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    基于生態(tài)灰色模糊風(fēng)險(xiǎn)分析水資源開(kāi)發(fā)方案

    2022-12-05 10:34:56
    水利科學(xué)與寒區(qū)工程 2022年11期
    關(guān)鍵詞:蓄水位效益規(guī)模

    劉 斌

    (河北省滄州水文勘測(cè)研究中心,河北 滄州 061000)

    水利工程具有消除水害,可開(kāi)發(fā)利用水資源,保護(hù)人民財(cái)產(chǎn)安全作用,因此在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中具有重要意義,在水資源利用和水資源建設(shè)中價(jià)值更明顯,能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展[1-2],但過(guò)度使用仍然會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定不利影響[3]。目前,在一般環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告中,僅定性描述了興建水利工程對(duì)地球生態(tài)環(huán)境的影響,這導(dǎo)致人們對(duì)生態(tài)環(huán)境影響缺乏整體評(píng)價(jià),只注重經(jīng)濟(jì)利益,不充分考慮建設(shè)工程帶來(lái)的負(fù)面影響,這將對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的問(wèn)題。如張丹[4]學(xué)者應(yīng)用模糊灰關(guān)聯(lián)故障樹(shù)模型評(píng)估了水利水電工程的社會(huì)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn);江新[5]等學(xué)者應(yīng)用灰色模糊綜合評(píng)價(jià)方法評(píng)估水利工程項(xiàng)目群供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。因此,在水利工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告中,應(yīng)在綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的基礎(chǔ)上,核算興建水利工程的生態(tài)環(huán)境價(jià)值,分析建設(shè)工程的可行性。為解決以上矛盾,本文在綜合考慮水利工程效益、生態(tài)修復(fù)成本和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上,提出可以優(yōu)化水利工程開(kāi)發(fā)規(guī)模的模型。

    1 建立考慮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)化模型

    1.1 確定主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子

    影響水利工程生態(tài)環(huán)境的因素有很多,主要來(lái)自建設(shè)水利工程的施工階段、運(yùn)維階段和拆除階段,其主要風(fēng)險(xiǎn)因素如圖1所示。

    圖1 水利工程生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因素

    1.2 確定主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)成因

    1.3 總生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化預(yù)測(cè)

    假設(shè)已經(jīng)確定了n個(gè)開(kāi)發(fā)規(guī)模的模糊風(fēng)險(xiǎn)值,則可以運(yùn)用灰色理論預(yù)測(cè)模型,該模型為隨水位增長(zhǎng)的模糊風(fēng)險(xiǎn)值GM(1,1)模型。

    1.4 考慮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)化模型

    (1)假設(shè)n個(gè)開(kāi)發(fā)方案通過(guò)不同的正常蓄水位(H=[h1h2…h(huán)n])進(jìn)行比較,以反映開(kāi)發(fā)規(guī)模的差異。第一步,計(jì)算每個(gè)開(kāi)發(fā)方案能夠產(chǎn)生的效益和需要的生態(tài)修復(fù)成本,則能夠得到效益向量、工程成本向量和生態(tài)修復(fù)成本向量這三個(gè)向量,其中:效益向量B=[b1b2…bn]、工程成本向量C=[c1c2…cn]和生態(tài)修復(fù)成本向量D=[d1d2…dn]。

    (2)根據(jù)上述計(jì)算方法,算出每個(gè)方案的系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)值,然后可以得到一個(gè)模糊風(fēng)險(xiǎn)向量R=[r1r2…rn]。

    (3)利用回歸擬合,找出效益作為正常蓄水位的函數(shù),以EB(h)表示;工程成本作為正常蓄水位的函數(shù),以C(h)表示;生態(tài)修復(fù)成本與模糊風(fēng)險(xiǎn)值也作為正常蓄水位的函數(shù),分別以D(h)、R(h)表示。

    (4)將上一步得到的四個(gè)函數(shù)組合在一起,可以得到新的單目標(biāo)函數(shù)和多目標(biāo)函數(shù),見(jiàn)式(1)~式(3):

    F1(h)=EB(h)-C(h)

    (1)

    F2(h)=EB(h)-C(h)-D(h)

    (2)

    (3)

    (5)建立優(yōu)化模型

    目標(biāo)函數(shù)為Fi(h),約束條件如式(4):

    C(h)-EB(h)<0

    C(h)+D(h)-EB(h)<0

    (4)

    -R(h)<0

    hmin

    (6)運(yùn)用最優(yōu)化理論計(jì)算出前三個(gè)函數(shù)的極值,與極值對(duì)應(yīng)的正常蓄水位表示最優(yōu)開(kāi)發(fā)規(guī)模。通過(guò)比較單目標(biāo)和多目標(biāo)開(kāi)發(fā)規(guī)模的最優(yōu)正常蓄水位,從而選擇出最優(yōu)正常蓄水位。

    2 生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算

    2.1 建立不同開(kāi)發(fā)規(guī)模

    本文以某水利樞紐的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析,可知其正常蓄水位可選擇在223~233 m之間,因此設(shè)置6個(gè)正常蓄水位來(lái)代表該范圍內(nèi)不同的開(kāi)發(fā)規(guī)模,主要表示為H=[h1h2…h(huán)6]=[223 225 227 229 231 233]。

