基于模糊層次分析法的污水壓力管道路線方案比選

陳毅

（莆田市水質(zhì)凈化有限公司，福建莆田 351100）

0 引言

隨著城市開發(fā)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市污水量逐漸增多，污水管道作為城市的“腸道”系統(tǒng)，擔(dān)當(dāng)著城市運(yùn)送排泄物的工作，城市污水管網(wǎng)覆蓋面越來越廣。當(dāng)前污水管道選址建設(shè)過程中著重關(guān)注經(jīng)濟(jì)與技術(shù)情況，忽略建設(shè)過程中對(duì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境的影響，導(dǎo)致工程建設(shè)與社會(huì)發(fā)展不和諧[1-2]。因此，在污水管道建設(shè)過程中科學(xué)、合理地選取路線顯得迫在眉睫。

市政污水管道工程十分復(fù)雜，且污水管道建設(shè)大多位于城區(qū)，要對(duì)市政污水管道工程中的布置路線進(jìn)行分析，需要考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等多種因素，這些因素之間也會(huì)存在或多或少的聯(lián)系。鑒于選線因素權(quán)重分析模型的重要性與市政污水管道工程的復(fù)雜性，本文決定采用模糊層次分析法進(jìn)行因素權(quán)重分析，以莆田市中心城區(qū)城北污水泵站壓力輸送管工程項(xiàng)目為例，將不便量化的社會(huì)、生態(tài)環(huán)境、施工條件與地質(zhì)條件等指標(biāo)與可量化投資經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)相結(jié)合[3-5]，構(gòu)建路線決策指標(biāo)體系，綜合模糊評(píng)價(jià)法與層次分析法的優(yōu)點(diǎn)，通過MATLAB 軟件計(jì)算出各方案的綜合評(píng)分值，最終進(jìn)行方案分析對(duì)比得出最優(yōu)路線。此方法能夠綜合工程建設(shè)過程中各類影響因素，實(shí)現(xiàn)管道路線投資合理、社會(huì)環(huán)境影響小、工程難度進(jìn)度可控，為路線方案的決策提供理論基礎(chǔ)。

圖1 路線比選方案

1 工程路線概況

近年來莆田市不斷推進(jìn)雨污分流改造及新建排水管道管理，市區(qū)原有錯(cuò)排亂排污水得到收集，內(nèi)河水環(huán)境得到極大改善，伴隨而來的是市區(qū)污水主干管水流量劇增，莆田市中心城區(qū)城北污水泵站壓力輸送管工程項(xiàng)目旨在提升中心城區(qū)污水輸送能力，有效緩解城區(qū)污水排放高峰期污水泵站工作負(fù)荷，解決原重力流污水輸送管線高峰期部分溢流問題。

方案一：壓力管線沿荔園路—白塘路—污水處理廠，線路全長約5 400m，中途穿越9 次河道，沿線途經(jīng)城市主干道輔道生態(tài)環(huán)境一般，人類活動(dòng)密集，現(xiàn)場場地開闊，管道線形順暢。

方案二：壓力管線沿荔園路—城涵河道—污水處理廠，線路全長約3 900 m，中途穿越5 次河道，沿線途經(jīng)城市河道園林景觀步道生態(tài)環(huán)境豐富，人類活動(dòng)一般，場地狹小，地下淤泥層展布，地質(zhì)條件差，管道線形曲折。

2 模糊層次分析模型建立

2.1 構(gòu)建模糊互補(bǔ)判斷矩陣

采用模糊層次分析法的時(shí)候，一般采用某個(gè)因素對(duì)比其它因素的相對(duì)重要性來對(duì)2 個(gè)因素進(jìn)行重要性的定量判斷，將各因素兩兩進(jìn)行對(duì)比得到矩陣 A=(aij)n×n，并判斷其是否具有以下兩種性質(zhì)：

1）0

2）aij+aij=1(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)。

如果矩陣滿足以上性質(zhì)要求，那就稱這個(gè)矩陣為模糊互補(bǔ)判斷矩陣。為了定量描述各指標(biāo)的重要程度，使用0.1—0.9 標(biāo)度法來標(biāo)定指標(biāo)之間的相對(duì)重要程度［6］，其標(biāo)度含義見表1。

表1 模糊互補(bǔ)判斷矩陣的數(shù)量標(biāo)度含義

以上面的數(shù)字為標(biāo)度依據(jù)，對(duì)a1,…,an等因素進(jìn)行對(duì)比取值，得到模糊互補(bǔ)矩陣如式（1）所示：

2.2 判斷矩陣權(quán)重確定

對(duì)模糊判斷矩陣A 按行求和：

進(jìn)行數(shù)學(xué)代換：

乍一聽“頭腦”的名稱，我還以為是用“筋頭巴腦”為主要食材做的燉菜，結(jié)果親口品嘗時(shí)才發(fā)現(xiàn)，“頭腦”是一道沒有半點(diǎn)筋頭巴腦的滋補(bǔ)湯！——我犯了典型的“顧名思義”錯(cuò)誤！太原古城擁有燦爛的飲食文化，而“頭腦”便是古城久負(fù)盛名的一道獨(dú)特美食。

