基于AHP的Yaahp軟件實現(xiàn)農(nóng)村污水處理技術(shù)優(yōu)選的實證研究

郜 彗，沈喻穎 ，劉明華，李婷婷

(1.信陽師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，河南 信陽 464000；2.信陽市環(huán)境監(jiān)測站,河南 信陽 464000)

0 引言

近年來，農(nóng)村生活污水排放量持續(xù)增加,而大部分村莊沒有污水收集和處理系統(tǒng)，導(dǎo)致農(nóng)村水環(huán)境問題突出，生活污水處理已然成為農(nóng)村環(huán)境綜合整治的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1].農(nóng)村生活污水分散、水質(zhì)水量波動大和有機(jī)物含量高等特征，決定了農(nóng)村污水處理不能簡單效仿城市模式.當(dāng)前，我國農(nóng)村污水處理方案的遴選，主要通過技術(shù)比較和方案設(shè)計人員的個人經(jīng)驗，尚未形成一整套工藝選擇的評判方法，因此，存在較大的主觀隨意性[2].

農(nóng)村污水處理技術(shù)的選擇涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理、環(huán)境等諸多因素，已有研究表明，層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP)為遴選農(nóng)村污水處理技術(shù)這一復(fù)雜決策問題提供了簡便的評價和決策思路[3].然而，當(dāng)遇到指標(biāo)層次和數(shù)量較多的實際問題時，傳統(tǒng)的層次分析法具有不易構(gòu)造判斷矩陣、計算過程易出錯、一致性調(diào)整煩瑣等不足基于層次分析法的Yaahp(yetanother AHP)軟件為實現(xiàn)該方法的自動化和可視化操作提供了基礎(chǔ)，提高了工作效率.該軟件已經(jīng)被廣泛用于土地管理[4]、安全風(fēng)險評估[5]、工程方案決策[6]等領(lǐng)域，收到了滿意的效果. 本文嘗試運(yùn)用此軟件構(gòu)建農(nóng)村生活污水處理技術(shù)選擇和評價的模型，從而為農(nóng)村水環(huán)境污染控制方案的優(yōu)化選擇提供決策科學(xué)依據(jù).

1 生活污水處理技術(shù)篩選理論框架和方法

1.1 農(nóng)村生活污水處理關(guān)鍵技術(shù)篩選理論框架

農(nóng)村污水處理關(guān)鍵技術(shù)選擇受到農(nóng)村社會、經(jīng)濟(jì)和自然等條件的綜合影響(圖1).首先，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平一定程度上制約了生活污水處理工程的成本和投入；其次，居民的生活觀念、生活習(xí)慣、家庭結(jié)構(gòu)等影響了污水排放的水質(zhì)和水量，繼而影響工程技術(shù)的設(shè)計規(guī)模和工藝參數(shù)；再次，村落的環(huán)境敏感度決定了污水的排放標(biāo)準(zhǔn)要求和處理復(fù)雜程度，同時當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件(如降雨和氣溫等)也會影響系統(tǒng)的日常運(yùn)行效果.此外，一些地方政府部門出臺了相關(guān)規(guī)章制度和衛(wèi)生補(bǔ)貼政策，通過宣傳和培訓(xùn)等方式來提高農(nóng)民的環(huán)境保護(hù)意識，但這些管理措施的覆蓋率和實施率還不足以滿足農(nóng)村污水處理項目的需要.

圖1 農(nóng)村污水處理技術(shù)篩選自然-社會-經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)分析框架Fig. 1 Analysis framework of rural sewage treatment technology screening based on nature -social-economic complex system theory

圖2 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)篩選的層次模型結(jié)構(gòu)Fig. 2 Analytical hierarchy process model of rural sewage treatment technology selection

綜上所述，在農(nóng)村社會、經(jīng)濟(jì)、自然這三個子系統(tǒng)及其相互作用下，農(nóng)村生活污水處理將是一項復(fù)雜的工程，需綜合考慮多方面因素.在農(nóng)村生活污水處理技術(shù)篩選自然—社會—經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)分析框架指導(dǎo)下，以及參考已有研究文獻(xiàn)[7].本論文構(gòu)建了農(nóng)村生活污水處理關(guān)鍵技術(shù)篩選的層次模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示.生活污水處理關(guān)鍵技術(shù)選擇考慮技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境因素和管理要求四個方面，具體可以從有機(jī)物處理效果、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和選址條件等11個指標(biāo)來著手.

