基于改進(jìn)層次分析法的小水電生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)

孟建佛，王雙銀，張靜怡，楊穎剛

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省水利水電發(fā)展中心，陜西 西安 710000)

小水電作為可再生能源，不僅推動(dòng)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，而且還能代替化石能源減少溫室氣體排放，但小水電運(yùn)行過(guò)程中會(huì)造成電站下游河段減脫水、擾動(dòng)魚類洄游甚至破壞水生動(dòng)植物棲息地等一系列生態(tài)問(wèn)題。因此，開(kāi)展客觀有效的小水電生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)對(duì)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

小水電生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究主要有評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法兩方面內(nèi)容，目前評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容研究主要涉及到水文特征、泥沙、魚類保護(hù)、生物群落、河流最小生態(tài)流量保障等方面[1-2]；評(píng)價(jià)方法方面夏軍等[3]采用了動(dòng)態(tài)評(píng)估模型分析了雅安水電站對(duì)生態(tài)環(huán)境影響程度；黃茁等[4]建立基于生態(tài)足跡理論的壩式小水電生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型，并通過(guò)實(shí)例研究驗(yàn)證模型的可行性；禹雪中等[5]通過(guò)分析綠色小水電的含義建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)瀾滄江漫灣水電站的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究[6-7]。然而在評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容上，小水電生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)始終沒(méi)有形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，且大部分指標(biāo)還處于定性評(píng)判階段，沒(méi)有提出具體的定量計(jì)算方法；在評(píng)價(jià)方法上，這些評(píng)價(jià)方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，但大都采用AHP確定指標(biāo)權(quán)重[8-9]，權(quán)重計(jì)算受人為主觀影響較大，無(wú)法科學(xué)評(píng)價(jià)小水電運(yùn)行對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度。

綜上，論文嘗試對(duì)部分指標(biāo)設(shè)定定量計(jì)算方法，優(yōu)化指標(biāo)評(píng)分方法，對(duì)傳統(tǒng)的AHP進(jìn)行改進(jìn)，建立新的五標(biāo)度法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建基于改進(jìn)AHP的小水電生態(tài)環(huán)境模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并以石門水電站進(jìn)行驗(yàn)證，以期為小水電生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究及小水電綠色發(fā)展提供參考。

1 小水電生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

評(píng)價(jià)指標(biāo)選取文獻(xiàn)[10]生態(tài)環(huán)境類別中的內(nèi)容，確定包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次的小水電生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)體系，見(jiàn)表1。

表1 小水電生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)除水質(zhì)變化程度、生態(tài)需水保障情況、替代效應(yīng)和減排效率4個(gè)指標(biāo)外，對(duì)其余指標(biāo)規(guī)定10分為滿分，采取專家調(diào)查問(wèn)卷的形式得到其最終評(píng)分。

(1)生態(tài)需水保障情況(W11)。論文從水電站生態(tài)流量是否核定(a)、是否有獨(dú)立的生態(tài)流量泄放設(shè)施(b)、是否建立生態(tài)流量調(diào)度規(guī)則(c)、是否有生態(tài)流量監(jiān)測(cè)設(shè)施(d)和下泄生態(tài)流量滿足度(e)5個(gè)方面描述生態(tài)需水量保障情況。水電站是否已經(jīng)核定生態(tài)流量并由相關(guān)地方政府批復(fù)是生態(tài)需水保障的前提，即水電站首先必須確定河道下泄最小生態(tài)流量大小，若水電站沒(méi)有核定生態(tài)流量，則其他四方面的描述就毫無(wú)意義，此時(shí)生態(tài)需水保障情況評(píng)分值為0；若水電站已經(jīng)有對(duì)生態(tài)流量核定的內(nèi)容，則生態(tài)需水保障情況評(píng)分由其余四項(xiàng)來(lái)評(píng)定。首先為其他四項(xiàng)評(píng)判因子賦予相同的權(quán)重，其次針對(duì)每一項(xiàng)評(píng)判因子設(shè)定計(jì)算方法，見(jiàn)表2。

表2 生態(tài)需水保障情況計(jì)算方法

(2)水質(zhì)變化程度(W21)。水質(zhì)變化程度指標(biāo)評(píng)分是通過(guò)比較電站尾水?dāng)嗝媾c引水?dāng)嗝嫠|(zhì)類別改變情況來(lái)確定，水質(zhì)類別依據(jù)文獻(xiàn)[11]分類。若水電站運(yùn)行中電站尾水?dāng)嗝嫠|(zhì)類別與引水?dāng)嗝嫠|(zhì)類別相比較無(wú)變化或引起水質(zhì)類別升高，則指標(biāo)評(píng)分為10；若引起水質(zhì)類別降低，則指標(biāo)評(píng)分為0。

