生態水利工程水量水質聯合調度效應評價研究

黃寶龍

(沂水縣水利工程保障中心,山東 沂水 276400)

0 引 言

水利工程的生態環境效應影響具體是指水利工程項目建設后,對環境造成的生態損害與生態恢復的雙重影響的綜合結果效應。水利工程對河道的生態影響是工程規劃、施工、設計和工程排澇的綜合作用。在實際應用中,要針對流域生態環境特征,綜合運用流域土地利用、生態恢復、流量適應性管理等方法,以減少對流域生態環境的破壞,促進流域水生態環境的可持續發展,進而達到促進人與自然協調發展的美好愿景[1-2]。

為此,許多學者進行了相關探討和研究。盧玉成等[3]運用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)并結合地理信息系統(Geographic Information System,GIS)進行定性和定量分析,對鎮街(園)一級“三線一單”的水環境控制區域劃分技術和措施進行了探討,為松山湖水環境的精細控制奠定了基礎。施文飛等[4]以漓江流域為例展開研究,采用“預處理-回歸”的流程鏈法進行污染物通量估算,采用箱線圖法進行水質數據預處理,采用LOADEST模式估計桂林和陽朔兩個站點的NH3-N、CODMn和TP的污染物年流量。同時,分析了污染通量與河道徑流之間的關系,指出污染的通量是由徑流引起的,因此研究工作對改善水質通量預測準確率和精確控制水質有著積極的作用。

基于此,本文運用層次分析法(AHP)、粗糙集理論(rough set theory,RST)和模糊綜合評價法(evaluation method of fuzzy mathematics,EMFM),對水利工程生態效應分析評價進行模型構建,旨在評價水利設施改善對生態環境保護的影響。

1 基于層次分析法和粗糙集理論的綜合評價模型

1.1 評價指標體系的確立

本研究基于AHP-RST-EMFM綜合評判方法,建立水利項目環境影響評價體系,將層次分析法(AHP)、粗糙集理論(RRST)和模糊綜合評價法(EMFM)進行結合,進一步研究水利項目的生態影響。見圖1。

根據水利水電生態效益評估的特征與需求,對評價體系進行初步分析,將影響生態效應的因素、因子進行歸類、整合,并借鑒其他評估方法,構建一個生態影響評估體系指標。將水利工程生態影響評估系統劃分為目標層(A)、影響層(B)和指標層(C)3個層次,見表1。

表1 水利工程生態效應評價體系架構

其中,目標層(A)是以水利工程影響評價指標為指標;影響層(B)是指在實施水利項目后所能取得的預期結果;指標層(C)是一組由19項基本指數組成的水利工程生態效應指標集合,它反映了水利工程的生態影響,其指標可直接測量為主要指標,是評價系統中最小的一個單元。

在確定了特定的標準之后,首先收集、整理和分析所在地區各評價指數的績效(也就是目前的價值),根據已制定的相關準則進行評估,將其評定為10個等級,即-5～+5。然后,結合其他相關評估工作所采用的分類方法,綜合分析生態影響的正負兩種類型特征,并提出采用分級體系和指標體系進行評估的方法。因此,對水利水電工程的生態影響進行綜合評估,將其分為5個層次,見表2。

表2 生態效應綜合評價指數

1.2 基于層次分析法和粗糙集理論的綜合評價模型構建

水利工程生態效果評價的影響因子較多,各因子之間邏輯關系復雜,但往往是一個層級結構,各要素對綜合效益的貢獻都由其本身的特性所決定,而在實際測量中呈現出模糊的特點。因此,運用AHP與RST判斷的基本原則相結合,建立一套生態影響評估的方法。

AHP是將問題分成不同的影響因子,然后將其按一定的邏輯性進行分類,從而構成一個分層的層級。根據各因子之間的相關關系,來決定各決策的優先次序。AHP是將定性和量化相結合的一種手段,將分析者和決策人的主觀評價以量化的方式表現出來并加以加工。其內容包括:構建層次結構、構造判別矩陣、層次單排順序、層級總體順序等內容。

其中,構建層次結構是指對問題的影響因素進行分類,一般分為最高層、中間層和最低層。上層代表確定目標,中層代表行動,底層代表問題解決。最高層是目標層,僅包含一個單元,代表預先確定的目標或者期望的結果;中間層是標準層,可以分為幾個子層面,包含為達到目的而需要的中介環節,如評估準則、子準則;最底層是一個方案層次,代表不同的可供實現目標的備選方案。構造判別矩陣是指構建AHP的體系結構,在此基礎上,通過定義各層級的從屬關系,并對其進行分類運算。對于最大次因子,按每一層單元間的相關關系進行二次分析。層次單排序是指在同一層級上某個要素的相對重要程度,包括兩個方面,即其權重的確定和判定矩陣的一致性。加權方法包括有根方法和特征根方法。有根方法是先將判斷矩陣(A)的列矢量進行幾何平均,再進行歸一化處理,所得的列矢量就是加權矢量。具體公式如下:

(1)

式中:aij為一階指標;akj為二階指標。

判定矩陣必須符合統一的條件,對于一階和二階判斷矩陣,其整體上符合;若次序超過2時,則先求出相容指數的下一步,具體公式如下:

