基于熵權和AHP的農村綠色小水電建設成效模糊綜合評價

劉 香，袁汝華

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

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基于熵權和AHP的農村綠色小水電建設成效模糊綜合評價

劉 香，袁汝華

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

基于生態、社會、管理和經濟4個維度構建我國農村綠色小水電建設成效評價指標體系,采用熵權法和層次分析法相結合確定指標權重,并結合模糊綜合評價法對農村綠色小水電建設成效進行客觀的定量評估。最后,將模型運用于甘肅皇城水庫水電站的實例分析,結果表明甘肅皇城水庫水電站綠色小水電建設成效屬于良好水平,同時指出其發展不足之處,為農村綠色小水電建設成效評價提供了思路和方法。

綠色小水電;建設成效;熵權;層次分析法;模糊綜合評價

水電為可再生清潔能源,與核電、風電等其他發電方式相比開發難度較低,對改變我國以化石能源為主的能源消費結構具有重大的意義。在我國,小水電是指裝機容量在5萬kW以下、主要分布在農村地區的水電站,現有47 000多座,年發電量占全國水電發電總量的25%[1]。然而,小水電的開發卻給當地生態環境帶來了諸多負面影響,如下游生態供水不足導致河道斷流,基本農業、生活用水受到影響[2]等。

為降低小水電開發建設過程中對生態環境造成的不利影響,中華人民共和國水利部于2013年9月發出開展綠色小水電試點、進行綠色小水電評價試點的有關通知,規定獲得“綠色水電”認證的水電站將享受電價、稅收、投資等方面的補貼[3]。此外,“十三五”期間農村水電工作仍將以綠色小水電建設為宗旨,推進小水電可持續發展。

國外對水電的綠色評價研究始于20世紀80年代,最富代表性的是瑞士綠色水電認證、美國低影響水電認證以及國家水電協會的水電可持續性評估,其他的發達國家如瑞典、加拿大等也開展了相關綠色水電試點和評價工作[2]。我國目前對綠色水電的評價研究還處在初級階段,多數文獻僅對綠色水電評價指標體系進行定性分析,定量研究較少。李華鵬等[4-5]將層次分析法(AHP)和模糊綜合評價法相結合對綠色水電進行實例評價,雖然比單純采用AHP進行分析更科學,但是基于AHP得到的指標權重主觀性較大。本文結合AHP和熵權法來確定權重,克服主觀局限性,同時利用模糊綜合評價法構建評價模型,為農村綠色小水電建設成效評價提供思路和方法。

1 基于AHP和熵權法確定指標權重

1.1 層次分析法[6]

層次分析法是20世紀70年代初,由美國運籌學家Saaty教授提出的一種定量分析定性問題的簡便、靈活的多目標決策方法。層次分析法被廣泛應用于確定指標權重,步驟如下。

a. 明確元素之間層級關系,建立評價指標體系。

b. 同一層次元素關于上一準則的重要性進行兩兩比較,構造判斷矩陣。通常采用5標度法和9標度法構造判斷矩陣,5標度法各取值含義見表1。

表1 用5標度法表示的指標i與指標j重要性之比

c. 選用方根法計算被比較元素權重,并進行一致性檢驗。①計算判斷矩陣每一行元素的乘積,再開n(矩陣階數)次方根:

(1)

(2)

則W=[W1,W2,…，Wn]T為所求各評價指標的權重構成的特征向量。③ 計算各判斷矩陣的最大特征值λmax:

(3)

式中:(AW)i為向量AW的第i個元素。④一致性檢驗:

(4)

查找相應的平均隨機一致性指標RI,計算一致性比例CR。若CR<0.1,認為判斷矩陣的一致性可以接受,否則應對判斷矩陣進行適當的修正。

1.2 熵權法

熵的概念最早起源于經典熱力學理論,后被引入到信息論中,指體系混亂、無序的程度。熵權法是一種客觀賦權的方法,可以克服個人主觀弊端,使評價結果更可信[7]。

定義評價系統中第j個指標的熵為[8]:

(5)

式中:t為評語集中評價等級個數;Pr為某個評價指標處于各個評價等級r上的概率,且0≤Pr≤1,∑Pr=1,Pr=0時,Sj=0。

則第j個指標的熵權為

(6)

1.3 綜合權重的確定

AHP主要是根據專家經驗、決策者的偏好進行賦權,熵權法則更多地關注數據本身的客觀信息,但有時不能反映決策者的想法,因此也存在一定的不足。考慮到兩種方法各自的優缺點,在參考文獻[9-10]有關內容的基礎上,最后確定綜合權重計算公式如下:

(7)

式中：WjAHP和Wjshang分別為由AHP和熵權法計算得到的指標j的權重。

2 農村綠色小水電評價模型構建

2.1 評價指標體系

綠色小水電評價涉及生態、社會、經濟及管理等影響因素,因此在選取評價指標時需要綜合該4個方面的因素。基于科學性、合理性、可行性的原則,在借鑒相關文獻[2]的基礎上,建立了包含4個一級指標、16個二級指標的評價指標體系,如表2所示。

表2 農村綠色小水電建設成效評價指標體系

2.2 模糊綜合評價模型構建

2.2.1 確定模糊評價因素集和評語集

模糊綜合評價模型[7]的評價因素集(即評價指標)具有層次性,一級指標為U={u1,u2,…,um},二級指標為ui={ui1,ui2,…,uin},其中uij表示第i指標層下的第j個指標。

V={v1,v2,…,vn}為評語集,其中Vj(j=1,2,…,n)為評價等級,n為評價等級的個數。

2.2.2 構建模糊關系矩陣R

(8)

2.2.3 模糊綜合評價

根據式(8)中R以及計算得到的指標權重向量,得到模糊綜合評價矩陣B：

(9)

式中:Bi(i=1,2,…,n)表示單因素的上一級評價指標對應的vj等級程度。通過求各級指標的模糊綜合評價矩陣得出評價系統目標層的評價矩陣并進行分析。

3 實例分析

甘肅省金昌市永昌縣皇城水庫水電站[11]位于東大河流域,總裝機容量為3 750 kW(3×1 250 kW),設計年發電量1 720萬kW·h,現已運行近30年。

皇城水庫水電站在綠色小水電建設中取得了一些成果。

a. 生態方面:嚴格按照水電站最小生態下泄流量的有關要求,保證下游生態需水量;增加泄水通道,每秒從泄洪洞下泄0.5 m3水量用于下游植被、水土保持,避免河流脫水、斷流。采取圍欄封育以及人工造林等措施保護上游水質,改善了東大河流域的生態環境。據統計,皇城水庫水電站通過發電年均減少薪柴使用量2 000多m3,減少燃煤量16.82萬t、二氧化碳排放量38.45萬t、二氧化硫排放量0.46萬t,節能減排效果明顯,保護了當地的森林,改善了自然環境。同時,皇城水庫水電站秉持綠色發展理念,在附近種植了多種植物,保證了水土保持的效果,并增加了水電站的景觀效益。

b. 社會方面:為周邊18個自然行政村、8個不同民族供電。利用東大河流域的水資源,為灌區、金昌市工農業和生活用水提供保障。改善公共基礎設施,出資修建永昌到皇城的公路,提高了皇城水庫水電站周邊風景區的景點效益;架設專門的輸電線路,保障村民用電安全。

c. 安全生產管理方面:2015年4月,皇城水庫水電站的安全生產“雙主體”責任落實完成。水電站嚴格執行安全生產大檢查制度,建立了設備安全和作業安全規章制度,設置3個督查組強化監督效力。定期排查隱患和重大危險源,召開安全會議并進行記錄。除此之外,積極組織安全生產培訓講座,增強員工安全生產主動性和自覺性。

