基于組合賦權TOPSIS模型的建設項目水土保持績效評價及障礙因子診斷

祁 菁

(陜西省水利電力勘測設計研究院, 西安 710001)

改革開放以來,隨著我國經濟穩定快速發展、現代化進程加速推進以及“十三五”期間城鎮化水平不斷提高,基礎交通(鐵路、公路)[1-2]、能源化工(水利、電力、油氣開發、冶金化工)[3-6]、城鎮開發等生產建設活動日趨頻繁,導致水土流失、土壤侵蝕、生態退化等問題日益嚴重,這對地區的生態安全、人居環境、經濟發展等方面構成了嚴重威脅。且建設項目對土地擾動強烈,水土流失強度大,造成水土資源流失,堵塞地下排水管網,淤積河道,極易影響行洪,引起泥石流、崩塌等災害,極大威脅著廣大百姓的生命財產安全和生態環境安全,制約經濟社會的可持續發展[7]。現如今,隨著人們生態環保意識的增強和國家法律制度體系的不斷完善以及經濟社會的發展,建設項目水土流失治理問題越來越引起人們的重視。水土保持方案作為項目建設過程中水土流失治理的綜合方案,方案的系統性、科學性、經濟性、合理性[8]是項目建設和運行過程中水土流失治理成效、生態環境保護、經濟投資控制的重要保證。因此,研究建設項目水土保持綜合評價方法并對其中影響水土保持綜合效益提升的障礙因子進行診斷,有助于全面把握建設項目水土保持的整體成效和不足之處,有利于為建設項目水土保持方案優選和優化提供技術評價識別體系,為各級水行政主管部門優化審批房地產建設項目水保方案提供技術參考。

現階段,國內外眾多學者對此開展了許多研究。水土保持評價由最初的單因素定性分析發展為現階段的多因素、多目標的定量綜合評價,新技術和新方法層出不窮并被不斷運用于水土保持評價中,極大地促進了水土保持方案設計的優化完善發展,為工程效益的科學評價和優化提升提供了重要的理論方案。在指標體系構建上,王梅等[3]從技術、經濟、社會3個方面研究了水土保持項目綜合評價指標體系并給出了計算方法;姜德文[4]以科學發展觀為指導,從土地資源消耗和占用、水資源消耗和占用、生態環境狀況、水土保持功能、對周邊和下游水土流失的影響以及社會效益方面建立了水土保持損益分析指標體系;劉菲[2]從社會、經濟和生態3個方面構建了評價指標體系并對北票市白石廠治理區進行了科學評價;李怡鳳等[5]從水土流失產生的動因及多目標需求、經濟社會系統耦合與水土保持實施多目標性協同的本質出發,構建了水土保持技術屬性、水土流失治理過程、治理效果相互耦合為主線的指標體系,該體系能夠較為完整地表征對水土保持評價的全過程,但其存在操作復雜,定性指標與定量指標夾雜難以操作等問題。在確定評價指標權重系數上,主要有德爾菲法、二元比較法、層次分析法等主觀定權法和方差倒數為權、變異系數為權、負相關系數的倒數為權、誘導有序加權平均、熵權等客觀定權法[6]。然而,主觀定權法依據個人經驗和理論認知對各評價指標進行賦權,該方法受個人認知和主觀判斷差異的作用影響其評價結果,可能會造成極端偏離真實結果情況的出現;客觀定權法通常會忽略不同評價指標的重要性程度的差異,造成重要信息的丟失[6]。近年來,在充分遵從和利用了主、客觀賦權法的基本屬性和優點的基礎上,弱化其不足之處對方案評審結果誤導偏離的綜合賦權法和組合賦權法在許多方面得到應用并表現出良好的效果[7-8]。在評價模型構建上,主要有基于經驗的綜合評價方法,例如專家打分法[9]、德爾菲法等[10],該類方法具有直觀簡單、適用面廣等優點,但卻受人為因素的干擾;基于數值和統計的方法,例如加權平均法、TOPSIS法[11]、費用效益分析法[12]、主成分分析法等[13]以及基于決策和智能的綜合評價方法,例如層次分析法、模糊綜合評價法、人工神經網絡法等[14],這兩類方法具有理論基礎牢固、可很大程度上排除人為因素的干擾等優點,但其存在約束條件太多,操作復雜等缺點[6]。

