乡镇中小河流防洪工程综合效益评价研究

2024-02-21周

江西水利科技 2024年1期

周 

（江西省水利科学院，江西南昌，330029）

0 引言

洪水作为一种自然灾害，一旦发生，将会给社会经济发展和人类生命财产安全带来严重的威胁[1]。防洪工程是进行洪水灾害防御的重要措施，能够有效减少洪水灾害损失[2]。然而，现行的防洪工程除了需要满足减小洪涝灾害带来的损失外，还需要实现社会经济发展和提高人民生活质量的目标[3]，因此，开展防洪工程经济社会效益综合分析，能够有效助力防洪工程投入-减灾-效益的良性循环，为当前防洪标准制定和防洪工程建设提供科学依据。但整体来看，当前防洪工程的重点主要集中在城镇地区。例如，王静等[4]评估了太湖流域骨干水利工程在2016 特大洪水中的减灾效益。一方面是由于我国城市也主要集中在江河湖海沿岸，容易受到各种洪灾的威胁，另一方面我国工业产值的80%均集中在城市，洪水灾害会导致严重的经济损失[5]。近些年来，为贯彻“人民至上，生命至上”的理念，促进乡村振兴发展，国家对于乡镇防洪工程的建设标准和投入也在逐渐增高，乡镇河流防洪工程得到了越来越多的关注与重视，大量的乡镇河流防洪工程得到了建设与实施[6]。然而，由于乡镇防洪工程与城市防洪工程建设的侧重点存在一定的差异，使得当前的防洪工程效益评价体系无法较好的适用于乡镇河流，因此，结合乡镇河流防洪工程具体功能与特点，构建适用于乡镇河流的防洪工程效益评价指标体系和综合评价模型，对于指导乡镇防洪工程的建设具有重要的现实意义。

1 研究区域概况

浮梁县西河三龙段2017 年以前由于防洪、除涝标准不能满足相应规范防洪标准要求，河流区域内堤身断面小，高程不满足设计标准，防洪标准不足5 年一遇，加之多年来，因受投入不足、资金缺乏等诸多原因影响，河道未进行治理，防洪问题日益突出。2017 年后，根据存在的具体问题，结合河道实际特点及沿河两岸现状情况，进行了河道防洪治理建设，主要包括三个方面：①河道疏浚、清淤整治长8.172km：对局部淤塞、岸坡塌方河段，主要建筑物上、下游及局部狭小河段进行疏浚、清淤或拓宽处理，以提高河道行洪断面，提高行洪能力；②对引流顶冲、凹岸及塌方等险工段河岸进行护岸防护处理，总长8.95km。③对存在问题的拦（跨）河建筑物及穿堤建筑，进行针对性加固改造，相关涉水建筑物有：下河埠头8 座，并拆除三龙大桥老桥墩1 处，石溪渡老桥墩1 处。

2 研究方法

防洪工程综合效益评价主要包括评价指标构建、评价指标计算、指标权重确定以及利用数学模型效益综合评价四个步骤。

2.1 评价指标构建

防洪工程综合效益评价指标体系首先需要研究工程建设区域的防洪、经济、资源、人口、社会和环境子系统之间相互作用、相互制约的关系以及各个子系统协调可持续发展的条件。由于防洪工程影响的广泛性和评价的复杂性，完全采用定量指标不合理也不现实，因此，在防洪工程效益指标体系的构建过程中，要将定量指标和定性指标相互结合与补充，兼顾使用[7]。乡镇河流防洪工程建设后可以有效减少洪水灾害带来的经济损失，保障农业用水，带来一定的经济效益；同时，中小河流防洪工程建设也可以保障流域的居民生命财产安全，维持社会稳定，具有一定的社会效益；此外，防洪工程还可以减小水土流失、岸坡崩塌等问题，具有一定的环境效益。因此，本研究从中小河流防洪工程的经济效益、社会效益以及环境效益三个方面，确定了乡镇中小河流防洪工程效益综合评价的13 个指标体系，具体如图1 所示。

图1 乡镇中小河流防洪工程综合效益评价模型及指标体系示意图

2.2 指标计算方法

（1）经济效益中，人均GDP、GDP 增长率以及农民可支配收入通过查询统计年鉴获得；灌溉效益为有效灌区面积和灌溉保证率或项目流域人均增加灌溉面积（项目工程区新增加灌溉面积与项目区总人口的比值）表示。

