基于熵組合權(quán)重的河道整治工程影響模糊綜合評價

姜志成

(江蘇省水利工程管理處,江蘇 南京 210001)

基于熵組合權(quán)重的河道整治工程影響模糊綜合評價

姜志成

(江蘇省水利工程管理處,江蘇 南京 210001)

針對河道整治工程影響評價的特點,采用定性和定量相結(jié)合的模糊綜合評判法構(gòu)建河道整治工程影響的評價模型,從對經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響、社會發(fā)展影響、社會環(huán)境影響、合理利用自然資源的影響4個方面建立評價指標(biāo)體系,利用熵組合賦權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重。以黃河濮陽段河道整治工程為研究對象,分析計算該工程的影響程度,評價結(jié)果表明工程實施影響為Ⅱ級(較好)。

河道整治工程;影響評價;指標(biāo)體系;熵組合賦權(quán)法;模糊綜合評判法

我國是世界上河流最多的國家之一,歷史上長江、黃河、淮河等大河頻發(fā)洪災(zāi),給兩岸人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失,數(shù)量眾多、分布廣泛的中小河流造成的洪澇災(zāi)害也不在少數(shù)[1]。河道整治是河流防洪治理中的一種,除具有顯著的防洪作用外,還可以改善長期以來由于河流破壞帶來的諸多問題,能有效減少沖灘塌岸現(xiàn)象,有利于穩(wěn)定灘涂、改善灘區(qū)的生產(chǎn)生活條件,提高灘區(qū)的土地利用價值,因而能產(chǎn)生巨大的社會效益[2-3]。對河道整治工程的影響進(jìn)行評價,可以論證其實施的成效和存在的不足,因而具有重要的理論與實踐意義。

目前,關(guān)于河道整治影響評價的相關(guān)研究甚少,評價指標(biāo)體系也很不完善[4-7]。筆者將熵組合賦權(quán)法與模糊綜合評判法相結(jié)合建立評價模型,從對經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響、社會發(fā)展影響、社會環(huán)境影響以及對合理利用自然資源的影響4個方面建立評價指標(biāo)體系,并將此模型用于黃河濮陽段河道整治工程的影響評價。

1 模糊綜合評判模型原理與方法

模糊綜合評判法是運用模糊數(shù)學(xué)方法,根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價,對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價,使得模糊現(xiàn)象清晰化[8],既能充分體現(xiàn)評價過程的模糊性,又能盡量減少主觀判斷帶來的弊端[9]。

權(quán)重系數(shù)是指在評價過程中,對評價指標(biāo)在重要程度上進(jìn)行的定量分配。有關(guān)權(quán)重的確定方法有數(shù)十種,根據(jù)權(quán)重計算原始數(shù)據(jù)的來源不同,可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。運用主觀賦權(quán)法確定各指標(biāo)間權(quán)重系數(shù)反映了決策者的意向,但決策或評價結(jié)果具有很大的主觀隨意性;運用客觀賦權(quán)法確定各指標(biāo)間權(quán)重系數(shù),決策或評價結(jié)果雖具有較強的數(shù)學(xué)理論依據(jù),但未考慮決策者的意向。為了改善和提高權(quán)值的精確性,彌補單一用主觀和客觀權(quán)重的不足,筆者以相對最小信息熵為工具,將主客觀權(quán)重結(jié)合起來形成組合權(quán)重,最終確定各評價指標(biāo)的權(quán)重。

1.1 建立因素集

本文因素集分主因素層評價指標(biāo)與子因素層評價指標(biāo)2個層級。根據(jù)選取的影響評價指標(biāo),確定主因素集U={u1,u2,…,um},其中m為主因素層指標(biāo)的個數(shù);子因素指標(biāo)集us={us1,us2,…,usn}(s=1,2,…,m),其中n為主因素指標(biāo)中子因素指標(biāo)的個數(shù)。

1.2 建立因素評價集

確定因素評價集V={v1,v2,…,vj},其中vk(k=1,2,…,j)表示影響事物評價值的第k個等級。河道整治工程影響評價等級分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ五個等級,用“好、較好、一般、較差、差”分別進(jìn)行描述,并對各等級因子賦予相應(yīng)分值{1.0,0.8,0.6,0.4,0.2}。

1.3 等級評價矩陣的確定

各主因素指標(biāo)的等級評價矩陣Rs可表示為

(1)

式中s=1,2,…,m;矩陣中的元素表示子因素層指標(biāo)對各級評語的隸屬度。由于黃河濮陽段河道整治工程影響綜合評價的各項指標(biāo)情況復(fù)雜,難以量化,筆者通過德爾菲法確定指標(biāo)隸屬度。指標(biāo)隸屬函數(shù)的構(gòu)造采用降半梯形法,設(shè)vk和vk+1為相鄰的兩級標(biāo)準(zhǔn),顯然有vk>vk+1,各因素評價指標(biāo)對vk的隸屬函數(shù)為

