基于改进层次分析法的小水电生态环境影响评价

孟建佛，王双银，张静怡，杨颖刚

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.陕西省水利水电发展中心，陕西 西安 710000)

小水电作为可再生能源，不仅推动了我国社会经济的快速发展，而且还能代替化石能源减少温室气体排放，但小水电运行过程中会造成电站下游河段减脱水、扰动鱼类洄游甚至破坏水生动植物栖息地等一系列生态问题。因此，开展客观有效的小水电生态环境影响评价对生态环境协调发展具有重要意义。

小水电生态环境影响评价研究主要有评价指标内容和评价方法两方面内容，目前评价指标内容研究主要涉及到水文特征、泥沙、鱼类保护、生物群落、河流最小生态流量保障等方面[1-2]；评价方法方面夏军等[3]采用了动态评估模型分析了雅安水电站对生态环境影响程度；黄茁等[4]建立基于生态足迹理论的坝式小水电生态环境评价模型，并通过实例研究验证模型的可行性；禹雪中等[5]通过分析绿色小水电的含义建立评价指标体系，采用模糊综合评价模型对澜沧江漫湾水电站的生态环境进行了评价研究[6-7]。然而在评价指标内容上，小水电生态环境评价始终没有形成统一的评价指标体系，且大部分指标还处于定性评判阶段，没有提出具体的定量计算方法；在评价方法上，这些评价方法都各有优缺点，但大都采用AHP确定指标权重[8-9]，权重计算受人为主观影响较大，无法科学评价小水电运行对生态环境的影响程度。

综上，论文尝试对部分指标设定定量计算方法，优化指标评分方法，对传统的AHP进行改进，建立新的五标度法计算各指标权重，构建基于改进AHP的小水电生态环境模糊综合评价模型，并以石门水电站进行验证，以期为小水电生态环境影响评价研究及小水电绿色发展提供参考。

1 小水电生态环境评价指标体系

1.1 评价指标选取

评价指标选取文献[10]生态环境类别中的内容，确定包含目标层、准则层和指标层3个层次的小水电生态环境评价体系，见表1。

表1 小水电生态环境评价指标体系

评价指标除水质变化程度、生态需水保障情况、替代效应和减排效率4个指标外，对其余指标规定10分为满分，采取专家调查问卷的形式得到其最终评分。

(1)生态需水保障情况(W11)。论文从水电站生态流量是否核定(a)、是否有独立的生态流量泄放设施(b)、是否建立生态流量调度规则(c)、是否有生态流量监测设施(d)和下泄生态流量满足度(e)5个方面描述生态需水量保障情况。水电站是否已经核定生态流量并由相关地方政府批复是生态需水保障的前提，即水电站首先必须确定河道下泄最小生态流量大小，若水电站没有核定生态流量，则其他四方面的描述就毫无意义，此时生态需水保障情况评分值为0；若水电站已经有对生态流量核定的内容，则生态需水保障情况评分由其余四项来评定。首先为其他四项评判因子赋予相同的权重，其次针对每一项评判因子设定计算方法，见表2。

表2 生态需水保障情况计算方法

(2)水质变化程度(W21)。水质变化程度指标评分是通过比较电站尾水断面与引水断面水质类别改变情况来确定，水质类别依据文献[11]分类。若水电站运行中电站尾水断面水质类别与引水断面水质类别相比较无变化或引起水质类别升高，则指标评分为10；若引起水质类别降低，则指标评分为0。

(3)替代效应(W51)和减排效率(W52)。替代效应(W51)和减排效率(W52)计算公式见文献[10]，但文献[10]中的评分方法不能让其最终取到评分区间的任一数值，因此按照线性函数关系将计算值映射到[0,10]区间内，以此优化其评分方法，具体方法见表3。

表3 替代效应和减排效率计算方法

1.2 评价等级划分

依据评价指标的计算结果，将结果映射区间[0,10]按等差数列分为5个等级[12]，分别是Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级。从Ⅰ级到Ⅴ级水电站对生态环境影响程度增大，其中Ⅰ级表示水电站对生态环境影响程度很小，Ⅴ级表示水电站对生态环境影响程度很大，等级划分详见表4。