(2)

然后,計算平均隨機一致性指數RI,用500個抽樣矩陣隨機生成RI。判定矩陣的一致性指數CI和RI的比例稱為隨機一致性比率,用CR表示,當CR<0.1時,認為判斷矩陣滿足一致性。具體公式如下:

(3)

Ri=(rij)ni×m

(4)

Ai°Ri=Bi

(5)

利用模糊矩陣操作,得出一個綜合的模糊評價模型,公式如下:

A°R=B

(6)

最后,按照最大隸屬原則確定決策方案。本研究將AHP與分級(如二級)的模糊評判相結合,可以建立一個水利項目的生態影響評估模型。采用AHP方法,得到準則層與目標層、指標層和規范層之間的評價結果(即判定矩陣)。然后,利用第二層次的評價模型來進行決策。在模糊判別中,一級因子集中采用基準層次和目標層次判定矩陣的權重矢量,二級要素集中采用指數級和基準級別的判定矩陣權重向量。通過這種方法,將層次分析和模糊判別相結合,從而建立一個綜合的水利項目生態影響評估模型。

2 基于層次分析法和粗糙集理論的應用效果分析

飛來峽水電站是清遠市清新縣升平鎮(今飛來峽)北江主干支流,集雨面積34 097km2,占北江地區73%的流域面積,是北江大壩防洪工程流域面積的88.8%。該項目于1994年10月18日開始動工,1998年8月28日大江截流,1999年3月30日下閘蓄水,水閘于4月2日開放。該工程的主體工程為一類,包括混凝土壩、土壩、船閘、發電廠房,1-4副壩,社崗防護岸等,工程主要任務是兼顧航運、發電和改善水環境。該電站廠房內裝有奧地利生產的4臺單機容量為3.5×104kW的燈泡貫流式水輪發電機組,總裝機容量為14×104kW。

在此基礎上,利用MATLAB分別建立不同類型的評估模型,并由10名專家對不同級別的評估因子進行對比,得出不同級別的評估結果,計算出不同級別的判定矩陣的最大特征值與最大特征根之間的正規化矢量,并驗證判定矩陣的相容性。見表3。

表3 指標層權重結構表

本研究以標準層次為基礎,求出最優化的綜合權值。在構建粗糙集的評估模式時,必須先對其進行評估。將飛來峽水電站的建設項目分為以下幾個部分:飛來峽上游英德市、韶關市、南雄市、清遠市、佛山市、廣州市,見表4。其中,a、b、c、d、e分別為標準層面的5項指數,D為決定因素,1為對本地區水利建設的正面影響,2為對水利工程在該區域的負面影響。表4所列資料均來自本地區的歷史資料及評分表,以1～5的數值代表(很好,較好,一般,較差,很差)。

表4 生態系統評價決策表

采用AHP分析法與粗糙集法求出一級指數權重,即μ=0.383。并根據理論,將主客觀權重系數的比率設為“黃金分割”,計算最佳的組合加權方案。評價結果見表5。

表5 目標層綜合評價結果

從表5可以看出,飛來峽水庫的區域生態影響綜合價值指數是三級。對照表2可知飛來峽水利樞紐工程的生態影響評價結果為:整體上呈現出積極的生態效果,而其積極作用則比較平庸;盡管該地區的生態環境沒有任何負面影響,但仍處在由弱向強的過渡期,由于氣候變化和人為因素的作用越來越大,若工程管理與運營措施不當,將會產生負面影響。

引入模型系統連續引水l、2、3h后,通過對河流的分析,得出河流的斷面COD濃度過程曲線。見圖2。

圖2 河道斷面20-26的COD濃度沿河長的分布

從圖2可以看到,電站閘門在1～3h內相繼開啟,導流能力為15m3/s,各段的水體質量得到顯著改善。因此,可依據不同的水質指標需求,結合河閘調水規劃,利用水量水質模型以及優化調度評價模型來決定合適的調水流量。同時,對城市河道的水質演變進行預報,以達到對城市水系水環境進行科學治理。

由圖2可以看出,在經過3h的閘門放水后,其COD濃度整體趨于4mg/L的水平,而經過1或2h閘門放水的河流COD濃度明顯高于經歷3h的情況,表明得出的生態決策模型應用性能相對較為良好。

3 結 語

本文對水利工程生態影響評估的內容進行了分析,并構建相應的評價指標。將層次分析法、粗糙集理論與模糊綜合評判相結合,建立了一個生態影響評估模型。該方案采用層次分析法和粗糙集理論相結合的方法,確定了標準層和指標的權重,將主客觀兩種權重相結合,得出最優的組合權重,并運用模糊綜合評判的方法進行了評估。以飛來峽水電站為例,對其在實際中的應用進行了分析。結果表明,飛來峽水庫的區域生態影響綜合價值指數為三級。整體上呈現出積極的生態效果,而其積極作用則比較平庸;盡管該地區的生態環境沒有任何負面影響,但仍處在由弱向強的過渡期,由于氣候變化和人為因素的作用越來越大,若工程管理與運營措施不當,將會產生負面影響。