樂(lè)清灣水污染物總量控制分配方法

陳慧敏,仵彥卿

(上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

樂(lè)清灣水污染物總量控制分配方法

陳慧敏,仵彥卿

(上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

從環(huán)境、自然資源、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的整體效益出發(fā),以樂(lè)清灣COD總量控制為例建立了一種基于層次分析法的水污染物總量群決策分配方法。AHP準(zhǔn)則層中評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分別以專(zhuān)家評(píng)分法和相互重要性比較判斷矩陣法來(lái)確定,子準(zhǔn)則層中評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分別以專(zhuān)家評(píng)分法、標(biāo)準(zhǔn)偏差法、熵法和理想權(quán)重優(yōu)化模型來(lái)確定,從而構(gòu)成各鄉(xiāng)鎮(zhèn)允許排污量相對(duì)于匯水區(qū)允許排污總量目標(biāo)層的分配權(quán)重準(zhǔn)則策略集。最后采用群決策博弈模型,將允許排污總量在鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間進(jìn)行分配。結(jié)果表明:該分配方法不僅克服了單一分配權(quán)重準(zhǔn)則的不公平性,而且將政府決策和公眾參與相結(jié)合,保證了分配依據(jù)的合理性和分配過(guò)程的公平性。

總量控制;群決策博弈;水污染物;AHP

水污染物總量控制是改善水環(huán)境質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,亦是我國(guó)水環(huán)境管理的重要措施[1-2]。水污染物總量分配是總量控制的核心,直接影響到排污許可證的發(fā)放工作。充分考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源與環(huán)境等因素,建立公平合理的分配方法是水污染物總量控制工作得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵。然而公平合理是極難衡量的概念,導(dǎo)致了公平準(zhǔn)則的多元化,排污地區(qū)之間利益的沖突性,故允許排污總量分配工作一直存在較大爭(zhēng)議。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也展開(kāi)了廣泛研究,如等比例法、建立公理體系分配法、層次分析法、基尼系數(shù)法、多目標(biāo)規(guī)劃法等[3-7]。

樂(lè)清灣位于浙江省沿海南部,溫州灣北部,甌江口北側(cè)的半封閉式海灣。它包括了自樂(lè)清市岐頭山咀(27°59′09″N,120°57′55″E)起,經(jīng)洞頭縣北小門(mén)島、大烏星 ,至玉環(huán)縣大巖頭燈標(biāo)(28°02′16″N,121°09′09″E)連線(xiàn)以北的全部海域。樂(lè)清灣屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,熱量豐富,雨水充沛,地方小氣候條件優(yōu)越。但受季風(fēng)氣候不穩(wěn)定影響,常有臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣出現(xiàn)。其流域總面積為1470km2,多年平均徑流總量10.3億m3。沿岸入海水系發(fā)育,注入灣內(nèi)的河溪約30條,主要有大荊溪、白溪、清江、塢根溪、橫山溪、江廈河、芳清河、楚門(mén)河等,大多為流程短、河床坡降大的山溪性河流。樂(lè)清灣水域的潮汐屬于正規(guī)半日,潮水交換周期長(zhǎng)導(dǎo)致其自?xún)裟芰^差,生態(tài)環(huán)境脆弱。