1.2 基于AHP的Yaahp軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

層次分析法該方法是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的層次化分析方法，現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)管理規(guī)劃、能源開發(fā)利用、城市產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、科研管理以及交通運(yùn)輸?shù)确矫鎇8].Yaahp11.1軟件基于層次分析法的原理，提供方便的層次模型構(gòu)造、判斷矩陣數(shù)據(jù)錄入、排序權(quán)重計算、計算數(shù)據(jù)導(dǎo)出及靈敏度分析等功能.Yaahp11.1是一種可視化建模與計算軟件，該軟件判斷矩陣值的輸入可以選用數(shù)字標(biāo)度形式和文字描述形式.能夠簡便快捷地進(jìn)行矩陣一致性判斷，迅速得到權(quán)重向量，而且能夠?qū)ε袛嗑仃囘M(jìn)行一定范圍的自主修改[4]，節(jié)省了大量的矩陣計算步驟及時間.此外，通過Yaahp11.1軟件的靈敏度分析功能，還可以定量分析指標(biāo)權(quán)重變化對決策方案結(jié)果的影響.

一致性檢驗一致性檢驗可以保證層次單排序及總排序的可信性，當(dāng)隨機(jī)一致性比率CR≥0.1時，需要對判斷矩陣作適當(dāng)修正.由于人的主觀性以及客觀事物的復(fù)雜性，在實際決策問題中，很難實現(xiàn)一次就構(gòu)造出滿足一致性要求的判斷矩陣，需要對判斷矩陣進(jìn)行多次調(diào)整修正，才能滿足一致性的要求.Yaahp不僅提供了實時一致性比例計算功能，幫助用戶對不一致判斷矩陣進(jìn)行人工調(diào)整，而且還具備了對不一致判斷矩陣自動修正功能，避免人工調(diào)整判斷矩陣過程中出現(xiàn)的盲目性.該功能在最大程度保留專家決策數(shù)據(jù)的前提下，考慮人們決策時的心理因素，標(biāo)記出需要修正的判斷矩陣，自動完成判斷矩陣的修正，使之滿足一致性比例.

靈敏度分析利用Yaahp 提供的靈敏度分析功能，能夠動態(tài)地觀察要素權(quán)重變化對備選方案權(quán)重的影響，還可以查看某個要素權(quán)重從0 到1變化時備選方案權(quán)重的變化曲線.

2 農(nóng)村人居生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)篩選實證

2.1 研究區(qū)域概況

本文選擇在氣候條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平方面具有梯度差異的3個案例村開展實證研究，分別是北京市門頭溝區(qū)S村、河南省信陽市H村和吉林省農(nóng)安縣W村.

S村位于北京市門頭溝區(qū)，距離門頭溝城區(qū)10 km.全村262 戶，總?cè)丝?63 人，村域面積2.3 km2.永定河從村子北部穿過，排水水質(zhì)要求高.村內(nèi)給排水管網(wǎng)齊備，基本農(nóng)田少，農(nóng)業(yè)資源以林果為主，主要發(fā)展旅游和觀光農(nóng)業(yè)，2016年人均可支配收入13 000元，該村經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)條件較優(yōu)越.

H村位于河南省信陽市，屬山林地區(qū).全村504戶，總?cè)丝?100人.全村面積7.1 km2，其中耕地面積126 hm2，山林面積867 hm2，水域面積25.3 hm2.H村順地勢建設(shè)自然溝渠，攔水筑壩，溝渠水最終匯入村內(nèi)池塘.該村經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)條件中等，2016年人均可支配收入為8340 元.

W村隸屬于吉林省農(nóng)安縣，全村面積8.51 km2，總?cè)丝?315 人.W村以傳統(tǒng)的農(nóng)耕作物為主，村集體收入少，建設(shè)資金匱乏，基礎(chǔ)設(shè)施不配套.2016年人均可支配收入5120 元，經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)薄弱.

2.2 數(shù)據(jù)來源與計算

依據(jù)《農(nóng)村生活污水處理技術(shù)指南(東北、華北、西北)》和《農(nóng)村生活污水處理項目建設(shè)與投資技術(shù)指南》，由于3個案例村均位于中國北方，依據(jù)案例村的氣候、經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境特點(diǎn)，同時考慮到每種農(nóng)村污水處理技術(shù)的費(fèi)用、預(yù)期達(dá)到的處理效果等因素，案例村生活污水處理可以選用的技術(shù)有化糞池、人工濕地、穩(wěn)定塘、生物接觸氧化池和土地滲濾5種.

