基于改進變權物元可拓模型的綠色水電評價研究

高亞琴, 劉國東

(1.四川大學工程設計研究院， 成都 610065； 2.四川大學水利水電學院， 成都 610065)

1 引 言

豐富的水電資源為中國近50年來水電的快速發展提供了前所未有的優勢和機遇，但是，水電資源給社會經濟帶來效益的同時，也對社會及環境造成一些負面影響[1-5].流域梯級水電開發改變了河流天然生境，生態環境影響逐步顯現.“綠色水電”將可持續發展理念引入水電開發過程中，重點關注水電項目對河流生態系統功能及結構的影響，以實現經濟與資源、環境的可持續發展[6].瑞士于2001年建立了綠色水電認證，基于水文特點、河流連通、河道形態、生境和動植物群落等5個方面來評估河流生態系統.2004年，美國建立了低影響水電的認證制度，基于河道水流、水質、魚道和魚類保護、瀕危物種保護、流域保護、文化資源保護、公共娛樂功能和未被建議拆除等8個方面構建了一整套的認證程序.為確保水能資源能夠實現理想的可持續開發運用，需要在環境友好、經濟可行等多個角度積極開展探索，構建配套的規范的評估體系和制度.基于上述需求，IHA(International Hydropower Association)在2006年頒布了《水電可持續性指南》和《水電可持續性評價規范》，從規劃、設計、建設、運行四個階段，考慮環境、社會和經濟三方面的因素，目的為判斷水電建設項目的可持續狀態，以指引后續水電企業管理，加快國際水電開發的可持續發展[7].在此基礎上，IHA還于2018年7月推出了一種新的水電可持續發展環境、社會和治理差距分析工具(HESGTool)[8].此外，加拿大、挪威等國家也積極推進相關研究并開展了試點工作[9].

我國對綠色水電研究的起步相對較晚，2012年由生態環境部發布了《關于進一步加強水電建設環境保護工作的通知》，要求研究和建立‘綠色水電’指標體系和認證制度.此外，劉恒等[10]按照系統的層次等級特征，結合河流體系的組成、功能等，綜合PSR(壓力-狀態-響應)的分析模型，建立了含有壓力、狀態、響應因子的評估模型，構建的指標體系分為4層，但未給出具體的評價指標和評價標準.禹雪中[11]創建了含有水文特征、河道形態、河道連通度、生物群落、水環境、生境和河流自然景觀等7個方面的綠色水電指標體系.代成良等[6]研究綠色水電工程建設規劃的概念和內容，提出了包括施工期和運行期的規劃指標體系和規劃的基本方法.崔振華等[12]在研究過程中，將生態、河流與綠色水電等三方面內容結合起來，創建了綠色水電項目總體評估框架.我國于2017年頒布的《綠色小水電評價標準》，針對總裝機50 MW及以下的已建小型水電站，其部分評價指標基于單個小水電運行期內3年而未流域層面全階段統籌考慮.綜上所述，目前我國還沒有建立綜合系統的綠色水電評價指標體系和評價機制，對于新建和已運行的水電項目，還主要是從生態環境影響方面進行評估.此外，對水電項目的規劃、設計、建設及運行初期進行評估，尚未涵蓋水電項目的全生命周期，且在水生生態、河流形態等重要的河流生態環境影響方面，還沒有建立相應的評價指標和標準.

本文在國內外綠色水電研究的基礎上，針對流域水電梯級開發環境保護特點和水電工程全生命周期管理，構建綠色水電綜合評價指標體系，涵蓋河流健康狀況、環境管理和社會經濟效益等三方面，建立了客觀性的改進變權物元可拓評價模型，選擇西南山區典型河流大渡河流域上具有典型代表性的深溪溝水電站開展了案例分析，驗證所建指標體系和評價模型的有效性.大渡河為長江上游岷江水系最大支流，大渡河干流水能資源豐富，目前大渡河干流規劃的28級電站中，已建成11級電站[13].研究結果還將為今后流域水電開發環境管理與綠色認證提供科學依據.

