生態(tài)水利工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度效應(yīng)評(píng)價(jià)研究

黃寶龍

(沂水縣水利工程保障中心,山東 沂水 276400)

0 引 言

水利工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)影響具體是指水利工程項(xiàng)目建設(shè)后,對(duì)環(huán)境造成的生態(tài)損害與生態(tài)恢復(fù)的雙重影響的綜合結(jié)果效應(yīng)。水利工程對(duì)河道的生態(tài)影響是工程規(guī)劃、施工、設(shè)計(jì)和工程排澇的綜合作用。在實(shí)際應(yīng)用中,要針對(duì)流域生態(tài)環(huán)境特征,綜合運(yùn)用流域土地利用、生態(tài)恢復(fù)、流量適應(yīng)性管理等方法,以減少對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的破壞,促進(jìn)流域水生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,進(jìn)而達(dá)到促進(jìn)人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的美好愿景[1-2]。

為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)探討和研究。盧玉成等[3]運(yùn)用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)并結(jié)合地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)進(jìn)行定性和定量分析,對(duì)鎮(zhèn)街(園)一級(jí)“三線一單”的水環(huán)境控制區(qū)域劃分技術(shù)和措施進(jìn)行了探討,為松山湖水環(huán)境的精細(xì)控制奠定了基礎(chǔ)。施文飛等[4]以漓江流域?yàn)槔归_(kāi)研究,采用“預(yù)處理-回歸”的流程鏈法進(jìn)行污染物通量估算,采用箱線圖法進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)預(yù)處理,采用LOADEST模式估計(jì)桂林和陽(yáng)朔兩個(gè)站點(diǎn)的NH3-N、CODMn和TP的污染物年流量。同時(shí),分析了污染通量與河道徑流之間的關(guān)系,指出污染的通量是由徑流引起的,因此研究工作對(duì)改善水質(zhì)通量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和精確控制水質(zhì)有著積極的作用。

基于此,本文運(yùn)用層次分析法(AHP)、粗糙集理論(rough set theory,RST)和模糊綜合評(píng)價(jià)法(evaluation method of fuzzy mathematics,EMFM),對(duì)水利工程生態(tài)效應(yīng)分析評(píng)價(jià)進(jìn)行模型構(gòu)建,旨在評(píng)價(jià)水利設(shè)施改善對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的影響。

1 基于層次分析法和粗糙集理論的綜合評(píng)價(jià)模型

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確立

本研究基于AHP-RST-EMFM綜合評(píng)判方法,建立水利項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系,將層次分析法(AHP)、粗糙集理論(RRST)和模糊綜合評(píng)價(jià)法(EMFM)進(jìn)行結(jié)合,進(jìn)一步研究水利項(xiàng)目的生態(tài)影響。見(jiàn)圖1。

根據(jù)水利水電生態(tài)效益評(píng)估的特征與需求,對(duì)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行初步分析,將影響生態(tài)效應(yīng)的因素、因子進(jìn)行歸類、整合,并借鑒其他評(píng)估方法,構(gòu)建一個(gè)生態(tài)影響評(píng)估體系指標(biāo)。將水利工程生態(tài)影響評(píng)估系統(tǒng)劃分為目標(biāo)層(A)、影響層(B)和指標(biāo)層(C)3個(gè)層次,見(jiàn)表1。

表1 水利工程生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系架構(gòu)

其中,目標(biāo)層(A)是以水利工程影響評(píng)價(jià)指標(biāo)為指標(biāo);影響層(B)是指在實(shí)施水利項(xiàng)目后所能取得的預(yù)期結(jié)果;指標(biāo)層(C)是一組由19項(xiàng)基本指數(shù)組成的水利工程生態(tài)效應(yīng)指標(biāo)集合,它反映了水利工程的生態(tài)影響,其指標(biāo)可直接測(cè)量為主要指標(biāo),是評(píng)價(jià)系統(tǒng)中最小的一個(gè)單元。

在確定了特定的標(biāo)準(zhǔn)之后,首先收集、整理和分析所在地區(qū)各評(píng)價(jià)指數(shù)的績(jī)效(也就是目前的價(jià)值),根據(jù)已制定的相關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估,將其評(píng)定為10個(gè)等級(jí),即-5～+5。然后,結(jié)合其他相關(guān)評(píng)估工作所采用的分類方法,綜合分析生態(tài)影響的正負(fù)兩種類型特征,并提出采用分級(jí)體系和指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)估的方法。因此,對(duì)水利水電工程的生態(tài)影響進(jìn)行綜合評(píng)估,將其分為5個(gè)層次,見(jiàn)表2。

表2 生態(tài)效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

1.2 基于層次分析法和粗糙集理論的綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

水利工程生態(tài)效果評(píng)價(jià)的影響因子較多,各因子之間邏輯關(guān)系復(fù)雜,但往往是一個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu),各要素對(duì)綜合效益的貢獻(xiàn)都由其本身的特性所決定,而在實(shí)際測(cè)量中呈現(xiàn)出模糊的特點(diǎn)。因此,運(yùn)用AHP與RST判斷的基本原則相結(jié)合,建立一套生態(tài)影響評(píng)估的方法。

