正效應(yīng),區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好,受壩式電站開發(fā)影響很小,屬于鼓勵開發(fā)地區(qū)1≤R總體為正效應(yīng),區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)處于良好狀態(tài),基本不受壩式電站開發(fā)的影響,屬于優(yōu)先開發(fā)地區(qū)

3 案例分析

3.1 工程概況

西北地區(qū)某水電站工程開發(fā)河段長6 000 m，控制流域面積8 586 km2，正常蓄水位1 469 m，多年平均發(fā)電量23 434萬kW·h。水文站46 a實(shí)測多年平均流量132 m3/s，最枯月流量26.8 m3/s，工程調(diào)度采取不低于13.2 m3/s。建壩擾動水域面積為0.28 km2。

建壩前、建壩后水質(zhì)均為Ⅲ類，但代表性水質(zhì)指標(biāo)COD濃度由22 mg/L上升至28 mg/L。建壩后激流性底棲動物種類所占比例由之前的61.0%下降至25.9%，降幅為35.1%。據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，工程影響水域共有魚類67種，工程建成后魚產(chǎn)量約下降60%。工程影響區(qū)約為18 km2，建設(shè)施工擾動原地貌、損壞占壓的土地面積為581 hm2，所產(chǎn)生的棄渣占用河道面積為120 hm2，損壞的水土保持設(shè)施面積為158.19 hm2。建壩后林地減少0.67 km2，草地減少1.58 km2，水域及濕地減少0.28 km2,耕地減少0.72 km2，建筑用地增加5.81 km2，未利用地增加0.02 km2。

工程所在區(qū)域水土流失嚴(yán)重，流域內(nèi)水土流失總面積111.36萬hm2，其中侵蝕強(qiáng)度中度以上面積，占流域總面積的38.70%。該地區(qū)土壤平均侵蝕模數(shù)為3 429.8 t/(km·a)，年平均土壤侵蝕量0.56億t。水庫蓄水后，不淹沒村莊，無人口遷移。根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇娋值恼{(diào)查，該電站85%用于當(dāng)?shù)鼐用裆钣秒姟?/p>

3.2 模型計算結(jié)果

依據(jù)3.1節(jié)工程概況中所提及的面積值，結(jié)合2.2節(jié)中所提及各指標(biāo)層權(quán)重計算公式，計算出各指標(biāo)生態(tài)足跡值，匯總見表4。

表4 準(zhǔn)則層及目標(biāo)層生態(tài)足跡值Table 4 Ecological footprint values of target levels and criteria levels

將各指標(biāo)生態(tài)足跡值代入式(19)中，構(gòu)造準(zhǔn)則層及目標(biāo)層判斷矩陣，見表5—表7，運(yùn)用冪法計算得各指標(biāo)層總權(quán)重。

采用生態(tài)足跡法數(shù)據(jù)，將各指標(biāo)評分進(jìn)行加權(quán)計算得綜合評分結(jié)果，見表8。另一種方式是選取較具代表性的專家打分?jǐn)?shù)據(jù)，分別計算各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合各指標(biāo)評分，計算了該案例的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)目標(biāo)層響應(yīng)值，見表9。

表5 準(zhǔn)則層水生生態(tài)(B2)判斷矩陣Table 5 Judgment matrix of aquatic ecosystem(B2)

表6 準(zhǔn)則層陸生生態(tài)(B3)判斷矩陣Table 6 Judgment matrix of terrestrial ecosystem(B3)

表7 目標(biāo)層壩式小水電生態(tài)環(huán)境效應(yīng)(A)判斷矩陣Table 7 Judgment matrix of the eco-environmental impact (A) of small dam-type hydropower

表8 綜合評價模型各指標(biāo)評分值和響應(yīng)值Table 8 Scoring values and response values of comprehensive evaluation model

表9 應(yīng)用專家打分法各指標(biāo)評分值和響應(yīng)值Table 9 Scoring values and response values calculated by experts grading method

由表8和表9可見，這2種評價方法結(jié)果均為正效應(yīng)，在總體評價及指標(biāo)排序方面基本一致，在確定環(huán)境效益重要程度上差異較大。因本文只選取了一種較具代表性打分?jǐn)?shù)據(jù)，而實(shí)際情況是依照不同專家打分結(jié)果進(jìn)行計算，得到的目標(biāo)層響應(yīng)R值處于0.005～3之間，波動范圍較大，結(jié)果較難統(tǒng)一。但考慮到統(tǒng)一確定計算方法后，權(quán)重設(shè)定不受主觀影響，可比較性更強(qiáng)，所以認(rèn)為，EF-AHP綜合評價方法更客觀、實(shí)用。

4 結(jié) 語

本研究應(yīng)用層次分析法確定了評價模型各層次指標(biāo)，將專家打分法替換為生態(tài)足跡法確定各層次指標(biāo)權(quán)重，更好地發(fā)揮了層次分析法的作用，減少了權(quán)重確定過程中的主觀隨意性，增強(qiáng)了權(quán)重計算的客觀性，提高了評價結(jié)果的科學(xué)性、可比性和實(shí)用性。

針對壩式小水電站特點(diǎn)，構(gòu)建了包括水量及水質(zhì)、水生生態(tài)、陸生生態(tài)、環(huán)境效益4個方面在內(nèi)的綜合評價模型, 該指標(biāo)體系對其他區(qū)小水電站的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價具有借鑒意義。經(jīng)西北某壩式電站實(shí)例驗(yàn)證實(shí)用可靠，計算處理簡便，評價結(jié)果基本符合現(xiàn)狀。

由于反映壩式小水電站修建對生態(tài)環(huán)境效益的指標(biāo)眾多，許多指標(biāo)獲取難度較大，還有待進(jìn)一步補(bǔ)充完善。此外，計算方法的統(tǒng)一也需反復(fù)驗(yàn)證才能得到業(yè)界認(rèn)可。