基于層次分析法的太湖水環(huán)境治理技術效果綜合評估

張 巖，徐凌云，史云鵬

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

1 引言

太湖位于長江三角洲的南緣，是我國第三大淡水湖泊，太湖以其優(yōu)越的地理位置和自然地理環(huán)境為經濟社會發(fā)展提供了便利的條件，對維持長江下游的生態(tài)環(huán)境起著重要的作用。隨著太湖流域社會經濟繼續(xù)保持高速發(fā)展，用水量和排污量不斷增加，太湖水污染狀況不斷惡化，太湖水質污染主要體現為有機物污染，富營養(yǎng)化嚴重。在進入21世紀后，為了控制太湖富營養(yǎng)化和藍藻爆發(fā)，通過采取綜合性的治理措施，取得了較好的效果，藍藻爆發(fā)程度減輕，爆發(fā)面積減少。

目前用于治理太湖水污染治理的技術可以分為點源污染治理技術、非點源污染治理技術、水體污染治理技術和底泥污染治理技術。不同類型技術的選用會影響到太流域不同水質條件下的水環(huán)境治理效果、運行費用、技術的可靠度、運行方式的便捷性、投資規(guī)模、占地面積和能耗等因素。這些是評估太湖水環(huán)境治理的效果的關鍵，但這些因素很難進行定性和定量的判斷，這為太湖水環(huán)境治理技術的選擇帶來了一定的難度。為了能夠更好地指導太湖水環(huán)境治理，選用合理的技術，本研究運用層次分析法構建4層3子系統(tǒng)15個指標18種技術方案的綜合評價體系從經濟效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益等角度對18種技術方案進行綜合評價。選取經濟效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益最優(yōu)的技術方案，為太湖水污染治理提供方法依據和理論參考。

2 層次分析法基本原理

層次分析法(The Analytic Hierarchy Process, AHP)是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于20世紀70年代初提出的，該方法是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。AHP根據不同層次結構的評估指標的相對重要程度層層分解，具有層次性，可以將復雜的問題簡單化，實現對非定量的事件進行定量分析，實現定量與定性相結合[1]。目前AHP已經應用于環(huán)境質量評價[2]、水環(huán)境治理效果評估[3,4]和安全評估[5]中得到了廣泛的應用。

層次分析法首先應建立評價層次結構模型，梳理評價要素，對評估體系中的評價要素進行關系、邏輯和重要性分層排列，構建一個具有層次的結構模型。層次分析法將評估模型分為三個層次，目標層、準則層和方案層，其中準則層可以分為多層；其次是構建判斷矩陣，判斷矩陣是將定性的問題進行定量化的過程，通過確定不同要素對目標的影響權重進行確定；再次是一致性檢驗分析，對于每一個成對比較陣計算最大特征根及對應特征向量，利用一致性指標、隨機一致性指標和一致性比率做一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量(歸一化后)即為權向量；若不通過，需重新構造成對比較。最后做出綜合評估。

3 基于層次分析法的方案評價

3.1 技術方案評價

依據國內外目前應用比較廣泛的湖泊治理技術，按照治理技術的面向對象的不同，將這些技術分為4大類[1]，共18種：點源污染治理技術、面源污染治理技術、水體污染治理技術和底泥污染治理技術。點源污染治理技術包括管網優(yōu)化運行技術[6]、管網漏排水診斷技術[7]、管網漏溢流污水阻控技術[8]、分散點源污染河岸帶阻控技術、污水廠再生水深度處理技術[9]等；面源污染治理技術包括調蓄池技術[10]、下凹式綠地調蓄和凈化技術[11]、人工濕地處理技術[12]、生態(tài)護岸技術[13]、梯級生態(tài)阻控技術[14]等；水體污染治理技術包括人工曝氣復氧技術[15]、生態(tài)浮床(浮島)技術[16]、生物制劑原位凈化技術[17]、封閉和半封閉河道控藻技術[18]、外源優(yōu)化調水技術[19]等；底泥污染治理技術包括底泥生態(tài)疏浚技術[20]、底泥原位覆蓋和污染控釋技術[17, 21]和底泥生物修復技術等技術。

根據每種技術產生的經濟效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益，對各種技術進行評價。經濟效益考慮投資成本、運營成本、占地面積、沿岸土地增值率和工程完工率；環(huán)境生態(tài)效益考慮污染物凈化率、植被覆蓋率、人為干擾度、景觀多樣性指數、魚類多度和浮游生物密度等；社會效益考慮居民居住環(huán)境滿意度、休閑游憩滿意度、環(huán)境管理水平和周邊文體設施使用度等。根據國內外相關經驗和專家意見，將評價指標分為5個等級，評價標準如表1所示，根據評價標準，使用層次分析法確定每種環(huán)境治理技術的指標得分如表2所示。

表1 治理措施指標評價標準

表2 治理措施評價

3.2 層次指標體系的構建

3.2.1 明確目標問題

根據太湖流域的環(huán)境、經濟和社會情況，設立不同的優(yōu)先級，確定以下目標：①生態(tài)環(huán)境效益優(yōu)先、經濟效益次之、社會效益最低(A1)；②經濟效益優(yōu)先、生態(tài)環(huán)境效益次之、社會效益最低(A2)；③社會效益優(yōu)先、經濟效益次之、生態(tài)環(huán)境效益最低(A3)。

