抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险评价

马萧萧, 朱安平, 余蔚青, 刘 新, 李 璇

(1.国网新源控股有限公司, 北京 100052; 2.紫光软件系统有限公司, 北京 100084)

当代经济的高速发展导致对电力的需求日趋强烈，极大增加了电力系统调峰的难度，用电量达到峰值时电量极度短缺，低谷时又有电量剩余，由此抽水蓄能电站应运而生。由于运行原理及场景需要，抽水蓄能电站工程多建设于地势高差较大的山地区段，工程建设期由于土地利用方式的变化对周边固有生态环境产生的影响较大，水土流失风险及由此衍生的滑坡、泥石流等次生风险灾害也将随之增加，对周边生态环境造成一定程度的负面影响[1]；因此，评价抽水蓄能电站建设期的水土流失及其次生灾害风险对我国的抽水蓄能电站建设优化和当地发展稳定有重要意义。目前，国内外针对建设工程环境安全领域的灾害风险研究主要集中在地震、气象灾害等自然灾害[2]，交通事故、安全生产事故等事故灾害[3]及其风险评价[4]、重大风险源评价等[5]方面。Cavanagh和Hicky[6]认为风险评价中从制度层面对于确保重大环境事故危险区域和周围人员安全的监管要求越来越高，也对风险评价的准确性和透明度提出更高的需求，相关方关心的不仅仅是满足法规要求，而是希望确保在最小化事故风险的社会影响方面取得更好的成效。Adi和Nezamoddim[7]在此基础上提出对于灾害事故的危害性仅通过划分成个人风险和社会风险是不全面的，而应该将对社会、经济、人员、环境的损失全部折算为同一维度的标准进行衡量。McDaniels[8]总结了评价目标在生态风险综合评价工作中的各种用途，并概述了评价目标应该具备的特点以及明确目标的过程，进而提出了风险评估目标的参考建议。石济开等[4]通过对石化行业涉及的环境风险要素进行梳理分析，分别从突发性环境风险、非突发性环境风险和选址敏感性构建了环境风险分级指标体系，并通过案例分析加以印证。廖春芳等[9]在郴宁高速公路建设项目中根据通用水土流失方程(universal soil loss equation, USLE)确定的水土流失影响因素，再结合实际调研资料和专家系统分析方法，确定水土流失环境风险评价指标体系，并将水土流失风险划分为6级。

抽水蓄能电站工程造成的水土流失主要集中在工程建设期，是因人类开发建设行为造成外营力所产生的水土流失形式[10]。抽水蓄能电站主体工程中上水库所处山地的地势较高，自然状态下的侵蚀类型以水力侵蚀为主，同时也涉及其他侵蚀类型，故实际复合侵蚀的区域不占少数，不同侵蚀类型相互影响、效果叠加，构成了较为复杂的土壤侵蚀系统[11]。考虑到抽水蓄能电站工程建设周期往往较长，且具有地表扰动范围广、取弃土(渣)量大、施工临时道路、临时堆土(渣)场多、弃土(渣)堆置时间较长等特点，因而其产生水土流失的周期也较长[12]。抽水蓄能电站工程建设过程中大面积的开挖及弃土(渣)的堆放，会对工程区原有地表植被及坡面稳定结构造成一定冲击，形成了新的水土流失源[13]，影响工程区的环境及生态平衡。更为严重的情况下，大量弃土(渣)将随径流汇入周边流域，对工程区及其周边流域的防洪和当地群众的生命、财产及生存环境构成严重威胁；同时还会引发次生的洪涝、滑坡、泥石流等灾害，使区域生态环境质量下降，影响当地旅游业乃至地区GDP增长[14-16]。因此，本文针对由抽水蓄能电站建设期引起的水土流失及其次生灾害，选取抽水蓄能电站影响范围内的整体区域为研究对象，通过量化因水土流失情况对影响区域范围内造成的原生和次生灾害影响，建立抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险等级划分模型，丰富了灾害风险评价指标的角度；在此基础上，根据相关行业标准、规定确定各单项指标隶属度的核算方法，以解决抽水蓄能电站领域水土流失及其次生灾害风险分级评价的问题，旨在为提升抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害的预防及应对能力提供参考。