(3)替代效應(yīng)(W51)和減排效率(W52)。替代效應(yīng)(W51)和減排效率(W52)計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，但文獻(xiàn)[10]中的評(píng)分方法不能讓其最終取到評(píng)分區(qū)間的任一數(shù)值，因此按照線性函數(shù)關(guān)系將計(jì)算值映射到[0,10]區(qū)間內(nèi)，以此優(yōu)化其評(píng)分方法，具體方法見(jiàn)表3。

表3 替代效應(yīng)和減排效率計(jì)算方法

1.2 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，將結(jié)果映射區(qū)間[0,10]按等差數(shù)列分為5個(gè)等級(jí)[12]，分別是Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)。從Ⅰ級(jí)到Ⅴ級(jí)水電站對(duì)生態(tài)環(huán)境影響程度增大，其中Ⅰ級(jí)表示水電站對(duì)生態(tài)環(huán)境影響程度很小，Ⅴ級(jí)表示水電站對(duì)生態(tài)環(huán)境影響程度很大，等級(jí)劃分詳見(jiàn)表4。

表4 小水電生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

2 小水電生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

評(píng)價(jià)模型主要分為改進(jìn)層次分析法求權(quán)重和隸屬度函數(shù)確定評(píng)價(jià)矩陣兩部分。改進(jìn)層次分法計(jì)算權(quán)重中首先建立了新的五標(biāo)度法，其次嘗試對(duì)以往研究中存在的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，以期減弱人為主觀性；隸屬度確定評(píng)價(jià)矩陣部分先依據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分構(gòu)建隸屬度函數(shù)，結(jié)合指標(biāo)計(jì)算值確定評(píng)價(jià)矩陣，由權(quán)重和評(píng)價(jià)矩陣得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.1.1 改進(jìn)層次分析法確定權(quán)重

傳統(tǒng)的層次分析法通過(guò)專家對(duì)各指標(biāo)兩兩比較得到判斷矩陣，整個(gè)過(guò)程中人為的主觀因素占比重太大，以至于影響最終結(jié)果，不少學(xué)者對(duì)層次分析法的改進(jìn)進(jìn)行了研究[13-14]，例如文獻(xiàn)[13]采用三標(biāo)度并引入最優(yōu)傳遞矩陣計(jì)算判斷矩陣，該方法不再需要一致性檢驗(yàn)，過(guò)程簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，但還存在部分缺陷，論文在文獻(xiàn)[13]的研究基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

采用三標(biāo)度的確可以降低人為主觀判斷對(duì)結(jié)果的影響，但若指標(biāo)間的差異細(xì)微，此時(shí)三標(biāo)度就難以評(píng)判指標(biāo)間的細(xì)微差異；據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，人們對(duì)于“差不多”、“稍優(yōu)”、“優(yōu)”、“甚優(yōu)”、“極優(yōu)”的期望值分別為1.00、1.30、1.77、2.40、3.63[15]，因此，以此建立五標(biāo)度判斷法(見(jiàn)表5)，基于五標(biāo)度專家更能容易判斷指標(biāo)間重要程度，也能降低人為主觀影響。

表5 五標(biāo)度法

改進(jìn)層次分析法的步驟依次是建立比較矩陣G、計(jì)算重要性排序l、構(gòu)造判斷矩陣V、計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣H和擬優(yōu)一致矩陣T，具體計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[13]，其中針對(duì)構(gòu)造判斷矩陣V的公式中，若lmax=lmin，則式中km=1，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)指標(biāo)間重要性程度都一樣，這顯然不符合實(shí)際情況；其次若lmax=lmin時(shí)，構(gòu)建判斷矩陣的公式會(huì)變得無(wú)意義。為此，嘗試加入若lmax=lmin，則vij=1的限制條件。

2.1.2 確定隸屬度矩陣

依據(jù)表4評(píng)價(jià)等級(jí)劃分結(jié)果及指標(biāo)最終計(jì)算值x，構(gòu)建隸屬度函數(shù)F(x)，確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)的隸屬度值。

指標(biāo)在Ⅰ級(jí)的隸屬度函數(shù)F1(x)如下：

(1)