按照層次分析方法的原理，本研究的層次結(jié)構(gòu)模型包括目標(biāo)層(最高層)、準(zhǔn)則層(中間層)、指標(biāo)層(中間層)和方案層(最底層)(見圖2)，利用方案層5種污水處理技術(shù)的權(quán)重大小來表征其優(yōu)先選擇順序.準(zhǔn)則層和目標(biāo)層數(shù)據(jù)主要通過參考已有文獻(xiàn)[9-11]、現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)及室內(nèi)實驗結(jié)果，邀請20位農(nóng)村環(huán)境整治與生態(tài)修復(fù)方面的專家，采用1～9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法進(jìn)行兩兩指標(biāo)間的相對比較，通過編制專家調(diào)查表對各指標(biāo)進(jìn)行賦值，獲得各指標(biāo)的權(quán)重.由于層次結(jié)構(gòu)評價決策指標(biāo)較復(fù)雜，需要錄入的判斷矩陣較多(3個案例村共計48個).本研究只列舉了主要的具有代表性的目標(biāo)層—準(zhǔn)則層錄入矩陣截圖(圖3)、判斷矩陣的結(jié)果導(dǎo)出表格(表1、表2、表3)以及11個二級指標(biāo)的權(quán)重(表4)，其他截圖及判斷矩陣結(jié)果導(dǎo)出表格省略.

圖3 Yaahp軟件中目標(biāo)層—準(zhǔn)則層判斷矩陣錄入Fig. 3 The entry of target layer-criterion layer judgment matrix in Yaahp software for village

表1 S村生活污水處理技術(shù)準(zhǔn)則層判斷矩陣結(jié)果Tab. 1 The judgment matrix of criterion layer for village S

注：一致性比例(CR)：0.0976; 對“S村生活污水處理技術(shù)A”的權(quán)重：1.0000; λmax：4.2606

表2 H村生活污水處理技術(shù)準(zhǔn)則層判斷矩陣結(jié)果Tab. 2 The judgment matrix of criterion layer for village H

注：一致性比例(CR)：0.0984; 對“H村生活污水處理技術(shù)A”的權(quán)重：1.0000; λmax：5.1324

表3 W村生活污水處理技術(shù)準(zhǔn)則層判斷矩陣結(jié)果Tab. 3 The judgment matrix of criterion layer for village W

注：一致性比例：0.0442; 對“W村生活污水處理技術(shù)A”的權(quán)重：1.0000;λmax：4.1179

2.3 結(jié)果與分析

Yaahp軟件中11個二級指標(biāo)的權(quán)重見表4.由表4可以看出，S村二級指標(biāo)中“成熟性及可靠性”權(quán)重最高，其次是“占地面積”和“脫氮除磷效果”，S村永定河水環(huán)境保護(hù)的要求以及良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，使其對污水處理的技術(shù)性能更側(cè)重；H村和W村則是“運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用”權(quán)重最大，由于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)所限，所以更關(guān)注污水處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用.

表4 Yaahp軟件中11個二級指標(biāo)的權(quán)重Tab. 4 The weight of 11 secondary indexes in Yaahp software

表5 三個案例村污水處理技術(shù)選擇最終結(jié)果Tab. 5 The final result of sewage treatment technology decisions for three typical case villages

Yaahp軟件輔助下，案例村污水處理技術(shù)權(quán)重結(jié)果的計算見表5.由表5可以得出，S村生活污水處理技術(shù)的前兩位是生物接觸氧化池(0.3913)和人工濕地(0.2575)，土地滲濾、穩(wěn)定塘和化糞池分別排在后三位；H村生活污水處理優(yōu)先選擇穩(wěn)定塘(0.3978)和人工濕地(0.2434)技術(shù)；W村則應(yīng)首選土地滲濾技術(shù)(0.3691)，其次是穩(wěn)定塘(0.2438).