d. 經濟方面:皇城水庫水電站運行以來上網電量4.81億kW·h,銷售收入超1億元。

3.1 隸屬度矩陣及模糊關系評價矩陣R的確定

V={優秀,良好,中等,合格,差},對于隸屬評價等級的評價標準采用專家調查法進行確定。

a. 專家根據已有的評價標準、研究結果進行打分,如滿足生態需水情況、排沙情況等指標已有相關評價標準;

b. 根據有關試點地區專家考察經驗確定評價等級。

本文的農村綠色小水電建設成效評價指標為定性指標,主要通過皇城水庫水電站綠色小水電建設相關報告以及綠色小水電評審專家填寫的30份問卷來獲取皇城水庫水電站指標完成情況。專家對指標所屬評價等級做出判斷,共回收有效問卷24份。

表3 皇城水庫水電站評價指標問卷調查數據

對表3中的數據進行歸一化處理,再按構建隸屬度矩陣的步驟建立模糊關系評價矩陣,記為R1,R2,R3,R4。

3.2 指標權重的確定

3.2.1 AHP確定權重

a. 構造判斷矩陣。邀請相關領域專家對指標之間重要性按照5標度法進行判斷打分。二級指標層u11～u17、u21～u24、u31～u33、u41～u42對一級指標層u1、u2、u3、u4的判斷矩陣分別記為P1、P2、P3、P4;一級指標層對目標層的判斷矩陣記為PA。

b. 權重計算及一致性檢驗。使用方根法計算權重,設二級指標層u11～u17、u21～u24、u31～u33、u41～u42對一級指標層u1、u2、u3、u4的權重向量分別為WAHP1、WAHP2、WAHP3、WAHP4;一級指標層對目標層的權重向量為WAHP:

WAHP1=(0.286 0.075 0.075 0.107

0.05 0.204 0.204)

WAHP=(0.568 0.149 0.21 0.073)

經計算,判斷矩陣PA、P1～P4的CR分別為0.059、0.029、0、0、0,均小于0.1,因此各判斷矩陣具有滿意一致性,即層次單排序和總排序具有滿意一致性,故計算得到的權重值合理。

3.2.2 熵權法確定權重

根據式(5)、(6)計算得到二級和一級指標層的權重向量分別為

W熵1=(0.215 0.069 0.051 0.109

0.135 0.208 0.213)

W熵2=(0.378 0.378 0.244)

W熵3=(0.312 0.183 0.265 0.24)

W熵4=(0.431 0.569)

W熵=(0.571 0.194 0.144 0.091)

3.2.3 綜合權重的確定

根據式(7),對由AHP和熵權法求得的指標權重進行計算,并得出二級和一級指標層的綜合權重向量分別為

W1=(0.25 0.072 0.063 0.108

0.093 0.206 0.209)

W2=(0.389 0.389 0.222)

W3=(0.356 0.192 0.232 0.22)

W4=(0.466 0.534)

W=(0.57 0.172 0.177 0.082)

3.3 模糊綜合評價

3.3.1 一級指標模糊綜合評價

由式(8)計算得到一級指標模糊綜合評價矩陣:

生態建設成效

B1=(0.264 0.402 0.285 0.03 0.017)

社會建設成效

B2=(0.229 0.338 0.312 0.102 0.09)

管理建設成效

B3=(0.114 0.231 0.377 0.176 0.102)

經濟建設成效

B4=(0.231 0.397 0.228 0.103 0.042)

按照最大隸屬度原則,皇城水庫水電站綠色小水電在生態、社會、管理和經濟方面的建設成效評價等級分別為:良好、良好、中等、良好。

3.3.2 皇城水庫水電站綠色小水電建設成效模糊綜合評價

皇城水庫水電站綠色小水電建設成效模糊關系評價矩陣為

則二級指標模糊綜合評價結果為

B=(0.229 0.36 0.301 0.074 0.034)