2.1 綠色水電指標體系

流域生態環境系統是一個復雜、長期的過程，需要從流域層面統籌和水電開發全階段考慮.本文構建了3個層次的綠色水電評價指標體系，第一層次為目標層(A)，即綠色水電.第二層次為準則層(B)，包括環境管理、河流生態環境健康狀況和社會經濟效益，其中，環境管理涵蓋水電開發的規劃、設計、施工和運行階段，已有研究指出，為了實現綠色水電的目標，從生命周期角度開展環境、經濟和社會管理是水電工程可持續發展的一個重要的方面[14].有效成熟的全過程、動態環境管理可大大降低水電開發可能產生的負影響，確保水電工程的可持續健康發展；河流生態環境健康狀況主要包括河流水文特征、河道形態、河道連通程度、水環境、生物多樣性、生境和河流自然景觀等方面；社會經濟效益包括電站對社會發展的影響及其產生的經濟效益.第三層次為指標層(C)，為可直接度量水電綠色程度的指標，詳見表1.

表1 綠色水電評價指標體系和計算方法表

2.2 評價模型

本文引入改進變權物元可拓模型作為評價模型，以實現對水電站綠色等級的評定.物元可拓模型的基礎是物元理論，在此基礎上結合可拓集合論，建立了理論框架.該模型建立了經典域、節域以及評價等級，基于客觀數據對待評物元與相關評級等級的關聯度進行計算，從而得出對象的評價等級.然而，該模型有一定的不足，該模型使用關聯度來實現等級評定，但關聯度的基礎是最大隸屬原則，無法體現待評對象的模糊性，引起信息的損失，進一步導致評價結果出現較大的不確定性.因此，需要對該模型的最大隸屬度評判原則進行改進[15].

本文使用貼近度準則計算等級貼近度來替代最大隸屬度原則.此外，為避免確定指標權重過程中的主觀因素的影響，基于變權理論來確定各評價指標的權重.因此稱之為改進變權物元可拓模型，其基本過程如下.

(1) 明確問題的經典域、節域以及待評物元.令

(1)

其中,Pj為第j個評價等級；c1,c2,…,cn為Pj的n個不同特征；v1j,v2j,…,vnj分別是Pj對應于c1,c2,…,cn的取值范圍，即經典域；a1j和b1j為vij的取值邊界.令

(2)

其中，P為評價對象等級的全體；vp1,vp2,…,vpn分別是P對應于c1,c2,…,cn的取值范圍，即節域.令

(3)

其中，R0為待評物元；v1,v2,…,vn分別是P0關于c1,c2,…,cn的實測數據.

(2) 歸一化處理.

由于綠色水電站不同指標的單位不同，對綠色水電站指標Rj進行歸一化處理，可得

(4)

對待評價水電站R0進行歸一化處理，可得

(5)

各指標權重基于變權理論進行計算，變權理論的基礎是因素空間理論，其指出：設X=(x1,x2,…,xn)為因素狀態變量，W=(w1,w2,…,wn)為因素常權變量，S(X)=(S1(X),S2(X),…,Sn(X))為狀態變權向量，則變權向量W(X)=(w1(X),w2(X),…,wn(X))可用W和S(X)的歸一化的阿達瑪乘積表示，即

(6)

為降低計算指標權重時主觀因素的影響作用，并體現所有指標在評價過程中的平等性，研究將各指標的因素常權變量取為相等.此外，為體現被評價的對象在評價過程中主動參與的情況，狀態變權向量則由評價指標對應的客觀實測數據以及其對應的節域來計算[16]，從而確定指標權重的公式為

i=1,2,…,n

(7)

其中，dimax=max{|vi-aip|,|bip-vi|}，dimin=min{|vi-aip|,|bip-vi|}，為了反映出各指標的相對平等性以及均衡性，取α=-1.

(3) 構建貼近度函數，并計算評價對象的貼近度值.

已有研究[17]對使用貼近度準則而不是最大隸屬度準則展開了相應的理論分析，根據該分析中的非對稱貼近度公式(p=1)可得:

(8)

其中,N指貼近度；D是距離；wi是權重.

進一步地，待評價對象與某個等級相對應的貼近度則是

(9)

(4) 對象等級評定.

由Nj′(p0)=max{Nj(p0)}可以得出，待評價對象屬于j′等級.令

(10)

可得

(11)

其中,j*是待評價對象R0的等級變量特征值.根據j*的值可判斷出待評價對象R0在多大程度上傾向于相鄰等級.