根據(jù)2005年對(duì)樂(lè)清灣展開(kāi)污染源普查的結(jié)果,綜合考慮樂(lè)清灣自然地理、水文氣象、地表水和地下水環(huán)境狀況等因素,地方政府在科學(xué)確定環(huán)境容量的基礎(chǔ)上對(duì)該海灣各匯水區(qū)“十一五“期間的允許排污量做了規(guī)定,但是將匯水區(qū)允許排污總量分配到所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)的方法還存在公平性難以定量化的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的AHP法一般采用專(zhuān)家評(píng)分法或者相互重要性判斷矩陣法確定準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層中評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。由于專(zhuān)家評(píng)分法是一種定性的權(quán)重確定方法,相互重要性判斷矩陣法是一種半定性半定量的權(quán)重確定方法,兩種方法都會(huì)受到主觀因素很大的影響,因此這兩種方法最終確定的水污染物總量分配權(quán)重會(huì)有較大的差異。如果僅采用單一的權(quán)重確定方法,就會(huì)使參與分配的鄉(xiāng)鎮(zhèn)難以信服接受。此外,即使是采用定量化的權(quán)重確定方法,也會(huì)因?yàn)槠浞椒ǖ亩鄻有詫?dǎo)致最終分配方案的多樣性。盡管可以設(shè)計(jì)多種分配方案的篩選方法,但是由于分配方案的篩選方法具有多樣性,同樣會(huì)導(dǎo)致最優(yōu)方案的不確定性,進(jìn)而影響分配方案的實(shí)施。針對(duì)以上問(wèn)題,筆者采用多種方法(包括定性和定量方法)確定AHP體系中準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層中的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,從而構(gòu)成各鄉(xiāng)鎮(zhèn)允許排污量相對(duì)于目標(biāo)層的分配權(quán)重準(zhǔn)則策略集,最后用群決策博弈模型對(duì)允許排污總量在鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間進(jìn)行分配。這種基于AHP法的水污染總量群決策分配方法相當(dāng)于政府提供多種科學(xué)的分配權(quán)重方案供參與允許排污量分配的鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇,而鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間通過(guò)公平的博弈過(guò)程,獲得確定的允許排污量,從而既解決了單一權(quán)重準(zhǔn)則確定分配方案的不公平性,又避免了篩選方案的設(shè)計(jì)。

1 總量控制分配方法

1.1 AHP結(jié)構(gòu)體系建立

將匯水區(qū)允許排污總量作為AHP的目標(biāo)層A,將環(huán)境狀況、自然資源、經(jīng)濟(jì)因素和社會(huì)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)作為準(zhǔn)則層B,將工業(yè)排污量、農(nóng)業(yè)排污量、生活排污量等實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)的15個(gè)具體評(píng)價(jià)指標(biāo)作為子準(zhǔn)則層C,將匯水區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為決策層D,從而建立AHP結(jié)構(gòu)體系,如圖1所示。

圖1 AHP結(jié)構(gòu)體系

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定方法

AHP結(jié)構(gòu)體系建立后,就確定了上下層指標(biāo)之間的從屬關(guān)系。首先分別用專(zhuān)家評(píng)分法和相互重要性判斷矩陣法確定準(zhǔn)則層B的評(píng)價(jià)指標(biāo)B1,B2,B3,B4對(duì)目標(biāo)層A的權(quán)重bm(m=1,2,3,4)。然后用專(zhuān)家評(píng)分法,標(biāo)準(zhǔn)偏差法、熵法和理想權(quán)重優(yōu)化模型確定子準(zhǔn)則層C中各評(píng)價(jià)指標(biāo)(依次分別以C1,C2,C3,…,C15表示)相對(duì)于準(zhǔn)則層B中對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重cj(j=1,2,…,15)。再計(jì)算子準(zhǔn)則層C中各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層A的權(quán)重wj,其中wj=bmcj,以及n個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)子準(zhǔn)則層C中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率 ˉpij(i=1,2,… ,n),其中為鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)子準(zhǔn)則層各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值。最后計(jì)算決策層D中各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染物分配權(quán)重Wi,其中因?yàn)闇?zhǔn)則層B中評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重有2種確定方法,子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重有4種確定方法,所以可得到8種權(quán)重分配準(zhǔn)則。于是匯水區(qū)允許排污總量按照Wi在鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間分配。

1.2.1 專(zhuān)家評(píng)分法

選擇20個(gè)專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)分,函發(fā)咨詢(xún)表20份,得到準(zhǔn)則層B和子準(zhǔn)則層C中關(guān)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)COD分配的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重b和c分別為:

1.2.2 相互重要性判斷矩陣法

采用5級(jí)標(biāo)度法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)之間兩兩比較的相對(duì)重要性,構(gòu)成的A-B判斷矩陣如下:

用Matlab可解出其特征向量為[0.1661,0.2787,0.8135,0.4826],最大特征值 λmax=4.0310,歸一化后可得到準(zhǔn)則層B各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分別為0.0954,0.1601,0.4673,0.2772,一致性比率

式中:n為判斷矩陣階數(shù),這里取4;RI為平均一致性指標(biāo),查表[8]取0.9。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)偏差法[9]

