層次分析法在太湖典型區(qū)域污染物總量分配中的應(yīng)用

幸 婭，張萬順，王 艷，湯 怡

（武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

1 研究背景

我國自“六五”期間開始實(shí)施污染物總量控制，實(shí)踐證明其是控制污染源的發(fā)展趨勢、改善環(huán)境質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。實(shí)行總量控制，核心問題是各個(gè)排污單位或污染源之間如何科學(xué)、合理地分配區(qū)域允許的污染物排放量。目前，針對總量分配方法的研究，國外學(xué)者一般使用隨機(jī)理論和系統(tǒng)優(yōu)化相結(jié)合方法，F(xiàn)ujiwara等[1]基于概率約束模型，對允許排放的污染物總量在各個(gè)排污口間進(jìn)行了分配。Burn等[2-3]依據(jù)概率約束條件，運(yùn)用優(yōu)化模型研究了這一問題。Li等[4-5]運(yùn)用線性規(guī)劃方法，Joshi等[6]采用直接推斷法對排污口間污染物分配進(jìn)行了研究。國內(nèi)則主要是基于經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的原則采取的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃，以及基于公平性原則的等比例分配、按貢獻(xiàn)率分配等方法[7]。但由于區(qū)域間在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、資源和管理等方面存在的差異性[8-9]以及排污總量控制系統(tǒng)所具有的不確定性[10]。忽視了這些因素，所制定的污染物總量分配方案和總量削減就難以達(dá)到預(yù)期效果。

本文遵循公平、有效、可持續(xù)發(fā)展的原則，從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境整體效益出發(fā)，考慮區(qū)域間社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)等多個(gè)因素，運(yùn)用層次分析法構(gòu)建了總量分配模型，選擇常州市武進(jìn)區(qū)作為太湖流域典型區(qū)域進(jìn)行水污染物總量分配，并取得了較為滿意的結(jié)果。

2 總量分配決策模型

公平、有效、可持續(xù)的總量分配應(yīng)充分考慮分配區(qū)域在自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面的差異，屬于定量與定性相結(jié)合的一類問題。運(yùn)用層次分析法把總量分配涉及的各種因素通過劃分相互聯(lián)系的有序?qū)哟问怪畻l理化，根據(jù)對客觀現(xiàn)實(shí)的判斷，就每一層次中各因素的相對重要性給予定量表示，利用數(shù)學(xué)方法確定每一層次的各個(gè)因素的權(quán)重，為總量分配提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 層次結(jié)構(gòu)模型根據(jù)層次分析法的原則，將允許排放的污染物量作為目標(biāo)層A，影響污染物總量分配的各分區(qū)的評價(jià)指標(biāo)作為層次分析的準(zhǔn)則層B、C，各個(gè)分區(qū)作為決策層D，建立層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 總量分配層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 判斷矩陣層次結(jié)構(gòu)模型確定了上、下層元素間的隸屬關(guān)系。對于同層各元素，以相鄰上層有聯(lián)系的元素為準(zhǔn)，分別兩兩比較，在咨詢有關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上運(yùn)用評分辦法判斷其相對重要或優(yōu)劣程度，一般采用1—9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法，見表1。

表1 1—9標(biāo)度含義表

2.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)用方根法計(jì)算各判斷矩陣最大特征值λmax及其對應(yīng)的特征向量。經(jīng)歸一化后即為同一層次相應(yīng)因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權(quán)值，稱為層次單排序。在評價(jià)的過程中，受到各種因素的影響可能產(chǎn)生判斷的不一致性。為了測試評價(jià)判斷的可靠性或不一致性，引入判斷矩陣的最大特征值λmax和n之差與n-1的比值CI作為量度判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)，即用

若CR=CI/RI＜0.10，則說明判斷矩陣一致性滿足要求，即判斷結(jié)果是可靠的。否則，應(yīng)對判斷矩陣的標(biāo)度作適當(dāng)?shù)男拚?—9階判斷矩陣的RI值如下表所示：

