考虑碳排放指数的生态机组生态效应评价

李永祺，邹淑云，卢 韬，陈鸿飞

(1.长沙理工大学 能源与动力工程学院，长沙 410114； 2.大唐华银怀化巫水流域水电开发有限公司，湖南 怀化 418000)

1 概 述

水利水电工程的生态效应是指水利水电工程完工之后，对自然界生态环境所造成的破坏和修复两种综合效应[1]，生态机组也不例外。国内外学者在生态效应评价方面进行了大量研究，得到不少令人满意的成果。Brenda May Pracheil等[2]提出由6个部分、共计51个指标组成的水电生态评价体系。Andrei Briones-Hidrovo[3]提出将生命周期评估和生态系统服务评估相结合的生态效应评价方法，为确定该方法的适用性，在巴巴水电站和马扎尔杜达斯水电站进行了研究，结果表明坝式水电站和径流式水电站之间存在明显的环境生态差异。常本春等[4]将国际流行的指标体系“压力-状态-响应(PSR)”模式改造为“状态-压力-效应”(SPE)的形态，结合层次分析法将生态效益评价指标体系分为三大层次，并构建相应标准，根据结构图层次关系建立判断矩阵，最终完成生态效应评价指标体系的建立。曹花婷[5]则加入灰色多层次分析法，计算得出水利工程的生态效应影响等级。吴春笃等[6]在进行北固山湿地生态评价时，通过层次分析法，构建湿地生态模型并确定评价指标，最终计算综合评价指数，再依据生态质量标准判断其生态状况。

总体而言，水电机组生态效应评价方面的研究已经较为丰富。但在“双碳”目标背景下，将生态机组对于碳排放的改善作为指标纳入评价体系，将有助于全面客观地评价生态机组的生态效应。本文提出符合碳中和、碳达峰形势的生态机组生态效应评价体系，比较评价体系中碳排放指数的纳入与否对生态效应评分的影响，以评估其合理性与优越性。

2 生态效应评价指标

2.1 生态效应评价指标结构

基于评价体系所需的协调性、完整性、可持续性，将生态机组生态效应评价体系分为3个层次，具体如下：①目标层。用于体现生态机组对其所在区域的生态效应影响；②准则层。主要指影响区域生态效应的因素，本文将其分为压力、状态、响应3个主干；③指标层。由可量化的指标组成，用以评估生态机组在各方面产生的效应及其影响[1]。其中，不稳定运行压力及碳排放指数是研究生态机组生态效应新引进的两个指标。具体各项指标说明见表1。

表1 生态效应评价指标表

2.2 层次分析法确定指标权重

本文采用层次分析法(AHP)对各项指标的权重进行确定。根据同层次指标对上层的重要性构建判断矩阵，邀请专家对各指标进行打分；根据两指标影响强弱对比关系，依照1-9、1-1/9的尺度进行评级，将定性问题定量化。计算该判断矩阵的最大特征根λmax，并进行一致性检验。

(1)

(2)

若矩阵满足一致性检验，则可继续计算得出对应指标权重Ei；若不满足一致性检验，则需要重新构建判断矩阵。

2.3 模糊综合评价法确定指标赋值

本指标评价体系用于评价生态机组在环境生态效应方面的表现。采用模糊综合评价法的思想，在指标赋值方面分为4个层次，具体生态评价指标的评分标准如下：以1-4的数字表示，即1表示弱，2表示较弱，3表示中等，4表示强，由此得到评分向量V=(4，3，2，1)T，对各指标予以赋值。在对生态评价指标中的任一Ci中做出得分评定时，存在着一个相应的隶属度向量为Ri=(r1，r2，r3，r4)，且有：

(3)

最后由式(4)：

Wi=Ri·V

(4)

可得描述所有单项生态评价指标C1，C2，…，Ci的评分向量：

W=(W1,W2,W3,…,Wi)T

2.4 模糊综合评价指数的计算

采用综合指数法(CI)计算综合评价指数，即将各项指标对应权重乘以该指标对应赋值得分。综合评价指数用M表示，计算公式如下：

M=∑Ei×Wi

(5)