3 案例背景

綠色水電關注項目全生命周期對生態環境產生的影響，而且更關注項目運行期，在水電項目運行階段，必須認真落實流域的運行管理要求，充分發揮水電站的經濟效益和社會效益，同時密切關注庫區的生態問題，做好生態恢復和治理工作保護，這一階段在水電綠色評價中具有重要意義[18].因此，在進行綠色水電評價應用研究時，應選擇已建成且投產運行時間較長的典型代表電站進行實證分析.深溪溝水電站為大渡河干流規劃28個梯級的第20級電站，依據深溪溝電站主要工程特性分析，深溪溝水電站在大渡河干流梯級水電開發中具有代表性.深溪溝水電站運行期間，常年要承擔95 MW發電基荷，保證壩址處常年下泄流量不低于327 m3/s，既確保了壩址下游用水需求，也滿足了下游生態及景觀用水要求.依據深溪溝電站水文情勢的分析，深溪溝水電站的開發運行狀況在大渡河流域梯級水電開發中具有典型性.

本文選擇深溪溝水電站作為典型對其進行評價，根據建立的評價指標體系，收集了深溪溝水電站在各評價指標上的數據，并依據收集調查的數據，分析計算得出了各指標的得分.其次，本文運用改進變權物元可拓模型對深溪溝水電站的綠色水電等級進行了評定.深溪溝水電站各指標得分見表2.

4 結果與討論

4.1 評價結果

各待評物元R0與各等級的貼近度如下式.

0.999 832

(12)

0.999 952

(13)

0.999 746

(14)

0.999 458

(15)

0.999 138

(16)

通過待評物元R0與各等級的貼近度值，可以判斷N2(p0)=max{Nj(p0)}=0.999 952,j=1,2,3,4,5.進而，可算得j*=2.2271<2.5.j*=2.227 1<2.5.因此，深溪溝水電站實測數據的綠色水電站等級為二級(良)，并且略微偏向于三級(中等).

4.2 敏感性分析

當評價中各指標的現實觀測數據發生改變時，指標的權重和評價對象的等級變量特征值j*也會發生對應的改變.本文計算了當指標的現實測量值發生±10%、±20%、±30%、±40%、±50%變化時，如圖1和圖2中橫坐標所示，指標權重值和等級變量特征值的改變情況，如圖1和圖2中縱坐標所示.

圖2 j*值根據指標值變化的結果Fig.2 Diagram of j* value varies with index value

由圖1可知，C33、C15、C13、C31、C11、C12、C16、C25、C26這9個指標的權重隨著指標實測值的變化而變化的幅度較大，主要呈現先有較大幅度的下降，然后維持平穩的趨勢；C23、C24、C21、C27、C22這5個指標的權重隨著指標實測值的變化而變化的幅度較小，主要呈現隨指標值逐漸變大而變大的趨勢；C34、C35、C28、C210、C32這5個指標的權重隨著指標實測值的變化而變化的幅度非常微小，有非常微小的上升趨勢；C14、C29這2個指標的變化對權重沒有影響.通過以上討論可以發現，指標權重大小會根據實測值的變化而產生相應的變化，這反映出了評價對象在綜合評價過程中的主動參與，從而使得評價結果更能夠反映出客觀情況.

在圖2中可以發現，跟隨各指標實測值逐漸變大，對象的等級變量特征值j*變化不大，幅度介于2.12和2.3間，這證明各指標實測值的變大沒有對綠色水電站綜合評價等級產生較為明顯的影響，也表明未對其靠近兩個與之相鄰等級的程度產生較為明顯的影響.

等級特征值j*隨著指標C13、C11、C12、C16、C26這5個指標的變化而變化幅度較大.等級特征值j*隨著指標C25、C15、C33、C24、C23、C31這6個指標的變化而變化的幅度較小.等級特征值j*隨著指標C22、C27 、C21、C34 、C28、C35、C210、C32這8個指標的變化而變化的幅度非常小.C14、C29這2個指標的變化對j*值沒有影響.

特別地，當C13、C11、C12、C16、C26的實測值變化時，盡管綠色水電站評價的等級不變，但其引起的j*值的大小變化較其余指標更大.這說明有可能當C13、C11、C12、C16、C26的實測值變化時，綠色水電站評價的等級偏向會有所變化.例如更偏向于第一等級或者更偏向于第三等級.綜上所述，相較于其他指標而言，指標C13、C11、C12、C16、C26是深溪溝水電站綠色水電站評價的較為敏感的指標.