AHP是將問(wèn)題分成不同的影響因子,然后將其按一定的邏輯性進(jìn)行分類,從而構(gòu)成一個(gè)分層的層級(jí)。根據(jù)各因子之間的相關(guān)關(guān)系,來(lái)決定各決策的優(yōu)先次序。AHP是將定性和量化相結(jié)合的一種手段,將分析者和決策人的主觀評(píng)價(jià)以量化的方式表現(xiàn)出來(lái)并加以加工。其內(nèi)容包括:構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判別矩陣、層次單排順序、層級(jí)總體順序等內(nèi)容。

其中,構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)是指對(duì)問(wèn)題的影響因素進(jìn)行分類,一般分為最高層、中間層和最低層。上層代表確定目標(biāo),中層代表行動(dòng),底層代表問(wèn)題解決。最高層是目標(biāo)層,僅包含一個(gè)單元,代表預(yù)先確定的目標(biāo)或者期望的結(jié)果;中間層是標(biāo)準(zhǔn)層,可以分為幾個(gè)子層面,包含為達(dá)到目的而需要的中介環(huán)節(jié),如評(píng)估準(zhǔn)則、子準(zhǔn)則;最底層是一個(gè)方案層次,代表不同的可供實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的備選方案。構(gòu)造判別矩陣是指構(gòu)建AHP的體系結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上,通過(guò)定義各層級(jí)的從屬關(guān)系,并對(duì)其進(jìn)行分類運(yùn)算。對(duì)于最大次因子,按每一層單元間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行二次分析。層次單排序是指在同一層級(jí)上某個(gè)要素的相對(duì)重要程度,包括兩個(gè)方面,即其權(quán)重的確定和判定矩陣的一致性。加權(quán)方法包括有根方法和特征根方法。有根方法是先將判斷矩陣(A)的列矢量進(jìn)行幾何平均,再進(jìn)行歸一化處理,所得的列矢量就是加權(quán)矢量。具體公式如下:

(1)

式中:aij為一階指標(biāo);akj為二階指標(biāo)。

判定矩陣必須符合統(tǒng)一的條件,對(duì)于一階和二階判斷矩陣,其整體上符合;若次序超過(guò)2時(shí),則先求出相容指數(shù)的下一步,具體公式如下:

(2)

然后,計(jì)算平均隨機(jī)一致性指數(shù)RI,用500個(gè)抽樣矩陣隨機(jī)生成RI。判定矩陣的一致性指數(shù)CI和RI的比例稱為隨機(jī)一致性比率,用CR表示,當(dāng)CR<0.1時(shí),認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性。具體公式如下:

(3)

Ri=(rij)ni×m

(4)

Ai°Ri=Bi

(5)

利用模糊矩陣操作,得出一個(gè)綜合的模糊評(píng)價(jià)模型,公式如下:

A°R=B

(6)

最后,按照最大隸屬原則確定決策方案。本研究將AHP與分級(jí)(如二級(jí))的模糊評(píng)判相結(jié)合,可以建立一個(gè)水利項(xiàng)目的生態(tài)影響評(píng)估模型。采用AHP方法,得到準(zhǔn)則層與目標(biāo)層、指標(biāo)層和規(guī)范層之間的評(píng)價(jià)結(jié)果(即判定矩陣)。然后,利用第二層次的評(píng)價(jià)模型來(lái)進(jìn)行決策。在模糊判別中,一級(jí)因子集中采用基準(zhǔn)層次和目標(biāo)層次判定矩陣的權(quán)重矢量,二級(jí)要素集中采用指數(shù)級(jí)和基準(zhǔn)級(jí)別的判定矩陣權(quán)重向量。通過(guò)這種方法,將層次分析和模糊判別相結(jié)合,從而建立一個(gè)綜合的水利項(xiàng)目生態(tài)影響評(píng)估模型。

2 基于層次分析法和粗糙集理論的應(yīng)用效果分析

飛來(lái)峽水電站是清遠(yuǎn)市清新縣升平鎮(zhèn)(今飛來(lái)峽)北江主干支流,集雨面積34 097km2,占北江地區(qū)73%的流域面積,是北江大壩防洪工程流域面積的88.8%。該項(xiàng)目于1994年10月18日開(kāi)始動(dòng)工,1998年8月28日大江截流,1999年3月30日下閘蓄水,水閘于4月2日開(kāi)放。該工程的主體工程為一類,包括混凝土壩、土壩、船閘、發(fā)電廠房,1-4副壩,社崗防護(hù)岸等,工程主要任務(wù)是兼顧航運(yùn)、發(fā)電和改善水環(huán)境。該電站廠房?jī)?nèi)裝有奧地利生產(chǎn)的4臺(tái)單機(jī)容量為3.5×104kW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為14×104kW。