1 抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级模型构建

1.1 抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级指标体系

本研究在筛选抽水蓄能电站水土流失及其次生灾害风险等级划分指标时，除了从工程自身属性特点、岩土坡体特点及区域环境特点等3方面考虑水土流失风险发生的可能性潜势外，在充分考虑抽水蓄能电站建设过程中的施工现场管理、水土流失监测管理对象、风险应急体系完备情况、地区人口层次现状、社会经济发展程度、生态环境资源等要素的基础上，结合工程建设中实际情况，遵循水土流失及其次生灾害所固有的复杂性和不确定性等风险相关原理，依据科学性、代表性、可操作性和系统性等原则，对包括依托上、下水库在内的抽水蓄能电站工程水土流失防治标准等级，水土保持组织管理、工程弃渣堆置、水土保持措施落实情况、工程水土流失状况等工程水土保持监测三色评分项，抽水蓄能电站工程水土流失及其次生灾害风险与突发事故应急管理能力，以及抽水蓄能电站所在地区人口、经济、资源等相关风险承载体易损性等不同方面进行了综合考虑，并纳入指标体系。由此选取了风险发生可能性潜势、风险监管与应急措施、风险承载体易损性等3个准则维度共8个一级指标和34个二级指标构建了水土流失及其次生灾害风险分级指标体系。各级指标的从属关系详见表1。

1.2 分级指标体系的各级权重

指标评价体系中选取的不同指标对评价目标的评价角度不同，故在建立指标体系后，需要根据各指标的重要性差异对不同指标进行权重赋值，常见的赋权方法分为主成分法、熵值法等客观赋权法，以及德尔菲法、层次分析法等主观赋权法。

其中，客观赋权法需要对各项指标进行多次实测的基础上进行分析计算，在数据不足或无法实测的前提下难以应用。而主观赋权法中的德尔菲法由于过度依赖发挥专家的作用，存在随机性大的风险，且沟通时间及效率存在不确定性；考虑到层次分析法无须统计大量数据且可以对多角度指标要素进行逐层分析，大大降低了主观随机性给评价结果带来的波动[17]。因此，本研究选择层次分析法对抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级指标进行赋权。

在层次分析法当中，构造相对重要性矩阵是重中之重，传统做法是沿用自20世纪80年代以来一直采用的“1—9”级标度法[18]，然而经过大量的研究分析，发现“1—9”级标度法在一些侧重管理层面或涉及多元指标维度的应用场景下存在判断差异性不明显的问题。故本研究在经过多方比较后，选择了Dong等人[19]在“1—9”级标度法基础上改进的“10/10—18/2”标度法用于本次相对重要性矩阵的构造，“10/10—18/2”标度法与“1—9”级标度法的对照及含义详见表2。

表1 抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级指标体系

表2 “10/10—18/2”标度法与“1—9”级标度法对照及含义

因此，通过采用“10/10—18/2”标度法构建的各一级指标相对重要性矩阵(Ui)为：

(1)

式中：U为准则层指标对应的符号;i为该一级指标的序号;n代表该一级指标下的二级指标数量。

随后，通过计算得到各判断矩阵的特征向量(X)及特征值(λ)，并通过下式计算该矩阵的一致性检验指数(CR)，即：

(2)

式中：CI为矩阵的一致性指数;λmax为矩阵的最大特征值;n为矩阵特征值个数; RI为矩阵的平均随机一致性指数,根据查阅相关资料,本研究采用刘守强等[20]在基于“10/10—18/2”新标度法的改进AHP法中调整过的6阶以内矩阵的RI值进行一致性检验(表3)。采取上述方法得到的各级指标权重及一致性检验指数详见表4。各矩阵一致性校验均合格,满足可用性要求。

表3 “10/10—18/2”标度法对应的6阶以下矩阵对应的RI值

表4 各级指标重要性矩阵及权重结果

续表3：

1.3 水土流失及其次生灾害风险分级模型

本研究根据所构建的抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级指标体系，并基于模糊综合评价法建立由水土流失及其次生灾害水平的等级划分模型。

(1) 建立综合评价的因素集。根据构建好的抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级指标体系，分别取一级指标作为第一层次因素、二级指标作为第二层次因素，即指标体系中的各因素集为：A=(A1，…，A3)，A1=(A11，…，A14)，依此类推。

