基于模糊集理論的綠色小水電評價及應(yīng)用

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南長沙 410007）

引言

小水電開發(fā)在提高農(nóng)村電氣化水平、改善偏遠(yuǎn)地區(qū)生產(chǎn)生活條件、溫室氣體減排等多方面做出了重要貢獻(xiàn)，有效促進(jìn)了我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。另一方面，小水電的無序開發(fā)、破壞河道生態(tài)、規(guī)劃和管理滯后等問題，也制約了小水電的科學(xué)可持續(xù)性發(fā)展[1～2]。2016 年中央一號文件明確提出發(fā)展綠色小水電的要求，同年，水利部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)綠色小水電發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出到2020 年建立綠色小水電標(biāo)準(zhǔn)體系和管理制度，創(chuàng)建一批綠色小水電示范電站。從21 世紀(jì)伊始，國內(nèi)外學(xué)者也開展了很多關(guān)于綠色小水電建設(shè)及評價的相關(guān)工作[3～7]。本文基于模糊集理論[8]，同時參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立了綠色小水電評價的層次指標(biāo)體系，采用改進(jìn)的模糊綜合評價法作為該體系的評價方法，并應(yīng)用該體系方法對湖南省水口水電站綠色化改造前后進(jìn)行了評價。

1 綠色小水電評價

綠色小水電評價體系由評價指標(biāo)體系與評價方法兩部分組成。

1.1 綠色小水電評價指標(biāo)體系

依據(jù)科學(xué)性、代表性、可靠性、動態(tài)性、可獲取性等基本原則，構(gòu)建了一個3 層（目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層）、4 個準(zhǔn)則（社會民生、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)保護(hù)、經(jīng)營管理）共15 個指標(biāo)構(gòu)成的綠色小水電評價體系[9～11]，見圖1。

準(zhǔn)則層中，社會民生C1由4 個指標(biāo)構(gòu)成，其中節(jié)能減排效率u1表示通過水力發(fā)電替代火電，節(jié)約能源減少環(huán)境有害物程度，單位為%；移民安置率u2表示受水庫電站建設(shè)影響的居民搬遷安置情況；景觀協(xié)調(diào)性u3表示水庫電站通過廠房大壩覆綠工程與當(dāng)?shù)刈匀痪坝^的協(xié)調(diào)程度；社會貢獻(xiàn)率u4表示電站對周邊居民用電優(yōu)惠及促進(jìn)當(dāng)?shù)鼐用窬蜆I(yè)的貢獻(xiàn)程度。生態(tài)保護(hù)C2由5 個指標(biāo)構(gòu)成，其中生態(tài)流量滿足度u5表示全年日均下泄生態(tài)流量滿足程度；原生生物影響度u6表示電站對上下游水生生物的生長、生存、繁殖的影響程度；自然景觀恢復(fù)度u7表示水庫電站建成后，河道上下游自然景觀恢復(fù)程度；污染防治率u8表示電站對本身產(chǎn)生的噪聲、廢水、污水污染治理程度；水土流失治理率u9表示由于水庫電站建設(shè)造成的上下游河道及庫區(qū)水土流失治理情況。經(jīng)濟(jì)效益C3由2 個指標(biāo)構(gòu)成，其中發(fā)電能力u10表示電站實際年均發(fā)電量占設(shè)計年發(fā)電量的比例；盈利償債能力u11表示電站實際運(yùn)行利潤及償債情況。運(yùn)營管理C4由4 個指標(biāo)構(gòu)成，其中安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化u12表示安全生產(chǎn)管理制度及操作規(guī)程規(guī)范制定、安全教育培訓(xùn)情況；監(jiān)測設(shè)施投運(yùn)度u13表示運(yùn)行管理必要的監(jiān)控監(jiān)測設(shè)施的投入及運(yùn)行情況；自動化率u14表示電站運(yùn)行自動化程度；應(yīng)急管理達(dá)標(biāo)度u15表示應(yīng)急預(yù)案編制及應(yīng)急物資儲備情況。