基于此,本研究在結合前人研究成果的基礎上從建設項目水土流失防治成效、水土流失影響因子控制、水保經濟投資控制和水保生態建設成效入手綜合考慮,進行建設項目水土保持綜合績效水平評價研究,并立足于上述4個子系統,構建建設項目水土保持綜合評價的指標體系,基于陜西省3個建設項目(P1,P2,P3)水土保持相關數據,以基于組合賦權TOPSIS模型及障礙度識別模型為理論依據,對其水土保持綜合績效進行評價,對影響水?？冃У年P鍵因素進行識別并提供相關優化意見和建議,以期為建設項目水土保持方案優選提供技術評價體系,為提升建設項目水土保持綜合績效提供借鑒參考。

1 建設項目水土保持綜合評價指標體系

1.1 指標選取依據

在遵循系統性、科學性、可獲取性、合理性和客觀性的原則下[8],結合前人研究成果和專家意見建議,綜合考慮建設項目水土流失的特點及水保治理多目標原則,本文從水土流失防治成效、水土流失影響因子控制、水保經濟投資控制及水保生態建設成效4個方面選擇了水土流失治理度、土壤流失控制比、擾動土地面積、單位面積棄渣量、單位面積水保投資額、林草植被覆蓋度等15個指標,按照相應原則構建了包含目標層、準則層和指標層3級階梯框架水土保持綜合評價體系(表1)。

表1 建設項目水土保持綜合評價指標體系Table 1 Comprehensive evaluation index system for soil and water conservation of construction projects

2 建設項目水土保持綜合評價方法與模型

2.1 建設項目水土保持評價指標權重確定方法

為了在充分尊重專家經驗的基礎上突出不同評價指標之間重要性程度的差異,同時避免因個人認知和主觀判斷差異而影響模型的評價結果,造成可能出現極端偏離真實結果情況的出現,本研究采用組合賦權進行指標權重計算,在充分遵從和利用主、客觀賦權法的基本屬性和優點的基礎上,及時弱化了主、客觀賦權的缺點對評價結果的影響。

2.1.1 基于五標度層次分析法的主觀權重計算 在水土保持綜合評價體系的基礎上,本文采用層層遞進的五標度法構造基于層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)的判斷矩陣,用判斷矩陣來計算評價指標的權重,五標度法的取值和含義見表2。具體構造步驟如下所示[8]:

表2 五標度法的取值及其含義Table 2 Five scale method values and their meanings

(1) 首先,按照目標層X、準則層Xi、指標層Xij的構造順序建立水土保持綜合評價體系(表1)。

(2) 邀請s名專家比較各層級的n個指標,根據專家給出的結果給出同一層次各元素之間重要程度的直接比較矩陣A:

A=〔aij〕n×n

(1)

式中:aij為指標i相對于指標j的重要程度。其中,aij>0,當i=j時,aij=1,且aij和aji互為倒數。

(3) 進行一致性檢驗。對構造出的判斷矩陣作一致性檢驗,計算一致性檢驗指標CR,當CR<0.1時,判斷矩陣的一致性滿足要求,否則需要進行修正判斷矩陣。一致性檢驗見公式(2)—(3):

(2)

(3)

式中:CI為一致性指標;λmax為判斷矩陣的最大特征值;n為矩陣的階數;CR為一致性指標;RI為平均隨機一致性指標。

(4) 計算指標權重(ωi):

(4)

2.1.2 基于熵值法的客觀權重計算 熵值法(entropy weight method, EWM)[15]具有不受評價者主觀意愿影響,能夠清楚有效地反映指標數據變化與指標權重之間的關系的優點,是客觀賦權方法之一,在多因素指標權重計算當中已經得到較好應用。基于熵值法計算水土保持綜合評價指標權重計算步驟如下:

