基于生態(tài)灰色模糊風(fēng)險分析水資源開發(fā)方案

劉 斌

(河北省滄州水文勘測研究中心，河北 滄州 061000)

水利工程具有消除水害，可開發(fā)利用水資源，保護(hù)人民財產(chǎn)安全作用，因此在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中具有重要意義，在水資源利用和水資源建設(shè)中價值更明顯，能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展[1-2]，但過度使用仍然會對環(huán)境產(chǎn)生一定不利影響[3]。目前，在一般環(huán)境影響評價報告中，僅定性描述了興建水利工程對地球生態(tài)環(huán)境的影響，這導(dǎo)致人們對生態(tài)環(huán)境影響缺乏整體評價，只注重經(jīng)濟(jì)利益，不充分考慮建設(shè)工程帶來的負(fù)面影響，這將對地球生態(tài)系統(tǒng)帶來不可逆轉(zhuǎn)的問題。如張丹[4]學(xué)者應(yīng)用模糊灰關(guān)聯(lián)故障樹模型評估了水利水電工程的社會穩(wěn)定風(fēng)險；江新[5]等學(xué)者應(yīng)用灰色模糊綜合評價方法評估水利工程項(xiàng)目群供應(yīng)鏈風(fēng)險等級。因此，在水利工程環(huán)境影響評價報告中，應(yīng)在綜合考慮社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的基礎(chǔ)上，核算興建水利工程的生態(tài)環(huán)境價值，分析建設(shè)工程的可行性。為解決以上矛盾，本文在綜合考慮水利工程效益、生態(tài)修復(fù)成本和生態(tài)風(fēng)險的基礎(chǔ)上，提出可以優(yōu)化水利工程開發(fā)規(guī)模的模型。

1 建立考慮生態(tài)風(fēng)險的優(yōu)化模型

1.1 確定主要生態(tài)風(fēng)險因子

影響水利工程生態(tài)環(huán)境的因素有很多，主要來自建設(shè)水利工程的施工階段、運(yùn)維階段和拆除階段，其主要風(fēng)險因素如圖1所示。

圖1 水利工程生態(tài)風(fēng)險因素

1.2 確定主要生態(tài)風(fēng)險成因

1.3 總生態(tài)風(fēng)險變化預(yù)測

假設(shè)已經(jīng)確定了n個開發(fā)規(guī)模的模糊風(fēng)險值，則可以運(yùn)用灰色理論預(yù)測模型，該模型為隨水位增長的模糊風(fēng)險值GM(1，1)模型。

1.4 考慮生態(tài)風(fēng)險的優(yōu)化模型

(1)假設(shè)n個開發(fā)方案通過不同的正常蓄水位(H=[h1h2…h(huán)n])進(jìn)行比較，以反映開發(fā)規(guī)模的差異。第一步，計算每個開發(fā)方案能夠產(chǎn)生的效益和需要的生態(tài)修復(fù)成本，則能夠得到效益向量、工程成本向量和生態(tài)修復(fù)成本向量這三個向量，其中：效益向量B=[b1b2…bn]、工程成本向量C=[c1c2…cn]和生態(tài)修復(fù)成本向量D=[d1d2…dn]。

(2)根據(jù)上述計算方法，算出每個方案的系統(tǒng)總風(fēng)險值，然后可以得到一個模糊風(fēng)險向量R=[r1r2…rn]。

(3)利用回歸擬合，找出效益作為正常蓄水位的函數(shù)，以EB(h)表示；工程成本作為正常蓄水位的函數(shù)，以C(h)表示；生態(tài)修復(fù)成本與模糊風(fēng)險值也作為正常蓄水位的函數(shù)，分別以D(h)、R(h)表示。

(4)將上一步得到的四個函數(shù)組合在一起，可以得到新的單目標(biāo)函數(shù)和多目標(biāo)函數(shù),見式(1)～式(3)：

F1(h)=EB(h)-C(h)

(1)

F2(h)=EB(h)-C(h)-D(h)

(2)

(3)

(5)建立優(yōu)化模型

目標(biāo)函數(shù)為Fi(h)，約束條件如式(4)：

C(h)-EB(h)<0

C(h)+D(h)-EB(h)<0

(4)

-R(h)<0

hmin

(6)運(yùn)用最優(yōu)化理論計算出前三個函數(shù)的極值，與極值對應(yīng)的正常蓄水位表示最優(yōu)開發(fā)規(guī)模。通過比較單目標(biāo)和多目標(biāo)開發(fā)規(guī)模的最優(yōu)正常蓄水位，從而選擇出最優(yōu)正常蓄水位。

2 生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險的計算

2.1 建立不同開發(fā)規(guī)模

本文以某水利樞紐的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，可知其正常蓄水位可選擇在223～233 m之間，因此設(shè)置6個正常蓄水位來代表該范圍內(nèi)不同的開發(fā)規(guī)模，主要表示為H=[h1h2…h(huán)6]=[223 225 227 229 231 233]。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險的模糊矩陣

