基于層次分析法的太湖水環(huán)境治理技術(shù)效果綜合評估

張 巖，徐凌云，史云鵬

(上海勘測設(shè)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(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)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(zhì)污染主要體現(xiàn)為有機(jī)物污染，富營養(yǎng)化嚴(yán)重。在進(jìn)入21世紀(jì)后，為了控制太湖富營養(yǎng)化和藍(lán)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(lán)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(shù)可以分為點(diǎn)源污染治理技術(shù)、非點(diǎn)源污染治理技術(shù)、水體污染治理技術(shù)和底泥污染治理技術(shù)。不同類型技術(shù)的選用會影響到太流域不同水質(zhì)條件下的水環(huán)境治理效果、運(yùn)行費(fèi)用、技術(shù)的可靠度、運(yùn)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(guān)鍵，但這些因素很難進(jìn)行定性和定量的判斷，這為太湖水環(huán)境治理技術(shù)的選擇帶來了一定的難度。為了能夠更好地指導(dǎo)太湖水環(huán)境治理，選用合理的技術(shù)，本研究運(yùn)用層次分析法構(gòu)建4層3子系統(tǒng)15個指標(biāo)18種技術(shù)方案的綜合評價體系從經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益等角度對18種技術(shù)方案進(jìn)行綜合評價。選取經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益最優(yōu)的技術(shù)方案，為太湖水污染治理提供方法依據(jù)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(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初提出的，該方法是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。AHP根據(jù)不同層次結(jié)構(gòu)的評估指標(biāo)的相對重要程度層層分解，具有層次性，可以將復(fù)雜的問題簡單化，實(shí)現(xiàn)對非定量的事件進(jìn)行定量分析，實(shí)現(xiàn)定量與定性相結(jié)合[1]。目前AHP已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)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(yīng)用。

層次分析法首先應(yīng)建立評價層次結(jié)構(gòu)模型，梳理評價要素，對評估體系中的評價要素進(jìn)行關(guān)系、邏輯和重要性分層排列，構(gòu)建一個具有層次的結(jié)構(gòu)模型。層次分析法將評估模型分為三個層次，目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，其中準(zhǔn)則層可以分為多層；其次是構(gòu)建判斷矩陣，判斷矩陣是將定性的問題進(jìn)行定量化的過程，通過確定不同要素對目標(biāo)的影響權(quán)重進(jìn)行確定；再次是一致性檢驗(yàn)分析，對于每一個成對比較陣計算最大特征根及對應(yīng)特征向量，利用一致性指標(biāo)、隨機(jī)一致性指標(biāo)和一致性比率做一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)通過，特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量；若不通過，需重新構(gòu)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(shù)方案評價

依據(jù)國內(nèi)外目前應(yīng)用比較廣泛的湖泊治理技術(shù)，按照治理技術(shù)的面向?qū)ο蟮牟煌瑢⑦@些技術(shù)分為4大類[1]，共18種：點(diǎn)源污染治理技術(shù)、面源污染治理技術(shù)、水體污染治理技術(shù)和底泥污染治理技術(shù)。點(diǎn)源污染治理技術(shù)包括管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)[6]、管網(wǎng)漏排水診斷技術(shù)[7]、管網(wǎng)漏溢流污水阻控技術(shù)[8]、分散點(diǎn)源污染河岸帶阻控技術(shù)、污水廠再生水深度處理技術(shù)[9]等；面源污染治理技術(shù)包括調(diào)蓄池技術(shù)[10]、下凹式綠地調(diào)蓄和凈化技術(shù)[11]、人工濕地處理技術(shù)[12]、生態(tài)護(hù)岸技術(shù)[13]、梯級生態(tài)阻控技術(shù)[14]等；水體污染治理技術(shù)包括人工曝氣復(fù)氧技術(shù)[15]、生態(tài)浮床(浮島)技術(shù)[16]、生物制劑原位凈化技術(shù)[17]、封閉和半封閉河道控藻技術(shù)[18]、外源優(yōu)化調(diào)水技術(shù)[19]等；底泥污染治理技術(shù)包括底泥生態(tài)疏浚技術(shù)[20]、底泥原位覆蓋和污染控釋技術(shù)[17, 21]和底泥生物修復(fù)技術(shù)等技術(shù)。

根據(jù)每種技術(shù)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益，對各種技術(shù)進(jìn)行評價。經(jīng)濟(jì)效益考慮投資成本、運(yùn)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(shù)、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(shè)施使用度等。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和專家意見，將評價指標(biāo)分為5個等級，評價標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)，使用層次分析法確定每種環(huán)境治理技術(shù)的指標(biāo)得分如表2所示。