指標(biāo)屬于Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)的隸屬度函數(shù)F2(x)如下：

(2)

式中:r1、r2、r3分別代表各評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)間端點(diǎn)值，依據(jù)表4評(píng)價(jià)等級(jí)劃分取值；計(jì)算指標(biāo)屬于Ⅱ級(jí)隸屬度時(shí)，分別取10、8、6；Ⅲ級(jí)時(shí)分別取8、6、4；Ⅳ級(jí)時(shí)分別取6、4、2。

指標(biāo)在Ⅴ級(jí)的隸屬度函數(shù)F3(x)如下：

(3)

由各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度值構(gòu)成反映評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬關(guān)系的隸屬度矩陣R，若評(píng)價(jià)指標(biāo)為h個(gè)，評(píng)價(jià)等級(jí)為k個(gè)，則隸屬度矩陣為：

(4)

其中:rhk反映第h個(gè)指標(biāo)屬于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中第k個(gè)等級(jí)的隸屬度。

2.1.3 確定評(píng)價(jià)矩陣

由指標(biāo)層各指標(biāo)的隸屬度值組成隸屬度矩陣，然后通過(guò)指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重與相對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度值相乘后累加，計(jì)算得到準(zhǔn)則層各指標(biāo)所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度向量Bg,再由隸屬度向量Bg組成評(píng)價(jià)矩陣B,B=[B1,B2,B3,B4,B5]T，其中Bg=ωg·Rg。

2.1.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

利用準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重和評(píng)價(jià)矩陣計(jì)算小水電對(duì)5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度矩陣E，記E=ωB·B=(e1，e2,e3,e4,e5),ωB表示準(zhǔn)則層各指標(biāo)權(quán)重集合，e1、e2、e3、e4、e5分別表示小水電對(duì)生態(tài)環(huán)境影響處于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

3 實(shí)例應(yīng)用

石門電站位于陜西省漢中市褒河流域，電站始建于1970年8月，投資規(guī)模為4 726萬(wàn)元，首臺(tái)機(jī)組于1978年5月建成并投入發(fā)電運(yùn)行。電站由河床電站、東干渠渠首電站、西干渠渠首電站和河床續(xù)建電站(生態(tài)機(jī)組)組成，總裝機(jī)容量為44 380 kW。石門電站下游河段水生動(dòng)物主要有鯉魚、黃鱔等，周邊不涉及國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)珍稀動(dòng)植物、無(wú)國(guó)家和陜西省重點(diǎn)保護(hù)魚類，且已經(jīng)對(duì)涉及到的水生陸生動(dòng)植物采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

3.1 指標(biāo)計(jì)算

依據(jù)石門水電站提供的《陜西省漢中市石門水庫(kù)管理局水電站綠色小水電評(píng)價(jià)報(bào)告》中資料對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。在水質(zhì)方面石門水電站尾水?dāng)嗝媾c引水?dāng)嗝嫠|(zhì)均為Ⅱ類，故水質(zhì)變化程度指標(biāo)評(píng)分為10；在生態(tài)需水情況保障方面，石門電站已核定最小生態(tài)流量下泄量，有生態(tài)流量調(diào)度方案，但泄放設(shè)施不獨(dú)立，且生態(tài)流量監(jiān)測(cè)還只是人工監(jiān)測(cè)，由表2評(píng)分規(guī)則計(jì)算生態(tài)需水保障情況指標(biāo)評(píng)分，結(jié)果為7.5；依據(jù)文獻(xiàn)[10]中替代效應(yīng)和減排效率計(jì)算公式計(jì)算得到替代效應(yīng)p=0.757，減排效率f=1.05，結(jié)合表3計(jì)算方法得到指標(biāo)評(píng)分分別為10和5.1。

評(píng)分問(wèn)卷調(diào)查中，為了保證評(píng)分結(jié)果的可靠性，選取的20位專家都必須是從事水利行業(yè)的人員，在此基礎(chǔ)上向各位專家發(fā)出定性指標(biāo)的評(píng)分問(wèn)卷，收回有效問(wèn)卷14份，計(jì)算有效問(wèn)卷中每個(gè)指標(biāo)評(píng)分的平均值作為指標(biāo)最終評(píng)分，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 定性指標(biāo)評(píng)分計(jì)算結(jié)果

3.2 改進(jìn)層次分析法求權(quán)重

依據(jù)專家對(duì)各指標(biāo)判斷的建議，結(jié)合表4的五標(biāo)度法對(duì)各指標(biāo)重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建比較矩陣，準(zhǔn)則層的比較矩陣G如下：

