基于AHP方法的湖泊群引水方案綜合評價方法

潘建波，張 挺，石 圣

(1．華北水利水電大學土木與交通學院，河南鄭州 450045;2．福州大學土木工程學院，福建福州 350116)

0 引言

湖泊在人類的生存中起著重要的作用，研究湖泊水體中污染物遷移轉化規(guī)律，準確評價水環(huán)境狀況，預測其變化趨勢，這對于經濟有效地防治水環(huán)境污染具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義［1］．其中湖泊群的水質改善尤為復雜．

改善湖泊水質常采用的方法有:外圍截污、內部清淤、引水活水和生態(tài)修復．引水活水是通過引入比本體水質好的水，沖走本體中的污染物，使湖泊或河流的水動力、水質變好，因此叫做“引水活水”，它是一種新型的水環(huán)境改善措施［2］．使用引水活水方法對湖泊群的水質改善效果較為顯著．

對湖泊群采用引水活水工程需要制定多種方案，實施前首先要選取相對較優(yōu)方案．針對雁棲河自然性定量評價，馮澤深等［3］做了相應研究，提出了指標體系的設置、選取原則;華祖林等［4］對淺水湖泊引調水模式的評價指標做了相應分析，但此分析只重點考慮了水質改善指標與生態(tài)動力學指標兩項;陳鴻展等［5］對廣州市內河綜合整治水質評價體系做了相應探討，討論了水質指標濃度的分級評分的思路．但到目前為止，尚未采用過一套標準化的水質評價方法來評價福州西湖左海湖泊群引水活水方案改善效果的優(yōu)劣，本文探索一種基于AHP層次分析方法的綜合評價方法(簡稱為“ESLI”)應用在福州西湖左海湖泊群的水質改善的方案優(yōu)選中，研究成果可為湖泊群水質改善措施的設計與決策提供相對較優(yōu)的方案集．

1 研究對象

福州左海公園是一座以水景為主的城市公園，上游水系主要有銅盤河、屏西河，下游有西湖、白馬河．福州市內河引水工程修建的內河引水沖污隧道引閩江上游河水進入銅盤河、屏西河，運行流量為2 m3·s－1，西湖來水由銅盤河與屏西河匯聚后匯入，運行流量為4 m3·s－1，左海湖水匯入西湖后經白馬河流入閩江．左海與西湖之間由芳沁園河相連，芳沁園河總長度為670 m，河寬為12～18 m，河底高程為4．1～4．8 m．如圖1所示，西湖左海形狀復雜，兩者經過自然條件和人工改造又都可以劃分成多個小湖區(qū)，可看作是一個相互作用的湖泊群．為了研究方便將西湖左海湖泊群劃分七個區(qū)域，每個區(qū)域根據其功能性設置監(jiān)測點對其水流及水質進行監(jiān)測．

圖1 西湖左海湖泊群Fig．1 Lake group of Xihu and Zuohai

2 湖泊群引水方案綜合評價方法

2．1 綜合評價方法的建立

為了得到實用性、科學性、客觀性、可比性、系統(tǒng)性等指標體系，引入層次分析法(AHP)，結合福州西湖左海湖泊群的水體特性，構建了包含水質改善指標(II)、水動力學指標(DI)、經濟指標(EI)和感觀指標(SI)4個方面的湖泊引水方案改善效果綜合評價體系，以評價引水活水工程的改善效果．

根據指標評價方法的構建原則，湖泊引水方案改善效果綜合評價方法(ESLI)建立的基本思路包括如下:首先，為了對多目標問題進行量化分析，采用多目標線性加權函數法構造評價函數R，假定有n個指標x1，x2，…，xn，對應權重系數為a1，a2，…，an，則評價函數R可表示為:

其次，引入層次分析法的思想進行ESLI的組成層次分析;再次，確定各個子系統(tǒng)、指標、子指標的權重值，選取各指標合理的評分標準及量化標準;最后，建立各指標、系統(tǒng)的計算公式和目標函數;最終形成可用于方案評比的ESLI方法，如圖2所示．