先將子準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)指標(biāo)分為效益和成本型兩類(lèi),再將鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)子準(zhǔn)則層C的評(píng)價(jià)指標(biāo)下的數(shù)值歸一化。效益和成本指標(biāo)歸一化方法,分別如式(1)和式(2)所示。

效益指標(biāo)歸一化:

成本指標(biāo)歸一化:

式中:pij為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)于子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值;pjmin為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)于子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值中的最小值;pjmax為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)于子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值中的最大值;zij為pij歸一化后的數(shù)值;n為鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù);i為鄉(xiāng)鎮(zhèn)序數(shù);j為子準(zhǔn)則層中評(píng)價(jià)指標(biāo)序數(shù)。

最后用標(biāo)準(zhǔn)偏差法確定子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于準(zhǔn)則層B中對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重cj,如式(3)和式(4)所示。

1.2.4 熵法[10]

先將子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)分為效益和成本型兩類(lèi),再將鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值歸一化。效益和成本指標(biāo)歸一化方法,分別如式(5)和式(6)所示。最后計(jì)算子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值Ej和其相對(duì)于準(zhǔn)則層B中對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重cj,如式(7)和(8)所示。式(5)～(8)中的pij,zij,n,i,j等物理含義與式(1),(2)相同。

效益指標(biāo)歸一化:

成本指標(biāo)歸一化:

1.2.5 理想權(quán)重優(yōu)化模型[11]

先將子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)分為效益和成本型兩類(lèi),再將鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)子準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)指標(biāo)下的數(shù)值歸一化。效益和成本指標(biāo)歸一化方法如前面的式(1)和式(2)所示。最后用理想權(quán)重優(yōu)化模型計(jì)算子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于準(zhǔn)則層B中對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重cj的最優(yōu)解,如式(9)所示。

式中:J表示以cj平方和線(xiàn)性方程數(shù)值最小化為目標(biāo);zjmax為鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)子準(zhǔn)則層C中評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值歸一化后得到zij的最大值。

由式(9)可計(jì)算出模型的最優(yōu)解c*j,如式(10)所示。

1.3 群決策博弈模型

由1.2節(jié)可確定AHP結(jié)構(gòu)體系中各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染物分配權(quán)重Wi,并且由鄉(xiāng)鎮(zhèn)8種分配準(zhǔn)則構(gòu)成策略集。對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)k進(jìn)行排序,假設(shè)排列為(k1,k2,…kn)。排污鄉(xiāng)鎮(zhèn)按順序依次自由選擇權(quán)重準(zhǔn)則,并獲得相應(yīng)的允許排污量。鄉(xiāng)鎮(zhèn)所有選擇順序共有n!種,在整個(gè)博弈過(guò)程中鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇分配準(zhǔn)則的各種順序都出現(xiàn)過(guò),決策機(jī)會(huì)是平等的。鄉(xiāng)鎮(zhèn)最終污染物分配量為各種排序下博弈結(jié)果的平均值。鄉(xiāng)鎮(zhèn)根據(jù)個(gè)體利益最大化原則按順序選擇權(quán)重準(zhǔn)則的博弈過(guò)程如下[12]:

a.排污鄉(xiāng)鎮(zhèn)k1首先決策,選擇對(duì)其最有利的權(quán)重準(zhǔn)則以獲得最大允許排污量。然后鄉(xiāng)鎮(zhèn)k1退出該次分配,供其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)分配的排污量則相應(yīng)減小;

b.排污鄉(xiāng)鎮(zhèn)k2決策,也選擇對(duì)其最有利的權(quán)重準(zhǔn)則并獲得相應(yīng)允許排污量,然后退出該次分配;

c.依此類(lèi)推,每個(gè)排污鄉(xiāng)鎮(zhèn)均選擇對(duì)其最有利的準(zhǔn)則,然后退出本次分配。在匯水區(qū)允許排污總量的約束條件下,最后1個(gè)排污單位kn獲得剩余的允許排污量,不存在準(zhǔn)則選擇問(wèn)題。在以上的博弈過(guò)程中,排污鄉(xiāng)鎮(zhèn)的次序越前,決策越主動(dòng),分配結(jié)果對(duì)其越有利。

