甘肅省引洮供水工程水環境效益綜合評價研究

陳云香，李 芳，陳浩偉，吳錦奎

（1.蘭州資源環境職業技術大學，蘭州 730021；2.蘭州石化職業技術大學，蘭州 730060；3.中國科學院西北生態環境資源研究院，蘭州 730000）

0 引言

水利工程在對水資源進行控制和調配的同時也會對水環境帶來一定的影響。水環境是指圍繞人群空間及可直接或間接影響人類生活和發展的水體，其正常功能的各種自然因素和有關的社會因素的總體［1］。水環境效益是水利工程綜合效益的重要組成部分。對水環境效益的綜合評價研究有助于實現水利建設項目調整和優化投資結構以及決策的科學化。在水環境效益的評價中，評價指標的識別與篩選對評價結果的準確性和客觀性有著直接影響。通過對前人的研究成果可知，出現頻率較高的指標有供水效益、改善水環境效益、水土保持減沙效益、區域內植被改善、生物多樣性效益、人群健康效益、發展休閑和旅游業、改變泥沙情勢等。在水環境效益量化分析方面，不同的專家學者提出不同的量化模型。王洪強等［2］通過建立基于客觀法、主觀法以及綜合法的各效益分量比重計算模型，開展水環境效益分量的重要性評價，聶常山等［3］通過南水北調西線一期工程對受水區和調水區的影響，對該工程供水的經濟效益等進行了定量計算，但對于水環境的影響僅做了定性分析；高玉琴等［4］運用正態云-模糊可變耦合模型對秦淮河流域2016年汛期和非汛期水環境質量等級進行了評價。以上這些研究豐富了水環境效益評價的理論和方法，但也存在研究深度和廣度方面的不足，因此，引入新的評價模型和方法，是水利工程水環境效益綜合評價研究的發展趨勢。

目前針對綜合評價類的方法主要有層次分析法［5-7］、模糊評價法［8］等，前者側重排序和評價指標的權重確定，將人的主觀判斷用數量表達使得決策過程數學化［9］，后者則運用模糊數學理論，將對象的模糊性加以量化，對其做出合理的評價［8］。基于指標權重主觀賦權法和客觀賦權法的改進，或采用不同的隸屬函數確定隸屬度，產生了不同的評價方法，如模糊層次分析法［10］、博弈組合賦權法及云模型［11，12］、TOPSIS-熵權決策法［13］等。在綜合考慮自然生態環境和社會經濟因素的基礎上，以甘肅省引洮供水工程水環境效益為研究目標，構建基于熵值法［14］計算評價指標權重，利用半梯形分布函數得出評價指標隸屬度的二級模糊綜合評價模型，通過對引洮供水工程水環境效益的綜合評價分析，表明評價模型具有合理性和可靠性的特點，可為水利建設項目決策科學化提供有益的理論方法，減少或避免投資決策失誤，也可為類似工程的水環境效益評價提供科學參考。

1 工程概況

甘肅省引洮供水工程是以城鄉生活、工業、生態供水為主，兼有灌溉、發電、防洪等綜合功能的大型跨流域調水工程。引洮工程分兩期實施，一期工程于2006年10月開工建設，主要建設項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機組發電，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月開工，二期工程分為骨干工程和城鄉供水、農業灌溉配套工程項目，骨干工程于2021年9月28日通水。二期建成后，工程靜態總投資為1 530 397 萬元（其中：一期靜態總投資502 468 萬元，二期估算靜態總投資1 027 929 萬元）［15］。二期工程的實施，有利于充分發揮九甸峽水利樞紐和一期工程供水效益，可有效解決當地城鄉生活飲水困難問題，改善工業用水、農業灌溉條件及當地生態環境，對提高人民群眾生活水平和質量，促進貧困地區人民群眾盡快脫貧，實現甘肅省中部地區共同富裕具有重要作用。

