基于复杂系统理论的梯级水电开发生态环境影响评价研究

【摘要】： 流域梯级水电开发能够高效利用水能资源，自“六五”开始，中国一直将大力推进流域梯级水电开发作为重要的能源战略。然而近二十年来，水电站引发的负面生态环境影响日益受到关注，与单个水电站相比，一条河流上的多个梯级水电站所引发的生态环境影响，其成因更复杂、范围更广泛。如何全面、整体、系统地分析和评价这些生态环境影响，进而强化其中的正面因素，缓解、控制甚至避免负面因素，对于提升中国流域水电梯级开发的可持续性至关重要。 梯级水电站群体通常包含一个或多个具有较强调节能力的大型水电站，将一条河流分割成为数个河段，并且可以进行联合调度。与单个水电工程相比，在一条河流上的各梯级水电站作为一个整体，其生态环境影响既根源于单个水电站的生态环境影响，又因为电站之间的系统性和关联性而可能增强或削弱单个水电站的生态环境影响，甚至在流域内产生新的累积影响——各级水电站与所在流域的各类生态环境要素相互作用进而构成了一个复杂系统，即“梯级复合生态环境系统”。 分析和评价梯级水电开发的生态环境影响，不仅需要在各生态环境要素所属的专业学科领域内分门别类地开展研究，更需要基于系统科学，尤其是复杂系统科学，多学科交叉地构建更为全面的生态环境影响评价理论与方法框架。这样的理论与方法框架能够增强各专业领域研究成果的内在联系，并有助于获取针对梯级水电开发生态环境影响的整体认识。然而，我国目前有关梯级水电开发生态环境影响评价的研究主要集中于专业学科领域，十分缺乏基于系统视角的整体评价模型和评价方法。因此，探讨如何基于(复杂)系统科学，多学科交叉地构建梯级水电开发生态环境影响的整体分析与评价模型，对于理论研究和实际应用都有重要意义，既能够体现梯级水电开发生态环境影响评价的研究趋势，也能够迎合我国流域水电可持续发展的实际需求。 本文就是在系统科学的指导下，构建梯级水电开发生态环境影响分析与评价的整体模型，并探讨各类适于该模型的生态环境影响系统分析和评价方法。论文不仅注重增强研究内容的学科交叉性、综合性、普适性与全面性，使研究成果能够对更多的(梯级)水电工程生态环境影响评价工作起到参考作用；而且注重提升系统分析与评价方法的结构化，使评价过程便于维护、易于计算机化。论文的主要研究结果如下： (1)归纳综合国内外梯级水电开发实例，类比分析梯级水电开发与单项水电开发在各类生态环境影响方面的相同点与不同点，进而提取出梯级水电开发生态环境影响的基本特征。研究表明：梯级水电开发的基本模式可以分为3大类：Ⅰ型(龙头-径流复合式)、Ⅱ型(连续调节式)、Ⅲ型(连续径流式)；梯级水电开发对生态环境造成的负面影响，在河流破碎化、河流生境改变、水体自净能力变化以及流域景观格局等方面比单项水电工程要显著的多，但与此同时，梯级水电开发具备更多可以调控这些生态环境影响的环节；梯级水电开发生态环境影响的基本特征为整体性、累积性、可控性；给出梯级水电开发的主要生态环境影响因素清单，在其中选取“突出生态环境效益”以及“敏感生态环境问题”作为后续的重点研究内容。 (2)定义梯级复合生态环境系统，并基于系统动力学(System Dynamics，SD，一种复杂系统分析方法)的因果反馈分析理论，对梯级水电开发生态环境影响的产生过程进行机理分析。研究表明：梯级复合生态环境系统是复杂系统，也是梯级水电开发生态环境影响分析与评价的研究对象；该系统在5个典型场景下的机理分析结果一方面描述了各种累积影响的影响路径，另一方面证明了梯级水电开发生态环境影响的“可控性”与“生态调度”策略之间的密切关系。 (3)基于复杂系统静态结构建模方法，构建梯级水电开发生态环境影响回顾评价模型。研究成果包括：回顾评价的概念模型和评价流程，回顾评价指标体系，回顾评价方法，以及基于UML的“水体富营养化”回顾评价的逻辑模型。结果表明：以模糊数学为基础的影响程度评判过程对于目前的数据积累水平而言，是可行而有效的；基于UML构建面向对象的逻辑模型，该模型与面向过程的逻辑模型相比，在可重用性、可维护性等方面具有明显优势，能够提升回顾评价过程计算机化的可行性。 (4)在机理分析的研究成果的基础上，选择复杂系统动态行为建模方法，构建梯级水电开发生态环境影响预测评价模型。