（2）社会效益中，防洪标准在工程建设前即可确定；防洪工程达标率是指达到防洪标准的河流长度占评价河流总长度的百分比，按公式（1）进行赋分。河段的防洪标准按照GB 50201-2014 的要求确定。

式中：Rfl为防洪工程达标率赋分值；Lq为达标河流长度，km；L 为评价河流总长度，km。

淹没风险度由淹没水深、淹没历时与运用标准三个重要风险因子构成的经验公式，具体如式（2）所示：

式中：R 为风险度；H 为淹没水深，m；Ty为运用标准，a；φ 为淹没历时修正系数，φ 值取1.0～1.3，淹没历时越长，φ 值越大。《全国蓄滞洪区建设与管理规划》确定的蓄滞洪区洪水风险评判标准为：R≥1.5 为重度风险区，0.5≤R＜1.5 为中度风险区，R＜0.5 为轻度风险区。

人均可利用水资源：该项指标数据可向当地水利局咨询获得；公众意识：可通过调查走访确定。

（3）环境效益中，水质等级根据地表水环境质量标准确定；水生生物多样性是水生态环境的重要表征，计算方法采用香浓-威尔多样性指数（Shannon-Wiener 指数），Shannon-Wiener 生物多样性指数计算公式如式（3）所示。

式中：H 为Shannon-Wiener 生物多样性指数；S 为总的物种数；pi为第i 个物种个体数占总个体数的百分比。

河岸带植被覆盖率指河岸带植被覆盖面积占河岸带面积的百分比，按公式（4）进行计算。

式中：Rvc为河岸带植被覆盖率赋分值；Aci为河段i岸带植被覆盖面积，km2；Aai为河段i 岸带面积，km2；Lvci为河段i 长度，km；L 为评价河流长度，km。

水土保持率：水土保持状况良好面积与流域面积比值。

2.3 指标权重确定

层次分析法根据要分析的问题性质和要达到的目标，将目标或者问题分解为彼此之间相互关联、影响且有一定隶属关系的组成因素，再将这些组成因素按不同层次聚合，形成一个具有多个层次结构的分析模型。一般来说，一个完整的层次分析结果框架都会包含目标层、准则层和方案层（也称最高层、中间层和最底层），对于相邻的两层来说，称高层为目标层，低层为因素层。不同层次之间的排序也体现了方案层相对于目标层的相对重要权值的确定或者相对优劣次序的确定[8]。其具体计算过程主要包括4 个步骤：①建立层次结构模型；②构造判断矩阵；③层次单排序及其一致性检验；④层次总排序及其一致性检验。

2.4 综合评价模型

模糊综合评价是解决多指标、多因素类型综合问题的一种行之有效的决策方法[9]。模糊综合评价一般包括7 个步骤：根据实际工作和研究的需要，建立待评判对象的因素集；建立评判集；确定隶属度函数；获得模糊关系矩阵R（隶属度矩阵）；确定各因素的权重；选择模糊算子；作出综合评价。

3 结果

3.1 防洪工程建设前后指标取值

根据2.2 节各指标确定方法，通过收集2017 年工程前和2019 年工程后各指标的数据，分析浮梁县在防洪工程建设前后的效益改善情况，并结合上述指标计算方法，最终获得各指标的取值如表1 所示。

表1 防洪工程建设前后综合效益评价指标取值

3.2 指标权重

基于层次分析法，将准则层和指标层的各评价指标权重进行汇总，最终得到各指标的权重结果如表2所示。从表2 中可以看出，防洪工程建设后的综合效益主要是以社会效益为主，其权重占比达到0.442 9，其次是环境效益，其权重占比达到0.387 3，最后是经济效益，其权重占比为0.169 8。防洪工程建设的首要目标便是降低洪水灾害，保障流域周边居民的生命财产安全，维持社会的长治久安，因此，防洪工程建设带来的社会效益是巨大的；同时，加上现行政策对于生态环境保护的需求，防洪工程建设也可以带来较大的环境效益；然而，对于乡镇中小河流的防洪工程来说，由于中小河流难以发挥航运功能，加上流域周边的乡镇居民人数整体较少和较为分散，所以对于经济的刺激与增长效果相对较低，但是乡镇中小河流防洪工程建设以后，能够有效保证农业灌溉用水、改善水土保持情况等，可以间接提升农民经济收入，在一定程度上能够促进防洪工程经济效益的发挥。