表2 1—9階判斷矩陣的RI值

2.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)計(jì)算同一層次所有因素對于最高層相對重要性的排序權(quán)值，稱為層次總排序。這一過程是最高層次到最低層次逐層進(jìn)行的。設(shè)WB=（w1，w2，…，wk）表示B層上k個(gè)元素相對于目標(biāo)層A的排序權(quán)重向量。用Cj=（C1j，C2j，…，Cnj）表示C層上n個(gè)元素對B層第j個(gè)元素為準(zhǔn)則的排序權(quán)重向量（其中無支配的元素權(quán)重取為0），則C層上元素對目標(biāo)層A的組合權(quán)重向量為：

一致性檢驗(yàn)也是從高到低逐層進(jìn)行，如果B層次某些因素對于Aj單排序的一致性指標(biāo)為CIj，相應(yīng)的平均隨即一致性指標(biāo)為RIj，則B層次總排序隨機(jī)一致性比率為：

類似的，當(dāng)CR＜0.10時(shí)，認(rèn)為層次總排序結(jié)果具有滿意的一致性，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣的元素取值。

2.5 總量分配權(quán)重的確定分配區(qū)域指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)歸一化處理后，得出決策層D相對于目標(biāo)層A的組合權(quán)重，該權(quán)重充分考慮了各分配區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和技術(shù)等因素，因此視其為各分配區(qū)域占允許排放污染物總量的份額，即把各分配區(qū)域的組合權(quán)重作為各個(gè)區(qū)域的分配權(quán)重。

3 典型區(qū)域總量分配

3.1 典型區(qū)域基本資料選取太湖流域典型區(qū)域常州市武進(jìn)區(qū)作為研究對象，實(shí)施污染物總量分配。常州市武進(jìn)區(qū)境內(nèi)河流縱橫密布，形成北通長江，南連太湖、滆湖的自然水系。區(qū)內(nèi)河道長2 100km。根據(jù)《常州市地表水（環(huán)境）功能區(qū)水資源質(zhì)量狀況通報(bào)》，在全區(qū)19個(gè)水功能區(qū)，監(jiān)測斷面22個(gè)，達(dá)標(biāo)率為15.8%，2007年全區(qū)COD排放量為25 230t。區(qū)內(nèi)河道水體水質(zhì)不斷惡化，以武進(jìn)港、采菱港及中心區(qū)幾條河流污染最為嚴(yán)重，基本為劣Ⅴ類，其余河流基本為Ⅴ類，水環(huán)境已不能承載區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，實(shí)施總量控制刻不容緩。

3.2 分析計(jì)算

（1）運(yùn)用層次分析法進(jìn)行水污染總量分配研究，分別以常州市武進(jìn)區(qū)湖塘、牛塘等16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)構(gòu)成決策層D，由于各個(gè)分區(qū)在自然屬性和社會(huì)屬性等方面存在客觀差異，所以本文選取能夠代表各個(gè)分區(qū)自然屬性差異的水體水質(zhì)狀況、水體自凈能力、區(qū)域面積，以及能夠代表各個(gè)分區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性差異的GDP、總?cè)丝跀?shù)、生活污水處理率和工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)率等指標(biāo)構(gòu)成準(zhǔn)則層B、C，基于流域水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，結(jié)合流域一維河網(wǎng)水質(zhì)模型，確定流域允許排放的污染物總量為目標(biāo)層A。

根據(jù)總量分配層次結(jié)構(gòu)模型圖，構(gòu)建A-B，B-C判斷矩陣，在咨詢有關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上運(yùn)用評分辦法判斷其相對重要或優(yōu)劣程度，并進(jìn)行層次單排序的一致性檢驗(yàn)：