可以求得一致性矩陣R=(rij)n×n，由矩陣 R 采用行和歸一化方法求出排序向量，W=(W1,W2,…,Wn)T,其中 W 向量滿足：

2.3 模糊互補(bǔ)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

為驗(yàn)證權(quán)重值設(shè)置的合理性，可通過檢驗(yàn)權(quán)重判斷矩陣是否具有滿意的一致性來實(shí)現(xiàn)。某層級(jí)識(shí)別出較多的風(fēng)險(xiǎn)因素時(shí)，根據(jù)專家評(píng)議信息建立的模糊互補(bǔ)判斷矩陣會(huì)影響一致性的判定，需要再次進(jìn)行判斷，直至符合一致性檢驗(yàn)要求。本文對(duì)一致性的檢驗(yàn)主要是采取檢驗(yàn)?zāi)：袛嗑仃嚺c其特征矩陣是否相容來實(shí)現(xiàn)的[7-8]。

對(duì)于決策者的態(tài)度α，當(dāng)相容性指標(biāo)I（A,W?)≤α，則認(rèn)為符合一致性要求。α 的取值越小，說明項(xiàng)目決策者對(duì)一致性的要求越高，無特殊情況下常取α=0.1。

3 項(xiàng)目路線比選分析

3.1 綜合評(píng)價(jià)體系建立

本次研究采用定性與定量兩類指標(biāo)，并充分考慮項(xiàng)目為市政基礎(chǔ)設(shè)施的公益性，主要鋪設(shè)于城區(qū)人類活動(dòng)程度較高地區(qū)，沿途路線河網(wǎng)密集等工程實(shí)際特點(diǎn)，選取經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)環(huán)境、工程影響等三大類評(píng)價(jià)指標(biāo)（表2），避免指標(biāo)體系主觀性過強(qiáng)，考慮項(xiàng)目的社會(huì)環(huán)境影響，討論了項(xiàng)目施工技術(shù)條件影響，實(shí)現(xiàn)路線選取經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)的平衡。

表2 路線綜合評(píng)價(jià)體系指標(biāo)表

3.2 路線方案比選

3.2.1 指標(biāo)賦值

根據(jù)路線方案比選評(píng)價(jià)體系，對(duì)方案一與方案二的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行定量分析，對(duì)社會(huì)環(huán)境與工程影響指標(biāo)進(jìn)行專家打分，分值范圍為0～1，分值高表明該方案本項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)。兩種方案的指標(biāo)賦值如表3 所示。

表3 路線綜合評(píng)價(jià)體系賦值表

表4 路線綜合評(píng)估表

3.2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

對(duì)選取的污水管道路線評(píng)價(jià)因素進(jìn)行對(duì)比分析，并構(gòu)建判斷矩陣，一致性檢驗(yàn)。由于指標(biāo)較多、計(jì)算量大，本文通過MATLAB 軟件快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)矩陣的計(jì)算與一致性檢驗(yàn)[9-10]，過程結(jié)果如下：

2）子目標(biāo)層-指標(biāo)層普安段矩陣，計(jì)算過程同同目標(biāo)層－子目標(biāo)層判斷矩陣相同。

權(quán)重向量w1=（0.383 0.317 0.300），相容性指標(biāo) I（B1,w1?)=0.0618，<0.1；權(quán)重向量w2=（0.55 0.45），相容性指標(biāo)I（B2,w2?)=0.025，＜0.1；權(quán)重向量w3=（0.60 0.40），相容性指標(biāo) I（B3,w3?)=0.05，＜0.1；故B1、B2、B3是滿意一致的，權(quán)重均分配合理。綜合以上得出指標(biāo)層權(quán)重值總排序（表5）。

表5 指標(biāo)層權(quán)重值總排序

根據(jù)表5 可知，本次路線方案對(duì)比分析中目標(biāo)層權(quán)重最大的為經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)0.383，指標(biāo)層中權(quán)重最大的為施工條件與難易程度0.180。

3.2.3 方案比選應(yīng)用

將兩種路線方案評(píng)估表與指標(biāo)層權(quán)重值總排序表進(jìn)行模糊分析，得到兩種方案的分值如表6。

表6 方案對(duì)比分析評(píng)分表

經(jīng)計(jì)算得出方案一綜合評(píng)分0.48425，方案二綜合評(píng)分0.51575，以分值大為較優(yōu)方案為判斷標(biāo)準(zhǔn)，本次污水管道路線選取方案二，能充分平衡經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)環(huán)境、工程影響等因素。

4 結(jié)論

本文基于模糊層次分析法，結(jié)合莆田市中心城區(qū)城北污水泵站壓力輸送管工程投資效益、社會(huì)環(huán)境、施工條件等因素，選取經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)環(huán)境影響、工程影響三大指標(biāo)，并對(duì)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)中的管道長度、穿越河道次數(shù)、水流轉(zhuǎn)角等三指標(biāo)進(jìn)行定量分析，對(duì)社會(huì)環(huán)境影響、工程影響指標(biāo)中的社會(huì)影響、生態(tài)環(huán)境影響、施工條件及難易程度、地質(zhì)條件等指標(biāo)進(jìn)行定性分析，對(duì)項(xiàng)目路線的兩種方案進(jìn)行分析對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1）本次路線方案對(duì)比分析中目標(biāo)層權(quán)重最大的為經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，是影響污水管道路線的首要因素。指標(biāo)層中權(quán)重最大的為施工條件與難易程度，對(duì)影響污水管道路線布置影響最大；

2）經(jīng)綜合評(píng)分后得出方案二評(píng)分高于方案一，即方案二為項(xiàng)目最終走向方案。經(jīng)評(píng)估分析后的方案路線與項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件中推薦選用的路線一致；

3）應(yīng)用模糊層次分析法對(duì)污水管道路線進(jìn)行比選，通過定量分析與定性分析的綜合評(píng)分比較，有效避免評(píng)價(jià)過度主觀化，并將評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)化，讓決策者能夠更加直觀地進(jìn)行線路方案選取。