圖2 湖泊群引水活水方案的綜合評價方法(ESLI)層次分析圖Fig．2 Analytic hierarchy process diagram of comprehensive evaluation method of water diversion schemes for lake group(ESLI)

2．2 綜合評價方法的層次分析

引水活水改善水環(huán)境方案評價包含方案的水質改善效果、水動力學改善效果、社會經濟效果和感觀改善效果，為多目標、多層次的復雜系統(tǒng)決策問題．鑒于此，應從水質、水動力學、經濟效益、感觀四個層面選取合理性評價指標因子，構建引水活水改善方案綜合評價指標體系．

引入層次分析法，按照各因素的類別及其支配關系，將評價方法分為五個層次，由上到下依次為:系統(tǒng)層、子系統(tǒng)層、指標層、子指標層、方案層，如圖2所示．系統(tǒng)層是最高層，主要是用來識別引水活水改善方案對水質、水動力學、經濟效益、感觀情況之間關系的處理情況，概括反映了水質改善方案的優(yōu)劣;子系統(tǒng)層、指標層、子指標層為中間層，這些層進一步描述了各因素對方案系統(tǒng)層的影響及體系內部協(xié)調性;方案處于最底層，該層將評價指標體系應用于多方案比選．

2．3 權重確定

ESLI是個多層次、多目標的評價指標體系，子系統(tǒng)層包含4個因素，指標層包含9個因素，子指標層包含16個因素，并且采用加權法計算各層次各因素的分值，因此，最終的評價結果是由各層次各因素的權重系數及其分值共同決定的．

權是目標重要性的數量化表示，按目標的重要程度決策者可以賦予其不同的權重值，但在目標較多情況下，這種賦值很難直接確定，一般需要運用特定的數學方法，推求各級目標的權重，本文采用相對重要性判斷矩陣法［6］進行權重確定:采用和積法對判斷矩陣A進行計算，可得每個指標的平均指標量Wi，再進行標準化處理得到四指標的權重大小，平均指標量Wi可表示為:

式中:n為判斷矩陣A的階數;aij為判斷矩陣A的元素;Wi為第i個指標的標準化前特征量．

2．4 評價指標的標準分級及量化

以2011年9月18日作為整治前、后的時間節(jié)點，比較引水活水方案實施后與現(xiàn)狀的水質、水動力、工程造價和感觀的變化情況，對其進行標準分級和量化處理，可以得出上層因素的總分值．

1)水質改善指標包含三個方面內容:湖泊各水質指標平均濃度(AC)、重點關注區(qū)濃度(IC)和湖泊出水濃度達標時間(t)，由湖泊平均濃度和重點關注區(qū)濃度進行線性加權可得總濃度指標(TC)．根據水質指標濃度變化幅度的不同，相應的水質指標分級評分情況見表1．西湖左海湖泊群出水口濃度達標需要時間在湖體庫容和引水流量變化小情況下改變不大，故采用排名進行等級劃分和賦分值．湖體水動力條件越好，對污染物擴散越有利，出水口濃度達標需要時間越短，排名越靠前，本文設五組活水方案，故第一名得5分，后面排名依次減1分．考慮到不同區(qū)域濃度反映的水質變化情況重要性不同，引入濃度評價指標pj:

式中:ai為不同區(qū)域濃度指標的權重;fi為不同區(qū)域濃度得分;m為劃分的區(qū)域數;j為某一指標．

表1 水質改善情況評價指標分級評分標準Tab．1 Classification criteria and standard for evaluation of water quality improvement evaluation index