    2.2 生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)的模糊矩陣

    計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)的模糊矩陣時(shí),應(yīng)遵循的步驟:首先建立評(píng)價(jià)對(duì)象因子集和評(píng)價(jià)集、以及不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊矩陣;然后根據(jù)模糊矩陣和風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重,利用模糊變換算法求出模糊矩陣中的風(fēng)險(xiǎn)因素;最后根據(jù)模糊邏輯并通過(guò)模糊變換算法,算出不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下生態(tài)系統(tǒng)的總風(fēng)險(xiǎn)模糊矩陣和風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重。

    2.3 生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣

    根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)的模糊矩陣及對(duì)應(yīng)權(quán)重,利用模糊變換算法得出生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。

    2.4 生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)的模糊評(píng)分

    結(jié)合以上數(shù)據(jù),算出不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)的模糊評(píng)分,見(jiàn)表1。

    由表1中數(shù)據(jù)可知,總風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)分R與存儲(chǔ)水位呈正比變化。表1中還顯示了風(fēng)險(xiǎn)增量ΔR的變化:當(dāng)水位小于229 m時(shí),風(fēng)險(xiǎn)增量率與存儲(chǔ)水位呈反比變化;當(dāng)水位大于229 m時(shí),風(fēng)險(xiǎn)增量率與存儲(chǔ)水位呈正比變化。整體而言,風(fēng)險(xiǎn)增長(zhǎng)速度在加快。

    表1 不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下的總風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分值

    3 不同階段生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子與蓄水位間的變化關(guān)系

    通過(guò)最小二乘法擬合出生態(tài)總風(fēng)險(xiǎn)因子與蓄水位(R~h)的關(guān)系曲線,見(jiàn)式(5):

    R=0.0003h2-0.1219h+13.88831

    (5)

    同上,通過(guò)最小二乘法擬合出工程施工階段存在的風(fēng)險(xiǎn)因子與蓄水位(R1~h)間的關(guān)系式(6):

    R1=0.0004h2-0.1719h+19.1451

    (6)

    擬合得出工程運(yùn)維階段存在的風(fēng)險(xiǎn)因子與蓄水位(R2~h)間的關(guān)系式(7):

    R2=0.0002h2-0.0705h+8.3238

    (7)

    擬合得出工程運(yùn)行結(jié)束之后拆除階段存在的風(fēng)險(xiǎn)因子與蓄水位(R3~h)間的關(guān)系式(8):

    R3=0.0004h2-0.1740h+19.7459

    (8)

    根據(jù)最小二乘法擬合得出的蓄水位與總生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系式、施工階段關(guān)系式、運(yùn)維階段的關(guān)系式以及拆除階段的關(guān)系式,能夠得出固定范圍內(nèi)不同開(kāi)發(fā)規(guī)模的生態(tài)總風(fēng)險(xiǎn),以及該工程項(xiàng)目在其使用周期內(nèi)特定范圍中不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下的風(fēng)險(xiǎn)值。

    3.1 確定主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)成因

    通過(guò)模糊評(píng)價(jià)算法和模糊評(píng)分法,能夠確定出不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子的模糊評(píng)分,如表2所示。

    根據(jù)模糊評(píng)價(jià)算法和模糊評(píng)分法,可以確定不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下模糊評(píng)分的各種風(fēng)險(xiǎn)成因。通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目全生命周期的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析,包括建設(shè)階段、運(yùn)維階段和最終拆除階段,可以得出以下結(jié)論:工程在建設(shè)階段,最不利的風(fēng)險(xiǎn)因素是不可再生資源的消耗;在運(yùn)維階段,最不利的風(fēng)險(xiǎn)因素是破壞原始生物的棲息地;在運(yùn)行結(jié)束后的拆除階段,最不利的風(fēng)險(xiǎn)因素是環(huán)境生態(tài)服務(wù)功能的下降。因此,在執(zhí)行某個(gè)建設(shè)方案的過(guò)程中,在工程建設(shè)階段應(yīng)該盡量減少消耗有限的天然燃料和生長(zhǎng)速度較慢的再生材料,應(yīng)提倡開(kāi)發(fā)利用快速天然可再生的材料,實(shí)現(xiàn)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。在工程運(yùn)維階段,應(yīng)盡量保護(hù)原有生物的棲息地,避免河流形式的均質(zhì)化和間斷化,不破壞生物環(huán)境,提倡生態(tài)水利。在最后拆除階段,不僅要看到供水、灌溉、發(fā)電等水利工程給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)的直接效益,也要更加關(guān)注水利工程改變河流自然狀態(tài)后,對(duì)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、動(dòng)植物多樣性的負(fù)面影響。

    表2 不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子的模糊評(píng)分

    3.2 生態(tài)總風(fēng)險(xiǎn)的灰色預(yù)測(cè)