指標(biāo)層的生態(tài)需水保障情況和水質(zhì)變化程度指標(biāo)只有一個(gè)指標(biāo)，所以指標(biāo)所占比重為1；水生及陸生生態(tài)、景觀、減排和河流形態(tài)所對(duì)應(yīng)指標(biāo)層的比較矩陣依次記G1、G2、G3、G4如下：

以準(zhǔn)則層的比較矩陣為例，按照上文改進(jìn)層次分析法進(jìn)行計(jì)算，重要性排序指數(shù)l1=8.47，l2=7.37，l3=6.64，l4=5.90，l5=5.33，l6=5.05，lmax=8.47，lmin=5.05。

準(zhǔn)則層構(gòu)造的判斷矩陣V和最優(yōu)傳遞矩陣H如下：

準(zhǔn)則層擬優(yōu)一致矩陣T如下：

由準(zhǔn)則層擬優(yōu)一致矩陣計(jì)算，準(zhǔn)則層各指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果為：u=(0.242,0.199,0.171,0.145,0.126,0.118)。同理，依次重復(fù)改進(jìn)層次分析法的步驟計(jì)算出指標(biāo)層權(quán)重，結(jié)果分別為：u1=u2=1，u3=u4=(0.547,0.453)，u5=(0.5,0.5)，u6=(0.623,0.377)。

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由指標(biāo)評(píng)分值結(jié)合隸屬度函數(shù)式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的隸屬度值，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 隸屬度值計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到評(píng)價(jià)矩陣B為:

模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果E為:

E=[0.346 0.527 0.098 0.028 0.000]

從模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果E可以得出：石門水電站運(yùn)行中對(duì)生態(tài)環(huán)境影響程度在第Ⅱ等級(jí)的隸屬度為0.527。根據(jù)最大隸屬度原則可知：石門水電站現(xiàn)階段在運(yùn)行過(guò)程中整體對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響處于第Ⅱ等級(jí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響程度較小。從評(píng)價(jià)矩陣結(jié)果分析，石門水電站在準(zhǔn)則層中各指標(biāo)方面影響等級(jí)大都處于Ⅱ級(jí)，說(shuō)明石門電站在生態(tài)保護(hù)各方面影響都較小，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞程度較小。為進(jìn)一步推進(jìn)石門水電站綠色發(fā)展，有以下幾點(diǎn)建議：一是電站應(yīng)熟悉周圍河道中水生動(dòng)植物種類和主要魚類生活習(xí)性與洄游規(guī)律，針對(duì)不同河道的水生動(dòng)植物采取不同的保護(hù)措施；二是電站運(yùn)行調(diào)度時(shí)，結(jié)合生態(tài)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度，保障河流生態(tài)環(huán)境所需的生態(tài)基流；三是加強(qiáng)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)各方面的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；四是小水電綠色發(fā)展不僅僅涉及對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的問(wèn)題，還應(yīng)該綜合考慮社會(huì)影響、安全管理和經(jīng)濟(jì)效益等方面的內(nèi)容。

4 結(jié) 論

基于改進(jìn)層次分析法對(duì)小水電生態(tài)環(huán)境影響程度建立了模糊綜合評(píng)價(jià)模型，選取了水文情勢(shì)、水質(zhì)、景觀等評(píng)價(jià)因子，采用五標(biāo)度法評(píng)判指標(biāo)間的重要程度，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)層次分析法求權(quán)重的過(guò)程，通過(guò)評(píng)價(jià)模型對(duì)小水電生態(tài)環(huán)境影響程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，可得出以下結(jié)論：

(1)本文嘗試為生態(tài)需水保障情況指標(biāo)的5個(gè)評(píng)判因子給出計(jì)算方法，并優(yōu)化替代效應(yīng)和減排效率指標(biāo)評(píng)分規(guī)則，采用評(píng)價(jià)指標(biāo)定性和定量結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示電站對(duì)生態(tài)環(huán)境影響等級(jí)屬于Ⅱ級(jí)，與案例水電站實(shí)際情況基本保持一致。

(2)在改進(jìn)層次分析法中用五標(biāo)度法代替了以往的九標(biāo)度法與三標(biāo)度法，既能克服使用九標(biāo)度法會(huì)降低專家判斷的準(zhǔn)確性問(wèn)題，又能解決三標(biāo)度法不能反映指標(biāo)間差異細(xì)微的問(wèn)題。