滿堂河河道治理工程整治方案優(yōu)選研究

趙 珊

(沈陽市水利建筑勘測設(shè)計院有限公司，沈陽 110015)

河流是連接自然生態(tài)環(huán)境與水資源系統(tǒng)的重要媒介，直接關(guān)系著水生態(tài)文明建設(shè)與社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，對于河道整治方案的合理評價可為提升城市品味、增強流域競爭力、創(chuàng)造宜居環(huán)境和實現(xiàn)人水和諧等提供重要保障。河道治理工程涉及到的領(lǐng)域廣、參數(shù)多，對其方案的優(yōu)選屬于一個多目標、多要素的復雜問題，其中方案優(yōu)選結(jié)果與權(quán)重系數(shù)的準確計算密切相關(guān)。目前，權(quán)重系數(shù)計算的常用方法有基于差異驅(qū)動理論和功能驅(qū)動理論的賦權(quán)法，前者具有較為完善的理論體系和運算流程，且以客觀環(huán)境為載體獲取初始數(shù)據(jù)信息，然而該方法未考慮決策者的主觀判斷使得評價結(jié)果往往存在較大的偏差；后者體現(xiàn)了評判者的個人偏好與知識結(jié)構(gòu)，這也是導致評價結(jié)果存在偏差的主要原因。為了能夠體現(xiàn)指標信息更加合理的求解權(quán)重值，綜合集成以上方法能夠避免單一方法存在的弊端。目前，涉及綜合權(quán)重計算的現(xiàn)有研究方法存在兩方面不足：其一，對于綜合權(quán)重比重的確定缺乏各類賦權(quán)法的判別依據(jù)；其二，綜合權(quán)重的計算存在計算量大、過程冗長等問題。鑒于此，文章對評價指標權(quán)重利用綜合賦權(quán)法求解，該方法具有客觀性墻、精準度高、運算量少、理論清晰等優(yōu)點，對于治理方案的優(yōu)選分析具有廣泛的應用前景[1-4]。

1 綜合集成賦權(quán)法

1.1 G1序關(guān)系法

主觀賦權(quán)法是以功能驅(qū)動原理和決策者主觀判斷為理論依據(jù)，對各指標權(quán)重系數(shù)按照相對重要程度確定，當前較為常用的方法有G1序關(guān)系法、G2法和AHP法等。較AHP法，G1序關(guān)系法可不必檢驗矩陣一致性，由此大大提升了運算效率和速度，并且不受同一層次中參評指標數(shù)的限制，保證了評價結(jié)果的系統(tǒng)性和客觀性。因此，文章將評估指標主觀權(quán)重系數(shù)利用G1法求解，然后對河道整治方案綜合評估值按照計算的權(quán)重系數(shù)確定。采用G1序關(guān)系法求解指標主觀權(quán)重流程如下：

步驟二：參評因子xi的權(quán)重wi計算。設(shè)wk-1/wk為河道整治方案評價因子xk-1與xk的相對重要度，rk為河流治理領(lǐng)域評判專家的理性判斷，其中k=m,m-1,…,2。Ri值在m較大時可取1，專家理性判斷的參考依據(jù)如表1。

表1 rk參考賦值及含義

采用下述公式求解河道整治方案評價指標權(quán)重wm，即：

(1)

wk-1=rkwk；k=m，m-1,…,2

(2)

步驟三：依據(jù)權(quán)重系數(shù)值確定各參評方案評估值，數(shù)學表達式為：

(3)

式中：bij為不同治理方案中各評價因子數(shù)據(jù)。

1.2 熵值法

客觀賦權(quán)法確定權(quán)重系數(shù)的主要依據(jù)為差異驅(qū)動理論和各參數(shù)包含信息量的大小，該方法考慮了不同指標間的關(guān)聯(lián)特性，能夠克服人為主觀判斷對權(quán)重計算的干擾，保證了治理方案優(yōu)選的客觀性。目前，比較常用的方法有均方差法熵值法、、拉開檔次法和極差法等，文章對不同治理方案的總體評價值和客觀權(quán)重系數(shù)考慮選用熵值法確定。

熵值法求解權(quán)重系數(shù)的重要條件是各項指標提供的數(shù)據(jù)信息量不同，設(shè)第j項指標在第i個決策方案或評價對象中的數(shù)值為xij，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。給定評價因子j，數(shù)值xij的差異越大則用于比較決策方案或參評樣本的作用越高，此參數(shù)能夠傳遞的信息和包含的有效數(shù)據(jù)也越多，在方案決策或目標評價中賦予的權(quán)值越大。評價指標權(quán)重利用熵值法求解的流程如下：

步驟一：因子特征比重的求解，設(shè)評價因子j關(guān)于參評樣本i的特征為pij，其表達式為：

(4)

步驟二：采用公式(5)求解評價指標j的的熵值ej，即：

(5)

步驟三：評價指標xj差異性系數(shù)的計算。給定評價因子j，數(shù)值xij的差異性越低則ej越大，該評價指標能夠比較決策方案的程度越?。环粗?，xij的差異性越高則ej越小，該評價指標能夠比較決策方案的程度越大。采用下述公式確定差異系數(shù)gj，即：

gj=1-ej

(6)

(7)

(8)

1.3 綜合賦權(quán)法

w=αw′+βw″

(9)