3)經濟指標有調水總流量(Q)和工程費用(M)．分級評分標準類似流速標準差指標．

4)感觀指標有顯見景區(qū)(RT1)、可見近區(qū)(RT2)和可見遠區(qū)(RT3)．分級評分標準類似水質改善指標．

3 湖泊群引水方案的綜合評價

3．1 湖泊群引水方案設計

湖泊水動力增強是水質改善的基礎，水流的運動決定著污染物的擴散和輸運轉化過程，西湖左海由于湖體形狀復雜，水流緩慢，易形成多處污染死角，如圖1所示，湖體③和⑥區(qū)為該湖泊群中水動力水質條件最差的區(qū)域．因此，從西湖左海湖泊群檢測的水流及水質現(xiàn)狀出發(fā)，結合湖體寬深比較大，不存在明顯密度分層，垂直方向混合不明顯的特點，采用沿垂向積分的二維模型進行數值模擬［7］;遵循滯水區(qū)最少化、工程費用最省化、污染物擴散最快化的原則，進行引水動力水質改善方案的設計，保持上游引水流量不變，設計如下五個方案:

方案一:取湖水盤活水體．本方案擬在左海北側②區(qū)內，緊鄰西二環(huán)設活水泵站一座，取水流量1．0 m3·s－1，引②區(qū)水，沿湖底敷設管道，沿途設4個分散式出水口，以增強③區(qū)水循環(huán)，對于西湖⑥區(qū)，擬打通連通西湖與左海的河道，這樣左海出水將進入西湖⑥區(qū)，以增強⑥區(qū)水動力，達到改善水質的目的．同時擬在芳沁園河北端設一座活水泵站，抽西湖的水進入河道，引水流量0．6 m3·s－1，這樣約2．0 m3·s－1的水進入⑥區(qū)湖體以盤活湖體這一帶的水質，詳見圖1．

方案二:同方案一，但泵站取水量為1．5 m3·s－1，沿途設6個分散式出水口，每個流量為0．25 m3·s－1，其中兩個出口設在③區(qū)最下端，以盤活此片水域．其余措施同方案一，詳見圖3．

方案三:取來水盤活水體．擬在左海水閘邊取水1．0 m3·s－1，出水口沿左海南側的湖體單元的岸邊敷設，沿途設5個出水口，每個流量為0．20 m3·s－1，以提高水循環(huán)．其余措施同方案一，詳見圖4．

圖3 方案二示意圖Fig．3 Schematic diagram of case 2

圖4 方案三示意圖Fig．4 Schematic diagram of case 3

方案四:不設泵站，在③區(qū)上部兩個湖體單元之間設置兩根D800的鋼筋混凝土連通管．同時打通左海下側Z11也用連通管連接，流量控制0．6 m3·s－1．將X3出口封堵，這樣大約有1．6 m3·s－1的流量進入西湖．其余措施同方案一，詳見圖5．

方案五:在湖心島A右下角處設置長度為120 m，高度為0．5 m的固定式潛水堰，潛水堰具體位置詳見圖6，除潛水堰以外，其他措施與方案四相同．

3．2 單指標評價結果分析

1)水質改善指標(II):由方案模擬得到湖泊群的水質指標改善情況定量分析結果(見表2)．從表2可見，就目前福州市西湖左海湖泊群的情況而言，采取水質改善方案一后TN和COD的全湖平均濃度(AC)及重點關注區(qū)濃度值(IC)最低，改善效果相對最顯著;方案五對BOD的改善作用相對最顯著;各方案TP濃度差別不大，無法據此判別優(yōu)劣．可見在水質改善上方案一或方案五為相對較優(yōu)方案．

圖5 方案四示意圖Fig．5 Schematic diagram of case 4

圖6 方案五示意圖Fig．6 Schematic diagram of case 5

表2 湖泊群水質改善指標定量分析Tab．2 Quantitative analysis of effect indicators of water quality improvement in lake group

2)水動力學指標(DI):由于流速小于0．5 cm·s－1時，水體流動性很差，對污染物擴散作用不夠顯著，故本文將此類水體區(qū)域界定為“滯水區(qū)”，水動力模擬結果見表3．ESLI中水動力學指標包含三個方面:全湖平均流速、流速相對標準偏差和滯水區(qū)面積占全湖面積的百分比．從表3可見，方案五全湖平均流速最大，水體流動性相對最佳;其次，該方案流速相對標準偏差最小，說明流速分布最均勻;該方案滯水區(qū)面積相對最小，故從水動力學角度分析，方案五為相對最優(yōu)方案．