圖1 綠色小水電評價指標(biāo)體系框架

利用層次權(quán)重決策分析法[12]對同一層的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，引用9 標(biāo)度法構(gòu)造比較判別矩陣B＝｛bij｝，并對矩陣進(jìn)行相容性檢驗。由比較判斷矩陣可分別計算出其對應(yīng)的最大特征根λmax，并用λmax解特征方程：

得到對應(yīng)λmax的特征向量X＝｛X1，X2，…，Xn｝，將特征向量歸一化，即得到各指標(biāo)的權(quán)重值向量W=（W1，W2，…，Wn），W1+W2+…+Wn=1。

根據(jù)各準(zhǔn)則層及各指標(biāo)的權(quán)重值，對所有指標(biāo)可進(jìn)行總排序。第k 個準(zhǔn)則層權(quán)重為Ck，其包含的各指標(biāo)權(quán)重值分別為（Wk1，Wk2，…，Wkn）T，則在總排序中這些指標(biāo)的權(quán)重分別為CkWki。由此可確定各指標(biāo)對于目標(biāo)層的優(yōu)劣次序。

1.2 綠色小水電評價方法

1）評價等級確立

目前國內(nèi)外尚未建立統(tǒng)一的綠色小水電評價體系，主要基于以下兩方面考慮：①國際、國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。②類比標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析，本文選用5 級分類評價標(biāo)準(zhǔn)，評價等級集V＝｛v1，v2，…，v5｝。

2）隸屬度計算

根據(jù)基本指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)劃分情況，擬采用半梯形模糊分布構(gòu)造綠色小水電評價因子與評價指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣R（ui，vj），其中rij＝R（ui，vj）（0≤rij≤1）表示第i 個指標(biāo)對于第j 個等級的隸屬度，rij由各評價指標(biāo)的實際值對照各自分級標(biāo)準(zhǔn)，利用隸屬函數(shù)R 推求得出。

3）綜合評價

①根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，得到各指標(biāo)的評價矩陣，結(jié)合所求得的各指標(biāo)權(quán)重，即可進(jìn)行各指標(biāo)的評價。

根據(jù)已確定的權(quán)重分配集W 和模糊矩陣R，用加權(quán)平均法進(jìn)行模糊子集的合成，求出綜合評價值E 即可進(jìn)行綜合評價。

式中：Ej表示準(zhǔn)則層對第j 等級的隸屬度；Wi表示第i 個評價指標(biāo)的權(quán)重；Rij表示第i 個評價指標(biāo)對第j等級的隸屬度。

②改進(jìn)模糊綜合評價。在模糊綜合評價法的基礎(chǔ)上，對評價等級集加上一定量化的標(biāo)準(zhǔn){［1.0，0.8］（高），（0.8，0.6］（較高），（0.6，0.4］（一般），（0.4，0.2］（較差），［0.2，0］（差）}，就可得到改進(jìn)的模糊綜合評價法，綜合評價分值：

式中：Sj表示評價等級集Vj所對應(yīng)的量化評語集（1.0，0.8，0.6，0.4，0.2）。然后對照評價標(biāo)準(zhǔn)等級，最終確定小水電的綠色程度的評價等級。

2 案例研究

2.1 水電站概況

炎陵縣水口水電站位于洣水流域河漠水上游支流下村河右岸，始建于1973 年11 月，電站從下村河筷子簍河段筑壩取水，取水壩為底欄柵小堰壩，是一座徑流無調(diào)節(jié)引水式小型水電站。電站沿下村河右岸用引水明渠引水，引水渠在筷子簍底欄柵壩下游1.1 km 處與右岸支流小橫溪匯合。1983 年11 月，炎陵縣筷子簍水庫電站在河漠水上游下村河新建筷子簍水庫大壩，為混凝土雙曲拱壩，大壩位于水口電站底欄柵取水壩上游150 m 處，水庫總庫容850 萬m3，興利庫容730 萬m3?？曜雍t水電站發(fā)電廠房位于壩后原水口電站底欄柵取水壩下游400 m 處的水口電站引水渠線上，裝機(jī)容量3.0 MW?？曜雍t電站發(fā)電尾水直接排入水口電站引水渠道。水口水電站原設(shè)計9.0 MW，筷子簍電站建成后擴(kuò)容為15.0 MW。

