考慮碳排放指數的生態機組生態效應評價

李永祺，鄒淑云，盧 韜，陳鴻飛

(1.長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114； 2.大唐華銀懷化巫水流域水電開發有限公司，湖南 懷化 418000)

1 概 述

水利水電工程的生態效應是指水利水電工程完工之后，對自然界生態環境所造成的破壞和修復兩種綜合效應[1]，生態機組也不例外。國內外學者在生態效應評價方面進行了大量研究，得到不少令人滿意的成果。Brenda May Pracheil等[2]提出由6個部分、共計51個指標組成的水電生態評價體系。Andrei Briones-Hidrovo[3]提出將生命周期評估和生態系統服務評估相結合的生態效應評價方法，為確定該方法的適用性，在巴巴水電站和馬扎爾杜達斯水電站進行了研究，結果表明壩式水電站和徑流式水電站之間存在明顯的環境生態差異。常本春等[4]將國際流行的指標體系“壓力-狀態-響應(PSR)”模式改造為“狀態-壓力-效應”(SPE)的形態，結合層次分析法將生態效益評價指標體系分為三大層次，并構建相應標準，根據結構圖層次關系建立判斷矩陣，最終完成生態效應評價指標體系的建立。曹花婷[5]則加入灰色多層次分析法，計算得出水利工程的生態效應影響等級。吳春篤等[6]在進行北固山濕地生態評價時，通過層次分析法，構建濕地生態模型并確定評價指標，最終計算綜合評價指數，再依據生態質量標準判斷其生態狀況。

總體而言，水電機組生態效應評價方面的研究已經較為豐富。但在“雙碳”目標背景下，將生態機組對于碳排放的改善作為指標納入評價體系，將有助于全面客觀地評價生態機組的生態效應。本文提出符合碳中和、碳達峰形勢的生態機組生態效應評價體系，比較評價體系中碳排放指數的納入與否對生態效應評分的影響，以評估其合理性與優越性。

2 生態效應評價指標

2.1 生態效應評價指標結構

基于評價體系所需的協調性、完整性、可持續性，將生態機組生態效應評價體系分為3個層次，具體如下：①目標層。用于體現生態機組對其所在區域的生態效應影響；②準則層。主要指影響區域生態效應的因素，本文將其分為壓力、狀態、響應3個主干；③指標層。由可量化的指標組成，用以評估生態機組在各方面產生的效應及其影響[1]。其中，不穩定運行壓力及碳排放指數是研究生態機組生態效應新引進的兩個指標。具體各項指標說明見表1。

表1 生態效應評價指標表

2.2 層次分析法確定指標權重

本文采用層次分析法(AHP)對各項指標的權重進行確定。根據同層次指標對上層的重要性構建判斷矩陣，邀請專家對各指標進行打分；根據兩指標影響強弱對比關系，依照1-9、1-1/9的尺度進行評級，將定性問題定量化。計算該判斷矩陣的最大特征根λmax，并進行一致性檢驗。

(1)

(2)

若矩陣滿足一致性檢驗，則可繼續計算得出對應指標權重Ei；若不滿足一致性檢驗，則需要重新構建判斷矩陣。

2.3 模糊綜合評價法確定指標賦值

本指標評價體系用于評價生態機組在環境生態效應方面的表現。采用模糊綜合評價法的思想，在指標賦值方面分為4個層次，具體生態評價指標的評分標準如下：以1-4的數字表示，即1表示弱，2表示較弱，3表示中等，4表示強，由此得到評分向量V=(4，3，2，1)T，對各指標予以賦值。在對生態評價指標中的任一Ci中做出得分評定時，存在著一個相應的隸屬度向量為Ri=(r1，r2，r3，r4)，且有：

(3)

最后由式(4)：

Wi=Ri·V

(4)

可得描述所有單項生態評價指標C1，C2，…，Ci的評分向量：

W=(W1,W2,W3,…,Wi)T

2.4 模糊綜合評價指數的計算

采用綜合指數法(CI)計算綜合評價指數，即將各項指標對應權重乘以該指標對應賦值得分。綜合評價指數用M表示，計算公式如下：

M=∑Ei×Wi

(5)