表3 水動力學指標對比表Tab．3 Comparison of hydrodynamic indicators

3)經濟效益指標(EI):根據相關定額，并參考福州市規(guī)劃設計研究院關于西湖左海水質情況綜合和水體整治方案的報告，最終得出各方案的工程投資概算表4．

表4 工程投資概算分析Tab．4 Estimate analysis of project budgetary

從表中明顯看出，方案五所需經濟成本最高，方案四最低．方案一、方案二和方案三經濟費用雖然相對較低，但需要拆遷，拆遷是一般工程建設中要盡可能規(guī)避的問題，故綜合考慮以上因素，從經濟角度分析建議采用方案四．

4)感觀指標(SI):因為方案設計階段進行濁度測量是不可行的，相關研究表明，污水的濁度和COD具有較好的線性相關性，故本節(jié)通過各水質改善方案實施后反映濁度的COD濃度值的變化情況間接進行濁度的改善情況分析．對湖區(qū)濁度進行分析時將湖區(qū)劃分為三類區(qū)域:顯見景區(qū)(RT1)、湖面可見近區(qū)(RT2)和湖面可見遠區(qū)(RT3)．湖區(qū)不同部分的COD平均濃度見表5，從表中可得:感觀方面不同區(qū)域改善效果不同，對顯見景區(qū)的濁度改善情況來看，方案五的改善效果相對最佳，而從可見近區(qū)與可見遠去的濁度改善情況來看，方案四的改善效果最顯著．

表5 感觀指標情況Tab．5 Comparison of sensory indicators

3．3 多指標綜合評價方案比選

從前述單指標評價結果可以看出，各方案均有優(yōu)劣，僅憑單個指標進行評價，其結果將是片面的，為了更全面科學地進行湖泊群引水活水方案的比選，綜合各個指標的影響，采用ESLI方法進行綜合評比．根據前文權重的確定方法，對子系統(tǒng)層的水質改善指標(II)、水動力學指標(DI)、經濟指標(EI)和感觀指標(SI)四個指標由相對重要性判斷矩陣法得到相對權重分別為0．35、0．3、0．15和0．2，得到不同水動力水質改善方案與原方案對比后各指標的值，見表6．指標層各指標按照濃度評價指標p值進行打分，最終各指標評比得分結果見表7．研究表明各方案從優(yōu)到劣排序為方案五、方案一、方案四、方案二和方案三，方案五評價得分最高，為相對較優(yōu)方案，方案一可作為備選方案．

表6 水動力水質改善方案ESLI比選表Tab．6 Comparison of ESLI hydrodynamic water quality improvement scheme

表7 最終各指標評比得分結果Tab．7 Final score of each index appraisal result

4 結語

針對目前尚未采用標準化的水質評價方法來評價福州西湖湖泊群引水活水方案改善效果優(yōu)劣的現(xiàn)狀．引入多目標線性加權法，構建了包含水質改善指標、水動力學指標、經濟指標和感觀指標4個方面的湖泊引水方案改善效果綜合評價方法(ESLI)．基于層次分析法(AHP)，將該評價體系分為五個層次，采用相對重要性判斷矩陣法確定各層次各因素的權重，建立了湖泊引水活水方案的綜合評價方法，評價結果得分最高的方案為相對較優(yōu)方案．湖泊群引水方案中相對較優(yōu)方案為方案五，方案一可作為備選方案．

為了使綜合評價方法更加完善，同時由于在評價時研究尺度(空間尺度和時間尺度)的重要性，將在下一步研究中對空間或時間尺度變化時，權重系數及指標層的調整方法做進一步探討，以求有更廣泛的適用性和更準確的評價結果．