(2) 建立综合评价的评价集。评价集是被评价对象可能出现的各种结果所组成的集合，通常用V表示，即V=(V1，…，Vn)，其中元素Vn代表第n种评价结果，根据实际情况的需要，用不同的评价等级来表示。本研究在参考具备可操作性的模糊综合评价模型等级数量的基础上[21]，将本次抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级模型中评价等级数确定为5级。

(3) 建立评价矩阵。基于依据现行水土保持法律法规、相关标准及行业研究资料中对相关指标的分级标准，确定各单项指标的等级隶属度，依此建立模糊综合评价的评价矩阵P。

(4) 确定因素权向量。评价工作中，各因素的重要程度有所不同，为此，给各层次因素赋予对应的权重，各因素的权重集合的模糊集即为因素权向量，用W表示，即：W=(W1，W2，…，Wm)，其中m代表因素集的数量。权向量通过前述层次分析法的相对重要性矩阵进行构造。

(5) 建立综合评价模型。确定单因素评价矩阵P和因素权向量W后，通过模糊变化将各因素集上的模糊向量变为评价集上的模糊向量S，即：

SA=W1×m。Pm×n

(3)

式中：“。”为综合评价合成算子，通常取矩阵乘法。

一级指标的综合评价结果需通过二级指标的模糊综合评价结果进行计算，二级指标模糊综合评价的评价矩阵Pi为：

(4)

进而将一级指标的评价矩阵和权重集合后，得到：

(5)

(6) 评价指标的处理。本研究在得到综合评价指标后，采用加权平均法对综合评价结果进行处理，建立对应的评价等级关系表(表5)，用于计算水土流失及其次生灾害风险等级。其中，1级为安全级，5级为不安全级，从1级到5级表征灾害危害水平逐级递增。

表5 风险灾害评价等级标准对照

2 工程案例应用

2.1 应用工程概况

以位于我国安徽省绩溪县伏岭镇的安徽绩溪抽水蓄能电站工程为例，通过收集该工程项目的可行性研究报告、环境影响报告、水土保持方案及相关文献资料等，本文将研究构建的抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级模型应用于该抽水蓄能电站，计算其水土流失及其次生灾害风险等级。该抽水蓄能电站装机容量1 800 MW(6×300 MW)，主要由上下水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库等建筑物组成，工程总占地面积为361.04 hm2，建设期为76个月，主体工程于2014年底开工，至2021年2月，6台机组已全部投产发电。

工程建设期内弃渣总量5.15×106m3，共设置9处弃渣场。按照水土保持方案要求，水土流失防治标准按照建设类项目一级标准执行，下库2#弃渣场堆渣量大，为永久弃渣场，将其拦挡建筑物级别按3级设计，其余弃渣场拦挡建筑物级别按4级设计；施工生产生活区截排水设施按永久场地20 a一遇标准、临时场地5 a一遇防洪标准执行。工程区周边水体布设的9个监测断面水质均能满足Ⅲ类标准。

2.2 风险灾害等级划分

2.2.1 构建分级评价矩阵 根据收集到的工程环境影响报告书、水土保持方案报告书、施工相关资料及水利水电、环境保护、水土保持相关行业技术规范标准、《2020年安徽省水土保持公报》以及《2020年绩溪县国民经济和社会发展统计公报》等资料中的相关数据，分别得到模型中各项指标值(表6)，并根据前述提出的隶属度确定原则得到各指标的单项隶属度及模糊综合评价汇总表(表7)。

表6 评价模型中各单项指标值及隶属度

表7 各指标单项隶属度及模糊综合评价

2.2.2 计算风险灾害等级 由模糊综合评价表得到二级指标评价矩阵，分别为：

采用综合评价合成算子将二级指标评价矩阵与其权向量集合，得到对应一级指标评价集为：

SA1=(0.000 0，0.111 9，0.723 7，0.164 4，0.000 0)

SA2=(0.000 0，0.041 7，0.573 2，0.233 7，0.151 3)

SA3=(0.632 6，0.072 2，0.000 0，0.000 0，0.295 2)

SB1=(0.776 2，0.000 0，0.168 4，0.000 0，0.055 4)

SB2=(0.329 5，0.122 6，0.547 9，0.000 0，0.000 0)

