甘肅省引洮供水工程水環(huán)境效益綜合評(píng)價(jià)研究

陳云香，李 芳，陳浩偉，吳錦奎

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，蘭州 730021；2.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，蘭州 730060；3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000）

0 引言

水利工程在對(duì)水資源進(jìn)行控制和調(diào)配的同時(shí)也會(huì)對(duì)水環(huán)境帶來(lái)一定的影響。水環(huán)境是指圍繞人群空間及可直接或間接影響人類(lèi)生活和發(fā)展的水體，其正常功能的各種自然因素和有關(guān)的社會(huì)因素的總體［1］。水環(huán)境效益是水利工程綜合效益的重要組成部分。對(duì)水環(huán)境效益的綜合評(píng)價(jià)研究有助于實(shí)現(xiàn)水利建設(shè)項(xiàng)目調(diào)整和優(yōu)化投資結(jié)構(gòu)以及決策的科學(xué)化。在水環(huán)境效益的評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)指標(biāo)的識(shí)別與篩選對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性有著直接影響。通過(guò)對(duì)前人的研究成果可知，出現(xiàn)頻率較高的指標(biāo)有供水效益、改善水環(huán)境效益、水土保持減沙效益、區(qū)域內(nèi)植被改善、生物多樣性效益、人群健康效益、發(fā)展休閑和旅游業(yè)、改變泥沙情勢(shì)等。在水環(huán)境效益量化分析方面，不同的專(zhuān)家學(xué)者提出不同的量化模型。王洪強(qiáng)等［2］通過(guò)建立基于客觀法、主觀法以及綜合法的各效益分量比重計(jì)算模型，開(kāi)展水環(huán)境效益分量的重要性評(píng)價(jià)，聶常山等［3］通過(guò)南水北調(diào)西線一期工程對(duì)受水區(qū)和調(diào)水區(qū)的影響，對(duì)該工程供水的經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行了定量計(jì)算，但對(duì)于水環(huán)境的影響僅做了定性分析；高玉琴等［4］運(yùn)用正態(tài)云-模糊可變耦合模型對(duì)秦淮河流域2016年汛期和非汛期水環(huán)境質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。以上這些研究豐富了水環(huán)境效益評(píng)價(jià)的理論和方法，但也存在研究深度和廣度方面的不足，因此，引入新的評(píng)價(jià)模型和方法，是水利工程水環(huán)境效益綜合評(píng)價(jià)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

目前針對(duì)綜合評(píng)價(jià)類(lèi)的方法主要有層次分析法［5-7］、模糊評(píng)價(jià)法［8］等，前者側(cè)重排序和評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定，將人的主觀判斷用數(shù)量表達(dá)使得決策過(guò)程數(shù)學(xué)化［9］，后者則運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，將對(duì)象的模糊性加以量化，對(duì)其做出合理的評(píng)價(jià)［8］?；谥笜?biāo)權(quán)重主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法的改進(jìn)，或采用不同的隸屬函數(shù)確定隸屬度，產(chǎn)生了不同的評(píng)價(jià)方法，如模糊層次分析法［10］、博弈組合賦權(quán)法及云模型［11，12］、TOPSIS-熵權(quán)決策法［13］等。在綜合考慮自然生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的基礎(chǔ)上，以甘肅省引洮供水工程水環(huán)境效益為研究目標(biāo)，構(gòu)建基于熵值法［14］計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，利用半梯形分布函數(shù)得出評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)對(duì)引洮供水工程水環(huán)境效益的綜合評(píng)價(jià)分析，表明評(píng)價(jià)模型具有合理性和可靠性的特點(diǎn)，可為水利建設(shè)項(xiàng)目決策科學(xué)化提供有益的理論方法，減少或避免投資決策失誤，也可為類(lèi)似工程的水環(huán)境效益評(píng)價(jià)提供科學(xué)參考。