    通過(guò)模糊綜合評(píng)分計(jì)算方法,先計(jì)算出總生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值Ry i(i=1,2,…,m)。然后,建立水位hi(i=1,2,…,m)與總生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值Ry i(i=1,2,…,m)之間的關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)。Ry i是隨水位上升而變化的一種已知信息,但仍存在一部分未知信息,即這種動(dòng)態(tài)趨勢(shì)的實(shí)質(zhì)特征是灰色的。因此,需要通過(guò)灰色系統(tǒng)微分方程的建模機(jī)理和方法建立GM(1,1)模型。

    本文建立的灰色預(yù)測(cè)模型,如式(9):

    R=0.066 103 7e0.008 868 54h

    (9)

    根據(jù)上述模型,算出不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值,如表3所示。

    表3 不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值

    3.3 不同建設(shè)規(guī)模效益與成本的計(jì)算

    通過(guò)全面核算興建水利工程對(duì)人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響,可知水利工程對(duì)人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響包括以下兩部分:一是項(xiàng)目能夠產(chǎn)生的效益EB和自身需要的成本C;二是水利工程對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成的價(jià)值損失D。利用水利工程經(jīng)濟(jì)分析方法,算出不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下生態(tài)環(huán)境的效益、成本和損失,如表4所示。

    表4 不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下的工程效益、成本和損失

    通過(guò)回歸分析理論擬合計(jì)算出正常蓄水位h與工程效益EB(h)的函數(shù)如式(10):

    EB(h)=0.010 034h3-7.0229h2+

    1638.5h-127 300

    (10)

    擬合得出正常蓄水位h與工程成本C(h)的函數(shù)如式(11):

    C(h)=0.002 372 4h3-1.5972h2+

    358.62h-26 807

    (11)

    得出正常蓄水位h與生態(tài)修復(fù)成本D(h)的函數(shù)如式(12):

    D(h)=0.0137h2-6.0241h+685.2696

    (12)

    3.4 優(yōu)化模型

    不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下不考慮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)化模型見(jiàn)式(13):

    F1(h)=0.007 662h3-5.4531h2+

    1279.9h-100 493

    (13)

    不同工程開(kāi)發(fā)規(guī)模下考慮生態(tài)修復(fù)成本的優(yōu)化模型見(jiàn)式(14):

    F2(h)=0.007 662h3-5.4394h2+

    1285.9h-101 178

    (14)

    不同工程開(kāi)發(fā)規(guī)模下考慮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)化模型見(jiàn)式(15):

    F3(h)=

    (15)

    以上三種不同模型的優(yōu)化問(wèn)題都是約束非線性規(guī)劃問(wèn)題,可采用復(fù)形法求解,結(jié)果如下:

    當(dāng)h=229.1 m時(shí),F(xiàn)1(h)獲得最大值,則說(shuō)明在考慮工程效益和工程成本的情況下,水庫(kù)最優(yōu)正常蓄水位為229.1 m。

    當(dāng)h=228.3 m時(shí),F(xiàn)2(h)獲得最大值。則說(shuō)明在考慮工程效益、工程成本和生態(tài)修復(fù)成本的情況下,水庫(kù)最優(yōu)正常蓄水位為228.3 m。

    當(dāng)h=227.4 m時(shí),F(xiàn)3(h)獲得最大值。則說(shuō)明在考慮工程效益、工程成本、生態(tài)修復(fù)成本和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的情況下,水庫(kù)最優(yōu)正常蓄水位為227.4 m。

    4 結(jié) 論

    通過(guò)本文計(jì)算分析不同開(kāi)發(fā)規(guī)模下優(yōu)化模型的結(jié)果,可從中得到以下結(jié)論:

    (1)僅考慮工程效益和工程成本的單目標(biāo)優(yōu)化模型中,水庫(kù)最優(yōu)正常蓄水位為229.1 m,而實(shí)際正常蓄水位為228.0 m,說(shuō)明實(shí)際值明顯小于計(jì)算結(jié)果,與實(shí)際不符。

    (2)綜合考慮工程效益、工程成本和生態(tài)修復(fù)成本的優(yōu)化模型中,水庫(kù)最優(yōu)正常蓄水位為228.3 m,而實(shí)際正常蓄水位為228.0 m,說(shuō)明實(shí)際值略小于計(jì)算結(jié)果,與實(shí)際存在一定差別。

    (3)考慮工程效益、工程成本、生態(tài)修復(fù)成本以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的多目標(biāo)優(yōu)化模型中,水庫(kù)最優(yōu)正常蓄水位為227.4 m,實(shí)際正常蓄水位也是228.0 m,說(shuō)明實(shí)際值略大于計(jì)算結(jié)果,雖存在一定出入,但結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析,該模型更符合實(shí)際情況。

    (4)只考慮工程效益和工程成本的情況下,當(dāng)水庫(kù)最優(yōu)正常蓄水位在229.1 m以下時(shí),水位與收益呈正比變化;當(dāng)水位超過(guò)最優(yōu)正常蓄水位時(shí),水位與收益呈反比變化、與工程成本呈正比變化。通過(guò)多目標(biāo)分析可得,生態(tài)修復(fù)的總成本和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均隨著水位增加而增加,因此,其發(fā)展規(guī)模相比單目標(biāo)較小。

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