(2)

對vk+1的隸屬度函數(shù)為

(3)

1.4 權(quán)重的確定

根據(jù)最小相對信息熵原理將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重進(jìn)行組合來確定各評價指標(biāo)的權(quán)重,這里僅介紹子因素指標(biāo)權(quán)重的確定方法,主因素指標(biāo)的權(quán)重計算與之完全類似,不作贅述,權(quán)重計算步驟如下。

1.4.1 主觀權(quán)重計算

對各子因素指標(biāo)在對應(yīng)主因素指標(biāo)下的重要性進(jìn)行兩兩比較,建立模糊互補判斷矩陣P={pij},其中0≤pij≤1,pij+pji=1(i,j=1,2,…,n),pij表示指標(biāo)i優(yōu)于指標(biāo)j的程度:pij>0.5時,表示指標(biāo)i比指標(biāo)j重要,pij越大表示指標(biāo)i比指標(biāo)j越重要,反之亦然。子因素指標(biāo)主觀權(quán)重計算公式為

(4)

1.4.2 主觀權(quán)重的合理性判斷

設(shè)W1=(ω11,ω12,…,ω1n)為子因素指標(biāo)模糊互補判斷矩陣P的權(quán)重向量,其中

(5)

通過檢驗P和其特征矩陣P*的一致性來判斷主觀權(quán)重的合理性,即相容性指標(biāo)I:

(6)

一般認(rèn)為,當(dāng)I<0.1時,即可認(rèn)為評價指標(biāo)權(quán)重合理。

1.4.3 客觀權(quán)重計算

黃河濮陽段河道整治工程影響綜合評價指標(biāo)客觀權(quán)重采用等權(quán)法計算,即認(rèn)為各評價指標(biāo)的權(quán)重相等:

(7)

1.4.4 組合權(quán)重計算

綜合各指標(biāo)的主觀權(quán)重ω1和客觀權(quán)重ω2,可得到各指標(biāo)的組合權(quán)重ω,顯然{ωt}與{ω1t}、{ω2t}都應(yīng)盡可能接近,根據(jù)最小相對信息熵原理有

(8)

通過計算可得到各子因素指標(biāo)的組合權(quán)重ωt。

1.5 單因素評判

根據(jù)各子因素指標(biāo)在所對應(yīng)主因素指標(biāo)下的權(quán)重Wi=(ωi1,ωi2,…,ωin)以及Rs,得出各主因素指標(biāo)對于各評價等級的隸屬度:

Bi=WiδRs=(ωi1,ωi2,…,ωin)·

(9)

式中:ωij為第i個主因素指標(biāo)中第j個指標(biāo)的權(quán)重;δ為模糊合成算子,表示模糊評價矩陣的模糊運算,本文采用加權(quán)平均型模糊合成算子。

1.6 綜合評判

由Bi可以得到主因素層模糊評判矩陣B:

(10)

根據(jù)各主因素指標(biāo)的權(quán)重W=(ω1,ω2,…,ωm),得出最終評語向量C:

C=WδB=(ω1,ω2,…,ωm)·

(11)

根據(jù)最大隸屬度原則ck=max{ci}(1≤i≤m),可判斷評價等級為第k級。

2 評價指標(biāo)體系的建立

河道整治工程的影響評價,主要是對工程與社會的相互適應(yīng)性、工程已實現(xiàn)的社會效益及影響、工程對土地資源利用和對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的影響、工程對改善社會環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等方面進(jìn)行全面的、獨立的、科學(xué)的分析和評判。

在參考有關(guān)學(xué)者所著論文的基礎(chǔ)上[10-15],根據(jù)河道整治工程的特點和區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)環(huán)境特征,提出對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響、對社會發(fā)展的影響、對社會環(huán)境的影響、對合理利用自然資源的影響4個主因素指標(biāo)集,并分別將每個主因素指標(biāo)分解為若干子因素指標(biāo),在專家的指導(dǎo)下,遴選出12個子因素指標(biāo),建立河道整治工程影響評價層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系,見表1。

表1 河道整治工程影響評價層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系

3 實例研究

黃河濮陽段位于河南省黃河最下游,自濮陽縣王窯至臺前縣張莊,流經(jīng)濮陽縣、范縣、臺前3個縣,全長167.5 km,為1855年銅瓦廂決口而形成的河道,迄今已有156年的歷史。河道上寬下窄,屬于游蕩型河段向彎曲型河段過渡的過渡型河段,素有“豆腐腰”河段之稱,歷史上災(zāi)害頻繁。據(jù)史料記載,從1855—1946年的91年間,該河段發(fā)生大的黃河水害80多次,決口達(dá)108處,給沿岸人民造成了深重的災(zāi)難。1949年中華人民共和國成立后,各級政府十分重視黃河治理的研究,先后采用過多種河道整治方案。近年來,黃河濮陽段河道整治采用微彎型河道整治方案,取得了很大的成效,對兩岸防洪安全、工農(nóng)業(yè)與生活用水、灘區(qū)群眾安全與生產(chǎn)、交通航運等都產(chǎn)生了積極的作用和深遠(yuǎn)的影響,筆者采用熵組合賦權(quán)法與模糊綜合評判法對其實施影響進(jìn)行評價。