表4 小水电生态环境评价等级划分

2 小水电生态环境综合评价模型

2.1 模糊综合评价模型的构建

评价模型主要分为改进层次分析法求权重和隶属度函数确定评价矩阵两部分。改进层次分法计算权重中首先建立了新的五标度法，其次尝试对以往研究中存在的缺陷进行改进，以期减弱人为主观性；隶属度确定评价矩阵部分先依据评价等级划分构建隶属度函数，结合指标计算值确定评价矩阵，由权重和评价矩阵得到综合评价结果。

2.1.1 改进层次分析法确定权重

传统的层次分析法通过专家对各指标两两比较得到判断矩阵，整个过程中人为的主观因素占比重太大，以至于影响最终结果，不少学者对层次分析法的改进进行了研究[13-14]，例如文献[13]采用三标度并引入最优传递矩阵计算判断矩阵，该方法不再需要一致性检验，过程简单，计算速度快，但还存在部分缺陷，论文在文献[13]的研究基础上，对其进行改进。

采用三标度的确可以降低人为主观判断对结果的影响，但若指标间的差异细微，此时三标度就难以评判指标间的细微差异；据相关调查显示，人们对于“差不多”、“稍优”、“优”、“甚优”、“极优”的期望值分别为1.00、1.30、1.77、2.40、3.63[15]，因此，以此建立五标度判断法(见表5)，基于五标度专家更能容易判断指标间重要程度，也能降低人为主观影响。

表5 五标度法

改进层次分析法的步骤依次是建立比较矩阵G、计算重要性排序l、构造判断矩阵V、计算最优传递矩阵H和拟优一致矩阵T，具体计算公式见文献[13]，其中针对构造判断矩阵V的公式中，若lmax=lmin，则式中km=1，此时会出现指标间重要性程度都一样，这显然不符合实际情况；其次若lmax=lmin时，构建判断矩阵的公式会变得无意义。为此，尝试加入若lmax=lmin，则vij=1的限制条件。

2.1.2 确定隶属度矩阵

依据表4评价等级划分结果及指标最终计算值x，构建隶属度函数F(x)，确定每个评价指标属于Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级的隶属度值。

指标在Ⅰ级的隶属度函数F1(x)如下：

(1)

指标属于Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级的隶属度函数F2(x)如下：

(2)

式中:r1、r2、r3分别代表各评价等级区间端点值，依据表4评价等级划分取值；计算指标属于Ⅱ级隶属度时，分别取10、8、6；Ⅲ级时分别取8、6、4；Ⅳ级时分别取6、4、2。

指标在Ⅴ级的隶属度函数F3(x)如下：

(3)

由各评价指标隶属度值构成反映评价指标与评价等级隶属关系的隶属度矩阵R，若评价指标为h个，评价等级为k个，则隶属度矩阵为：

(4)

其中:rhk反映第h个指标属于评价标准中第k个等级的隶属度。

2.1.3 确定评价矩阵

由指标层各指标的隶属度值组成隶属度矩阵，然后通过指标层各指标权重与相对应评价等级的隶属度值相乘后累加，计算得到准则层各指标所对应评价等级的隶属度向量Bg,再由隶属度向量Bg组成评价矩阵B,B=[B1,B2,B3,B4,B5]T，其中Bg=ωg·Rg。

2.1.4 模糊综合评价

利用准则层的指标权重和评价矩阵计算小水电对5个评价等级的隶属度矩阵E，记E=ωB·B=(e1，e2,e3,e4,e5),ωB表示准则层各指标权重集合，e1、e2、e3、e4、e5分别表示小水电对生态环境影响处于各评价等级的隶属度。

3 实例应用

石门电站位于陕西省汉中市褒河流域，电站始建于1970年8月，投资规模为4 726万元，首台机组于1978年5月建成并投入发电运行。电站由河床电站、东干渠渠首电站、西干渠渠首电站和河床续建电站(生态机组)组成，总装机容量为44 380 kW。石门电站下游河段水生动物主要有鲤鱼、黄鳝等，周边不涉及国家重点保护珍稀动植物、无国家和陕西省重点保护鱼类，且已经对涉及到的水生陆生动植物采取相应的保护措施。