通過靈敏度分析，能夠確定某個要素權(quán)重發(fā)生變化時，對各個備選方案權(quán)重產(chǎn)生的影響，從而引導(dǎo)用戶在更高的層次做出決策.表 1、表2、表3可見，S村技術(shù)性能指標(biāo)權(quán)重值較高，占主要地位，而H村和W村都是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)權(quán)重值最高，3個案例村分別只對這 2個指標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析.圖4為軟件中靈敏度分析的截圖，圖中橫軸表示選中要素的權(quán)重，縱軸表示備選方案對選定決策目標(biāo)的權(quán)重.由圖4可見，隨著技術(shù)性能權(quán)重的變化，S村五種污水處理技術(shù)權(quán)重直線并未相交，最佳技術(shù)方案也沒有發(fā)生變化.隨經(jīng)濟(jì)指標(biāo)權(quán)重的變化，H村穩(wěn)定塘權(quán)重直線和人工濕地權(quán)重直線始終處于前兩位，并且不相交，說明H村位于前兩位的最佳技術(shù)方案沒有變化，當(dāng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)權(quán)重為0.36和0.51時，生物接觸氧化池權(quán)重直線分別與土地滲濾權(quán)重直線、化糞池權(quán)重直線相交，表示這兩種處理技術(shù)順序有調(diào)整.W村污水處理前兩位的最佳技術(shù)方案也沒有發(fā)生變化，只是在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)權(quán)重為0.14和0.48時，排在后三位的污水處理技術(shù)的順序有變化，即化糞池權(quán)重直線與生物接觸氧化池權(quán)重直線和人工濕地權(quán)重直線分別有交點(diǎn).

圖4 S 村、H村和W村污水處理技術(shù)靈敏度分析結(jié)果Fig. 4 The sensitivity analysis result of sewage treatment technology decisions for village S，H，W

3 討論

優(yōu)化農(nóng)村人居環(huán)境、改善農(nóng)民生活質(zhì)量是我國生態(tài)文明建設(shè)和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要內(nèi)容.本文結(jié)合北方三個案例村的地理、氣候、經(jīng)濟(jì)、人文等因素，構(gòu)建了基于復(fù)合生態(tài)理論的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)篩選的框架體系，確定了技術(shù)篩選時采用的具體準(zhǔn)則與評價指標(biāo).本文采用Yaahp軟件輔助下的層次分析法對生活污水處理技術(shù)進(jìn)行排序和遴選，發(fā)現(xiàn)適合S村的生活污水處理模式為生物接觸氧化池，適合H村的技術(shù)為穩(wěn)定塘，適合W村的技術(shù)為土地滲濾.S村經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)好，對出水水質(zhì)要求高，在實際操作中可以利用生物接觸氧化與人工濕地組合工藝，崔鵬[12]在農(nóng)村污水處理實驗研究中表明生物接觸氧化反應(yīng)器大大減小了進(jìn)入人工濕地的污染負(fù)荷，降低人工濕地堵塞的可能性，人工濕地進(jìn)一步提高了氮磷去除的效果，使得出水滿足要求；H村在現(xiàn)有溝渠和荷花塘的基礎(chǔ)上發(fā)展“預(yù)處理+兼性塘+好氧塘”污水處理穩(wěn)定塘組合系統(tǒng)，已有研究表明穩(wěn)定塘組合系統(tǒng)可以使BOD去除率達(dá)到80%以上，該系統(tǒng)具有充分利用地形、基建投資省、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低以及有機(jī)物和病原體處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[13].土地滲濾處理技術(shù)利用土壤—微生物—植物系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物作用達(dá)到污水處理的效果，考慮到W村冬季低溫的氣候特點(diǎn)，可以選擇土壤地下滲濾系統(tǒng).土壤地下滲濾系統(tǒng)布水設(shè)施埋于地下，不影響地面景觀，受天氣影響小[14].中科院沈陽研究表明，北方農(nóng)村利用地下土壤滲濾法處理生活污水不僅可行而且可以作為中水進(jìn)行回用[15].

4 結(jié)論

基于Yaahp軟件的層次分析法較好地完成了技術(shù)篩選工作，且簡易實用、效果良好，所遴選的技術(shù)比較符合各個案例村的實際，這為農(nóng)村地區(qū)生活污水處理模式的選擇提供了方法.本研究僅對農(nóng)村污水處理關(guān)鍵技術(shù)選擇做了初步的嘗試，今后還有待在技術(shù)遴選輔助決策系統(tǒng)開發(fā)和技術(shù)集成整合方法等方面做進(jìn)一步完善和深入研究.

致謝:對參與評分問卷調(diào)查的專家、學(xué)者一并感謝!