3.2.2 層次結構建立

根據確定的目標問題提出的綜合效益，構建以經濟效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益為準則層，15項指標為評價指標層，18項治理技術為方案層的4層次的結構模型，如圖1所示。第一層為目標層A，綜合效益最大；第二層為準則層，共3項準則P1、P2和P3，并且準則層的3個要素與目標層有關系，屬于目標決策層。第三層指標層M，共有15項指標M1-M15，P1與下層M1-M5有關；P2與下層M6-M11有關；P3與下層M12-M15有關。第四層為方案層S，包括點源污染治理技術、非點源污染治理技術、水體污染治理技術和底泥污染治理技術4大類18種技術方案，各技術方案均與各指標有關，每種技術方案都與各指標有關，每種治理技術方案根據指標層選項獲得目標條件下的權重關系。

3.3 構建判斷矩陣

在構建了層次模型的基礎上構建判斷矩陣。判斷矩陣主要表示每一層上各要素相對上層某要素的相對重要程度，以數字1～9作為表述這類同時比較某種屬性差異的判斷的標度尺度。構建判斷矩陣如下[22]：

(1)

圖1 太湖水環(huán)境治理技術綜合評價體系

在矩陣中，若μi與μj同等重要，則μij=1；若μi比μj稍微重要，則μij=3；若μi比μj明顯重要，則μij=5；若μi比μj非常重要，則μij=7；若μi比μj極端重要，則μij=9；μij=2,4,6,8分別表示相鄰判斷1～3,3～5,5～7,7～9的中值；μji=1/μij；根據目標層的3個目標特征，可得A-P的判斷矩陣，以生態(tài)環(huán)境效益優(yōu)先P2、經濟效益次之P1、社會效益P3最低目標為例，構建判斷矩陣見表3。以此方法可以建立P-M和M-S的判斷矩陣。

表3 判斷矩陣A1-P

3.4 層次排序及檢驗

3.4.1 重要性排序

根據判斷矩陣計算最大特征值和對應特征向量。通過計算，得出A1-P判斷矩陣的最大特征值λmax=3.0649，對應特征向量為W1=(0.1498,0.7654,0.0848)T。

3.4.2 一致性檢驗

一致性檢驗公式CR=CI/RI，其中CI=(λmax-n)(n-1)，λmax為判斷矩陣的最大特征值，n為判斷矩陣的維數。RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，取值根據洪志國等[23]計算的結果為參考，如表4所示。一般認為CR<0.10時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性[22, 24]。當在本研究中，n=3，所以選定RI=0.52，根據λmax和n確定的CR=0.0624<0.10，說明權重的分配是合理的。根據此方法，將判斷矩陣進行重要性排序和一致性檢驗，確定其權重。

表4 平均隨機一致性指標

3.5 層次分析綜合評價

根據構建的判斷矩陣A-P、P-M、M-S以及求得的權重值，計算每種治理技術的綜合權重WA-S，根據WA-S的大小對不同技術對不同目標的適宜性進行排序。WA-S計算公式如下[3]：

(2)

根據以上公式，在3種不同目標條件下，計算18種治理技術的權重值，結果如表5所示。在目標A1的情況下，權重值前5的治理技術分別為人工曝氣復氧技術、人工濕地處理技術、生態(tài)浮床技術、生物制劑原位凈化技術、生態(tài)護岸技術，其中人工曝氣復氧技術、生態(tài)浮床技術和生物制劑原位凈化技術為水體污染治理技術，人工濕地處理技術和生態(tài)護岸技術為面源污染治理技術，由此可見，在以生態(tài)環(huán)境效益優(yōu)先，經濟效益次之的目標條件下，水體污染治理技術和面源技術更容易達到目標要求。在目標A2的情況下，權重值前5的治理技術分別為人工曝氣復氧技術、生物制劑原位凈化、底泥原位覆蓋和污染控釋技術、生態(tài)浮床技術和底泥生態(tài)疏浚技術，其中人工曝氣復氧技術、生物制劑原位凈化和生態(tài)浮床技術為水體治理技術，底泥原位覆蓋和污染控釋技術和底泥生態(tài)疏浚技術為底泥污染治理技術，由此可知，在以經濟效益優(yōu)先、生態(tài)環(huán)境效益次之為目標的情況下，水體污染治理技術和底泥污染治理技術更容易達到目標要求。在目標A3的情況下，權重值前5的治理技術分別為生態(tài)浮床技術、生態(tài)護岸技術、下凹式綠地蓄水和凈化技術、人工濕地處理技術和梯級生態(tài)阻控技術，在這5種治理技術，生態(tài)浮床技術屬于水體污染治理技術，其他的4種治理技術均為面源污染治理技術，由此可見，在以社會效益優(yōu)先、經濟效益次之為目標條件下，面源污染治理技術更容易達到目標要求。

表5 不同目標下治理的權重值

4 結語

本研究使用層次分析法構建了一套具有4層15個指標18種治理技術方案的太湖水環(huán)境治理技術綜合評估體系，對18種處理技術對應的15指標進行打分，根據每一層確定的權重，分別從生態(tài)環(huán)境效益優(yōu)先、經濟效益優(yōu)先和社會效益優(yōu)先的角度，對18種治理技術進行評估，得出太湖在不同目標條件下，最適合的水環(huán)境治理方案，在生態(tài)效益優(yōu)先時，人工曝氣復氧技術和人工濕地技術最優(yōu)，在經濟效益優(yōu)先時，人工曝氣復氧技術和生物制劑原位凈化技術最優(yōu)，物理和化學處理技術較為可靠；在社會效益優(yōu)先時，生態(tài)浮床技術和生態(tài)護岸技術最優(yōu)，公眾和政府對景觀性要求更高。從評價結果來看，技術方案評價合理，可為太湖水環(huán)境治理決策提供可靠的科學依據，對水環(huán)境的管理和決策具有重要的意義。