劉 斌

(河北省滄州水文勘測研究中心，河北 滄州 061000)

水利工程具有消除水害，可開發(fā)利用水資源，保護人民財產(chǎn)安全作用，因此在經(jīng)濟社會發(fā)展過程中具有重要意義，在水資源利用和水資源建設中價值更明顯，能夠促進經(jīng)濟社會實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展[1-2]，但過度使用仍然會對環(huán)境產(chǎn)生一定不利影響[3]。目前，在一般環(huán)境影響評價報告中，僅定性描述了興建水利工程對地球生態(tài)環(huán)境的影響，這導致人們對生態(tài)環(huán)境影響缺乏整體評價，只注重經(jīng)濟利益，不充分考慮建設工程帶來的負面影響，這將對地球生態(tài)系統(tǒng)帶來不可逆轉(zhuǎn)的問題。如張丹[4]學者應用模糊灰關聯(lián)故障樹模型評估了水利水電工程的社會穩(wěn)定風險；江新[5]等學者應用灰色模糊綜合評價方法評估水利工程項目群供應鏈風險等級。因此，在水利工程環(huán)境影響評價報告中，應在綜合考慮社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益的基礎上，核算興建水利工程的生態(tài)環(huán)境價值，分析建設工程的可行性。為解決以上矛盾，本文在綜合考慮水利工程效益、生態(tài)修復成本和生態(tài)風險的基礎上，提出可以優(yōu)化水利工程開發(fā)規(guī)模的模型。

1 建立考慮生態(tài)風險的優(yōu)化模型

1.1 確定主要生態(tài)風險因子

影響水利工程生態(tài)環(huán)境的因素有很多，主要來自建設水利工程的施工階段、運維階段和拆除階段，其主要風險因素如圖1所示。

圖1 水利工程生態(tài)風險因素

1.2 確定主要生態(tài)風險成因

1.3 總生態(tài)風險變化預測

假設已經(jīng)確定了n個開發(fā)規(guī)模的模糊風險值，則可以運用灰色理論預測模型，該模型為隨水位增長的模糊風險值GM(1，1)模型。

1.4 考慮生態(tài)風險的優(yōu)化模型

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

(2)根據(jù)上述計算方法，算出每個方案的系統(tǒng)總風險值，然后可以得到一個模糊風險向量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)修復成本與模糊風險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函數(shù)組合在一起，可以得到新的單目標函數(shù)和多目標函數(shù),見式(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)運用最優(yōu)化理論計算出前三個函數(shù)的極值，與極值對應的正常蓄水位表示最優(yōu)開發(fā)規(guī)模。通過比較單目標和多目標開發(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)總風險的計算

2.1 建立不同開發(fā)規(guī)模

本文以某水利樞紐的相關數(shù)據(jù)為基礎進行分析，可知其正常蓄水位可選擇在223～233 m之間，因此設置6個正常蓄水位來代表該范圍內(nèi)不同的開發(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)總風險的模糊矩陣

計算生態(tài)系統(tǒng)總風險的模糊矩陣時，應遵循的步驟：首先建立評價對象因子集和評價集、以及不同開發(fā)規(guī)模下風險因素的模糊矩陣；然后根據(jù)模糊矩陣和風險因素的權重，利用模糊變換算法求出模糊矩陣中的風險因素；最后根據(jù)模糊邏輯并通過模糊變換算法，算出不同開發(fā)規(guī)模下生態(tài)系統(tǒng)的總風險模糊矩陣和風險因子權重。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)總風險的模糊綜合評價矩陣

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)總風險的模糊矩陣及對應權重，利用模糊變換算法得出生態(tài)系統(tǒng)總風險的模糊綜合評價矩陣。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)總風險的模糊評分

結合以上數(shù)據(jù)，算出不同開發(fā)規(guī)模下生態(tài)系統(tǒng)總風險的模糊評分，見表1。

由表1中數(shù)據(jù)可知，總風險模糊評分R與存儲水位呈正比變化。表1中還顯示了風險增量ΔR的變化：當水位小于229 m時，風險增量率與存儲水位呈反比變化；當水位大于229 m時，風險增量率與存儲水位呈正比變化。整體而言，風險增長速度在加快。

表1 不同開發(fā)規(guī)模下的總風險評分值

3 不同階段生態(tài)風險因子與蓄水位間的變化關系

通過最小二乘法擬合出生態(tài)總風險因子與蓄水位(R～h)的關系曲線，見式(5)：

R=0.0003h2-0.1219h+13.88831

(5)

同上，通過最小二乘法擬合出工程施工階段存在的風險因子與蓄水位(R1～h)間的關系式(6)：

R1=0.0004h2-0.1719h+19.1451

(6)

擬合得出工程運維階段存在的風險因子與蓄水位(R2～h)間的關系式(7)：

R2=0.0002h2-0.0705h+8.3238

(7)

