基于模糊集理論的綠色小水電評價及應用

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙 410007）

引言

小水電開發在提高農村電氣化水平、改善偏遠地區生產生活條件、溫室氣體減排等多方面做出了重要貢獻，有效促進了我國農村經濟和社會的發展。另一方面，小水電的無序開發、破壞河道生態、規劃和管理滯后等問題，也制約了小水電的科學可持續性發展[1～2]。2016 年中央一號文件明確提出發展綠色小水電的要求，同年，水利部發布《關于推進綠色小水電發展的指導意見》，提出到2020 年建立綠色小水電標準體系和管理制度，創建一批綠色小水電示范電站。從21 世紀伊始，國內外學者也開展了很多關于綠色小水電建設及評價的相關工作[3～7]。本文基于模糊集理論[8]，同時參考國內外相關標準，建立了綠色小水電評價的層次指標體系，采用改進的模糊綜合評價法作為該體系的評價方法，并應用該體系方法對湖南省水口水電站綠色化改造前后進行了評價。

1 綠色小水電評價

綠色小水電評價體系由評價指標體系與評價方法兩部分組成。

1.1 綠色小水電評價指標體系

依據科學性、代表性、可靠性、動態性、可獲取性等基本原則，構建了一個3 層（目標層、準則層和指標層）、4 個準則（社會民生、經濟效益、生態保護、經營管理）共15 個指標構成的綠色小水電評價體系[9～11]，見圖1。

準則層中，社會民生C1由4 個指標構成，其中節能減排效率u1表示通過水力發電替代火電，節約能源減少環境有害物程度，單位為%；移民安置率u2表示受水庫電站建設影響的居民搬遷安置情況；景觀協調性u3表示水庫電站通過廠房大壩覆綠工程與當地自然景觀的協調程度；社會貢獻率u4表示電站對周邊居民用電優惠及促進當地居民就業的貢獻程度。生態保護C2由5 個指標構成，其中生態流量滿足度u5表示全年日均下泄生態流量滿足程度；原生生物影響度u6表示電站對上下游水生生物的生長、生存、繁殖的影響程度；自然景觀恢復度u7表示水庫電站建成后，河道上下游自然景觀恢復程度；污染防治率u8表示電站對本身產生的噪聲、廢水、污水污染治理程度；水土流失治理率u9表示由于水庫電站建設造成的上下游河道及庫區水土流失治理情況。經濟效益C3由2 個指標構成，其中發電能力u10表示電站實際年均發電量占設計年發電量的比例；盈利償債能力u11表示電站實際運行利潤及償債情況。運營管理C4由4 個指標構成，其中安全生產標準化u12表示安全生產管理制度及操作規程規范制定、安全教育培訓情況；監測設施投運度u13表示運行管理必要的監控監測設施的投入及運行情況；自動化率u14表示電站運行自動化程度；應急管理達標度u15表示應急預案編制及應急物資儲備情況。

圖1 綠色小水電評價指標體系框架

利用層次權重決策分析法[12]對同一層的指標進行兩兩比較，引用9 標度法構造比較判別矩陣B＝｛bij｝，并對矩陣進行相容性檢驗。由比較判斷矩陣可分別計算出其對應的最大特征根λmax，并用λmax解特征方程：

得到對應λmax的特征向量X＝｛X1，X2，…，Xn｝，將特征向量歸一化，即得到各指標的權重值向量W=（W1，W2，…，Wn），W1+W2+…+Wn=1。

根據各準則層及各指標的權重值，對所有指標可進行總排序。第k 個準則層權重為Ck，其包含的各指標權重值分別為（Wk1，Wk2，…，Wkn）T，則在總排序中這些指標的權重分別為CkWki。由此可確定各指標對于目標層的優劣次序。

1.2 綠色小水電評價方法

1）評價等級確立

目前國內外尚未建立統一的綠色小水電評價體系，主要基于以下兩方面考慮：①國際、國家、行業和地方規定的標準。②類比標準。經分析，本文選用5 級分類評價標準，評價等級集V＝｛v1，v2，…，v5｝。

2）隸屬度計算

根據基本指標等級標準劃分情況，擬采用半梯形模糊分布構造綠色小水電評價因子與評價指標的模糊關系矩陣R（ui，vj），其中rij＝R（ui，vj）（0≤rij≤1）表示第i 個指標對于第j 個等級的隸屬度，rij由各評價指標的實際值對照各自分級標準，利用隸屬函數R 推求得出。