1 工程概況

甘肅省引洮供水工程是以城鄉(xiāng)生活、工業(yè)、生態(tài)供水為主，兼有灌溉、發(fā)電、防洪等綜合功能的大型跨流域調(diào)水工程。引洮工程分兩期實(shí)施，一期工程于2006年10月開(kāi)工建設(shè)，主要建設(shè)項(xiàng)目為九甸峽水利樞紐及供水一期工程，2008年8月九甸峽水利樞紐首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，一期工程于2014年12月底全線通水。引洮供水二期工程于2015年8月開(kāi)工，二期工程分為骨干工程和城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉配套工程項(xiàng)目，骨干工程于2021年9月28日通水。二期建成后，工程靜態(tài)總投資為1 530 397 萬(wàn)元（其中：一期靜態(tài)總投資502 468 萬(wàn)元，二期估算靜態(tài)總投資1 027 929 萬(wàn)元）［15］。二期工程的實(shí)施，有利于充分發(fā)揮九甸峽水利樞紐和一期工程供水效益，可有效解決當(dāng)?shù)爻青l(xiāng)生活飲水困難問(wèn)題，改善工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉條件及當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，對(duì)提高人民群眾生活水平和質(zhì)量，促進(jìn)貧困地區(qū)人民群眾盡快脫貧，實(shí)現(xiàn)甘肅省中部地區(qū)共同富裕具有重要作用。

2 引洮供水工程水環(huán)境綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)引洮供水工程的功能和效益，遵循科學(xué)性、層次性、定性與定量相結(jié)合的原則，從水環(huán)境的內(nèi)涵出發(fā)，通過(guò)咨詢(xún)相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者并結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)［2，10，16-19］對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選，最終確定了包括自然環(huán)境效益和社會(huì)環(huán)境效益2 類(lèi)因素的10 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建出三級(jí)綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 引洮供水工程水環(huán)境效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Water environmental benefit evaluation index system of Yintao Water Supply Project

3 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法。該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。模糊評(píng)價(jià)通過(guò)精確的數(shù)字手段處理模糊的評(píng)價(jià)對(duì)象，能對(duì)蘊(yùn)藏信息呈現(xiàn)模糊性的資料作出比較科學(xué)、合理、貼近實(shí)際的量化評(píng)價(jià)。因此對(duì)于影響因素復(fù)雜的水環(huán)境效益評(píng)價(jià)使用模糊評(píng)價(jià)模型是符合實(shí)際情況的。

模糊綜合評(píng)價(jià)分一級(jí)或多級(jí)，本文采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法。

3.1 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法步驟為：①建立水環(huán)境效益的因素集U，所有這些因素構(gòu)成了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系集合，即因素集，設(shè)有n個(gè)指標(biāo)因素，則有指標(biāo)集為U=｛u1，u2，…，un｝，確定各因素的權(quán)重，形成權(quán)重向量W。②建立水環(huán)境效益的評(píng)價(jià)集V：由于每個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值不同，往往會(huì)形成不同的等級(jí)，每一個(gè)指標(biāo)都有一個(gè)評(píng)語(yǔ)，構(gòu)成評(píng)價(jià)集V，設(shè)有m種評(píng)價(jià)等級(jí)，則有評(píng)價(jià)集為V=｛v1，v2，…，vm｝，評(píng)價(jià)等級(jí)一般為5～7 個(gè)。③確定隸屬度，構(gòu)建隸屬度矩陣R。④根據(jù)指標(biāo)權(quán)重W和隸屬度矩陣R，確定模糊判斷矩陣B，進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

3.1.1 熵值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重向量W

熵值法是一種用于多指標(biāo)的客觀賦權(quán)方法。熵值法確定權(quán)重的計(jì)算步驟為：

（1）設(shè)有m個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成原始數(shù)據(jù)判斷矩陣：

式中：xij為第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)值（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。