在此基礎(chǔ)上,利用MATLAB分別建立不同類型的評(píng)估模型,并由10名專家對(duì)不同級(jí)別的評(píng)估因子進(jìn)行對(duì)比,得出不同級(jí)別的評(píng)估結(jié)果,計(jì)算出不同級(jí)別的判定矩陣的最大特征值與最大特征根之間的正規(guī)化矢量,并驗(yàn)證判定矩陣的相容性。見(jiàn)表3。

表3 指標(biāo)層權(quán)重結(jié)構(gòu)表

本研究以標(biāo)準(zhǔn)層次為基礎(chǔ),求出最優(yōu)化的綜合權(quán)值。在構(gòu)建粗糙集的評(píng)估模式時(shí),必須先對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。將飛來(lái)峽水電站的建設(shè)項(xiàng)目分為以下幾個(gè)部分:飛來(lái)峽上游英德市、韶關(guān)市、南雄市、清遠(yuǎn)市、佛山市、廣州市,見(jiàn)表4。其中,a、b、c、d、e分別為標(biāo)準(zhǔn)層面的5項(xiàng)指數(shù),D為決定因素,1為對(duì)本地區(qū)水利建設(shè)的正面影響,2為對(duì)水利工程在該區(qū)域的負(fù)面影響。表4所列資料均來(lái)自本地區(qū)的歷史資料及評(píng)分表,以1～5的數(shù)值代表(很好,較好,一般,較差,很差)。

表4 生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)決策表

采用AHP分析法與粗糙集法求出一級(jí)指數(shù)權(quán)重,即μ=0.383。并根據(jù)理論,將主客觀權(quán)重系數(shù)的比率設(shè)為“黃金分割”,計(jì)算最佳的組合加權(quán)方案。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 目標(biāo)層綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從表5可以看出,飛來(lái)峽水庫(kù)的區(qū)域生態(tài)影響綜合價(jià)值指數(shù)是三級(jí)。對(duì)照表2可知飛來(lái)峽水利樞紐工程的生態(tài)影響評(píng)價(jià)結(jié)果為:整體上呈現(xiàn)出積極的生態(tài)效果,而其積極作用則比較平庸;盡管該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境沒(méi)有任何負(fù)面影響,但仍處在由弱向強(qiáng)的過(guò)渡期,由于氣候變化和人為因素的作用越來(lái)越大,若工程管理與運(yùn)營(yíng)措施不當(dāng),將會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

引入模型系統(tǒng)連續(xù)引水l、2、3h后,通過(guò)對(duì)河流的分析,得出河流的斷面COD濃度過(guò)程曲線。見(jiàn)圖2。

圖2 河道斷面20-26的COD濃度沿河長(zhǎng)的分布

從圖2可以看到,電站閘門(mén)在1～3h內(nèi)相繼開(kāi)啟,導(dǎo)流能力為15m3/s,各段的水體質(zhì)量得到顯著改善。因此,可依據(jù)不同的水質(zhì)指標(biāo)需求,結(jié)合河閘調(diào)水規(guī)劃,利用水量水質(zhì)模型以及優(yōu)化調(diào)度評(píng)價(jià)模型來(lái)決定合適的調(diào)水流量。同時(shí),對(duì)城市河道的水質(zhì)演變進(jìn)行預(yù)報(bào),以達(dá)到對(duì)城市水系水環(huán)境進(jìn)行科學(xué)治理。

由圖2可以看出,在經(jīng)過(guò)3h的閘門(mén)放水后,其COD濃度整體趨于4mg/L的水平,而經(jīng)過(guò)1或2h閘門(mén)放水的河流COD濃度明顯高于經(jīng)歷3h的情況,表明得出的生態(tài)決策模型應(yīng)用性能相對(duì)較為良好。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)水利工程生態(tài)影響評(píng)估的內(nèi)容進(jìn)行了分析,并構(gòu)建相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。將層次分析法、粗糙集理論與模糊綜合評(píng)判相結(jié)合,建立了一個(gè)生態(tài)影響評(píng)估模型。該方案采用層次分析法和粗糙集理論相結(jié)合的方法,確定了標(biāo)準(zhǔn)層和指標(biāo)的權(quán)重,將主客觀兩種權(quán)重相結(jié)合,得出最優(yōu)的組合權(quán)重,并運(yùn)用模糊綜合評(píng)判的方法進(jìn)行了評(píng)估。以飛來(lái)峽水電站為例,對(duì)其在實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,飛來(lái)峽水庫(kù)的區(qū)域生態(tài)影響綜合價(jià)值指數(shù)為三級(jí)。整體上呈現(xiàn)出積極的生態(tài)效果,而其積極作用則比較平庸;盡管該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境沒(méi)有任何負(fù)面影響,但仍處在由弱向強(qiáng)的過(guò)渡期,由于氣候變化和人為因素的作用越來(lái)越大,若工程管理與運(yùn)營(yíng)措施不當(dāng),將會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。