表2 防洪工程综合效益评价指标权重表

3.3 防洪工程效益模糊综合评价

（1）评判集确定：建立浮梁县西河流域防洪工程效益的评语集：V= ｛v1，v2，…，n｝。评语集一般采用3～7 级的模糊语言进行评价，在本文中，根据防洪工程综合效益隶属度的大小，并结合实际经验，将防洪工程综合效益分成5 个等级。隶属度为0～0.2 时，防洪工程综合效益为差；隶属度在0.2～0.4 之间，防洪工程综合效益为较差；隶属度在0.4～0.6 之间，防洪工程综合效益为一般；隶属度在0.6～0.8 之间，防洪工程综合效益为较好；隶属度在0.8～1.0 之间时，防洪工程综合效益为好。

（2）模糊关系矩阵确定：防洪工程综合效益的评价指标可分为两类：第一类是指标值递减型，即指标标准特征值愈小愈好，如淹没风险度；第二类是指标值递增型，即指标标准特征值愈大愈好，如GDP 增长率、农民人均可支配收入等。在模糊综合评价中，模糊隶属度函数的确定是一个关键的步骤，选择隶属函数时，也应参照实际情况，选择能合理表征指标特征值的模糊函数。参照国内外相关文献[10-11]，结合浮梁县防洪工程综合效益现有指标的资料收集情况，分别建立各类型效益指标的隶属度函数，具体如式（5）～（17）所示。

人均GDP 隶属度函数：

GDP 增长率隶属度函数：

农民可支配收入隶属度函数：

灌溉效益隶属度函数：

防洪标准：

防洪工程达标率：

淹没风险度：

人均可利用水资源：

公众意识：

水质等级：

水生生物多样性：

河岸带植被覆盖率：

水土保持率：

根据式（5）～（17），将各指标在防洪工程建设前（2017 年）和防洪工程建设后（2019 年）的取值代入各式，得到各指标的隶属度，具体如表3 所示。

表3 各指标防洪工程建设前后隶属度计算结果

从表3 中可以看出，2019 年各指标的隶属度整体上均大于2017 年，即2019 年各指标对应的评价等级整体上是优于2017 年各指标对应的防洪工程综合效益评价等级，表明防洪工程的建设可以有效提升经济效益、社会效益和环境效益，进而提升防洪工程的综合效益。

（3）综合评价结果：将各指标隶属度与其权重相乘得到各指标的最终隶属度，并将各指标隶属度进行加权平均得到综合效益隶属度，计算结果如图3 所示。

图3 各指标隶属度及综合效益隶属度

从图3 中可以看出，除了GDP 增长率在防洪工程建设后（2019 年）的隶属度结果略低于工程建设前外，其余指标的隶属度均大于防洪工程建设前；由于研究对象是乡镇中小河流的防洪工程综合效益，而GDP 增长率除了跟防洪工程有关外，受当地产业结构、整体经济形势以及疫情等其他宏观因素的影响也较大，因此，乡镇中小防洪工程建设后与人均GDP 增长率并非是完全绝对的正向关系；而选取的其余指标则与防洪工程具有明显的相关性，比如灌溉效益、防洪标准、防洪工程达标率以及淹没风险度等指标，均是在防洪工程建设之后就能起到较为明显的改善，使得指标隶属度在工程建设后的隶属度明显高于工程建设前。同时，从防洪工程综合效益的组成来看，乡镇中小河流防洪工程能够较好的发挥社会效益，其社会效益对应的各指标在工程建设后隶属度均有较大的提升；其次，防洪工程建设在一定程度上能够保证一定的环境效益，尤其是能够较为显著地提升水土保持率，同时，也表明乡镇中小河流防洪工程的建设与当前 “绿水青山，就是金山银山”的环保国策能够保持较好的一致，有效改善防洪工程所在流域的生态环境状况；然而，对于乡镇中小河流来说，并没有较为明显的航运、养殖等直接的经济功能，所以在相较于社会效益、环境效益而言，防洪工程的经济效益主要表现在间接的保障灌溉用水、降低洪水灾害经济损失方面，同时，乡镇中小河流防洪工程所处流域的经济发展受到多方面的因素共同作用，虽然可以保障农业经济发展，但是，对于乡镇居民务工经济收入的影响较小，进而对于整体经济收入影响幅度较低，使得防洪工程经济效益各指标提升幅度相对较小。

乡镇中小河流防洪工程综合效益评价结果中，防洪工程建设前综合效益隶属度约为0.3，对应的防洪工程综合效益等级为较差，而在工程建设后，防洪工程综合效益隶属度约为0.7，对应的综合效益等级为较好，表明乡镇中小河流防洪工程建设能够有效提升流域的综合效益。