2018 年，為改善筷子簍大壩至水口電站取水口區(qū)間脫水河段的生態(tài)修復(fù)問題，水口水電站實施了增效擴(kuò)容及生態(tài)改造工程，具體示意圖見圖2。

圖2 水口電站生態(tài)化改造示意圖

本文對水口水電站2018 年生態(tài)改造前后的綠色小水電建設(shè)情況進(jìn)行了分析及評價。

2.2 指標(biāo)權(quán)重分析

根據(jù)層次權(quán)重決策分析法，并結(jié)合湖南省內(nèi)小型水電站實際情況，運(yùn)用9 標(biāo)度法對各指標(biāo)進(jìn)行分析比較，構(gòu)造出綠色小水電建設(shè)各準(zhǔn)則及各指標(biāo)的評價矩陣，分別見表1～表5。

表1 準(zhǔn)則層比較矩陣

表2 社會民生比較矩陣

表3 生態(tài)保護(hù)比較矩陣

根據(jù)評價矩陣求得各準(zhǔn)則層及各指標(biāo)的權(quán)重值，然后對所有指標(biāo)進(jìn)行總排序，見表6。

表4 經(jīng)濟(jì)效益比較矩陣

表5 運(yùn)行管理比較矩陣

表6 指標(biāo)總排序

從表6 可以看出，對綠色小水電建設(shè)程度影響最大的因素為生態(tài)流量滿足度；其中u1、u3、u5、u6、u7等5個指標(biāo)權(quán)重之和超過60%，說明節(jié)能減排效率、景觀協(xié)調(diào)性、生態(tài)流量滿足度、原生生物影響度、自然景觀恢復(fù)度這五方面對綠色小水電建設(shè)程度起著決定性的作用。

2.3 綜合評價

基于水口水電站實際情況，并結(jié)合國際與國內(nèi)常用標(biāo)準(zhǔn)，制定相關(guān)評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，見表7。

依據(jù)各指標(biāo)權(quán)重，采用改進(jìn)的模糊綜合評價方法，可得出水口水電站改造前后綠色水電站建設(shè)程度評價結(jié)果。評價結(jié)果見表8。

根據(jù)表8 對比分析：從各準(zhǔn)則層分析，社會民生方面，評價得分略有上升，總體保持穩(wěn)定狀態(tài)；生態(tài)保護(hù)方面，評價得分顯著提高，表明經(jīng)過生態(tài)化改造工程，對河道生態(tài)流量滿足度、上下游河道生境恢復(fù)均取得了較好的成效；經(jīng)濟(jì)效益方面，評價得分稍有改善，表明生態(tài)化改造對電站發(fā)電、運(yùn)營影響不大，同時增效擴(kuò)容也增加了電站效益；運(yùn)行管理方面，評價得分上升明顯，電站運(yùn)營自動化水平、監(jiān)測設(shè)施投入情況明顯提高。綜合狀況來看，水口水電站改造后，電站綠色化程度明顯提高一個等級，表明2018 年實施的生態(tài)改造工程效果明顯。

表7 評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

表8 水口水電站綠色化建設(shè)程度評價結(jié)果

3 結(jié)語

本文基于模糊集理論中的層次權(quán)重決策分析法和模糊綜合評價理論，構(gòu)建了一個反映水電站的社會民生、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)保護(hù)、運(yùn)營管理等方面狀況的綠色水電評價指標(biāo)體系。水口水電站改造前后評價研究表明，模糊集理論在綠色小水電建設(shè)評價中較好地將主客觀權(quán)重進(jìn)行了分配，把定性分析和定量計算有機(jī)結(jié)合，提高了評估過程的科學(xué)性，評價結(jié)果也較準(zhǔn)確、合理地反映了水口水電站改造前后綠色水電的建設(shè)程度。