群決策博弈模型流程如圖2所示。

圖2 群決策博弈模型流程

2 總量分配模型應(yīng)用

2.1 基本資料

樂(lè)清灣和其所劃分的匯水區(qū)地理位置,如圖3所示。

虹橋水系匯水區(qū)是樂(lè)清灣10個(gè)匯水區(qū)之一,其包括淡水鎮(zhèn)、虹橋鎮(zhèn)、石帆鎮(zhèn)、蒲岐鎮(zhèn)、四都鄉(xiāng)和天成鄉(xiāng)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。2010年虹橋水系COD允許排放總量為5086.71t,2005年各評(píng)價(jià)指標(biāo)信息如表1所示。

2.2 COD總量控制分配

根據(jù)前述的總量分配方法,可以計(jì)算出虹橋水系COD的鄉(xiāng)鎮(zhèn)8種分配權(quán)重,如表2所示。用Matlab編程計(jì)算出的群決策博弈模型最終分配結(jié)果如表3所示。從表3可知,2010年6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)COD的允許排放量分配權(quán)重分別為0.1526,0.398 7,0.125 3,0.1539,0.0827,0.086 7,因此虹橋鎮(zhèn)允許排污量最大,天成鄉(xiāng)最小。

圖3 樂(lè)清灣及其匯水區(qū)地理位置示意圖

表1 虹橋水系鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染物分配基本數(shù)據(jù)

表2 用不同方法確定的鄉(xiāng)鎮(zhèn)COD分配權(quán)重

表3 群決策博弈模型分配結(jié)果

3 結(jié) 論

a.根據(jù)獲得數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了基于環(huán)境、自然資源、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素的AHP法進(jìn)行污染物總量群決策分配,同時(shí)采用不同方法確定準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層中評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,形成分配權(quán)重準(zhǔn)則策略集,避免了單一權(quán)重確定方法引起的不公平性。通過(guò)樂(lè)清灣虹橋水系鄉(xiāng)鎮(zhèn)COD總量分配實(shí)例應(yīng)用,證實(shí)了該分配方法的可行性。

b.采用群決策博弈模型,無(wú)須在分配權(quán)重準(zhǔn)則策略集中篩選出最優(yōu)權(quán)重準(zhǔn)則,提高了污染物總量控制工作的效率,避免了篩選方案設(shè)計(jì)多樣性而導(dǎo)致的最優(yōu)方案的不確定性。同時(shí)群決策博弈過(guò)程將政府決策和公眾參與相結(jié)合,通過(guò)群體決策得到最終結(jié)果,因此既保證了分配準(zhǔn)則的合理性,又保證了分配過(guò)程的公平性。

c.由于樂(lè)清灣調(diào)查資料不完善,因此對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇有限,指標(biāo)體系有待豐富和完善,使其更具有代表性。此外,評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定方法有待進(jìn)一步補(bǔ)充,從而使分配準(zhǔn)則策略集更加豐富。

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Allocation approach for the total amount control of water pollutants in Leqing Bay

CHEN Hui-min,WU Yan-qing
(College of Environmental Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

For the overall benefitsof environment,natural resources,economy and society,the group decision allocation approach for the total amount control of water pollutants based on an analytic hierarchy structure process(AHP)was established using COD total amount control in Leqing Bay as an example.The weight of indexes in the criteria level of AHP was determined by expert rating method and method of comparative judgment matrix of mutual importance respectively,while the weight of indexes in the sub-criteria level was determined by expert rating method,standard deviation(SD)method,entropy method and ideal weight optimization model,respectively.The set of target level allocationweight rules of allowable waste load of each township relative to total allowable waste load in catchment area was constructed.The permitted amount of pollutants was allocated among townships through the group decision game model.The results showed that the approach not only overcomes the unjustness due to using the single weight distribution method,but also the reasonablenessof allocation rules and justice of allocation process were guaranteed by combination of the governmental decisionwith public participation.

total amount control;group decision game;water pollutants;AHP

X32

A

1004-6933(2011)03-0049-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.012

國(guó)家海洋公益行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(20080506)

陳慧敏(1984—),女,福建福州人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗Y源與管理。E-mail:chenhm668@sina.com

(收稿日期:2010-04-04 編輯:高渭文)