(1) 首先建立包含n個項目和m個指標初始值的決策矩陣X。

(5)

(2) 通過下式歸范化處理判斷矩陣X。

(6)

式中:xij為建設項目水土保持綜合評價指標Cj第i個項目中的指標初始指標值;zij為xij的規范化指標值,歸范化后得到矩陣Z={zij}n×m。

(3) 求指標的信息熵Ej。

(7)

(4) 計算各指標的效用價值hj。

hj=1-Ej(j=1,2,…,m)

(8)

(5) 最后計算指標的權重值ωj。

(9)

2.1.3 基于博弈論理論的綜合權重確定 如何將每個指標的主、客觀權重進行融合構成綜合權重以最真實地體現該指標在體系中的重要程度是該評價體系能否得到合理評價結果的關鍵,前人提出了乘法合成歸一化方法[16]、基于云霧化的因素權重融合方法[17]、組合賦權法等[18]確定最終權重,其中乘法合成歸一化方法計算簡便但操作的說服性不夠,基于云霧化的因素權重融合方法能夠檢驗權重的合理性但操作復雜,組合賦權法基于人工設定偏好系數存在個人主觀影響。為此,本文采用基于博弈論理論的綜合權重確定方法[19],將通過五標度層次分析法確定的主觀權重ω1和熵值法確定的客觀權重ω2進行互相博弈,搜尋使雙方博弈達到平衡的最優綜合權重ω*,步驟如下所示:

(1) 首先,利用線性組合系數α1,α2將ω1和ω2進行線性組合,構造公式(10)。

ω=α1ω1+α2ω2

(10)

(2) 基于博弈論理論,尋找最優組合權重,求取最優組合系數α*,使ω*與ω1和ω2的離差總和最小。為此,構造公式(11)。

min(‖ω*-ω1‖2+‖ω*-ω2‖2)=

(11)

(3) 根據微分性質,將公式(10)—(11)進行最優一階求導,見公式(12)。

(12)

(13)

2.2建設項目水土保持綜合評價模型——組合賦權TOPSIS模型

TOPSIS模型是一種在實際中得到廣泛應用的基于多目標的評價方法[19],其借助測度被評價對象的指標評價值向量與綜合評價問題的理想解和負理想解的相對距離進行排序,適用于根據多指標對多個方案進行比較選擇[21]。但是,傳統的TOPSIS法在權重確定上主要依賴于專家的主觀判斷,這存在使結果偏離實際的風險[22]。為此,本文通過組合權重對評價指標和指標正、負理想解的評價值進行修正,構建組合賦權TOPSIS模型,并借助該模型評價建設項目水土保持績效。具體計算步驟如下:

(1) 利用極值法對矩陣Z進行標準化,其中采用公式(14)對正向指標標準化,對負向指標采用公式(15)進行標準化,最終得到標準化矩陣P=〔pij〕n×m。

(14)

(15)

(2) 采用式(16),將指標權重向量W和標準化矩陣P相乘,得到加權規范化矩陣V。

V=P×W=〔vij〕n×m

(16)

(3) 確定該模型指標加權規范化后的正負理想解V+和V-。其中,正理想解方案V+是每一列中最大正效應指標和最小負效應指標集合;同理,負理想解方案V-是每一列中最小的正效應指標和最大的負效應指標的集合。

(17)

(18)

(5) 利用公式(19)計算各項目與最優方案的貼近度Si,其取值范圍為[0,1],其值越大,表示該項目的水土保持綜合效益指數越高,項目方案越優。參考國內相似研究成果[20,23],將Si進行4個等級劃分,進行定性表征建設項目的水土保持綜合效益的優劣,見表3。

表3 項目的水土保持綜合效益評價標準Table 3 Comprehensive benefit evaluation standards for soil and water conservation of the project

(19)

