基于熵權(quán)和AHP的農(nóng)村綠色小水電建設(shè)成效模糊綜合評(píng)價(jià)

劉 香，袁汝華

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

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基于熵權(quán)和AHP的農(nóng)村綠色小水電建設(shè)成效模糊綜合評(píng)價(jià)

劉 香，袁汝華

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

基于生態(tài)、社會(huì)、管理和經(jīng)濟(jì)4個(gè)維度構(gòu)建我國(guó)農(nóng)村綠色小水電建設(shè)成效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用熵權(quán)法和層次分析法相結(jié)合確定指標(biāo)權(quán)重,并結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)農(nóng)村綠色小水電建設(shè)成效進(jìn)行客觀的定量評(píng)估。最后,將模型運(yùn)用于甘肅皇城水庫(kù)水電站的實(shí)例分析,結(jié)果表明甘肅皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)成效屬于良好水平,同時(shí)指出其發(fā)展不足之處,為農(nóng)村綠色小水電建設(shè)成效評(píng)價(jià)提供了思路和方法。

綠色小水電;建設(shè)成效;熵權(quán);層次分析法;模糊綜合評(píng)價(jià)

水電為可再生清潔能源,與核電、風(fēng)電等其他發(fā)電方式相比開(kāi)發(fā)難度較低,對(duì)改變我國(guó)以化石能源為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)具有重大的意義。在我國(guó),小水電是指裝機(jī)容量在5萬(wàn)kW以下、主要分布在農(nóng)村地區(qū)的水電站,現(xiàn)有47 000多座,年發(fā)電量占全國(guó)水電發(fā)電總量的25%[1]。然而,小水電的開(kāi)發(fā)卻給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)了諸多負(fù)面影響,如下游生態(tài)供水不足導(dǎo)致河道斷流,基本農(nóng)業(yè)、生活用水受到影響[2]等。

為降低小水電開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的不利影響,中華人民共和國(guó)水利部于2013年9月發(fā)出開(kāi)展綠色小水電試點(diǎn)、進(jìn)行綠色小水電評(píng)價(jià)試點(diǎn)的有關(guān)通知,規(guī)定獲得“綠色水電”認(rèn)證的水電站將享受電價(jià)、稅收、投資等方面的補(bǔ)貼[3]。此外,“十三五”期間農(nóng)村水電工作仍將以綠色小水電建設(shè)為宗旨,推進(jìn)小水電可持續(xù)發(fā)展。

國(guó)外對(duì)水電的綠色評(píng)價(jià)研究始于20世紀(jì)80年代,最富代表性的是瑞士綠色水電認(rèn)證、美國(guó)低影響水電認(rèn)證以及國(guó)家水電協(xié)會(huì)的水電可持續(xù)性評(píng)估,其他的發(fā)達(dá)國(guó)家如瑞典、加拿大等也開(kāi)展了相關(guān)綠色水電試點(diǎn)和評(píng)價(jià)工作[2]。我國(guó)目前對(duì)綠色水電的評(píng)價(jià)研究還處在初級(jí)階段,多數(shù)文獻(xiàn)僅對(duì)綠色水電評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行定性分析,定量研究較少。李華鵬等[4-5]將層次分析法(AHP)和模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合對(duì)綠色水電進(jìn)行實(shí)例評(píng)價(jià),雖然比單純采用AHP進(jìn)行分析更科學(xué),但是基于AHP得到的指標(biāo)權(quán)重主觀性較大。本文結(jié)合AHP和熵權(quán)法來(lái)確定權(quán)重,克服主觀局限性,同時(shí)利用模糊綜合評(píng)價(jià)法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型,為農(nóng)村綠色小水電建設(shè)成效評(píng)價(jià)提供思路和方法。

1 基于AHP和熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

1.1 層次分析法[6]

層次分析法是20世紀(jì)70年代初,由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty教授提出的一種定量分析定性問(wèn)題的簡(jiǎn)便、靈活的多目標(biāo)決策方法。層次分析法被廣泛應(yīng)用于確定指標(biāo)權(quán)重,步驟如下。

a. 明確元素之間層級(jí)關(guān)系,建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

b. 同一層次元素關(guān)于上一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)造判斷矩陣。通常采用5標(biāo)度法和9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣,5標(biāo)度法各取值含義見(jiàn)表1。