擬合得出工程運行結束之后拆除階段存在的風險因子與蓄水位(R3～h)間的關系式(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)風險關系式、施工階段關系式、運維階段的關系式以及拆除階段的關系式，能夠得出固定范圍內(nèi)不同開發(fā)規(guī)模的生態(tài)總風險，以及該工程項目在其使用周期內(nèi)特定范圍中不同開發(fā)規(guī)模下的風險值。

3.1 確定主要生態(tài)風險成因

通過模糊評價算法和模糊評分法，能夠確定出不同開發(fā)規(guī)模下生態(tài)風險因子的模糊評分，如表2所示。

根據(jù)模糊評價算法和模糊評分法，可以確定不同開發(fā)規(guī)模下模糊評分的各種風險成因。通過對本項目全生命周期的生態(tài)風險分析，包括建設階段、運維階段和最終拆除階段，可以得出以下結論：工程在建設階段，最不利的風險因素是不可再生資源的消耗；在運維階段，最不利的風險因素是破壞原始生物的棲息地；在運行結束后的拆除階段，最不利的風險因素是環(huán)境生態(tài)服務功能的下降。因此，在執(zhí)行某個建設方案的過程中，在工程建設階段應該盡量減少消耗有限的天然燃料和生長速度較慢的再生材料，應提倡開發(fā)利用快速天然可再生的材料，實現(xiàn)保護生態(tài)環(huán)境的目的。在工程運維階段，應盡量保護原有生物的棲息地，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社會帶來的直接效益，也要更加關注水利工程改變河流自然狀態(tài)后，對環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、動植物多樣性的負面影響。

表2 不同開發(fā)規(guī)模下生態(tài)風險因子的模糊評分

3.2 生態(tài)總風險的灰色預測

通過模糊綜合評分計算方法，先計算出總生態(tài)風險值Ry i(i=1,2,…,m)。然后，建立水位hi(i=1,2,…,m)與總生態(tài)風險值Ry i(i=1,2,…,m)之間的關系來預測風險。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，即這種動態(tài)趨勢的實質(zhì)特征是灰色的。因此，需要通過灰色系統(tǒng)微分方程的建模機理和方法建立GM(1，1)模型。

本文建立的灰色預測模型，如式(9)：

R=0.066 103 7e0.008 868 54h

(9)

根據(jù)上述模型，算出不同開發(fā)規(guī)模下的生態(tài)風險值，如表3所示。

表3 不同開發(fā)規(guī)模下的生態(tài)風險值

3.3 不同建設規(guī)模效益與成本的計算

通過全面核算興建水利工程對人類社會經(jīng)濟和當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響，可知水利工程對人類社會經(jīng)濟和當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響包括以下兩部分：一是項目能夠產(chǎn)生的效益EB和自身需要的成本C；二是水利工程對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成的價值損失D。利用水利工程經(jīng)濟分析方法，算出不同開發(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 不同開發(fā)規(guī)模下的工程效益、成本和損失

通過回歸分析理論擬合計算出正常蓄水位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

不同開發(fā)規(guī)模下不考慮生態(tài)風險的優(yōu)化模型見式(13)：

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

1279.9h-100 493

(13)

不同工程開發(fā)規(guī)模下考慮生態(tài)修復成本的優(yōu)化模型見式(14)：

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

1285.9h-101 178

(14)

不同工程開發(fā)規(guī)模下考慮生態(tài)風險的優(yōu)化模型見式(15)：

F3(h)=

(15)

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

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

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

當h=227.4 m時，F(xiàn)3(h)獲得最大值。則說明在考慮工程效益、工程成本、生態(tài)修復成本和生態(tài)風險的情況下，水庫最優(yōu)正常蓄水位為227.4 m。

4 結 論

通過本文計算分析不同開發(fā)規(guī)模下優(yōu)化模型的結果，可從中得到以下結論：

(1)僅考慮工程效益和工程成本的單目標優(yōu)化模型中，水庫最優(yōu)正常蓄水位為229.1 m，而實際正常蓄水位為228.0 m，說明實際值明顯小于計算結果，與實際不符。

(2)綜合考慮工程效益、工程成本和生態(tài)修復成本的優(yōu)化模型中，水庫最優(yōu)正常蓄水位為228.3 m，而實際正常蓄水位為228.0 m，說明實際值略小于計算結果，與實際存在一定差別。

(3)考慮工程效益、工程成本、生態(tài)修復成本以及生態(tài)風險的多目標優(yōu)化模型中，水庫最優(yōu)正常蓄水位為227.4 m，實際正常蓄水位也是228.0 m，說明實際值略大于計算結果，雖存在一定出入，但結合計算結果分析，該模型更符合實際情況。

(4)只考慮工程效益和工程成本的情況下，當水庫最優(yōu)正常蓄水位在229.1 m以下時，水位與收益呈正比變化；當水位超過最優(yōu)正常蓄水位時，水位與收益呈反比變化、與工程成本呈正比變化。通過多目標分析可得，生態(tài)修復的總成本和生態(tài)風險均隨著水位增加而增加，因此，其發(fā)展規(guī)模相比單目標較小。