抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險評價

馬蕭蕭, 朱安平, 余蔚青, 劉 新, 李 璇

(1.國網新源控股有限公司, 北京 100052; 2.紫光軟件系統(tǒng)有限公司, 北京 100084)

當代經濟的高速發(fā)展導致對電力的需求日趨強烈，極大增加了電力系統(tǒng)調峰的難度，用電量達到峰值時電量極度短缺，低谷時又有電量剩余，由此抽水蓄能電站應運而生。由于運行原理及場景需要，抽水蓄能電站工程多建設于地勢高差較大的山地區(qū)段，工程建設期由于土地利用方式的變化對周邊固有生態(tài)環(huán)境產生的影響較大，水土流失風險及由此衍生的滑坡、泥石流等次生風險災害也將隨之增加，對周邊生態(tài)環(huán)境造成一定程度的負面影響[1]；因此，評價抽水蓄能電站建設期的水土流失及其次生災害風險對我國的抽水蓄能電站建設優(yōu)化和當地發(fā)展穩(wěn)定有重要意義。目前，國內外針對建設工程環(huán)境安全領域的災害風險研究主要集中在地震、氣象災害等自然災害[2]，交通事故、安全生產事故等事故災害[3]及其風險評價[4]、重大風險源評價等[5]方面。Cavanagh和Hicky[6]認為風險評價中從制度層面對于確保重大環(huán)境事故危險區(qū)域和周圍人員安全的監(jiān)管要求越來越高，也對風險評價的準確性和透明度提出更高的需求，相關方關心的不僅僅是滿足法規(guī)要求，而是希望確保在最小化事故風險的社會影響方面取得更好的成效。Adi和Nezamoddim[7]在此基礎上提出對于災害事故的危害性僅通過劃分成個人風險和社會風險是不全面的，而應該將對社會、經濟、人員、環(huán)境的損失全部折算為同一維度的標準進行衡量。McDaniels[8]總結了評價目標在生態(tài)風險綜合評價工作中的各種用途，并概述了評價目標應該具備的特點以及明確目標的過程，進而提出了風險評估目標的參考建議。石濟開等[4]通過對石化行業(yè)涉及的環(huán)境風險要素進行梳理分析，分別從突發(fā)性環(huán)境風險、非突發(fā)性環(huán)境風險和選址敏感性構建了環(huán)境風險分級指標體系，并通過案例分析加以印證。廖春芳等[9]在郴寧高速公路建設項目中根據通用水土流失方程(universal soil loss equation, USLE)確定的水土流失影響因素，再結合實際調研資料和專家系統(tǒng)分析方法，確定水土流失環(huán)境風險評價指標體系，并將水土流失風險劃分為6級。

抽水蓄能電站工程造成的水土流失主要集中在工程建設期，是因人類開發(fā)建設行為造成外營力所產生的水土流失形式[10]。抽水蓄能電站主體工程中上水庫所處山地的地勢較高，自然狀態(tài)下的侵蝕類型以水力侵蝕為主，同時也涉及其他侵蝕類型，故實際復合侵蝕的區(qū)域不占少數，不同侵蝕類型相互影響、效果疊加，構成了較為復雜的土壤侵蝕系統(tǒng)[11]?？紤]到抽水蓄能電站工程建設周期往往較長，且具有地表擾動范圍廣、取棄土(渣)量大、施工臨時道路、臨時堆土(渣)場多、棄土(渣)堆置時間較長等特點，因而其產生水土流失的周期也較長[12]。抽水蓄能電站工程建設過程中大面積的開挖及棄土(渣)的堆放，會對工程區(qū)原有地表植被及坡面穩(wěn)定結構造成一定沖擊，形成了新的水土流失源[13]，影響工程區(qū)的環(huán)境及生態(tài)平衡。更為嚴重的情況下，大量棄土(渣)將隨徑流匯入周邊流域，對工程區(qū)及其周邊流域的防洪和當地群眾的生命、財產及生存環(huán)境構成嚴重威脅；同時還會引發(fā)次生的洪澇、滑坡、泥石流等災害，使區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量下降，影響當地旅游業(yè)乃至地區(qū)GDP增長[14-16]。因此，本文針對由抽水蓄能電站建設期引起的水土流失及其次生災害，選取抽水蓄能電站影響范圍內的整體區(qū)域為研究對象，通過量化因水土流失情況對影響區(qū)域范圍內造成的原生和次生災害影響，建立抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險等級劃分模型，豐富了災害風險評價指標的角度；在此基礎上，根據相關行業(yè)標準、規(guī)定確定各單項指標隸屬度的核算方法，以解決抽水蓄能電站領域水土流失及其次生災害風險分級評價的問題，旨在為提升抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害的預防及應對能力提供參考。