2.3 建設項目水土保持綜合效益障礙因子診斷模型

對影響建設項目水土保持綜合效益的主要障礙因子進行分析診斷,可針對性地制定和優化調整建設項目水土保持方案和實施措施[24]。具體操作如下:首先,引入因子貢獻度Fj、指標偏離度Ij和指標障礙度Oj這3個基本變量。其中,因子貢獻度Fj代表單一評價指標Cj對總目標(建設項目水土保持綜合效益指數)的貢獻度大小,可直接用各項指標權重wj表示;指標偏離度Ij為單項指標評估值與最優目標值的差距,可用1與標準化指標值zij之差表示;障礙度Oj為單要素對或子系統對建設項目水土保持綜合效益影響程度的高低,通過公式(20)計算。

(20)

式中:Ij=1-zij。

3 案例分析

基于陜西省建設項目水土保持工程有關數據,以組合賦權TOPSIS模型和障礙度模型為理論研究方法,實證研究評價并診斷3個建設項目水土保持綜合效益及障礙因子,為建設項目水土保持綜合評價及障礙因子診斷識別、進一步優化提升建設項目水土保持綜合效益提供理論技術思路。

3.1 項目概況

該案例分析涉及陜西省內3個建設項目,涵蓋2個為房地產項目水土保持工程和1個水庫項目水土保持工程。作為改善民生、提高人居和諧幸福度和完善基礎設施保障區域水安全的重要保障工程,是現發展階段典型的建設項目。房地產項目P1位于陜西省渭南市高新區,屬渭河沖洪積平原區地貌,項目區地處暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候區,多年平均氣溫13.6℃,多年平均地面溫度5.5℃,多年平均降水量555.8 mm,多年平均蒸發量1 341.30 mm,降雨多集中于7月、8月、9月份,春夏季易發生干旱,夏季陣雨多、強度大、水土流失嚴重,項目區侵蝕模數背景值平均為200 t/(km2·a)。房地產項目P2位于陜西省西咸新區灃東新城,屬渭河沖洪積平原區地貌,地處暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,多年平均氣溫13.2℃,多年平均降水量560.70 mm,雨季為7—9月,水土流失類型以微度水力侵蝕為主,背景侵蝕模數為200 t/(km2·a)。水庫項目P3位于陜西省延安市富縣、洛川縣和黃陵縣境內,屬陜北黃土高原溝壑地貌,項目區氣候屬暖溫帶大陸性季風氣候,四季分明,多年平均氣溫9.3～9.6℃,年降雨量614～631 mm,降雨多集中在7—9月份,項目區的土壤允許流失量為1 000 t/(km2·a)。項目的水土保持工程相關數據匯總見表4。

表4 建設項目水土保持工程數據匯總統計Table 4 Summary statistics of soil and water conservation works data of construction projects

3.2 組合賦權

針對本研究案例,邀請5位專家對不同層級的評價指標打分,根據專家打分表分別構造準則層和指標層初始矩陣,對準則層和指標層的初始矩陣計算得到CR分別為0.093 3,0.070 9,0.056 06,0.093 6,0.045 4,0.035 2,0.018 8,0.032 0,0.032 4,0.011 5,均小于0.1,表明判斷矩陣滿足一致性的前提條件。然后按照公式(4)分別計算其指標權重,基于專家在專業經驗上的熟悉程度分別賦予0.2,0.4,0.2,0.1,0.1的專家權重值,最后加權計算得到基于專家打分的主觀權重值。同理,基于本案例中3個建設項目水保指標初始值,按照熵值法的步驟,計算各級評價指標的客觀權重。建設項目水土保持綜合效益影響因素權重見表5。

表5 建設項目水土保持綜合效益影響因素權重Table 5 Construction project soil and water conservation comprehensive benefit influence factor weights

3.3 建設項目水土保持綜合績效評價

3.3.1 規范化矩陣構建與正負理想解確定 基于建設項目P1,P2,P3的水土保持有關數據,采用公式(14—15)和公式(16)構造建設項目水土保持綜合效益評價指標加權決策矩陣,并根據公式(17)確定指標的正、負理想解,結果見表6。

表6 決策規范化矩陣及指標正、負理想解Table 6 Decision normalization matrix and indicator positive and negative ideal solutions