表1 治理措施指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

表2 治理措施評價

3.2 層次指標(biāo)體系的構(gòu)建

3.2.1 明確目標(biāo)問題

根據(jù)太湖流域的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會情況，設(shè)立不同的優(yōu)先級，確定以下目標(biāo)：①生態(tài)環(huán)境效益優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)效益次之、社會效益最低(A1)；②經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益次之、生態(tài)環(huán)境效益最低(A3)。

3.2.2 層次結(jié)構(gòu)建立

根據(jù)確定的目標(biāo)問題提出的綜合效益，構(gòu)建以經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益為準(zhǔn)則層，15項(xiàng)指標(biāo)為評價指標(biāo)層，18項(xiàng)治理技術(shù)為方案層的4層次的結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。第一層為目標(biāo)層A，綜合效益最大；第二層為準(zhǔn)則層，共3項(xiàng)準(zhǔn)則P1、P2和P3，并且準(zhǔn)則層的3個要素與目標(biāo)層有關(guān)系，屬于目標(biāo)決策層。第三層指標(biāo)層M，共有15項(xiàng)指標(biāo)M1-M15，P1與下層M1-M5有關(guān)；P2與下層M6-M11有關(guān)；P3與下層M12-M15有關(guān)。第四層為方案層S，包括點(diǎn)源污染治理技術(shù)、非點(diǎn)源污染治理技術(shù)、水體污染治理技術(shù)和底泥污染治理技術(shù)4大類18種技術(shù)方案，各技術(shù)方案均與各指標(biāo)有關(guān)，每種技術(shù)方案都與各指標(biāo)有關(guān)，每種治理技術(shù)方案根據(jù)指標(biāo)層選項(xiàng)獲得目標(biāo)條件下的權(quán)重關(guān)系。

3.3 構(gòu)建判斷矩陣

在構(gòu)建了層次模型的基礎(chǔ)上構(gòu)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(shù)字1～9作為表述這類同時比較某種屬性差異的判斷的標(biāo)度尺度。構(gòu)建判斷矩陣如下[22]：

(1)

圖1 太湖水環(huán)境治理技術(shù)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(jù)目標(biāo)層的3個目標(biāo)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(jīng)濟(jì)效益次之P1、社會效益P3最低目標(biāo)為例，構(gòu)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(yàn)

3.4.1 重要性排序

根據(jù)判斷矩陣計算最大特征值和對應(yīng)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(yīng)特征向量為W1=(0.1498,0.7654,0.0848)T。

3.4.2 一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)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(shù)。RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值根據(jù)洪志國等[23]計算的結(jié)果為參考，如表4所示。一般認(rèn)為CR<0.10時，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性[22, 24]。當(dāng)在本研究中，n=3，所以選定RI=0.52，根據(jù)λmax和n確定的CR=0.0624<0.10，說明權(quán)重的分配是合理的。根據(jù)此方法，將判斷矩陣進(jìn)行重要性排序和一致性檢驗(yàn)，確定其權(quán)重。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

3.5 層次分析綜合評價

根據(jù)構(gòu)建的判斷矩陣A-P、P-M、M-S以及求得的權(quán)重值，計算每種治理技術(shù)的綜合權(quán)重WA-S，根據(jù)WA-S的大小對不同技術(shù)對不同目標(biāo)的適宜性進(jìn)行排序。WA-S計算公式如下[3]：

(2)

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

表5 不同目標(biāo)下治理的權(quán)重值

4 結(jié)語

本研究使用層次分析法構(gòu)建了一套具有4層15個指標(biāo)18種治理技術(shù)方案的太湖水環(huán)境治理技術(shù)綜合評估體系，對18種處理技術(shù)對應(yīng)的15指標(biāo)進(jìn)行打分，根據(jù)每一層確定的權(quán)重，分別從生態(tài)環(huán)境效益優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)先和社會效益優(yōu)先的角度，對18種治理技術(shù)進(jìn)行評估，得出太湖在不同目標(biāo)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(fù)氧技術(shù)和人工濕地技術(shù)最優(yōu)，在經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)先時，人工曝氣復(fù)氧技術(shù)和生物制劑原位凈化技術(shù)最優(yōu)，物理和化學(xué)處理技術(shù)較為可靠；在社會效益優(yōu)先時，生態(tài)浮床技術(shù)和生態(tài)護(hù)岸技術(shù)最優(yōu)，公眾和政府對景觀性要求更高。從評價結(jié)果來看，技術(shù)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(xué)依據(jù)，對水環(huán)境的管理和決策具有重要的意義。