3）綜合評價

①根據統計結果，得到各指標的評價矩陣，結合所求得的各指標權重，即可進行各指標的評價。

根據已確定的權重分配集W 和模糊矩陣R，用加權平均法進行模糊子集的合成，求出綜合評價值E 即可進行綜合評價。

式中：Ej表示準則層對第j 等級的隸屬度；Wi表示第i 個評價指標的權重；Rij表示第i 個評價指標對第j等級的隸屬度。

②改進模糊綜合評價。在模糊綜合評價法的基礎上，對評價等級集加上一定量化的標準{［1.0，0.8］（高），（0.8，0.6］（較高），（0.6，0.4］（一般），（0.4，0.2］（較差），［0.2，0］（差）}，就可得到改進的模糊綜合評價法，綜合評價分值：

式中：Sj表示評價等級集Vj所對應的量化評語集（1.0，0.8，0.6，0.4，0.2）。然后對照評價標準等級，最終確定小水電的綠色程度的評價等級。

2 案例研究

2.1 水電站概況

炎陵縣水口水電站位于洣水流域河漠水上游支流下村河右岸，始建于1973 年11 月，電站從下村河筷子簍河段筑壩取水，取水壩為底欄柵小堰壩，是一座徑流無調節引水式小型水電站。電站沿下村河右岸用引水明渠引水，引水渠在筷子簍底欄柵壩下游1.1 km 處與右岸支流小橫溪匯合。1983 年11 月，炎陵縣筷子簍水庫電站在河漠水上游下村河新建筷子簍水庫大壩，為混凝土雙曲拱壩，大壩位于水口電站底欄柵取水壩上游150 m 處，水庫總庫容850 萬m3，興利庫容730 萬m3。筷子簍水電站發電廠房位于壩后原水口電站底欄柵取水壩下游400 m 處的水口電站引水渠線上，裝機容量3.0 MW。筷子簍電站發電尾水直接排入水口電站引水渠道。水口水電站原設計9.0 MW，筷子簍電站建成后擴容為15.0 MW。

2018 年，為改善筷子簍大壩至水口電站取水口區間脫水河段的生態修復問題，水口水電站實施了增效擴容及生態改造工程，具體示意圖見圖2。

圖2 水口電站生態化改造示意圖

本文對水口水電站2018 年生態改造前后的綠色小水電建設情況進行了分析及評價。

2.2 指標權重分析

根據層次權重決策分析法，并結合湖南省內小型水電站實際情況，運用9 標度法對各指標進行分析比較，構造出綠色小水電建設各準則及各指標的評價矩陣，分別見表1～表5。

表1 準則層比較矩陣

表2 社會民生比較矩陣

表3 生態保護比較矩陣

根據評價矩陣求得各準則層及各指標的權重值，然后對所有指標進行總排序，見表6。

表4 經濟效益比較矩陣

表5 運行管理比較矩陣

表6 指標總排序

從表6 可以看出，對綠色小水電建設程度影響最大的因素為生態流量滿足度；其中u1、u3、u5、u6、u7等5個指標權重之和超過60%，說明節能減排效率、景觀協調性、生態流量滿足度、原生生物影響度、自然景觀恢復度這五方面對綠色小水電建設程度起著決定性的作用。

2.3 綜合評價

基于水口水電站實際情況，并結合國際與國內常用標準，制定相關評價指標標準，見表7。

依據各指標權重，采用改進的模糊綜合評價方法，可得出水口水電站改造前后綠色水電站建設程度評價結果。評價結果見表8。

根據表8 對比分析：從各準則層分析，社會民生方面，評價得分略有上升，總體保持穩定狀態；生態保護方面，評價得分顯著提高，表明經過生態化改造工程，對河道生態流量滿足度、上下游河道生境恢復均取得了較好的成效；經濟效益方面，評價得分稍有改善，表明生態化改造對電站發電、運營影響不大，同時增效擴容也增加了電站效益；運行管理方面，評價得分上升明顯，電站運營自動化水平、監測設施投入情況明顯提高。綜合狀況來看，水口水電站改造后，電站綠色化程度明顯提高一個等級，表明2018 年實施的生態改造工程效果明顯。

表7 評價指標標準

表8 水口水電站綠色化建設程度評價結果

3 結語

本文基于模糊集理論中的層次權重決策分析法和模糊綜合評價理論，構建了一個反映水電站的社會民生、經濟效益、生態保護、運營管理等方面狀況的綠色水電評價指標體系。水口水電站改造前后評價研究表明，模糊集理論在綠色小水電建設評價中較好地將主客觀權重進行了分配，把定性分析和定量計算有機結合，提高了評估過程的科學性，評價結果也較準確、合理地反映了水口水電站改造前后綠色水電的建設程度。