基于模糊层次分析法的水系治理工程效果评价研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER20第 40卷第 4期0 引言石灰铺镇位于英德市西部，距市区 24km，东接英城街道、横石塘镇，南与连江口镇、西牛镇接壤，西邻浛洸镇，北连石牯塘镇，地处英西各镇交通咽喉，水陆交通便利。省道自东往西横贯 8个村（社区），连江支流竹田河纵贯西部，全镇总面积 226.95 km2。美村水、黄寨塘水及其支流两岸主要为大片农田和菜地，缺乏系统的防洪减灾工程建设。目前，两岸仅有极少的防洪设施，标准低且防洪能力十分薄弱，防汛安全问题突出。由于河岸较低，一旦遭受洪水袭击，地势低洼的河岸两侧农田将会遭受巨大破坏，给人民群众财产和生命安全造成威胁。此外，由于管理力度不够，缺乏必要的监管，导致河道存在人为侵占现象，使得河床淤积、行基于模糊层次分析法的水系治理工程效果评价研究朱素康（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 韶关 512000）摘要：以英德市石灰铺镇农村水系治理工程为研究对象，分析了当地河道、池塘和灌区3个方面存在的问题及相关整治工程。从生态、经济和社会效益 3 个方面考虑，构建了包含二十项子指标的评价指标体系，并采用模糊数学和层次分析方法建立了适用于评价水系治理工程的模糊层次分析模型。实际应用表明，提出的模糊层次分析方法可以较好地对治理工程进行综合评价，所建立的指标体系具有良好的适用性，指标获取方式简单，评价结果具有良好的参考价值。该工程的综合评价指标为0.70，证明治理工程达到了预期效果。因此，提出的评价方法可以为农村水系治理工程提供技术指导。关键词：治理工程；模糊数学；一致性检验；评价指标体系中图分类号：TV8文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)04-0020-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.04.006Research on Evaluation of Water System Regulation Engineering Effect Based on Fuzzy Analytic Hierarchy ProcessZHU Sukang(Shaoguan and Hydropower Survey and Design Consulting Co.,Ltd,Shaoguan 512000,China)Abstract:This study takes the rural water system regulation engineering in Shihuipu Town,Yingde City as the research object,and analyzes the problems and related remediation projects in three aspects:local rivers,ponds,and irrigation areas.From the perspectives of ecological,economic,and social benefits,an evaluation index system consisting of twenty sub indicators was constructed,and a fuzzy analytic hierarchy process model suitable for evaluating water system regulation engineerings was established using fuzzy mathematics and analytic hierarchy process methods.Practical applications have shown that the proposed fuzzy analytic hierarchy process can effectively comprehensively evaluate regulation engineerings,and the established indicator system has good applicability.The method of obtaining indicators is simple,and the evaluation results have good reference value.The comprehensive