1 抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級模型構建

1.1 抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級指標體系

本研究在篩選抽水蓄能電站水土流失及其次生災害風險等級劃分指標時，除了從工程自身屬性特點、巖土坡體特點及區(qū)域環(huán)境特點等3方面考慮水土流失風險發(fā)生的可能性潛勢外，在充分考慮抽水蓄能電站建設過程中的施工現場管理、水土流失監(jiān)測管理對象、風險應急體系完備情況、地區(qū)人口層次現狀、社會經濟發(fā)展程度、生態(tài)環(huán)境資源等要素的基礎上，結合工程建設中實際情況，遵循水土流失及其次生災害所固有的復雜性和不確定性等風險相關原理，依據科學性、代表性、可操作性和系統(tǒng)性等原則，對包括依托上、下水庫在內的抽水蓄能電站工程水土流失防治標準等級，水土保持組織管理、工程棄渣堆置、水土保持措施落實情況、工程水土流失狀況等工程水土保持監(jiān)測三色評分項，抽水蓄能電站工程水土流失及其次生災害風險與突發(fā)事故應急管理能力，以及抽水蓄能電站所在地區(qū)人口、經濟、資源等相關風險承載體易損性等不同方面進行了綜合考慮，并納入指標體系。由此選取了風險發(fā)生可能性潛勢、風險監(jiān)管與應急措施、風險承載體易損性等3個準則維度共8個一級指標和34個二級指標構建了水土流失及其次生災害風險分級指標體系。各級指標的從屬關系詳見表1。

1.2 分級指標體系的各級權重

指標評價體系中選取的不同指標對評價目標的評價角度不同，故在建立指標體系后，需要根據各指標的重要性差異對不同指標進行權重賦值，常見的賦權方法分為主成分法、熵值法等客觀賦權法，以及德爾菲法、層次分析法等主觀賦權法。

其中，客觀賦權法需要對各項指標進行多次實測的基礎上進行分析計算，在數據不足或無法實測的前提下難以應用。而主觀賦權法中的德爾菲法由于過度依賴發(fā)揮專家的作用，存在隨機性大的風險，且溝通時間及效率存在不確定性；考慮到層次分析法無須統(tǒng)計大量數據且可以對多角度指標要素進行逐層分析，大大降低了主觀隨機性給評價結果帶來的波動[17]。因此，本研究選擇層次分析法對抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級指標進行賦權。

在層次分析法當中，構造相對重要性矩陣是重中之重，傳統(tǒng)做法是沿用自20世紀80年代以來一直采用的“1—9”級標度法[18]，然而經過大量的研究分析，發(fā)現“1—9”級標度法在一些側重管理層面或涉及多元指標維度的應用場景下存在判斷差異性不明顯的問題。故本研究在經過多方比較后，選擇了Dong等人[19]在“1—9”級標度法基礎上改進的“10/10—18/2”標度法用于本次相對重要性矩陣的構造，“10/10—18/2”標度法與“1—9”級標度法的對照及含義詳見表2。

表1 抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級指標體系

表2 “10/10—18/2”標度法與“1—9”級標度法對照及含義

因此，通過采用“10/10—18/2”標度法構建的各一級指標相對重要性矩陣(Ui)為：

(1)

式中：U為準則層指標對應的符號;i為該一級指標的序號;n代表該一級指標下的二級指標數量。

隨后，通過計算得到各判斷矩陣的特征向量(X)及特征值(λ)，并通過下式計算該矩陣的一致性檢驗指數(CR)，即：

(2)

式中：CI為矩陣的一致性指數;λmax為矩陣的最大特征值;n為矩陣特征值個數; RI為矩陣的平均隨機一致性指數,根據查閱相關資料,本研究采用劉守強等[20]在基于“10/10—18/2”新標度法的改進AHP法中調整過的6階以內矩陣的RI值進行一致性檢驗(表3)。采取上述方法得到的各級指標權重及一致性檢驗指數詳見表4。各矩陣一致性校驗均合格,滿足可用性要求。

表3 “10/10—18/2”標度法對應的6階以下矩陣對應的RI值

表4 各級指標重要性矩陣及權重結果

續(xù)表3：

1.3 水土流失及其次生災害風險分級模型

本研究根據所構建的抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級指標體系，并基于模糊綜合評價法建立由水土流失及其次生災害水平的等級劃分模型。