從已有相關研究可以看出，雖然綠色水電評價得到了國內學界的關注和探討，但是這些研究大多數僅對綠色水電評價的某些單一方面或單一階段進行評價，沒有綜合考慮多方面以及水電站開發多階段的影響因素，缺乏一個較為綜合的綠色水電評價的指標體系.本文針對流域水電梯級開發環境保護特點和水電工程全生命周期管理，構建了包含社會經濟、河流健康狀況和環境管理三個方面的綜合綠色水電指標體系，重點關注河流生態系統健康的同時，也關注水電開發的社會經濟效益，強調依靠建立長效機制，使得對生態環境的負面影響減到最小，實現水電開發與生態環境保護協調發展.將此指標體系應用于大渡河流域典型代表深溪溝水電站綠色水電等級評定，驗證了指標體系的合理性和適用性.本文提出的綜合性綠色水電評價指標體系，是對已有研究的補充和拓展，為綠色水電評價的相關研究提供了參考.

在綠色水電評價的方法方面，已有研究涉及到了主觀、客觀以及主客觀相結合的評價方法.如，禹雪中[11]等提出了以定量分析為主、結合定性分析的評價標準，運用層次分析(AHP)-模糊綜合評價(FCE)方法來評價，并以瀾滄江漫灣水電站為例進行了實證研究，得到了該電站的總體評價結果和主要限制因子，為工程采取針對性保護措施提供了依據.王露等[19]采用多級模糊評價模型和層次分析法對富江小水電站進行綠色小水電評價.夏軍等[20]從生態環境角度出發，構建了一種基于層次分析-灰數(Grey)的動態生態環境評價模型，采用3標度層次分析法計算各指標權重，運用相似度思想修正專家權重進而修正指標權重，最后運用中心點三角白化權函數評價各指標所屬灰類等級，并在此基礎上進行延伸，求出各指標動態變化趨勢.

在綠色水電評價方法中，已有研究多采用層次分析法、模糊綜合評判或其改進方法，雖然這些常用方法可以實現綜合評級，但其將定性評價指標轉化為定量評價指標的過程不夠理想，部分的方法還主要是依靠專家進行打分.物元可拓法中，信息利用較為全面充分，計算過程較客觀，已在其他領域有較多的應用，而目前鮮有研究將其應用于綠色水電評級中.本文針對基本物元可拓方法的不足，提出了改進變權物元可拓模型.以大渡河流域典型代表的深溪溝水電站為例，驗證了改進變權物元可拓模型的可行性，創新了綠色水電的評價方法.

5 結 論

本文構建了3個層次21個指標的流域綠色水電綜合評價指標體系.第一層次為目標層，即綠色水電；第二層次為準則層，包括環境管理、河流生態環境健康狀況和社會經濟效益；第三層次為指標層，可直接度量水電綠色程度的指標.本文構建出改進的變權物元可拓模型：以變權理論確定各指標的權重，并以改進物元可拓模型計算等級貼近度和等級特征值實現對水電站綠色等級的評定.該模型的指標權重的計算采用客觀的方法來確定，并通過計算貼近度來評定綠色水電站的等級.

選擇大渡河流域的深溪溝水電站作為典型代表進行綠色水電實證分析，將本文建立的綠色水電指標體系應用于深溪溝水電站，改進性的對各項指標定量化，再運用改進變權物元可拓模型計算了深溪溝水電站綠色水電等級.結果顯示其綠色水電站等級為良，并且略微偏向于中等，說明深溪溝水電站在環境管理、河流生態環境和社會經濟上基本實現了平衡和可持續發展.通過敏感性分析得出，“施工期“三廢”及噪聲平均達標率(C13)”，“環境管理機制(C11)”，“環境管理措施制定及實施(C12)”，“科學研究(C16)”和“為增加河流連通程度而采取措施的有效性(C26)”這5個指標是影響深溪溝水電站綠色綜合評價結果的較為敏感的指標.總體而言，“環境管理”這一類別的指標對于綠色水電的評級結果有較大的影響，是提升綠色水電等級評定所要重點關注的指標類別，為進一步優化環境管理機制、完善生態環境保護對策措施提供依據.

綜合上述分析，本文所建立的評價指標體系和評價模型，應用于深溪溝水電站是有效的，適用于流域水電梯級開發的的綠色水電評價.深溪溝水電站能實現較好的綠色水電狀態，主要經驗是電站進行了全過程環境管理，較好地執行了環境保護“三同時”制度和落實了各項生態環保措施，同時促進了地方經濟的發展.結合目前流域水電開發存在的環境問題和綠色水電評價分析成果，需要對流域水電開發環境管理進行優化完善，以進一步提高綠色水電評價等級，推進流域水電項目的健康可持續開發.本文的研究成果為今后流域水電開發開展綠色認證工作和建立環境管理體系提供了科技支撐.