evaluation index of this project is 0.70,which proves that the regulation engineering has achieved the expected effect.Therefore,the proposed evaluation method can provide technical guidance for rural water system regulation engineering.Keywords:regulation engineering;fuzzy mathematics;consistency checking;evaluation index system收稿日期：2023-06-07作者简介：朱素康（1995-），男，湖南汝城人，工程师，主要从事水利水电工程咨询与设计相关工作。*朱素康 基于模糊层次分析法的水系治理工程效果评价研究21洪能力萎缩，灾害风险加重。这些问题使得美村水、黄寨塘水及其支流处于“大雨大灾，小雨小灾”的局面1，经常发生淹没两岸低洼处的农田和菜地的事件，严重制约当地的经济发展，同时也导致水污染加剧、河流生态环境遭受破坏等一系列问题。此外，庵塘池塘年久失修，塘岸外观质量差，现状淤积严重，调蓄能力不足，不能正常发挥灌溉等功能。五峰灌区现状部分渠道为土渠，衬砌率、灌溉效率较低。因此，为了镇区范围内人民群众的生命健康和农村的经济社会发展，根据英德市发展和改革局的批复，对英德市石灰铺镇开展农村水系治理工程。治理工程重点围绕河道岸坡防冲、疏通和稳定河槽开展，兼顾灌溉用水和改善水生态环境功用，为改善地区水环境状况，完善灌排有序、通畅的体系，形成长效管护机制打下工程基础。为了评价此次农村水系治理工程的效果，基于模糊层次分析法，分析当地河道、池塘、灌区存在的问题，从生态、经济、社会效益 3 个方面考虑二十项子指标，构建了农村水系治理工程评价指标体系，本研究提出的评价方法，可以为农村水系治理工程提供技术指导。1 评价方法概述1.1 模糊方法模糊方法是一种基于模糊集合理论的，用于处理不确定性和模糊性问题的数学方法2。模糊法可以将不确定性和模糊性量化，并进行计算和分析，从而将非精确、模糊的信息转化为具有可处理性质的数学模型。与传统的严格逻辑方法不同，模糊法对问题的描述和处理更符合人类的认知和思维方式，可以有效地解决那些需要主观判断或者含有不确定信息的问题。1.2 层次分析法层次分析法是一种多准则决策分析方法，它可以帮助人们在面对复杂问题时做出决策。这种方法将问题分解为多个层次，每个层次都有若干个准则或因素。通过对这些准则或因素进行比较和权重分配，可以得出最终的决策结果3。1.3 模糊层次分析法模糊层次分析法是一种多准则决策分析方法，它是对传统层次分析法的一种扩展和改进4。与传统层次分析法不同的是，模糊层次分析法使用模糊数学理论来处理决策问题中存在的不确定性和模糊性。在模糊层次分析法中，每个准则或因素的权重不再是一个确定的数值，而是一个模糊数值，表示该准则或因素的不确定程度。通过对这些模糊数值进行运算和比较，可以得出最终的决策结果。在水系治理工程效果评价中，模糊层次分析法可以用来处理一些难以量化的因素，并考虑这些因素的不确定性和模糊性。例如，可以将水质、水量、水生态等因素作为模糊层次分析法的准则，通过对这些准则进行模糊化处理和权重分配，得出水系治理工程效果的评价结果。2 评价模型构建2.1 模型构建思路在利用模糊层次分析法构建农村水系治理工程评价模型时，其包含以下步骤5-6。1）确定评价目标：首先结合农村水系治理工程的实施进度，明确需要做出评价的问题，并确定评价的目标。本研究以已经实施了治理工程的英德市石灰铺的农村水系为对象，目的在于评价工程的治理效果。2）构建层次结构：将评价的问题分解为若干个层次，确定层次之间的逻辑关系，并构建每个层次包含的多个影响因素及评价指标。3）建立判断矩阵：在每个层次中，根据专家意见或数据分析等方法，建立相应的判断矩阵，用于描述不同因素之间的相对重要性，同时，还要对判断矩阵的一致性进行计算验证，以确保专家意见或数据分析的可靠性和准确性。4）计算权重向量：通过计算判断矩阵的特征向量，得到各因素的权重向量，从而确定各因素在整个层次结构中的相对重要程度，依据权重对各因素进行排序。5）综合评价：将各层次中的权重向量综合起来，得到最终权重向量，并根据该向量对方案进行排序和选择，从而实现对目标的整体评价。2.2 评价体系建立本研究结合了英德市石灰铺镇农村水系治22云南水力发电2024 年第 4 期理工程的实际调研情况，建立适用于评价一般条件下的农村水系治理工程效益的评价模型。