(1) 建立綜合評價的因素集。根據構建好的抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級指標體系，分別取一級指標作為第一層次因素、二級指標作為第二層次因素，即指標體系中的各因素集為：A=(A1，…，A3)，A1=(A11，…，A14)，依此類推。

(2) 建立綜合評價的評價集。評價集是被評價對象可能出現的各種結果所組成的集合，通常用V表示，即V=(V1，…，Vn)，其中元素Vn代表第n種評價結果，根據實際情況的需要，用不同的評價等級來表示。本研究在參考具備可操作性的模糊綜合評價模型等級數量的基礎上[21]，將本次抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級模型中評價等級數確定為5級。

(3) 建立評價矩陣?；谝罁F行水土保持法律法規(guī)、相關標準及行業(yè)研究資料中對相關指標的分級標準，確定各單項指標的等級隸屬度，依此建立模糊綜合評價的評價矩陣P。

(4) 確定因素權向量。評價工作中，各因素的重要程度有所不同，為此，給各層次因素賦予對應的權重，各因素的權重集合的模糊集即為因素權向量，用W表示，即：W=(W1，W2，…，Wm)，其中m代表因素集的數量。權向量通過前述層次分析法的相對重要性矩陣進行構造。

(5) 建立綜合評價模型。確定單因素評價矩陣P和因素權向量W后，通過模糊變化將各因素集上的模糊向量變?yōu)樵u價集上的模糊向量S，即：

SA=W1×m。Pm×n

(3)

式中：“?！睘榫C合評價合成算子，通常取矩陣乘法。

一級指標的綜合評價結果需通過二級指標的模糊綜合評價結果進行計算，二級指標模糊綜合評價的評價矩陣Pi為：

(4)

進而將一級指標的評價矩陣和權重集合后，得到：

(5)

(6) 評價指標的處理。本研究在得到綜合評價指標后，采用加權平均法對綜合評價結果進行處理，建立對應的評價等級關系表(表5)，用于計算水土流失及其次生災害風險等級。其中，1級為安全級，5級為不安全級，從1級到5級表征災害危害水平逐級遞增。

表5 風險災害評價等級標準對照

2 工程案例應用

2.1 應用工程概況

以位于我國安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn)的安徽績溪抽水蓄能電站工程為例，通過收集該工程項目的可行性研究報告、環(huán)境影響報告、水土保持方案及相關文獻資料等，本文將研究構建的抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級模型應用于該抽水蓄能電站，計算其水土流失及其次生災害風險等級。該抽水蓄能電站裝機容量1 800 MW(6×300 MW)，主要由上下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關站及下水庫等建筑物組成，工程總占地面積為361.04 hm2，建設期為76個月，主體工程于2014年底開工，至2021年2月，6臺機組已全部投產發(fā)電。

工程建設期內棄渣總量5.15×106m3，共設置9處棄渣場。按照水土保持方案要求，水土流失防治標準按照建設類項目一級標準執(zhí)行，下庫2#棄渣場堆渣量大，為永久棄渣場，將其攔擋建筑物級別按3級設計，其余棄渣場攔擋建筑物級別按4級設計；施工生產生活區(qū)截排水設施按永久場地20 a一遇標準、臨時場地5 a一遇防洪標準執(zhí)行。工程區(qū)周邊水體布設的9個監(jiān)測斷面水質均能滿足Ⅲ類標準。

2.2 風險災害等級劃分

2.2.1 構建分級評價矩陣 根據收集到的工程環(huán)境影響報告書、水土保持方案報告書、施工相關資料及水利水電、環(huán)境保護、水土保持相關行業(yè)技術規(guī)范標準、《2020年安徽省水土保持公報》以及《2020年績溪縣國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》等資料中的相關數據，分別得到模型中各項指標值(表6)，并根據前述提出的隸屬度確定原則得到各指標的單項隸屬度及模糊綜合評價匯總表(表7)。

表6 評價模型中各單項指標值及隸屬度

表7 各指標單項隸屬度及模糊綜合評價

2.2.2 計算風險災害等級 由模糊綜合評價表得到二級指標評價矩陣，分別為：

采用綜合評價合成算子將二級指標評價矩陣與其權向量集合，得到對應一級指標評價集為：

SA1=(0.000 0，0.111 9，0.723 7，0.164 4，0.000 0)

SA2=(0.000 0，0.041 7，0.573 2，0.233 7，0.151 3)

SA3=(0.632 6，0.072 2，0.000 0，0.000 0，0.295 2)