式中：M为综合评价指数；Ei为评价指标Ci对应的权重；Wi为单项指标Ci的赋值平均分。

3 某电站生态机组生态效应评价

某水电站以发电为主，兼顾灌溉、航运等综合效益，总装机容量2×1.25×104kW，坝顶高程为216 m,正常蓄水位211 m，水库总库容3 840×104m3，设计水头15.8 m，属于日调节水库。多年平均流量为84.2 m3/s，生态流量设计为8.42 m3/s，实际运行中机组开机流量保持在55 m3/s以上，满足生态流量要求，机组停机时，通过开启闸门保证生态流量下泄。生态机组多年平均发电量9 235×104kW·h，年利用小时3 694 h，淹没耕地23.446 7 hm2。

3.1 层次分析法确定指标权重

邀请专家对该水电站生态机组指标进行评级，建立目标层与准则层的判断矩阵，见表2。建立矩阵后，进行一致性检验，检验通过即可得到准则层各指标的权重。类似的，指标层C1～C2对压力B1的权重、C3～C7对状态B2的权重、C8～C12对响应B3的权重也可计算得到。为体现碳排放指数对指标体系的影响，分别列出不考虑碳排放指数和考虑碳排放指数的综合指标权重，见表3。

表2 准则层对目标层的比较结果

表3 综合指标权重

续表3

图1为碳排放纳入与否对响应B3中指标权重变化状况。从图1中可见，纳入碳排放指数后，C10水土流失强度的权重下降明显，且C12碳排放指数所占权重较大。

图1 B3中指标权重变化状况

3.2 模糊综合评价法确定指标赋值

根据该水电站的情况，工程施工压力中等，不稳定运行压力较低，河流水质达标率100%，河岸植被覆盖度41%，物种多样性指数3.6%，人均水资源量1 650 m3，人均耕地面积0.043 hm2，公众满意度较好，鱼类生物完整性指数-5.3%，水土流失强度34%，发电效益中等，碳排放指数表现优异。参考评分向量V=(4，3，2，1)T，经过调研后可知：

10%的人认为工程施工压力对生态的影响强；80%的人认为影响一般；10%的人认为较弱。因此，对应于C1的隶属度向量为R1=(0.1，0.8，0.1，0)，依据式(4)则：

W1=R1·V=0.1×4+0.8×3+0.1×2+0=3

类似参考评分情况可得隶属度向量R2～R12，得到W2～W12，因此单项生态评价指标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 模糊综合评价指数的计算

本评价体系采用综合指数法计算综合评价指数，即将各项指标对应权重乘以该指标对应赋值得分，故满分为4分。具体的指数计算公式如下：

(6)

式中：M为综合评价指数；Ei为评价指标Ci对应的权重；Wi为单项指标Ci的赋值平均分。

在不考虑碳排放指数时，该电站生态机组生态效应评价得分为M=2.709。

考虑碳排放指数时，该电站生态机组生态效应评价得分为M′=2.943。

计算出考虑碳排放后的得分增率为：

(7)

由此，该电站生态机组生态效应评价结果见表4。结果表明，生态机组的生态效应良好，可以缓解生态环境恶化问题，且将碳排放指数纳入原指标体系后，能够提高生态效应评价得分，说明生态机组在减排上有一定优势。

表4 生态机组生态效应评价结果

4 结 论

目前，我国面临着能源绿色低碳转型的挑战，生态机组作为一种环境友好型、资源节约型水电生产方式，为推动水利绿色发展和能源革命提供了一条智慧思路。在碳达峰、碳中和背景下，将碳排放指数纳入生态机组生态效应评价指标体系中，有助于分析生态机组建设对实现“双碳”目标的贡献，具有一定战略意义。

本文以某电站为例，利用层次分析法，结合专家意见构建判断矩阵，确定准则层、指标层各项目的权重，参考生态机组在生态效应方面的表现，运用模糊数学法对各指标进行赋值，最终采用综合指数法计算出该电站生态机组生态效应评价得分。结果表明，生态机组的生态效应良好。为研究碳排放指数的纳入与否对生态效应评分的影响，本文对碳排放指标加入前后的评价得分进行比较。在考虑碳排放指数后，该电站的生态效应评价得分达到2.943，比不考虑碳排放时提升了8.64%，充分体现该电站在节能减排方面的优秀表现。同时，增率在10%左右较为适中，表明本文中为碳排放指数设置具有合理性，体现了本评价体系的科学性与严谨性。