計算生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險的模糊矩陣時，應(yīng)遵循的步驟：首先建立評價對象因子集和評價集、以及不同開發(fā)規(guī)模下風(fēng)險因素的模糊矩陣；然后根據(jù)模糊矩陣和風(fēng)險因素的權(quán)重，利用模糊變換算法求出模糊矩陣中的風(fēng)險因素；最后根據(jù)模糊邏輯并通過模糊變換算法，算出不同開發(fā)規(guī)模下生態(tài)系統(tǒng)的總風(fēng)險模糊矩陣和風(fēng)險因子權(quán)重。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險的模糊綜合評價矩陣

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險的模糊矩陣及對應(yīng)權(quán)重，利用模糊變換算法得出生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險的模糊綜合評價矩陣。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險的模糊評分

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，算出不同開發(fā)規(guī)模下生態(tài)系統(tǒng)總風(fēng)險的模糊評分，見表1。

由表1中數(shù)據(jù)可知，總風(fēng)險模糊評分R與存儲水位呈正比變化。表1中還顯示了風(fēng)險增量ΔR的變化：當(dāng)水位小于229 m時，風(fēng)險增量率與存儲水位呈反比變化；當(dāng)水位大于229 m時，風(fēng)險增量率與存儲水位呈正比變化。整體而言，風(fēng)險增長速度在加快。

表1 不同開發(fā)規(guī)模下的總風(fēng)險評分值

3 不同階段生態(tài)風(fēng)險因子與蓄水位間的變化關(guān)系

通過最小二乘法擬合出生態(tài)總風(fēng)險因子與蓄水位(R～h)的關(guān)系曲線，見式(5)：

R=0.0003h2-0.1219h+13.88831

(5)

同上，通過最小二乘法擬合出工程施工階段存在的風(fēng)險因子與蓄水位(R1～h)間的關(guān)系式(6)：

R1=0.0004h2-0.1719h+19.1451

(6)

擬合得出工程運(yùn)維階段存在的風(fēng)險因子與蓄水位(R2～h)間的關(guān)系式(7)：

R2=0.0002h2-0.0705h+8.3238

(7)

擬合得出工程運(yùn)行結(jié)束之后拆除階段存在的風(fēng)險因子與蓄水位(R3～h)間的關(guān)系式(8)：

R3=0.0004h2-0.1740h+19.7459

(8)

根據(jù)最小二乘法擬合得出的蓄水位與總生態(tài)風(fēng)險關(guān)系式、施工階段關(guān)系式、運(yùn)維階段的關(guān)系式以及拆除階段的關(guān)系式，能夠得出固定范圍內(nèi)不同開發(fā)規(guī)模的生態(tài)總風(fēng)險，以及該工程項(xiàng)目在其使用周期內(nèi)特定范圍中不同開發(fā)規(guī)模下的風(fēng)險值。

3.1 確定主要生態(tài)風(fēng)險成因

通過模糊評價算法和模糊評分法，能夠確定出不同開發(fā)規(guī)模下生態(tài)風(fēng)險因子的模糊評分，如表2所示。

根據(jù)模糊評價算法和模糊評分法，可以確定不同開發(fā)規(guī)模下模糊評分的各種風(fēng)險成因。通過對本項(xiàng)目全生命周期的生態(tài)風(fēng)險分析，包括建設(shè)階段、運(yùn)維階段和最終拆除階段，可以得出以下結(jié)論：工程在建設(shè)階段，最不利的風(fēng)險因素是不可再生資源的消耗；在運(yùn)維階段，最不利的風(fēng)險因素是破壞原始生物的棲息地；在運(yùn)行結(jié)束后的拆除階段，最不利的風(fēng)險因素是環(huán)境生態(tài)服務(wù)功能的下降。因此，在執(zhí)行某個建設(shè)方案的過程中，在工程建設(shè)階段應(yīng)該盡量減少消耗有限的天然燃料和生長速度較慢的再生材料，應(yīng)提倡開發(fā)利用快速天然可再生的材料，實(shí)現(xiàn)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。在工程運(yùn)維階段，應(yīng)盡量保護(hù)原有生物的棲息地，避免河流形式的均質(zhì)化和間斷化，不破壞生物環(huán)境，提倡生態(tài)水利。在最后拆除階段，不僅要看到供水、灌溉、發(fā)電等水利工程給人類社會帶來的直接效益，也要更加關(guān)注水利工程改變河流自然狀態(tài)后，對環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、動植物多樣性的負(fù)面影響。

表2 不同開發(fā)規(guī)模下生態(tài)風(fēng)險因子的模糊評分

3.2 生態(tài)總風(fēng)險的灰色預(yù)測

通過模糊綜合評分計算方法，先計算出總生態(tài)風(fēng)險值Ry i(i=1,2,…,m)。然后，建立水位hi(i=1,2,…,m)與總生態(tài)風(fēng)險值Ry i(i=1,2,…,m)之間的關(guān)系來預(yù)測風(fēng)險。Ry i是隨水位上升而變化的一種已知信息，但仍存在一部分未知信息，即這種動態(tài)趨勢的實(shí)質(zhì)特征是灰色的。因此，需要通過灰色系統(tǒng)微分方程的建模機(jī)理和方法建立GM(1，1)模型。