表1 用5標(biāo)度法表示的指標(biāo)i與指標(biāo)j重要性之比

c. 選用方根法計(jì)算被比較元素權(quán)重,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。①計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積,再開(kāi)n(矩陣階數(shù))次方根:

(1)

(2)

則W=[W1,W2,…，Wn]T為所求各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重構(gòu)成的特征向量。③ 計(jì)算各判斷矩陣的最大特征值λmax:

(3)

式中:(AW)i為向量AW的第i個(gè)元素。④一致性檢驗(yàn):

(4)

查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI,計(jì)算一致性比例CR。若CR<0.1,認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受,否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

1.2 熵權(quán)法

熵的概念最早起源于經(jīng)典熱力學(xué)理論,后被引入到信息論中,指體系混亂、無(wú)序的程度。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)的方法,可以克服個(gè)人主觀弊端,使評(píng)價(jià)結(jié)果更可信[7]。

定義評(píng)價(jià)系統(tǒng)中第j個(gè)指標(biāo)的熵為[8]:

(5)

式中:t為評(píng)語(yǔ)集中評(píng)價(jià)等級(jí)個(gè)數(shù);Pr為某個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)處于各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)r上的概率,且0≤Pr≤1,∑Pr=1,Pr=0時(shí),Sj=0。

則第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)為

(6)

1.3 綜合權(quán)重的確定

AHP主要是根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、決策者的偏好進(jìn)行賦權(quán),熵權(quán)法則更多地關(guān)注數(shù)據(jù)本身的客觀信息,但有時(shí)不能反映決策者的想法,因此也存在一定的不足?？紤]到兩種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn),在參考文獻(xiàn)[9-10]有關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,最后確定綜合權(quán)重計(jì)算公式如下:

(7)

式中：WjAHP和Wjshang分別為由AHP和熵權(quán)法計(jì)算得到的指標(biāo)j的權(quán)重。

2 農(nóng)村綠色小水電評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

綠色小水電評(píng)價(jià)涉及生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及管理等影響因素,因此在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)需要綜合該4個(gè)方面的因素?；诳茖W(xué)性、合理性、可行性的原則,在借鑒相關(guān)文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上,建立了包含4個(gè)一級(jí)指標(biāo)、16個(gè)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如表2所示。

表2 農(nóng)村綠色小水電建設(shè)成效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.2.1 確定模糊評(píng)價(jià)因素集和評(píng)語(yǔ)集

模糊綜合評(píng)價(jià)模型[7]的評(píng)價(jià)因素集(即評(píng)價(jià)指標(biāo))具有層次性,一級(jí)指標(biāo)為U={u1,u2,…,um},二級(jí)指標(biāo)為ui={ui1,ui2,…,uin},其中uij表示第i指標(biāo)層下的第j個(gè)指標(biāo)。

V={v1,v2,…,vn}為評(píng)語(yǔ)集,其中Vj(j=1,2,…,n)為評(píng)價(jià)等級(jí),n為評(píng)價(jià)等級(jí)的個(gè)數(shù)。

2.2.2 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R

(8)

2.2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)式(8)中R以及計(jì)算得到的指標(biāo)權(quán)重向量,得到模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B：

(9)

式中:Bi(i=1,2,…,n)表示單因素的上一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的vj等級(jí)程度。通過(guò)求各級(jí)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣得出評(píng)價(jià)系統(tǒng)目標(biāo)層的評(píng)價(jià)矩陣并進(jìn)行分析。

3 實(shí)例分析

甘肅省金昌市永昌縣皇城水庫(kù)水電站[11]位于東大河流域,總裝機(jī)容量為3 750 kW(3×1 250 kW),設(shè)計(jì)年發(fā)電量1 720萬(wàn)kW·h,現(xiàn)已運(yùn)行近30年。