（2）指標(biāo)的規(guī)范化處理：對(duì)判斷矩陣X進(jìn)行無(wú)量綱化處理，計(jì)算公式［11］為：

對(duì)于正向指標(biāo)（指標(biāo)值越大越好）：

對(duì)于逆向指標(biāo)（指標(biāo)值越小越好）：

式中：yij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；xij為指標(biāo)的原始值；xmax為指標(biāo)的最大值；xmin為指標(biāo)的最小值。

（3）計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象關(guān)于第j個(gè)指標(biāo)值的比重pij。

（4）計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵值ej：

其中，k=1/lnm，m為評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù)。

（5）計(jì)算權(quán)重wj，第j個(gè)指標(biāo)的熵值：

權(quán)重向量W=[w1，w2，…，wn]，且滿足

根據(jù)引洮工程的實(shí)際情況，通過(guò)向水利工程專(zhuān)家的調(diào)查問(wèn)卷，獲得專(zhuān)家打分來(lái)進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，形成原始數(shù)據(jù)判斷矩陣X，依據(jù)確定的權(quán)重計(jì)算公式（2）～（6），得到指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重匯總表Tab.2 Evaluation index weight summary table

3.1.2 確定評(píng)價(jià)集V

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)相關(guān)概念，評(píng)價(jià)等級(jí)一般取5～7個(gè)較為合理，據(jù)此確定水環(huán)境效益評(píng)價(jià)等級(jí)為五個(gè)級(jí)別：優(yōu)秀、良好、中等、一般、差，評(píng)價(jià)等級(jí)集合為V=｛v1，v2，…，vm｝=｛優(yōu)秀，良好，中等，一般，差｝。

3.1.3 構(gòu)建隸屬度矩陣R

隸屬度矩陣R是一個(gè)從U到V的模糊關(guān)系矩陣。各指標(biāo)的隸屬度矩陣為：

式中：rij為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)ui對(duì)評(píng)價(jià)集中第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)vj的隸屬度，即Ri=｛ri1，ri2，…，rim｝，i=1，2，3，…，n，j=1，2，3，…，m，0＜rij＜1。

對(duì)于定性指標(biāo)隸屬度通過(guò)相關(guān)水利專(zhuān)家的咨詢(xún)，利用百分比統(tǒng)計(jì)法確定，定量指標(biāo)的隸屬度采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)確定。結(jié)合水利工程水環(huán)境效益評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，本文采用最常用的半梯形分布隸屬函數(shù)類(lèi)型確定。

定量指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院2018年編制的《引洮供水二期工程可行性研究報(bào)告》和甘肅省水利廳2020年12月發(fā)布的《2019年甘肅省水資源公報(bào)》及引洮供水工程相關(guān)機(jī)構(gòu)。

表3 引洮供水工程指標(biāo)值Tab.3 Index value of Yintao water supply project

根據(jù)式（7）可以得出所有指標(biāo)的隸屬度（見(jiàn)表4）。

表4 一級(jí)模糊運(yùn)算結(jié)果Tab.4 First order fuzzy operation results

3.1.4 確定模糊判斷矩陣B，進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)已經(jīng)確定的指標(biāo)權(quán)重向量W和隸屬度矩陣R，依據(jù)式（8）進(jìn)行一級(jí)模糊運(yùn)算，得到準(zhǔn)則層的隸屬度，即一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果（見(jiàn)表4）。

3.2 二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

在一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。對(duì)于準(zhǔn)則層權(quán)重的確定分三種情形考慮：

情形1：隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，設(shè)定自然生態(tài)環(huán)境效益比社會(huì)環(huán)境效益較為重要，準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重分別為0.545 5，0.454 5。

情形2：考慮到引洮供水工程的主要任務(wù)是從根本上解決甘肅省中部干旱地區(qū)極度短缺的城鄉(xiāng)生活供水、工業(yè)供水及生態(tài)環(huán)境用水，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，設(shè)定社會(huì)環(huán)境效益比自然生態(tài)環(huán)境效益較為重要，準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重分別為0.545 5，0.454 5。