2 引洮供水工程水環境綜合效益評價指標體系構建

根據引洮供水工程的功能和效益，遵循科學性、層次性、定性與定量相結合的原則，從水環境的內涵出發，通過咨詢相關專家學者并結合有關文獻［2，10，16-19］對評價指標進行篩選，最終確定了包括自然環境效益和社會環境效益2 類因素的10 個評價指標，構建出三級綜合效益評價指標體系，見表1。

表1 引洮供水工程水環境效益評價指標體系Tab.1 Water environmental benefit evaluation index system of Yintao Water Supply Project

3 模糊綜合評價

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法。該綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。模糊評價通過精確的數字手段處理模糊的評價對象，能對蘊藏信息呈現模糊性的資料作出比較科學、合理、貼近實際的量化評價。因此對于影響因素復雜的水環境效益評價使用模糊評價模型是符合實際情況的。

模糊綜合評價分一級或多級，本文采用二級模糊綜合評價法。

3.1 一級模糊綜合評價

一級模糊綜合評價法步驟為：①建立水環境效益的因素集U，所有這些因素構成了評價指標體系集合，即因素集，設有n個指標因素，則有指標集為U=｛u1，u2，…，un｝，確定各因素的權重，形成權重向量W。②建立水環境效益的評價集V：由于每個指標的評價值不同，往往會形成不同的等級，每一個指標都有一個評語，構成評價集V，設有m種評價等級，則有評價集為V=｛v1，v2，…，vm｝，評價等級一般為5～7 個。③確定隸屬度，構建隸屬度矩陣R。④根據指標權重W和隸屬度矩陣R，確定模糊判斷矩陣B，進行模糊綜合評價。

3.1.1 熵值法計算指標權重向量W

熵值法是一種用于多指標的客觀賦權方法。熵值法確定權重的計算步驟為：

（1）設有m個被評價對象，每個被評價對象有n個評價指標，形成原始數據判斷矩陣：

式中：xij為第j個指標下第i個評價對象的評價值（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。

（2）指標的規范化處理：對判斷矩陣X進行無量綱化處理，計算公式［11］為：

對于正向指標（指標值越大越好）：

對于逆向指標（指標值越小越好）：

式中：yij為指標標準化值；xij為指標的原始值；xmax為指標的最大值；xmin為指標的最小值。

（3）計算第i個評價對象關于第j個指標值的比重pij。

（4）計算第j個指標的熵值ej：

其中，k=1/lnm，m為評價對象的個數。

（5）計算權重wj，第j個指標的熵值：

權重向量W=[w1，w2，…，wn]，且滿足

根據引洮工程的實際情況，通過向水利工程專家的調查問卷，獲得專家打分來進行定量的評價，形成原始數據判斷矩陣X，依據確定的權重計算公式（2）～（6），得到指標權重，見表2。

表2 評價指標權重匯總表Tab.2 Evaluation index weight summary table

3.1.2 確定評價集V

根據模糊數學相關概念，評價等級一般取5～7個較為合理，據此確定水環境效益評價等級為五個級別：優秀、良好、中等、一般、差，評價等級集合為V=｛v1，v2，…，vm｝=｛優秀，良好，中等，一般，差｝。

3.1.3 構建隸屬度矩陣R

隸屬度矩陣R是一個從U到V的模糊關系矩陣。各指標的隸屬度矩陣為：

式中：rij為第i個評價指標ui對評價集中第j個評價等級vj的隸屬度，即Ri=｛ri1，ri2，…，rim｝，i=1，2，3，…，n，j=1，2，3，…，m，0＜rij＜1。

對于定性指標隸屬度通過相關水利專家的咨詢，利用百分比統計法確定，定量指標的隸屬度采用模糊數學中的隸屬函數確定。結合水利工程水環境效益評價的特點，本文采用最常用的半梯形分布隸屬函數類型確定。