由此,皇城水庫水電站綠色小水電建設成效隸屬于優秀、良好、中等、合格、差等級的隸屬度分別為0.229、0.36、0.301、0.074和0.034,按照最大隸屬度原則,皇城水庫水電站綠色小水電建設成效屬良好水平。

僅由AHP計算得到的二級指標模糊綜合評價結果為

BAHP=(0.229 0.355 0.304 0.074 0.036)

僅由熵權法計算得到的二級指標模糊綜合評價結果為

B熵=(0.229 0.366 0.298 0.073 0.033)

將由綜合權重計算得到的綜合評價結果與僅由AHP或僅由熵權法計算得到的綜合評價結果進行對比,可以發現3種方法下各個等級隸屬度變化不大,因此可以認為應用本文方法的評價結果具有一定的可信度。

皇城水庫水電站綠色小水電建設成效模糊綜合評價結果如圖1所示。

圖1 皇城水庫水電站綠色小水電建設成效評價等級隸屬度

由圖1可知,皇城水庫水電站綠色小水電建設成效總體屬良好水平,說明皇城水庫水電站推行綠色可持續發展策略取得了較好的成績。其中,生態、社會和經濟方面的綠色小水電建設成效良好,而管理為中等水平,表明生態綠色建設良好主要得益于管理者采取的嚴格執行下游生態需水量供給制度、圍欄育林涵養水源、種植樹木保護水土、高效發電節能減排等措施,使得皇城水庫水電站在至關重要的生態綠色建設評價方面成效良好。

社會建設方面,皇城水庫水電站在當地出資修建了公路，架設了配套的輸電線路,給當地居民交通出行、安全方便用電提供了便利;此外,為18個自然村的村民低價供電,受到村民的一致好評。經濟建設方面,運行以來上網電量達4.81億kW·h,銷售收入超1億元,顯示出較強的盈利能力;另外,水電站建立后增加了當地就業人數,修建公路和低價供電一定程度上促進了地方工農業的發展。管理綠色建設方面,皇城水庫水電站已落實安全生產“雙主體”責任,并且制訂了較為完善的安全生產操作、監督制度,在安全生產管理方面成效較好。但由于皇城水庫水電站自動化水平還較低、監測設備投入不完善,因而管理方面綜合評價屬中等水平。

4 結 語

a. 將AHP和熵權法相結合確定指標權重,從主觀、客觀層面綜合賦權,使得評價指標的權重更具科學性、合理性[10]。

b. 采用基于AHP和熵權法的甘肅皇城水庫水電站綠色小水電建設成效模糊綜合評價結果顯示:皇城水庫水電站總體上綠色等級為良好,在生態環境治理、低價供電、安全生產等方面建設成效良好。該評價模型同樣適用于其他農村小水電站的綠色小水電建設成效綜合評價,但在指標選取、權重確定方面尚無統一的標準,因此一定程度上存在不足。

c. 皇城水庫水電站在綠色管理上為中等水平,需著重加強改進。同時,生態、社會和經濟方面也需要進一步彌補不足,以實現水電站的綠色可持續發展,爭創“全國綠色小水電站”。①生態方面,定期清理整治河道,減少泥沙沉積以改善河流水質,保持水生生物物種多樣性。②社會方面,提高水電站的防洪、灌溉和供水等綜合效益,將水電站的綜合效益最大化。③管理上,首先以成為安全生產標準化等級企業為目標,從規章制度、監督力度上全面加強生產安全性。其次,引進先進的自動化設備[11],實時監控,不僅可以減少人力投入、提高發電效率,而且有助于生產安全。④經濟上,目前皇城水庫水電站裝機容量較小,應增加裝機容量配合自動化設備來提高發電量。

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水利部公益性行業科研專項(201301055)

劉香(1991—),女,江蘇丹陽人,碩士研究生,主要從事工程管理及技術經濟研究。E-mail:xiangliu1991@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.06.006

X820.2

A

1003-9511(2016)06-0021-05

2016-04-22 編輯：胡新宇)