式中：M為綜合評價指數；Ei為評價指標Ci對應的權重；Wi為單項指標Ci的賦值平均分。

3 某電站生態機組生態效應評價

某水電站以發電為主，兼顧灌溉、航運等綜合效益，總裝機容量2×1.25×104kW，壩頂高程為216 m,正常蓄水位211 m，水庫總庫容3 840×104m3，設計水頭15.8 m，屬于日調節水庫。多年平均流量為84.2 m3/s，生態流量設計為8.42 m3/s，實際運行中機組開機流量保持在55 m3/s以上，滿足生態流量要求，機組停機時，通過開啟閘門保證生態流量下泄。生態機組多年平均發電量9 235×104kW·h，年利用小時3 694 h，淹沒耕地23.446 7 hm2。

3.1 層次分析法確定指標權重

邀請專家對該水電站生態機組指標進行評級，建立目標層與準則層的判斷矩陣，見表2。建立矩陣后，進行一致性檢驗，檢驗通過即可得到準則層各指標的權重。類似的，指標層C1～C2對壓力B1的權重、C3～C7對狀態B2的權重、C8～C12對響應B3的權重也可計算得到。為體現碳排放指數對指標體系的影響，分別列出不考慮碳排放指數和考慮碳排放指數的綜合指標權重，見表3。

表2 準則層對目標層的比較結果

表3 綜合指標權重

續表3

圖1為碳排放納入與否對響應B3中指標權重變化狀況。從圖1中可見，納入碳排放指數后，C10水土流失強度的權重下降明顯，且C12碳排放指數所占權重較大。

圖1 B3中指標權重變化狀況

3.2 模糊綜合評價法確定指標賦值

根據該水電站的情況，工程施工壓力中等，不穩定運行壓力較低，河流水質達標率100%，河岸植被覆蓋度41%，物種多樣性指數3.6%，人均水資源量1 650 m3，人均耕地面積0.043 hm2，公眾滿意度較好，魚類生物完整性指數-5.3%，水土流失強度34%，發電效益中等，碳排放指數表現優異。參考評分向量V=(4，3，2，1)T，經過調研后可知：

10%的人認為工程施工壓力對生態的影響強；80%的人認為影響一般；10%的人認為較弱。因此，對應于C1的隸屬度向量為R1=(0.1，0.8，0.1，0)，依據式(4)則：

W1=R1·V=0.1×4+0.8×3+0.1×2+0=3

類似參考評分情況可得隸屬度向量R2～R12，得到W2～W12，因此單項生態評價指標C1～C12的得分向量：

W=(3,3,2.2,3.8,1.9,3,2.9,3.1,1.8,2.2,3.5,3.9)T

3.3 模糊綜合評價指數的計算

本評價體系采用綜合指數法計算綜合評價指數，即將各項指標對應權重乘以該指標對應賦值得分，故滿分為4分。具體的指數計算公式如下：

(6)

式中：M為綜合評價指數；Ei為評價指標Ci對應的權重；Wi為單項指標Ci的賦值平均分。

在不考慮碳排放指數時，該電站生態機組生態效應評價得分為M=2.709。

考慮碳排放指數時，該電站生態機組生態效應評價得分為M′=2.943。

計算出考慮碳排放后的得分增率為：

(7)

由此，該電站生態機組生態效應評價結果見表4。結果表明，生態機組的生態效應良好，可以緩解生態環境惡化問題，且將碳排放指數納入原指標體系后，能夠提高生態效應評價得分，說明生態機組在減排上有一定優勢。

表4 生態機組生態效應評價結果

4 結 論

目前，我國面臨著能源綠色低碳轉型的挑戰，生態機組作為一種環境友好型、資源節約型水電生產方式，為推動水利綠色發展和能源革命提供了一條智慧思路。在碳達峰、碳中和背景下，將碳排放指數納入生態機組生態效應評價指標體系中，有助于分析生態機組建設對實現“雙碳”目標的貢獻，具有一定戰略意義。

本文以某電站為例，利用層次分析法，結合專家意見構建判斷矩陣，確定準則層、指標層各項目的權重，參考生態機組在生態效應方面的表現，運用模糊數學法對各指標進行賦值，最終采用綜合指數法計算出該電站生態機組生態效應評價得分。結果表明，生態機組的生態效應良好。為研究碳排放指數的納入與否對生態效應評分的影響，本文對碳排放指標加入前后的評價得分進行比較。在考慮碳排放指數后，該電站的生態效應評價得分達到2.943，比不考慮碳排放時提升了8.64%，充分體現該電站在節能減排方面的優秀表現。同時，增率在10%左右較為適中，表明本文中為碳排放指數設置具有合理性，體現了本評價體系的科學性與嚴謹性。