定量指標數據見表3。數據來源于甘肅省水利水電勘測設計研究院2018年編制的《引洮供水二期工程可行性研究報告》和甘肅省水利廳2020年12月發布的《2019年甘肅省水資源公報》及引洮供水工程相關機構。

表3 引洮供水工程指標值Tab.3 Index value of Yintao water supply project

根據式（7）可以得出所有指標的隸屬度（見表4）。

表4 一級模糊運算結果Tab.4 First order fuzzy operation results

3.1.4 確定模糊判斷矩陣B，進行模糊綜合評價

根據已經確定的指標權重向量W和隸屬度矩陣R，依據式（8）進行一級模糊運算，得到準則層的隸屬度，即一級模糊綜合評價結果（見表4）。

3.2 二級模糊綜合評價

在一級模糊綜合評價的基礎上進行二級模糊綜合評價。對于準則層權重的確定分三種情形考慮：

情形1：隨著黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的不斷推進，設定自然生態環境效益比社會環境效益較為重要，準則層指標的權重分別為0.545 5，0.454 5。

情形2：考慮到引洮供水工程的主要任務是從根本上解決甘肅省中部干旱地區極度短缺的城鄉生活供水、工業供水及生態環境用水，促進地方經濟的高質量發展，設定社會環境效益比自然生態環境效益較為重要，準則層指標的權重分別為0.545 5，0.454 5。

情形3：考慮自然生態環境和社會環境效益同等重要，準則層指標的權重均取0.5。

根據設定的準則層權重及其隸屬度，在一級模糊綜合評價的基礎上，利用式（8）做類似的模糊運算，則可得到目標層的隸屬度，即二級模糊綜合評價結果，見表5。

表5 二級模糊運算結果Tab.5 Second order fuzzy operation results

3.3 結果分析

（1）將二級模糊綜合評價模型運用到引洮供水工程水環境效益的綜合評價中，從評價結果來看，符合引洮供水工程的實際情況。表明了評價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水質的污染需要增加的費用這3個指標的權重較大，對水環境效益影響較大。這與實際情況也是一致的，引洮供水工程的主要任務就是要解決甘肅省中部干旱地區生產和生活用水問題；工程建成后，受水區幾百萬人的飲用水生活條件將得到改善，對消滅受水區的大脖子、大骨節等多種地方病，提高當地人民身體健康水平，促進當地經濟社會高質量發展有重要作用。引洮供水工程在施工期間為減少對水環境和生態等產生不利影響，用于防止水污染，保護水環境方面投資較大，充分說明建設相關單位環保意識的增強。表明指標權重反映出引洮工程建設的實際情況。在運行管理過程中應該把控這些因素，實現水環境效益的最大化。

（3）根據表4的一級模糊運算結果可知，自然生態環境效益的5 個評價等級中，屬于“良好”等級的隸屬度最大，為73.80%，由最大隸屬度原則可知，引洮供水工程的自然生態環境效益為“良好”；同理可知社會環境效益的五個評價等級中，屬于“良好”等級的隸屬度最大，為45.35%，引洮供水工程的社會環境效益也為“良好”。

（4）根據表5計算結果，對準則層權重進行擾動，水環境效益屬于“良好”等級的隸屬度均為各自評價等級中的最大值，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境效益等級均為“良好”。隸屬度分別相差2.59%、1.30%和1.29%。表明準則層權重分配對水環境效益評價結果影響較小。

4 結 論

針對目前水利工程水環境效益綜合評價研究成果較少的現狀，本文基于二級模糊綜合評價原理構建了引洮供水工程水環境效益量化評價模型，通過運用該方法對引洮供水工程水環境效益的綜合評價，驗證了評價模型的可操作性。可為工程建設提供參考和借鑒。

水利工程對水環境效益的影響因素十分復雜，無論是評價指標體系還是評價方法，都有待進一步研究和完善，使得評價結果更加符合客觀實際。