情形3：考慮自然生態(tài)環(huán)境和社會(huì)環(huán)境效益同等重要，準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重均取0.5。

根據(jù)設(shè)定的準(zhǔn)則層權(quán)重及其隸屬度，在一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，利用式（8）做類(lèi)似的模糊運(yùn)算，則可得到目標(biāo)層的隸屬度，即二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表5。

表5 二級(jí)模糊運(yùn)算結(jié)果Tab.5 Second order fuzzy operation results

3.3 結(jié)果分析

（1）將二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型運(yùn)用到引洮供水工程水環(huán)境效益的綜合評(píng)價(jià)中，從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，符合引洮供水工程的實(shí)際情況。表明了評(píng)價(jià)模型的可靠性和合理性。

（2）由表2可知，引洮供水工程的供水效益、人群健康效益以及施工期對(duì)水質(zhì)的污染需要增加的費(fèi)用這3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重較大，對(duì)水環(huán)境效益影響較大。這與實(shí)際情況也是一致的，引洮供水工程的主要任務(wù)就是要解決甘肅省中部干旱地區(qū)生產(chǎn)和生活用水問(wèn)題；工程建成后，受水區(qū)幾百萬(wàn)人的飲用水生活條件將得到改善，對(duì)消滅受水區(qū)的大脖子、大骨節(jié)等多種地方病，提高當(dāng)?shù)厝嗣裆眢w健康水平，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展有重要作用。引洮供水工程在施工期間為減少對(duì)水環(huán)境和生態(tài)等產(chǎn)生不利影響，用于防止水污染，保護(hù)水環(huán)境方面投資較大，充分說(shuō)明建設(shè)相關(guān)單位環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)。表明指標(biāo)權(quán)重反映出引洮工程建設(shè)的實(shí)際情況。在運(yùn)行管理過(guò)程中應(yīng)該把控這些因素，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境效益的最大化。

（3）根據(jù)表4的一級(jí)模糊運(yùn)算結(jié)果可知，自然生態(tài)環(huán)境效益的5 個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中，屬于“良好”等級(jí)的隸屬度最大，為73.80%，由最大隸屬度原則可知，引洮供水工程的自然生態(tài)環(huán)境效益為“良好”；同理可知社會(huì)環(huán)境效益的五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中，屬于“良好”等級(jí)的隸屬度最大，為45.35%，引洮供水工程的社會(huì)環(huán)境效益也為“良好”。

（4）根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果，對(duì)準(zhǔn)則層權(quán)重進(jìn)行擾動(dòng)，水環(huán)境效益屬于“良好”等級(jí)的隸屬度均為各自評(píng)價(jià)等級(jí)中的最大值，分別為60.87%、58.28%、59.58%，由最大隸屬度原則可知，三種情形下引洮供水工程的水環(huán)境效益等級(jí)均為“良好”。隸屬度分別相差2.59%、1.30%和1.29%。表明準(zhǔn)則層權(quán)重分配對(duì)水環(huán)境效益評(píng)價(jià)結(jié)果影響較小。

4 結(jié) 論

針對(duì)目前水利工程水環(huán)境效益綜合評(píng)價(jià)研究成果較少的現(xiàn)狀，本文基于二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)原理構(gòu)建了引洮供水工程水環(huán)境效益量化評(píng)價(jià)模型，通過(guò)運(yùn)用該方法對(duì)引洮供水工程水環(huán)境效益的綜合評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)模型的可操作性?？蔀楣こ探ㄔO(shè)提供參考和借鑒。

水利工程對(duì)水環(huán)境效益的影響因素十分復(fù)雜，無(wú)論是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系還是評(píng)價(jià)方法，都有待進(jìn)一步研究和完善，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合客觀實(shí)際。