研究成果包括：将SD方法与基于Agent的建模(Agent-based Modelling，ABM)方法相结合构建预测评价的整体框架模型，以及基于SD方法的“水电工程移民相关影响”预测评价实例。结果表明：复杂系统的动态行为难以用数学模型或统计分析模型来表述，而系统仿真方法是复杂系统动态行为建模的有效方法；SD仿真方法与ABM仿真方法各有优势，都拥有较为成熟的仿真平台，适用于通用领域的复杂系统行为预测，因此应该利用它们的优势互补，将二者结合起来构建预测评价的整体模型；基于SD与ABM的预测评价整体框架模型不仅具有面向对象的灵活结构，而且保留了耦合其他专业领域模块、以及根据知识的增长不宽扩展和修正的空间；Vensim是较为成熟的SD仿真软件，能够处理一定范围的梯级水电开发生态环境影响预测评价问题。 总之，基于(复杂)系统科学理论开展梯级水电工程的生态环境影响分析与评价研究，构建分析与评价的整体框架模型，并提出适于该模型的结构化分析与评价方法，有助于改善我国目前缺乏梯级水电开发生态环境影响整体评价模型的现状，兼具理论研究价值与实际应用价值。本文的研究结果表明，复杂系统分析与建模方法能够提升梯级水电开发生态环境影响分析与评价过程的全面性、普适性、整体性和结构化，促进各评价环节的集成和计算机化，从而为相关研究提供具有参照意义的过程与模式。 【关键词】：梯级水电开发 生态环境影响 复杂系统 系统动力学 系统仿真 模糊评判 统一建模语言 基于Agent建模
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TV72;X820.3
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 本文的研究背景与研究意义12-15
• 1.2 梯级水电开发的生态环境影响15-17
• 1.3 生态环境影响的回顾评价与预测评价17
• 1.4 累积生态环境影响及其分析方法17-18
• 1.5 复杂系统分析与建模18-19
• 1.6 本文的研究目标与研究对象范围19-21
• 1.7 本文的研究思路与结构21-24
• 2 梯级水电开发生态环境影响的基本特征分析24-49
• 2.1 单项水电工程的生态环境影响25-29
• 2.2 梯级水电开发的基本模式29-35
• 2.3 中国梯级水电开发现状分析35-42
• 2.4 梯级与单项水电工程生态环境影响的类比分析42-45
• 2.5 梯级水电开发的主要生态环境影响因素清单45-46
• 2.6 梯级水电开发生态环境影响的基本特征46-48
• 2.7 本章小结48-49
• 3 梯级水电开发对生态环境的影响过程及其机理分析49-67
• 3.1 序列不连续体49-51
• 3.2 梯级复合生态环境系统51-54
• 3.3 生态环境影响产生过程的机理分析54-66
• 3.4 本章小结66-67
• 4 梯级水电开发生态环境影响的回顾评价67-88
• 4.1 回顾评价的目的和概念模型67-69
• 4.2 回顾评价的指标体系69-75
• 4.3 基于模糊数学的回顾评价操作方法75-80
• 4.4 基于UML的回顾评价逻辑模型80-87
• 4.5 本章小结87-88
• 5 梯级水电开发生态环境影响的预测评价88-126
• 5.1 系统仿真方法与预测评价建模的目标89-90
• 5.2 SD仿真方法与Agent仿真方法的对比评述90-96
• 5.3 基于SD与Agent的预测评价整体框架模型96-105
• 5.4 基于Vensim仿真平台的仿真建模实例分析105-124
• 5.5 本章小结124-126
• 6 结论与展望126-130
• 6.1 主要结论126-127
• 6.2 论文的特色与创新127-128
• 6.3 论文存在的主要问题及展望128-130
• 致谢130-131
• 参考文献131-140
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文140

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