本文通過方根法計(jì)算最大特征根及其對應(yīng)特征向量，計(jì)算結(jié)果如表3所示：

表3 判斷矩陣計(jì)算結(jié)果

（2）準(zhǔn)則層C相對于目標(biāo)層A的層次總排序一致性檢驗(yàn)：

一致性指標(biāo)：

隨機(jī)一致性指標(biāo)：

判斷矩陣一致性比率：

CR＜0.10，層次總排序結(jié)果具有滿意的一致性。

（3）根據(jù)常州市武進(jìn)區(qū)2007年的統(tǒng)計(jì)資料，構(gòu)造決策層D相對于準(zhǔn)則層C各元素的判斷矩陣（C1-D），（C2-D），…（C12-D），求出各矩陣最大特征值及其相應(yīng)的歸一化后的權(quán)向量，再利用準(zhǔn)則層C對目標(biāo)層A的組合權(quán)重信息，見表3，求出決策層D對目標(biāo)層A的總排序權(quán)重，所得結(jié)果見表4。

表4 各單元分配權(quán)重

從表中可以看出高新區(qū)、湖塘鎮(zhèn)、橫山橋鎮(zhèn)等分配權(quán)重較大，分別為0.128、0.112和0.079。奔牛鎮(zhèn)，經(jīng)發(fā)區(qū)分配權(quán)重較小，分別為0.037和0.017。由于各分區(qū)對總目標(biāo)的組合權(quán)重，是在較為全面地考慮了各分區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和技術(shù)等條件的基礎(chǔ)上得出的，因此，可將其視為各分區(qū)對允許排污總量占有份額的表示。分配結(jié)果與現(xiàn)狀排放量對比如圖2，圖3所示。

分配后結(jié)果顯示：湖塘鎮(zhèn)、鄭陸鎮(zhèn)和橫林鎮(zhèn)3個(gè)單元COD現(xiàn)狀排放量較大，分別為15 715.6、14 254.6和14 102.25kg/d。由于湖塘、鄭陸和橫林3鎮(zhèn)的現(xiàn)狀排污量較大，水質(zhì)狀況較差，并考慮3鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，利用層次分析法確定分配權(quán)重，分配后3個(gè)單元的允許排放量為6 667.84、4 675.16和4 064.75kg/d，3個(gè)單元的削減比例分別為：57.6%、67.2%和71.2%。除高新區(qū)以外，各單元現(xiàn)狀排放量略大于分配后的允許排放量，需要削減的比例較小。高新區(qū)現(xiàn)狀排放量為6 277.23和7 630.73kg/d，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可以增加水污染物排放量。

NH3-N分配結(jié)果與COD分配結(jié)果相似，湖塘鎮(zhèn)、鄭陸鎮(zhèn)和橫林鎮(zhèn)3個(gè)單元COD現(xiàn)狀排放量較大，分別為：1 089.07、981.07和552.08kg/d，分配后3個(gè)單元的允許排放量為：458.91、321.77和279.76kg/d。其他各單元現(xiàn)狀排放量與分配后的允許排放量相差較小。其中，橫山橋鎮(zhèn)現(xiàn)狀排放量與分配后的允許排放量分別為283.85和277.22kg/d。高新區(qū)現(xiàn)狀排放量為：432.03kg/d，分配后的允許排放量為525.19kg/d，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可以增加水污染物排放量。

圖2 COD分配后與現(xiàn)狀排放量對比

圖3 NH3-N分配后與現(xiàn)狀排放量對比

4 結(jié)論

本文在考慮了區(qū)域之間的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境差異的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建總量分配指標(biāo)體系和矩陣模型，計(jì)算出各單元的排污權(quán)重大小，對其排污量進(jìn)行分配。與一般的等比例削減方法或按貢獻(xiàn)率削減方法相比，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行污染物的總量分配層次分析法比較全面地考慮了影響污染物總量分配的各種因素，體現(xiàn)出單元之間的區(qū)域差異因素。解決了影響總量控制分配因素眾多帶來的不確定性問題，提高了污染物總量分配的科學(xué)性，更趨合理。評判指標(biāo)值的選取、權(quán)重的確立及評判模型的選定，指標(biāo)選取的合理與否都會(huì)影響到總量分配結(jié)果。

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