评价体系的目标层（Objectives，缩写为 O）为英德市石灰铺镇农村水系治理工程的整体效果评价，用于判断工程实施带来的效果好坏。而由于该工程的评价涉及生态、社会、经济各方面的影响因素，因此，评价体系将上述 3 个方面作为准则层（Criteria，缩写为 C），用以量化目标层的优劣程度。而准则层又可以进行更加详细的划分，以便被更好地理解和衡量，于是本评价体系将上述准则层的 3 个方面量化为如图 1 中因素层（Factors，缩写为 F）的 8 个维度，包括水环境、水动力、水生物、岸坡保护、投资管理、维护管理、财产保护和民众认可。每个维度下分别设置23个指标，用于对每个因素进行具体的测量和评估，以便得到相应的数值结果。?图 1 农村水系治理工程评价体系图为解决河流生态保护问题，全球多国都建立的各自的河流状况评价体系，例如：美国的河流生态修复技术体系包括河道重建、湿地恢复、土壤改良、植被恢复等多种技术手段，通过单独或组合使用，以实现河流生态修复目标7；澳大利亚发起全国性的河流健康计划，构建了 19 个评价指标体系用于评价河流及生态健康8；日本发起河川管理计划9；欧盟提出河流污染与治理体系等。国内也提出了许多评价指标用来衡量长江和黄河河流健康的评价体系10。结合上述各类评价体系中的评价指标，本文围绕农村水系治理，提出了如图 1 中所述的共计 20 项指标构成评价体系中的指标层（Alternatives，缩写为 A），用作刻画农村水系治理的效果，每一项指标涉及的具体评价方向见表 1。物理实验对河流水质、底泥淤积等可定量的物理评价指标采用现场调研、试验测定等手段进行参数判定，公众满意度、参与度等定性的非物理性质指标通过走访调研、统计得到相关数据，后邀请相关专家为指标评价打分，获得模糊评语集。3 评价模型计算3.1 判断矩阵及一致性检验采用专家评价的方法11，采用 9 分法主观对每个相邻的节点进行两两比较（例如 1 表示两者同等重要，前者稍微、明显、强烈、极端重要分别用 3，5，7，9 表示），填入判断矩阵，其构造公式为：（1）（2）式中：A判断矩阵，wj每一列所有元素相加总和，每个元素 aij除以 wj，得到标准化处理后的判断矩阵 B。矩阵的一致性可以用下列公式进行评价：（3）（4）式中：RI 值-根据判断矩阵的大小确定的随机一致性指标，根据本研究内容，需要考虑的矩阵维朱素康 基于模糊层次分析法的水系治理工程效果评价研究23表 1 水系治理评价指标说明表符号指标说明A11河流水质水体理化和生物特性，包括水温、溶解氧、pH值等，反应污染程度A12净化能力河流自身对污染物的去除和处理能力，反应河流的自净能力A13底泥淤积底泥淤积程度，反应系统受自然及人为活动影响A21灌溉流量取水用于农业灌溉的流量，反应满足人类农作生产能力A22河流连通性河流各个部分之间的联系和互动程度，反应河流时空完整性和稳定性A31水生动物水生动物种类，反应系统健康状况及稳定性A32水生植物水生植物群落结构，反应系统平衡性及稳定性A33水生微生物水生微生物群落结构，反应系统平衡性及稳定性A41护岸类型硬质或软质岸坡，反应岸坡治理效果A42岸坡稳定性岸坡处理方式，反应岸坡抗水流侵蚀能力，A51工程投资结构治理工程资金构成结构，反应工程可靠性A52工程收益除去维护成本后治理工程产生的直接经济收益，反应工程的盈利能力A61招商引资潜力环境改善带来的投资及工程后续的投资，反应工程吸引资金能力A62防洪排涝能力预防洪水排除积水，反应工程保护民众生命财产安全能力A71灌溉收益灌溉提高作物产量，反应工程保障农作能力A72农作收益种植及养殖等经济收益，反应工程间接经济效益A73土地增值土地价值提升，反应工程对地价提升作用A81公众满意度民众满意百分比，反应工程接受程度A82公众参与度民众参与百分比，反应民众参与积极性A83制度完善工程配套管理运行制度，反应工程可持续性度n的取值为2、3、4，对应的RI值为0、0.58、0.90。当 CR 值小于 0.1 时，认为判断矩阵的一致性可以接受，否则就要对矩阵重新修正。利用该公式，计算结果见表 2。表 2 判断矩阵及一致性结果表判断矩阵一致性英德市石灰铺镇农村水系治理工程效果评价 O-C0.007 4生态效益 C1-F0.000 7经济效益 C2-F0.082 2社会效益 C3-F0.009 6水环境 F1-A0水动力 F2-A0水生物 F3-A0.019 3岸坡保护 F4-A0.001 8投资管理 F5-A0维护管理 F6-A0.002 4财产保护 F7-A0民众认可 F8-A0.007 1通过上述判断矩阵构建及一致性检验过程，可知各层之间的一致性均满足小于 0.1 的要求，具有较高的一致性，通过了一致性检验。3.2 层次相对权重及排序依据一致性检验结果，计算各层各指标的权重。