SC1=(0.000 0，0.000 0，0.259 2，0.132 3，0.572 5)

SC2=(0.000 0，0.638 9，0.232 8，0.128 3，0.000 0)

SC3=(0.000 0，0.000 0，0.300 0，0.700 0，0.000 0)

进而，得到的一级指标评价矩阵为：

同样采用综合评价合成算子将第一层次指标评价矩阵与其权向量集合，得到对应目标层评价集为：

SA=(0.182 9，0.064 9，0.438 2，0.151 9，0.162 0)

SB=(0.664 5，0.030 7，0.263 3，0.000 0，0.041 5)

SC=(0.000 0，0.099 0，0.268 2，0.313 2，0.300 7)

同理，得到准则层评价矩阵为：

进而得到对应目标层评价集为：

SP=(0.323 2，0.059 0，0.341 7，0.127 6，0.144 8)。

根据模糊综合评价结果，采用加权平均法计算该抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险模糊综合评价结果为：0.95×0.323 2+0.80×0.059 0+0.65×0.341 7+0.50×0.127 6+0.30×0.144 8=0.683 6。

通过对照评价等级表，可得该抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险等级为3级，安全状况为一般安全。结合工程施工日志及施工期水土保持监测季报等资料，在建设期临时道路出现过顺坡溜渣情况，且往往伴随连续降水天气出现，建设单位及施工单位未特意提升风险防范措施等级，而是通过采取极端气候联动机制提升了工程建设期水土保持监管状态及风险控制的整体能力，并通过牢固树立水土流失事故风险意识，成功避免了本工程在建设期发生水土流失及相关灾害。这也从侧面反映了本研究构建的抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险评价模型在具体工程建设过程管控方面具有一定的可操作性，且结果可信。

3 结 论

本研究综合考虑了风险发生可能性潜势、风险监管与应急措施、风险承载体易损性等3个维度因素，构建了抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级评价指标体系，包括8个一级指标及34个二级指标。

(1) 本研究建立了抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险5级评价模型，模型先通过层次分析法确定各层级指标的权重，且满足一致性校验要求；进一步依据现行行业法律法规、标准导则等确定各二级指标的隶属度，并采用基于加权平均法的模糊综合评价计算抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险等级，使分级评价结果更具科学性。

(2) 将建立的抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级评价模型应用于实际案例，计算安徽绩溪抽水蓄能电站在建设期的水土流失及其次生灾害风险等级，各评价指标参考该项目相关文献资料，计算得出该抽水蓄能电站灾害风险等级为3级，属于一般安全。结合本工程在建设期未发生水土流失及相关灾害的实际情况，说明本研究构建的抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险评价模型具有可行性，且评价结果可信。

(3) 考虑到应用案例工程在建设过程中出现过顺坡溜渣的情况，在后续抽水蓄能电站工程对于采用本研究的建设期水土流失及其次生灾害风险评价模型进行风险等级评估且风险等级为3级的工程，可借鉴该工程建设阶段所采用的相关水土保持监管及风险防范控制措施，确保工程水土保持措施按照要求落实建设，并通过引入新技术加强建设期水土保持监测水平，重点关注建设期弃渣堆置不合规及取弃土过程中的潜在土壤流失量，尽可能避免出现顺坡溜渣等水土流失情况，降低工程在建设期的灾害风险，彻底杜绝水土流失及其次生灾害现象的出现。

4 讨 论

根据本研究构建的抽水蓄能电站建设期水土流失及其次生灾害风险分级指标体系各级权重分配情况可知，工程岩土坡体状况是影响工程水土流失及其次生灾害风险潜势最大的因素，其中基覆界面倾角、最大纵坡坡度及土体类型为权重较高的二级指标，因此在选址地质勘查过程中因重点关注上述指标，从选址角度尽可能降低工程的整体风险。

在工程建设期实际管理过程中，工程水土流失防治标准等级和工程施工安全检查评分是对工程建设期水土流失及次生风险等级影响最大的因子，从监管的角度来说，抽水蓄能电站项目单位及施工单位在工程建设期应严格落实工程水土保持措施，确保实际水土流失情况达到防治标准要求，并加强施工过程的安全监督检查，提高风险防范意识。