3.3.2 建設項目水土保持綜合評價結果 根據表6數據,利用公式(18)—(19)計算得到建設項目水土保持子系統及項目總體的貼近度,計算結果見表7。

根據表7計算結果并結合表3的研判標準可知:從總體看,P1的水土保持工程綜合績效貼近度最大,為0.764 4,對應的評價效應等級為良好;從準則層來看,P1中水土流失防治成效C1,水土流失影響因子控制C2,水保經濟投資控制C3和水保生態建設成效C4的績效貼近度分別為0.986 4,0.456 5,0.495 9,0.982 3,對應的評價績效等級分別為優秀、中等、中等和優秀,這表明P1的水土保持工程總體表現良好,且在水土流失防治成效、水保生態建設成效上表現優秀,但在水土流失影響因子控制和水保經濟投資控制上還存在提升空間。P2的水土保持工程綜合績效貼近度為0.692 8,績效評價也為良好,且準則層中C1,C2,C3,C4的績效貼近度對應的評價等級分別為良好、優秀、中等和優秀,這表明P2的水土保持工程總體表現良好,且在水保生態建設成效上表現優秀,在水土流失防治上表現良好,但在水土流失防治成效和水保經濟投資控制上表現中等,還有待提升和優化,建議加強擾動土地整治和增加臨時措施以降低項目區雨季的水力侵蝕。P3的水土保持工程績效貼近度僅為0.274 5,績效評價為較差,且準則層中C1,C2,C3,C4的績效貼近度對應的評價等級分別較差、中等、良好和較差,這表明P3的水土保持總體表現較差,在水土流失防治成效和水保生態建設成效上表現較差,亟待在擾動土地整治、水土流失治理以及林草植被恢復和覆蓋度上予以重視改善。

3.4 建設項目水土保持綜合績效障礙度診斷

為了探明對建設項目水土保持綜合績效造成障礙的準則層子系統和指標層因子,基于現有數據并利用公式(20)計算建設項目各準則層子系統障礙度和各項指標的障礙度,基于障礙度數據開展項目水土保持綜合績效深度診斷分析。

3.4.1 準則層障礙因子 準則層中C1,C2,C3,C4對P1,P2,P3的水土保持綜合績效的障礙度見表8。從表可知:在P1和P2水土保持中,C2和C3的障礙度較高,這表明水土流失影響因子控制和水保經濟投資控制是制約P1和P2水土保持綜合績效提升的主要準則層子系統,這和表7中對應的評價結果一致。由此可見,提高P1和P2水土保持綜合績效應當重點關注水土流失因子控制和水保經濟投資控制,進一步統籌協調施工組織方案,提升對水土流失因子控制的能力,同時協調優化水保經濟投資,探索采用節約化、集約化和高效化的施工組織方案和經濟投資控制模式,綜合施工組織方案優化和經濟投資結構優化,從整體上提升P1,P2水土保持綜合績效。在P3水土保持工程中,C1和C4的障礙度較高,這表明水土流失防治成效和水保生態建設是制約P3水土保持綜合績效提升的主要準則層子系統,和表7所得這兩子系統評價等級為中等的結論一致。由此可見,提高P3水土保持綜合績效應當著眼于提升水土流失防治效果和水保生態效益,適當提高水保經濟投資,統籌優化水土保持技術和生態建設方案,進一步探索和采用高效集約化水土生態技術方案體系,協調優化提升水土流失防治和項目生態建設,系統性促進P3的水體保持綜合效益整體性提升。

表8 建設項目水土保持綜合績效準則層障礙度Table 8 Construction project soil and water conservation integrated performance guideline layer barrier degree