皇城水庫(kù)水電站在綠色小水電建設(shè)中取得了一些成果。

a. 生態(tài)方面:嚴(yán)格按照水電站最小生態(tài)下泄流量的有關(guān)要求,保證下游生態(tài)需水量;增加泄水通道,每秒從泄洪洞下泄0.5 m3水量用于下游植被、水土保持,避免河流脫水、斷流。采取圍欄封育以及人工造林等措施保護(hù)上游水質(zhì),改善了東大河流域的生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì),皇城水庫(kù)水電站通過(guò)發(fā)電年均減少薪柴使用量2 000多m3,減少燃煤量16.82萬(wàn)t、二氧化碳排放量38.45萬(wàn)t、二氧化硫排放量0.46萬(wàn)t,節(jié)能減排效果明顯,保護(hù)了當(dāng)?shù)氐纳?改善了自然環(huán)境。同時(shí),皇城水庫(kù)水電站秉持綠色發(fā)展理念,在附近種植了多種植物,保證了水土保持的效果,并增加了水電站的景觀效益。

b. 社會(huì)方面:為周邊18個(gè)自然行政村、8個(gè)不同民族供電。利用東大河流域的水資源,為灌區(qū)、金昌市工農(nóng)業(yè)和生活用水提供保障。改善公共基礎(chǔ)設(shè)施,出資修建永昌到皇城的公路,提高了皇城水庫(kù)水電站周邊風(fēng)景區(qū)的景點(diǎn)效益;架設(shè)專(zhuān)門(mén)的輸電線路,保障村民用電安全。

c. 安全生產(chǎn)管理方面:2015年4月,皇城水庫(kù)水電站的安全生產(chǎn)“雙主體”責(zé)任落實(shí)完成。水電站嚴(yán)格執(zhí)行安全生產(chǎn)大檢查制度,建立了設(shè)備安全和作業(yè)安全規(guī)章制度,設(shè)置3個(gè)督查組強(qiáng)化監(jiān)督效力。定期排查隱患和重大危險(xiǎn)源,召開(kāi)安全會(huì)議并進(jìn)行記錄。除此之外,積極組織安全生產(chǎn)培訓(xùn)講座,增強(qiáng)員工安全生產(chǎn)主動(dòng)性和自覺(jué)性。

d. 經(jīng)濟(jì)方面:皇城水庫(kù)水電站運(yùn)行以來(lái)上網(wǎng)電量4.81億kW·h,銷(xiāo)售收入超1億元。

3.1 隸屬度矩陣及模糊關(guān)系評(píng)價(jià)矩陣R的確定

V={優(yōu)秀,良好,中等,合格,差},對(duì)于隸屬評(píng)價(jià)等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用專(zhuān)家調(diào)查法進(jìn)行確定。

a. 專(zhuān)家根據(jù)已有的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、研究結(jié)果進(jìn)行打分,如滿(mǎn)足生態(tài)需水情況、排沙情況等指標(biāo)已有相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);

b. 根據(jù)有關(guān)試點(diǎn)地區(qū)專(zhuān)家考察經(jīng)驗(yàn)確定評(píng)價(jià)等級(jí)。

本文的農(nóng)村綠色小水電建設(shè)成效評(píng)價(jià)指標(biāo)為定性指標(biāo),主要通過(guò)皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)相關(guān)報(bào)告以及綠色小水電評(píng)審專(zhuān)家填寫(xiě)的30份問(wèn)卷來(lái)獲取皇城水庫(kù)水電站指標(biāo)完成情況。專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)所屬評(píng)價(jià)等級(jí)做出判斷,共回收有效問(wèn)卷24份。

表3 皇城水庫(kù)水電站評(píng)價(jià)指標(biāo)問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)

對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,再按構(gòu)建隸屬度矩陣的步驟建立模糊關(guān)系評(píng)價(jià)矩陣,記為R1,R2,R3,R4。

