李永祺，鄒淑云，盧 韜，陳鴻飛

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114； 2.大唐華銀懷化巫水流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 懷化 418000)

1 概 述

水利水電工程的生態(tài)效應(yīng)是指水利水電工程完工之后，對(duì)自然界生態(tài)環(huán)境所造成的破壞和修復(fù)兩種綜合效應(yīng)[1]，生態(tài)機(jī)組也不例外。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了大量研究，得到不少令人滿意的成果。Brenda May Pracheil等[2]提出由6個(gè)部分、共計(jì)51個(gè)指標(biāo)組成的水電生態(tài)評(píng)價(jià)體系。Andrei Briones-Hidrovo[3]提出將生命周期評(píng)估和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估相結(jié)合的生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)方法，為確定該方法的適用性，在巴巴水電站和馬扎爾杜達(dá)斯水電站進(jìn)行了研究，結(jié)果表明壩式水電站和徑流式水電站之間存在明顯的環(huán)境生態(tài)差異。常本春等[4]將國(guó)際流行的指標(biāo)體系“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)”模式改造為“狀態(tài)-壓力-效應(yīng)”(SPE)的形態(tài)，結(jié)合層次分析法將生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為三大層次，并構(gòu)建相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)圖層次關(guān)系建立判斷矩陣，最終完成生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立。曹花婷[5]則加入灰色多層次分析法，計(jì)算得出水利工程的生態(tài)效應(yīng)影響等級(jí)。吳春篤等[6]在進(jìn)行北固山濕地生態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)，通過(guò)層次分析法，構(gòu)建濕地生態(tài)模型并確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，再依據(jù)生態(tài)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)判斷其生態(tài)狀況。

總體而言，水電機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)方面的研究已經(jīng)較為豐富。但在“雙碳”目標(biāo)背景下，將生態(tài)機(jī)組對(duì)于碳排放的改善作為指標(biāo)納入評(píng)價(jià)體系，將有助于全面客觀地評(píng)價(jià)生態(tài)機(jī)組的生態(tài)效應(yīng)。本文提出符合碳中和、碳達(dá)峰形勢(shì)的生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系，比較評(píng)價(jià)體系中碳排放指數(shù)的納入與否對(duì)生態(tài)效應(yīng)評(píng)分的影響，以評(píng)估其合理性與優(yōu)越性。

2 生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)

基于評(píng)價(jià)體系所需的協(xié)調(diào)性、完整性、可持續(xù)性，將生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系分為3個(gè)層次，具體如下：①目標(biāo)層。用于體現(xiàn)生態(tài)機(jī)組對(duì)其所在區(qū)域的生態(tài)效應(yīng)影響；②準(zhǔn)則層。主要指影響區(qū)域生態(tài)效應(yīng)的因素，本文將其分為壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)主干；③指標(biāo)層。由可量化的指標(biāo)組成，用以評(píng)估生態(tài)機(jī)組在各方面產(chǎn)生的效應(yīng)及其影響[1]。其中，不穩(wěn)定運(yùn)行壓力及碳排放指數(shù)是研究生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)新引進(jìn)的兩個(gè)指標(biāo)。具體各項(xiàng)指標(biāo)說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)表

2.2 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

本文采用層次分析法(AHP)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定。根據(jù)同層次指標(biāo)對(duì)上層的重要性構(gòu)建判斷矩陣，邀請(qǐng)專家對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行打分；根據(jù)兩指標(biāo)影響強(qiáng)弱對(duì)比關(guān)系，依照1-9、1-1/9的尺度進(jìn)行評(píng)級(jí)，將定性問(wèn)題定量化。計(jì)算該判斷矩陣的最大特征根λmax，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(1)

(2)

若矩陣滿足一致性檢驗(yàn)，則可繼續(xù)計(jì)算得出對(duì)應(yīng)指標(biāo)權(quán)重Ei；若不滿足一致性檢驗(yàn)，則需要重新構(gòu)建判斷矩陣。

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法確定指標(biāo)賦值

本指標(biāo)評(píng)價(jià)體系用于評(píng)價(jià)生態(tài)機(jī)組在環(huán)境生態(tài)效應(yīng)方面的表現(xiàn)。采用模糊綜合評(píng)價(jià)法的思想，在指標(biāo)賦值方面分為4個(gè)層次，具體生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下：以1-4的數(shù)字表示，即1表示弱，2表示較弱，3表示中等，4表示強(qiáng)，由此得到評(píng)分向量V=(4，3，2，1)T，對(duì)各指標(biāo)予以賦值。在對(duì)生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的任一Ci中做出得分評(píng)定時(shí)，存在著一個(gè)相應(yīng)的隸屬度向量為Ri=(r1，r2，r3，r4)，且有：

(3)

最后由式(4)：

Wi=Ri·V

(4)

可得描述所有單項(xiàng)生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)C1，C2，…，Ci的評(píng)分向量：

W=(W1,W2,W3,…,Wi)T

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算

采用綜合指數(shù)法(CI)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，即將各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重乘以該指標(biāo)對(duì)應(yīng)賦值得分。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)用M表示，計(jì)算公式如下：

M=∑Ei×Wi

(5)

式中：M為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Ei為評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci對(duì)應(yīng)的權(quán)重；Wi為單項(xiàng)指標(biāo)Ci的賦值平均分。

3 某電站生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)