本文建立的灰色預(yù)測模型，如式(9)：

R=0.066 103 7e0.008 868 54h

(9)

根據(jù)上述模型，算出不同開發(fā)規(guī)模下的生態(tài)風(fēng)險值，如表3所示。

表3 不同開發(fā)規(guī)模下的生態(tài)風(fēng)險值

3.3 不同建設(shè)規(guī)模效益與成本的計算

通過全面核算興建水利工程對人類社會經(jīng)濟(jì)和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響，可知水利工程對人類社會經(jīng)濟(jì)和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響包括以下兩部分：一是項(xiàng)目能夠產(chǎn)生的效益EB和自身需要的成本C；二是水利工程對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成的價值損失D。利用水利工程經(jīng)濟(jì)分析方法，算出不同開發(fā)規(guī)模下生態(tài)環(huán)境的效益、成本和損失，如表4所示。

表4 不同開發(fā)規(guī)模下的工程效益、成本和損失

通過回歸分析理論擬合計算出正常蓄水位h與工程效益EB(h)的函數(shù)如式(10)：

EB(h)=0.010 034h3-7.0229h2+

1638.5h-127 300

(10)

擬合得出正常蓄水位h與工程成本C(h)的函數(shù)如式(11)：

C(h)=0.002 372 4h3-1.5972h2+

358.62h-26 807

(11)

得出正常蓄水位h與生態(tài)修復(fù)成本D(h)的函數(shù)如式(12)：

D(h)=0.0137h2-6.0241h+685.2696

(12)

3.4 優(yōu)化模型

不同開發(fā)規(guī)模下不考慮生態(tài)風(fēng)險的優(yōu)化模型見式(13)：

F1(h)=0.007 662h3-5.4531h2+

1279.9h-100 493

(13)

不同工程開發(fā)規(guī)模下考慮生態(tài)修復(fù)成本的優(yōu)化模型見式(14)：

F2(h)=0.007 662h3-5.4394h2+

1285.9h-101 178

(14)

不同工程開發(fā)規(guī)模下考慮生態(tài)風(fēng)險的優(yōu)化模型見式(15)：

F3(h)=

(15)

以上三種不同模型的優(yōu)化問題都是約束非線性規(guī)劃問題，可采用復(fù)形法求解，結(jié)果如下：

當(dāng)h=229.1 m時，F(xiàn)1(h)獲得最大值，則說明在考慮工程效益和工程成本的情況下，水庫最優(yōu)正常蓄水位為229.1 m。

當(dāng)h=228.3 m時，F(xiàn)2(h)獲得最大值。則說明在考慮工程效益、工程成本和生態(tài)修復(fù)成本的情況下，水庫最優(yōu)正常蓄水位為228.3 m。

當(dāng)h=227.4 m時，F(xiàn)3(h)獲得最大值。則說明在考慮工程效益、工程成本、生態(tài)修復(fù)成本和生態(tài)風(fēng)險的情況下，水庫最優(yōu)正常蓄水位為227.4 m。

4 結(jié) 論

通過本文計算分析不同開發(fā)規(guī)模下優(yōu)化模型的結(jié)果，可從中得到以下結(jié)論：

(1)僅考慮工程效益和工程成本的單目標(biāo)優(yōu)化模型中，水庫最優(yōu)正常蓄水位為229.1 m，而實(shí)際正常蓄水位為228.0 m，說明實(shí)際值明顯小于計算結(jié)果，與實(shí)際不符。

(2)綜合考慮工程效益、工程成本和生態(tài)修復(fù)成本的優(yōu)化模型中，水庫最優(yōu)正常蓄水位為228.3 m，而實(shí)際正常蓄水位為228.0 m，說明實(shí)際值略小于計算結(jié)果，與實(shí)際存在一定差別。

(3)考慮工程效益、工程成本、生態(tài)修復(fù)成本以及生態(tài)風(fēng)險的多目標(biāo)優(yōu)化模型中，水庫最優(yōu)正常蓄水位為227.4 m，實(shí)際正常蓄水位也是228.0 m，說明實(shí)際值略大于計算結(jié)果，雖存在一定出入，但結(jié)合計算結(jié)果分析，該模型更符合實(shí)際情況。

(4)只考慮工程效益和工程成本的情況下，當(dāng)水庫最優(yōu)正常蓄水位在229.1 m以下時，水位與收益呈正比變化；當(dāng)水位超過最優(yōu)正常蓄水位時，水位與收益呈反比變化、與工程成本呈正比變化。通過多目標(biāo)分析可得，生態(tài)修復(fù)的總成本和生態(tài)風(fēng)險均隨著水位增加而增加，因此，其發(fā)展規(guī)模相比單目標(biāo)較小。