根據(jù)公式(9)可知，運用綜合集成賦權(quán)法的核心環(huán)節(jié)是確定待定系數(shù)α和β。單位化約束條件下α與β應滿足關(guān)系式：

α2+β2=1

(10)

整治方案綜合評估目標值ui采用決策分析的加權(quán)法則求解，其數(shù)學計算式為：

(11)

一般情況下，決策方案的優(yōu)劣程度與ui值的大小正相關(guān)，因此盡可能的增大決策方案綜合評價值之和為權(quán)重計算的約束條件，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造的最優(yōu)化模型如下：

(12)

上述最優(yōu)化模型屬于多目標、多因素系統(tǒng)性決策問題，而河道整治方案之間不存在明顯的偏好特征，因此可選用單目標最優(yōu)化模型和加權(quán)線性求和法作等價轉(zhuǎn)換，最優(yōu)化模型可轉(zhuǎn)化為對下式的求解問題：

(13)

模型的求解公式選用Lagrange函數(shù)，通過歸一化處理運算結(jié)果獲取最優(yōu)化單目標模型的理想解α*、β*，計算公式如下：

(14)

(15)

(16)

2 滿堂河整治方案優(yōu)選

滿堂河屬于渾河的一級支流，發(fā)源于上木匠村，流經(jīng)沈陽市渾南區(qū)、沈河區(qū)后于王家灣橡膠壩處匯入渾河，河流全長23.5km，控制面積62.73km2。滿堂河綜合整治工程主要治理沈河段，起點為繞城高速，終點為王家灣橡膠壩，治理段長8.972km，治理目標為綠化河岸、美化環(huán)境、加固護岸、清淤疏通，保證河流的順暢及提升河道的生態(tài)景觀。根據(jù)防洪標準和工程情況，工程設(shè)計標準為10a一遇防洪，現(xiàn)狀滿堂河沈河區(qū)段大部分河道均無法滿足該標準，按照防洪標準要求需要拓寬或加高河道。該工程項目建設(shè)的目是為解決河道淤積，險工及生態(tài)環(huán)境問題，由于河道沿線兩側(cè)堤岸靠近岸邊有大量的房屋、菜地大棚、現(xiàn)有的道路等不允許被占用，應業(yè)主要求項目設(shè)計過程中不考慮防洪標準。樁號17+500—18+731段河道寬度不滿足6m處按6m拓寬，超過6m處按現(xiàn)有河道寬度清淤整形、清除垃圾；14+500-17+500段、18+731-23+472段河道寬度不滿足8m處按8m拓寬，超過8m處按現(xiàn)有河道寬度清淤整形、清除垃圾、護岸整治、河堤的綠化等[5-9]。

河道整治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是合理的選擇護岸形式及河道斷面，考慮河道生態(tài)景觀、農(nóng)田灌溉、城市防洪等功能要求擬定了四個整治方案。①方案Ⅰ：治理河段全部選用干砌石護坡和單槽斷面形式；②方案Ⅱ：治理河段全部選用砂漿砌石護坡，洪水槽與清水槽雙槽斷面形式；③方案Ⅲ：治理河段為中間洪水槽、兩邊清水槽斷面形式，為混凝土護坡；④方案Ⅳ：治理河段下游選用干砌石護坡、單槽方案，治理段中游為漿砌石護坡、中間洪水槽、兩邊清水槽、方案，治理段上游為綜混凝土護坡、雙槽斷面方案。從土地增值效益x6、洪水資源利用率x5、占地面積x4、環(huán)境協(xié)調(diào)性x3、親水性x2、投資成本x1等6個方面評價分析河道整治方案產(chǎn)生的生態(tài)、經(jīng)濟與社會效益，從而確定最優(yōu)方案。

2.1 主、客觀權(quán)重

1)主觀賦權(quán)法。采用專家打分法獲取環(huán)境協(xié)調(diào)性和親水性等定性指標數(shù)值，各河道整治方案中6項指標值計算結(jié)果如表2。

表2 河道治理工程評估指標值

2)客觀賦權(quán)法。采用正向化和無量綱化公式處理表2中各治理工程初始數(shù)值如表3，并以此作為河道整治方案評估樣本值。根據(jù)熵值法運算流程和計算公式(4)-(7)得到客觀權(quán)向量為：w″=(0.077，0.114，0.261，0.006，0.313，0.229)。

表3 河道治理工程各評估指標無量鋼化數(shù)值

2.2 綜合權(quán)重

3 結(jié) 論

1)對滿堂河沈河區(qū)段河道整治方案選用綜合集成賦權(quán)法優(yōu)選，將主客觀權(quán)重法相耦合確定綜合權(quán)重。該方法考慮了初始有效信息且能夠反映評判者的主觀判斷，各方案利用計算的綜合權(quán)重評估具有運算量少、理論清晰等優(yōu)點，最終確定滿堂河沈河區(qū)段最佳整治方案。

2)根據(jù)綜合集成法、主觀與客觀賦權(quán)法確定的河道整治方案優(yōu)劣排序結(jié)果，不同方法的排序結(jié)果存在一定差異，綜合集成法兼顧了單一法的優(yōu)點，使得評價結(jié)果更加合理、準確，在多要素、多目標方案決策和綜合評價中具有較好的應用價值及應用前景。