3.1 指标计算

依据石门水电站提供的《陕西省汉中市石门水库管理局水电站绿色小水电评价报告》中资料对各指标进行计算。在水质方面石门水电站尾水断面与引水断面水质均为Ⅱ类，故水质变化程度指标评分为10；在生态需水情况保障方面，石门电站已核定最小生态流量下泄量，有生态流量调度方案，但泄放设施不独立，且生态流量监测还只是人工监测，由表2评分规则计算生态需水保障情况指标评分，结果为7.5；依据文献[10]中替代效应和减排效率计算公式计算得到替代效应p=0.757，减排效率f=1.05，结合表3计算方法得到指标评分分别为10和5.1。

评分问卷调查中，为了保证评分结果的可靠性，选取的20位专家都必须是从事水利行业的人员，在此基础上向各位专家发出定性指标的评分问卷，收回有效问卷14份，计算有效问卷中每个指标评分的平均值作为指标最终评分，计算结果见表6。

表6 定性指标评分计算结果

3.2 改进层次分析法求权重

依据专家对各指标判断的建议，结合表4的五标度法对各指标重要性进行两两比较，构建比较矩阵，准则层的比较矩阵G如下：

指标层的生态需水保障情况和水质变化程度指标只有一个指标，所以指标所占比重为1；水生及陆生生态、景观、减排和河流形态所对应指标层的比较矩阵依次记G1、G2、G3、G4如下：

以准则层的比较矩阵为例，按照上文改进层次分析法进行计算，重要性排序指数l1=8.47，l2=7.37，l3=6.64，l4=5.90，l5=5.33，l6=5.05，lmax=8.47，lmin=5.05。

准则层构造的判断矩阵V和最优传递矩阵H如下：

准则层拟优一致矩阵T如下：

由准则层拟优一致矩阵计算，准则层各指标的权重计算结果为：u=(0.242,0.199,0.171,0.145,0.126,0.118)。同理，依次重复改进层次分析法的步骤计算出指标层权重，结果分别为：u1=u2=1，u3=u4=(0.547,0.453)，u5=(0.5,0.5)，u6=(0.623,0.377)。

3.3 模糊综合评价结果分析

由指标评分值结合隶属度函数式(1)、式(2)、式(3)计算每个指标的隶属度值，结果见表7。

表7 隶属度值计算结果

计算得到评价矩阵B为:

模糊综合评价结果E为:

E=[0.346 0.527 0.098 0.028 0.000]

从模糊综合评价结果E可以得出：石门水电站运行中对生态环境影响程度在第Ⅱ等级的隶属度为0.527。根据最大隶属度原则可知：石门水电站现阶段在运行过程中整体对生态环境的影响处于第Ⅱ等级，对生态环境影响程度较小。从评价矩阵结果分析，石门水电站在准则层中各指标方面影响等级大都处于Ⅱ级，说明石门电站在生态保护各方面影响都较小，对生态环境破坏程度较小。为进一步推进石门水电站绿色发展，有以下几点建议：一是电站应熟悉周围河道中水生动植物种类和主要鱼类生活习性与洄游规律，针对不同河道的水生动植物采取不同的保护措施；二是电站运行调度时，结合生态调度和优化调度，保障河流生态环境所需的生态基流；三是加强对河流生态系统各方面的长期监测；四是小水电绿色发展不仅仅涉及对生态环境影响的问题，还应该综合考虑社会影响、安全管理和经济效益等方面的内容。

4 结 论

基于改进层次分析法对小水电生态环境影响程度建立了模糊综合评价模型，选取了水文情势、水质、景观等评价因子，采用五标度法评判指标间的重要程度，简化了传统层次分析法求权重的过程，通过评价模型对小水电生态环境影响程度进行了评价，可得出以下结论：

(1)本文尝试为生态需水保障情况指标的5个评判因子给出计算方法，并优化替代效应和减排效率指标评分规则，采用评价指标定性和定量结合的评价方法，评价结果显示电站对生态环境影响等级属于Ⅱ级，与案例水电站实际情况基本保持一致。

(2)在改进层次分析法中用五标度法代替了以往的九标度法与三标度法，既能克服使用九标度法会降低专家判断的准确性问题，又能解决三标度法不能反映指标间差异细微的问题。