某水電站以發(fā)電為主，兼顧灌溉、航運(yùn)等綜合效益，總裝機(jī)容量2×1.25×104kW，壩頂高程為216 m,正常蓄水位211 m，水庫(kù)總庫(kù)容3 840×104m3，設(shè)計(jì)水頭15.8 m，屬于日調(diào)節(jié)水庫(kù)。多年平均流量為84.2 m3/s，生態(tài)流量設(shè)計(jì)為8.42 m3/s，實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組開(kāi)機(jī)流量保持在55 m3/s以上，滿足生態(tài)流量要求，機(jī)組停機(jī)時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟閘門(mén)保證生態(tài)流量下泄。生態(tài)機(jī)組多年平均發(fā)電量9 235×104kW·h，年利用小時(shí)3 694 h，淹沒(méi)耕地23.446 7 hm2。

3.1 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

邀請(qǐng)專家對(duì)該水電站生態(tài)機(jī)組指標(biāo)進(jìn)行評(píng)級(jí)，建立目標(biāo)層與準(zhǔn)則層的判斷矩陣，見(jiàn)表2。建立矩陣后，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)通過(guò)即可得到準(zhǔn)則層各指標(biāo)的權(quán)重。類似的，指標(biāo)層C1～C2對(duì)壓力B1的權(quán)重、C3～C7對(duì)狀態(tài)B2的權(quán)重、C8～C12對(duì)響應(yīng)B3的權(quán)重也可計(jì)算得到。為體現(xiàn)碳排放指數(shù)對(duì)指標(biāo)體系的影響，分別列出不考慮碳排放指數(shù)和考慮碳排放指數(shù)的綜合指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表3。

表2 準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的比較結(jié)果

表3 綜合指標(biāo)權(quán)重

續(xù)表3

圖1為碳排放納入與否對(duì)響應(yīng)B3中指標(biāo)權(quán)重變化狀況。從圖1中可見(jiàn)，納入碳排放指數(shù)后，C10水土流失強(qiáng)度的權(quán)重下降明顯，且C12碳排放指數(shù)所占權(quán)重較大。

圖1 B3中指標(biāo)權(quán)重變化狀況

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法確定指標(biāo)賦值

根據(jù)該水電站的情況，工程施工壓力中等，不穩(wěn)定運(yùn)行壓力較低，河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率100%，河岸植被覆蓋度41%，物種多樣性指數(shù)3.6%，人均水資源量1 650 m3，人均耕地面積0.043 hm2，公眾滿意度較好，魚(yú)類生物完整性指數(shù)-5.3%，水土流失強(qiáng)度34%，發(fā)電效益中等，碳排放指數(shù)表現(xiàn)優(yōu)異。參考評(píng)分向量V=(4，3，2，1)T，經(jīng)過(guò)調(diào)研后可知：

10%的人認(rèn)為工程施工壓力對(duì)生態(tài)的影響強(qiáng)；80%的人認(rèn)為影響一般；10%的人認(rèn)為較弱。因此，對(duì)應(yīng)于C1的隸屬度向量為R1=(0.1，0.8，0.1，0)，依據(jù)式(4)則：

W1=R1·V=0.1×4+0.8×3+0.1×2+0=3

類似參考評(píng)分情況可得隸屬度向量R2～R12，得到W2～W12，因此單項(xiàng)生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)C1～C12的得分向量：

W=(3,3,2.2,3.8,1.9,3,2.9,3.1,1.8,2.2,3.5,3.9)T

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算

本評(píng)價(jià)體系采用綜合指數(shù)法計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，即將各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重乘以該指標(biāo)對(duì)應(yīng)賦值得分，故滿分為4分。具體的指數(shù)計(jì)算公式如下：

(6)

式中：M為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Ei為評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci對(duì)應(yīng)的權(quán)重；Wi為單項(xiàng)指標(biāo)Ci的賦值平均分。

在不考慮碳排放指數(shù)時(shí)，該電站生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)得分為M=2.709。

考慮碳排放指數(shù)時(shí)，該電站生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)得分為M′=2.943。

計(jì)算出考慮碳排放后的得分增率為：

(7)

由此，該電站生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明，生態(tài)機(jī)組的生態(tài)效應(yīng)良好，可以緩解生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題，且將碳排放指數(shù)納入原指標(biāo)體系后，能夠提高生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)得分，說(shuō)明生態(tài)機(jī)組在減排上有一定優(yōu)勢(shì)。

表4 生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

目前，我國(guó)面臨著能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，生態(tài)機(jī)組作為一種環(huán)境友好型、資源節(jié)約型水電生產(chǎn)方式，為推動(dòng)水利綠色發(fā)展和能源革命提供了一條智慧思路。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，將碳排放指數(shù)納入生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，有助于分析生態(tài)機(jī)組建設(shè)對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的貢獻(xiàn)，具有一定戰(zhàn)略意義。

本文以某電站為例，利用層次分析法，結(jié)合專家意見(jiàn)構(gòu)建判斷矩陣，確定準(zhǔn)則層、指標(biāo)層各項(xiàng)目的權(quán)重，參考生態(tài)機(jī)組在生態(tài)效應(yīng)方面的表現(xiàn)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦值，最終采用綜合指數(shù)法計(jì)算出該電站生態(tài)機(jī)組生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)得分。結(jié)果表明，生態(tài)機(jī)組的生態(tài)效應(yīng)良好。為研究碳排放指數(shù)的納入與否對(duì)生態(tài)效應(yīng)評(píng)分的影響，本文對(duì)碳排放指標(biāo)加入前后的評(píng)價(jià)得分進(jìn)行比較。在考慮碳排放指數(shù)后，該電站的生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)得分達(dá)到2.943，比不考慮碳排放時(shí)提升了8.64%，充分體現(xiàn)該電站在節(jié)能減排方面的優(yōu)秀表現(xiàn)。同時(shí)，增率在10%左右較為適中，表明本文中為碳排放指數(shù)設(shè)置具有合理性，體現(xiàn)了本評(píng)價(jià)體系的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。