3.1 等級評價矩陣計算

在黃河濮陽段河道整治方案影響評價中,為確定各指標(biāo)對各評價等級的隸屬度,邀請20位專家采用德爾菲法對各指標(biāo)進(jìn)行單因素評價,專家組來自政府部門、水利高校、科研機構(gòu)、工程協(xié)會,將黃河濮陽段河道整治工程實施前后的河段經(jīng)濟(jì)、社會、資源利用的運行相關(guān)資料及影響評價打分表發(fā)給每位專家,匯總各考核專家的評分結(jié)果,由式(2)和式(3)計算得到各評價指標(biāo)的隸屬度，見表2。

表2 各評價指標(biāo)的隸屬度

由表2可得到各主因素指標(biāo)的等級評價矩陣:

3.2 指標(biāo)權(quán)重計算

對各級評價指標(biāo)兩兩進(jìn)行重要性比較,建立模糊互補判斷矩陣。主因素層指標(biāo)模糊互補判斷矩陣P為

子因素層指標(biāo)模糊互補判斷矩陣分別為

由式(6)可得到主因素指標(biāo)評價系統(tǒng)的相容性指標(biāo)I為0.027 4,小于0.1;4個子因素指標(biāo)評價系統(tǒng)的相容性指標(biāo)I分別為0.032 1,0.028 3,0.045 24,0.026 3,均小于0.1,可知得到的各層次評價指標(biāo)的主觀權(quán)重合理。

由式(4)和式(7)分別計算出各級評價指標(biāo)的主觀權(quán)重及客觀權(quán)重,由式(8)根據(jù)最小相對信息熵原理可得到組合權(quán)重值：W=(0.211,0.368,0.342,0.079),W1=(0.458,0.424,0.118),W2=(0.425,0.418,0.157),W3=(0.523,0.319,0.158),W4=(0.482,0.304,0.214)。

3.3 單因素評判

由式(9)及計算得到的各主因素指標(biāo)的等級評價矩陣及各子因素指標(biāo)的權(quán)重可以求得單因素對于各評價等級的隸屬度如下:

B1=W1δR1=(0.458,0.424,0.118)·

(0.663,0.290,0.047,0,0)

B2=W2δR2=(0.425,0.418,0.157)·

(0.298,0.337,0.209,0.078,0.078)

B3=W3δR3=(0.523,0.319,0.158)·

(0,0.471,0.243,0.286,0)

B4=W4δR4=(0.482,0.304,0.214)·

(0.166,0.712,0.122,0,0)

3.4 綜合評判

由式(11)可得最終評語向量C:

C=WδB=(0.211,0.368,0.342,0.079)·

(0.263,0.402,0.179,0.127,0.029)

由c2=max{ci}(1≤i≤5)=0.402,根據(jù)最大隸屬度原則,可判定黃河濮陽段河道整治工程的影響為Ⅱ級(較好)。

4 結(jié) 語

a. 綜合應(yīng)用熵組合權(quán)賦權(quán)法和模糊綜合評判法,建立了河道整治工程影響的評價模型,并構(gòu)建了河道整治工程影響評價層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系,在參考大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上經(jīng)專家指導(dǎo)遴選出評價指標(biāo),評價指標(biāo)體系具有一定的科學(xué)性,該模型計算方法相對簡單,模型分析結(jié)果與工程建設(shè)特點和所處環(huán)境特征基本吻合,表明該評價方法具有較好的科學(xué)性和實用性。

b. 將所建模型用于評價黃河濮陽段河道整治工程,評價結(jié)果表明其實施影響較好,論證了該河道整治工程的合理性,從計算結(jié)果可以看出該整治工程對社會環(huán)境的影響和對合理利用自然資源的影響2個主因素相較其他2個因素要差一些,在今后該河段實施河道整治應(yīng)充分考慮這2個因素。

c. 由于河道整治工程影響評價涉及的評價指標(biāo)較多,在指標(biāo)的選擇方面尚不能全部納入考慮范圍,指標(biāo)體系需要進(jìn)一步完善,這有待于后續(xù)工作的進(jìn)一步開展。

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10.3880/j.issn.1003-9511.2017.01.005

姜志成(1975—),男,工程師,主要從事水利工程后評價研究。E-mail:2949939670@qq.com

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2016-07-29 編輯：方宇彤)