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

3.2.1 AHP確定權(quán)重

a. 構(gòu)造判斷矩陣。邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)指標(biāo)之間重要性按照5標(biāo)度法進(jìn)行判斷打分。二級(jí)指標(biāo)層u11～u17、u21～u24、u31～u33、u41～u42對(duì)一級(jí)指標(biāo)層u1、u2、u3、u4的判斷矩陣分別記為P1、P2、P3、P4;一級(jí)指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣記為PA。

b. 權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)。使用方根法計(jì)算權(quán)重,設(shè)二級(jí)指標(biāo)層u11～u17、u21～u24、u31～u33、u41～u42對(duì)一級(jí)指標(biāo)層u1、u2、u3、u4的權(quán)重向量分別為WAHP1、WAHP2、WAHP3、WAHP4;一級(jí)指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重向量為WAHP:

WAHP1=(0.286 0.075 0.075 0.107

0.05 0.204 0.204)

WAHP=(0.568 0.149 0.21 0.073)

經(jīng)計(jì)算,判斷矩陣PA、P1～P4的CR分別為0.059、0.029、0、0、0,均小于0.1,因此各判斷矩陣具有滿(mǎn)意一致性,即層次單排序和總排序具有滿(mǎn)意一致性,故計(jì)算得到的權(quán)重值合理。

3.2.2 熵權(quán)法確定權(quán)重

根據(jù)式(5)、(6)計(jì)算得到二級(jí)和一級(jí)指標(biāo)層的權(quán)重向量分別為

W熵1=(0.215 0.069 0.051 0.109

0.135 0.208 0.213)

W熵2=(0.378 0.378 0.244)

W熵3=(0.312 0.183 0.265 0.24)

W熵4=(0.431 0.569)

W熵=(0.571 0.194 0.144 0.091)

3.2.3 綜合權(quán)重的確定

根據(jù)式(7),對(duì)由AHP和熵權(quán)法求得的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,并得出二級(jí)和一級(jí)指標(biāo)層的綜合權(quán)重向量分別為

W1=(0.25 0.072 0.063 0.108

0.093 0.206 0.209)

W2=(0.389 0.389 0.222)

W3=(0.356 0.192 0.232 0.22)

W4=(0.466 0.534)

W=(0.57 0.172 0.177 0.082)

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

3.3.1 一級(jí)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)

由式(8)計(jì)算得到一級(jí)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣:

生態(tài)建設(shè)成效

B1=(0.264 0.402 0.285 0.03 0.017)

社會(huì)建設(shè)成效

B2=(0.229 0.338 0.312 0.102 0.09)

管理建設(shè)成效

B3=(0.114 0.231 0.377 0.176 0.102)

經(jīng)濟(jì)建設(shè)成效

B4=(0.231 0.397 0.228 0.103 0.042)

按照最大隸屬度原則,皇城水庫(kù)水電站綠色小水電在生態(tài)、社會(huì)、管理和經(jīng)濟(jì)方面的建設(shè)成效評(píng)價(jià)等級(jí)分別為:良好、良好、中等、良好。

3.3.2 皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)成效模糊綜合評(píng)價(jià)

皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)成效模糊關(guān)系評(píng)價(jià)矩陣為

則二級(jí)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

B=(0.229 0.36 0.301 0.074 0.034)

由此,皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)成效隸屬于優(yōu)秀、良好、中等、合格、差等級(jí)的隸屬度分別為0.229、0.36、0.301、0.074和0.034,按照最大隸屬度原則,皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)成效屬良好水平。

僅由AHP計(jì)算得到的二級(jí)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

BAHP=(0.229 0.355 0.304 0.074 0.036)

僅由熵權(quán)法計(jì)算得到的二級(jí)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

B熵=(0.229 0.366 0.298 0.073 0.033)

將由綜合權(quán)重計(jì)算得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與僅由AHP或僅由熵權(quán)法計(jì)算得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)3種方法下各個(gè)等級(jí)隸屬度變化不大,因此可以認(rèn)為應(yīng)用本文方法的評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的可信度。

皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)成效模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示。

圖1 皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)成效評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度