这里，指标（A）的总权重等于各层级权重与指标权重的乘积。最后根据总权重，对各项指标进行排序，结果见表 3。3.3 隶属度分析在评价水系治理工程前，还需要对专家的模糊评语集进行评价，需要将评语集与隶属度形成对应关系。在这里，提供五级隶属度，即V=1.0,0.8,0.6,0.4,0.2，分别对应着五级评价结果极好，较好，一般，较差，极差，根据专家模糊评语集中的评价结果，对应五级隶属度，其打分结果见表 4。3.4 评价结果评价结果通过指标权重矩阵与隶属度矩阵计算得到，计算公式为：（5）式中：WA指标（A）在评价中的总权重，见表3；R评价矩阵；bij第 j 个评价结果的评价值。利用该公式，计算得到的评价结果为 E=0.70，可以认为此次英德市石灰铺镇农村水系治理工程的效果较好，达到了整治的目的。4 结束语以英德市石灰铺镇农村水系治理工程为对象，24云南水力发电2024 年第 4 期表 3 指标权重及排序表准则层C权重O-C因素层F权重C-F指标层A权重F-A权重O-A排序C10.650 0F10.252 2A110.439 30.072 0145A120.253 60.041 57310A130.307 10.050 3439F20.315 3A210.723 30.148 2371A220.276 70.056 7088F30.154 2A310.268 40.026 90214A320.152 10.015 24518A330.579 50.058 0836F40.278 3A410.682 20.123 4072A420.317 80.057 4887C20.220 0F50.435 6A510.752 10.072 0754A520.247 90.0237 5715F60.564 4A610.772 10.095 873A620.227 90.028 29813C30.1300F70.4657A710.30250.01831417A720.52780.03195412A730.16970.01027420F80.5343A810.56960.03956411A820.16340.0113519A830.26700.01854616表 4 专家评语集对应隶属度表指标专家编号隶属度12345A11110.60.40.80.76A1210.80.60.60.80.76A130.80.40.810.80.76A211110.40.60.8A220.60.80.60.80.80.72A3110.40.810.80.8A3210.610.60.20.68A330.40.20.40.60.40.4A4110.80.60.40.80.72A420.20.40.80.20.20.36A5110.810.810.92A520.60.40.80.40.20.48A6110.40.810.40.72A6210.20.80.60.60.64A710.60.60.40.20.80.52A7210.810.80.40.8A730.80.40.40.20.60.48A810.410.60.60.60.64A820.40.80.20.810.64A830.80.610.60.40.68采用模糊层次分析方法，考虑二十项子指标，构建了农村水系治理工程评价指标体系。实际应用表明，工程的综合评价指标为 0.70，治理工程达到了较好的预期效果，评价结果有良好的参考价值。提出的评价方法，可以为农村水系治理工程提供技术指导。参考文献：1王庆，洪滨.广东省中小河流治理模式探讨J.广东水利水电，2012,（5）:46-47+60.2张晓平.模糊综合评判理论与应用研究进展J.山东建筑工程学院学报，2003,（4）:90-94.3颜秉龙，姚力铭.基于层次分析法的生态河流评价体系构建J.陕西水利，2022,（11）:92-94+97.4杨建，徐得潜.基于 F-AHP 模型的中小河流治理工程后评价研究J.工程与建设，2014,28（3）:289-291.5闫毅志.水库库区环境影响综合评价研究D.咸阳:西北农林科技大学，2004.6李剑.基于 FAHP 方法的河道治理工程效果评价J.云南水力发电，2023,39（4）:323-327.7赵进勇，于子铖，张晶，等.国内外河湖生态保护与修复技术标准进展综述J.中国水利，2022,（6）:32-37.8汪自力，薛建国，董舞.澳大利亚水资源综合管理对黄河治理的启示J.水资源开发与管理，2015,（4）:11-12+19.9Harifidy R Z,Hiroshi I.Analysis of River Basin 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