3.4.2 指標層障礙因子 圖1為建設項目P1,P2和P3的水土保持指標因子障礙度圖。由圖1可知:在建設項目P1水土保持指標中C11,C33,C34和C42的障礙度位居前4,且水保經濟投資控制子系統的指標占據一半,這說明擾動土地整治率和林草植被恢復率且以水保經濟投資控制子系統下的林草措施投資比和臨時措施投資比為主的因子是制約建設項目P1水土保持綜合績效的主要指標層障礙因子。為此,提升P1水土保持績效的要點在于優化水保措施投資結構,具體而言就是適當增加對林草措施和臨時措施的投入,進一步提升林草植被恢復率和擾動土地的整治率,這對于水土流失嚴重的P1項目區尤為重要。P2水土保持指標中C11,C23,C34和C42的障礙度位居前4,這表明擾動土地整治率、單位面積棄渣量、臨時措施投資比和林草植被恢復率是P2水土保持綜合績效的主要指標層障礙因子。為此,提升P2水土保持績效可從統籌協調施工組織方案,適當增加臨時措施投資,綜合施工組織方案優化和經濟投資結構優化,提升水保措施的有效性和全面性。在P3中,C11,C12,C21和C42是阻礙其水土保持綜合績效提升的前4項主要指標層因子,且其中水土流失防治成效準則層子系統指標占據一半,這表明以水土流失防治成效子系統下的擾動土地整治率和水土流失治理度以及擾動土地面積、林草植被恢復率是制約P3水土保持綜合績效提升的主要指標層障礙因子,為此,提升建設項目P3水土保持綜合績效可從優化治理措施,協調治理方案合理開展入手,適當提高資金投入并增加臨時措施和林草措施,加強對擾動土地的整治和水土流失的治理,增加林草植被的種植等。

圖1 項目指標因子障礙度Fig. 1 Project indicator factor barrier degree

4 討論與結論

建設項目促進了區域基礎設施、人居環境和社會經濟的發展,但是不可避免地加劇了土地擾動,極易造成水土流失引起生態環境惡化,特別是在自然生態環境脆弱的西北地區該現象尤為明顯。在項目建設的同時進行水土保持以盡可能地緩解人為擾動對當地生態環境影響是項目環保的關鍵舉措之一。如何協調水保經濟投資、防治成效、生態建設和關鍵因素控制是水土保持的重點和難點,進行水土保持績效評價和障礙因子診斷是優化提升水土保持項目綜合效益的關鍵。

為此,本文基于AHP,采用專家打分法和熵權法并結合博弈論理論構建組合權重TOPSIS模型的建設項目水土保持綜合績效評價技術體系和障礙因子診斷方法。在指標選取上,綜合考慮水保經濟投資、防治成效、生態建設和關鍵因素控制的需求,構造3級階梯框架水土保持綜合評價體系,完善綜合評價指標體系;在指標權重確定中,在充分尊重專家經驗的基礎上結合客觀權重,既避免了個人主觀因素對評判的誤導,又將專家經驗知識融入其中[9-10],并基于博弈論將主客觀權重融合構建組合權重;在評價體系上,綜合考慮水土保持的多目標優化原則,采用多目標決策的TOPSIS法,最后基于評價體系構建障礙因子診斷模型。

基于該方法,本文實證評估了陜西省3個建設項目P1,P2,P3的水土保持綜合績效并進行了障礙因子診斷。結果表明,總體上,P1,P2和P3的水土保持評價等級分別為良好、良好和較差,且P1好于P2。P1在水土流失防治成效、水保生態建設成效上表現優秀,但在水土流失影響因子控制和水保經濟投資控制子系統表現較差,阻礙了綜合評價的提升,且擾動土地整治率、林草措施投資比、臨時措施投資比和林草植被恢復率是影響P1水土保持綜合績效提高的主要障礙因子;P2在水保經濟投資控制表現中等,其和水土流失影響因子控制子系統阻礙綜合評價的提升,且土地整治率、單位面積棄渣量、臨時措施投資比和林草植被恢復率是影響P2水土保持綜合績效提高的主要障礙因子;P3在水土流失防治成效和水保生態建設成效表現較差,其也是阻礙綜合評價提升的主要子系統,且擾動土地整治率和水土流失治理度以及擾動土地面積、林草植被恢復率是影響P3水土保持綜合績效提高的主要障礙因子。

本研究將有助于建設項目水土保持綜合績效評價和水土保持方案的系統性優化調整,為建設項目水土保持方案優選提供技術評價體系,為提升建設項目水土保持綜合績效提供借鑒參考。