由圖1可知,皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)成效總體屬良好水平,說(shuō)明皇城水庫(kù)水電站推行綠色可持續(xù)發(fā)展策略取得了較好的成績(jī)。其中,生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)方面的綠色小水電建設(shè)成效良好,而管理為中等水平,表明生態(tài)綠色建設(shè)良好主要得益于管理者采取的嚴(yán)格執(zhí)行下游生態(tài)需水量供給制度、圍欄育林涵養(yǎng)水源、種植樹(shù)木保護(hù)水土、高效發(fā)電節(jié)能減排等措施,使得皇城水庫(kù)水電站在至關(guān)重要的生態(tài)綠色建設(shè)評(píng)價(jià)方面成效良好。

社會(huì)建設(shè)方面,皇城水庫(kù)水電站在當(dāng)?shù)爻鲑Y修建了公路，架設(shè)了配套的輸電線路,給當(dāng)?shù)鼐用窠煌ǔ鲂小踩奖阌秒娞峁┝吮憷?此外,為18個(gè)自然村的村民低價(jià)供電,受到村民的一致好評(píng)。經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面,運(yùn)行以來(lái)上網(wǎng)電量達(dá)4.81億kW·h,銷(xiāo)售收入超1億元,顯示出較強(qiáng)的盈利能力;另外,水電站建立后增加了當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)人數(shù),修建公路和低價(jià)供電一定程度上促進(jìn)了地方工農(nóng)業(yè)的發(fā)展。管理綠色建設(shè)方面,皇城水庫(kù)水電站已落實(shí)安全生產(chǎn)“雙主體”責(zé)任,并且制訂了較為完善的安全生產(chǎn)操作、監(jiān)督制度,在安全生產(chǎn)管理方面成效較好。但由于皇城水庫(kù)水電站自動(dòng)化水平還較低、監(jiān)測(cè)設(shè)備投入不完善,因而管理方面綜合評(píng)價(jià)屬中等水平。

4 結(jié) 語(yǔ)

a. 將AHP和熵權(quán)法相結(jié)合確定指標(biāo)權(quán)重,從主觀、客觀層面綜合賦權(quán),使得評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重更具科學(xué)性、合理性[10]。

b. 采用基于AHP和熵權(quán)法的甘肅皇城水庫(kù)水電站綠色小水電建設(shè)成效模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示:皇城水庫(kù)水電站總體上綠色等級(jí)為良好,在生態(tài)環(huán)境治理、低價(jià)供電、安全生產(chǎn)等方面建設(shè)成效良好。該評(píng)價(jià)模型同樣適用于其他農(nóng)村小水電站的綠色小水電建設(shè)成效綜合評(píng)價(jià),但在指標(biāo)選取、權(quán)重確定方面尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),因此一定程度上存在不足。

c. 皇城水庫(kù)水電站在綠色管理上為中等水平,需著重加強(qiáng)改進(jìn)。同時(shí),生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)方面也需要進(jìn)一步彌補(bǔ)不足,以實(shí)現(xiàn)水電站的綠色可持續(xù)發(fā)展,爭(zhēng)創(chuàng)“全國(guó)綠色小水電站”。①生態(tài)方面,定期清理整治河道,減少泥沙沉積以改善河流水質(zhì),保持水生生物物種多樣性。②社會(huì)方面,提高水電站的防洪、灌溉和供水等綜合效益,將水電站的綜合效益最大化。③管理上,首先以成為安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)企業(yè)為目標(biāo),從規(guī)章制度、監(jiān)督力度上全面加強(qiáng)生產(chǎn)安全性。其次,引進(jìn)先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備[11],實(shí)時(shí)監(jiān)控,不僅可以減少人力投入、提高發(fā)電效率,而且有助于生產(chǎn)安全。④經(jīng)濟(jì)上,目前皇城水庫(kù)水電站裝機(jī)容量較小,應(yīng)增加裝機(jī)容量配合自動(dòng)化設(shè)備來(lái)提高發(fā)電量。

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水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201301055)

劉香(1991—),女,江蘇丹陽(yáng)人,碩士研究生,主要從事工程管理及技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究。E-mail:xiangliu1991@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.06.006

X820.2

A

1003-9511(2016)06-0021-05

2016-04-22 編輯：胡新宇)