SB1=(0.776 2，0.000 0，0.168 4，0.000 0，0.055 4)

SB2=(0.329 5，0.122 6，0.547 9，0.000 0，0.000 0)

SC1=(0.000 0，0.000 0，0.259 2，0.132 3，0.572 5)

SC2=(0.000 0，0.638 9，0.232 8，0.128 3，0.000 0)

SC3=(0.000 0，0.000 0，0.300 0，0.700 0，0.000 0)

進而，得到的一級指標評價矩陣為：

同樣采用綜合評價合成算子將第一層次指標評價矩陣與其權向量集合，得到對應目標層評價集為：

SA=(0.182 9，0.064 9，0.438 2，0.151 9，0.162 0)

SB=(0.664 5，0.030 7，0.263 3，0.000 0，0.041 5)

SC=(0.000 0，0.099 0，0.268 2，0.313 2，0.300 7)

同理，得到準則層評價矩陣為：

進而得到對應目標層評價集為：

SP=(0.323 2，0.059 0，0.341 7，0.127 6，0.144 8)。

根據模糊綜合評價結果，采用加權平均法計算該抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險模糊綜合評價結果為：0.95×0.323 2+0.80×0.059 0+0.65×0.341 7+0.50×0.127 6+0.30×0.144 8=0.683 6。

通過對照評價等級表，可得該抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險等級為3級，安全狀況為一般安全。結合工程施工日志及施工期水土保持監(jiān)測季報等資料，在建設期臨時道路出現過順坡溜渣情況，且往往伴隨連續(xù)降水天氣出現，建設單位及施工單位未特意提升風險防范措施等級，而是通過采取極端氣候聯動機制提升了工程建設期水土保持監(jiān)管狀態(tài)及風險控制的整體能力，并通過牢固樹立水土流失事故風險意識，成功避免了本工程在建設期發(fā)生水土流失及相關災害。這也從側面反映了本研究構建的抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險評價模型在具體工程建設過程管控方面具有一定的可操作性，且結果可信。

3 結 論

本研究綜合考慮了風險發(fā)生可能性潛勢、風險監(jiān)管與應急措施、風險承載體易損性等3個維度因素，構建了抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級評價指標體系，包括8個一級指標及34個二級指標。

(1) 本研究建立了抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險5級評價模型，模型先通過層次分析法確定各層級指標的權重，且滿足一致性校驗要求；進一步依據現行行業(yè)法律法規(guī)、標準導則等確定各二級指標的隸屬度，并采用基于加權平均法的模糊綜合評價計算抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險等級，使分級評價結果更具科學性。

(2) 將建立的抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級評價模型應用于實際案例，計算安徽績溪抽水蓄能電站在建設期的水土流失及其次生災害風險等級，各評價指標參考該項目相關文獻資料，計算得出該抽水蓄能電站災害風險等級為3級，屬于一般安全。結合本工程在建設期未發(fā)生水土流失及相關災害的實際情況，說明本研究構建的抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險評價模型具有可行性，且評價結果可信。

(3) 考慮到應用案例工程在建設過程中出現過順坡溜渣的情況，在后續(xù)抽水蓄能電站工程對于采用本研究的建設期水土流失及其次生災害風險評價模型進行風險等級評估且風險等級為3級的工程，可借鑒該工程建設階段所采用的相關水土保持監(jiān)管及風險防范控制措施，確保工程水土保持措施按照要求落實建設，并通過引入新技術加強建設期水土保持監(jiān)測水平，重點關注建設期棄渣堆置不合規(guī)及取棄土過程中的潛在土壤流失量，盡可能避免出現順坡溜渣等水土流失情況，降低工程在建設期的災害風險，徹底杜絕水土流失及其次生災害現象的出現。

4 討 論

根據本研究構建的抽水蓄能電站建設期水土流失及其次生災害風險分級指標體系各級權重分配情況可知，工程巖土坡體狀況是影響工程水土流失及其次生災害風險潛勢最大的因素，其中基覆界面傾角、最大縱坡坡度及土體類型為權重較高的二級指標，因此在選址地質勘查過程中因重點關注上述指標，從選址角度盡可能降低工程的整體風險。

在工程建設期實際管理過程中，工程水土流失防治標準等級和工程施工安全檢查評分是對工程建設期水土流失及次生風險等級影響最大的因子，從監(jiān)管的角度來說，抽水蓄能電站項目單位及施工單位在工程建設期應嚴格落實工程水土保持措施，確保實際水土流失情況達到防治標準要求，并加強施工過程的安全監(jiān)督檢查，提高風險防范意識。