基于熵組合權重的河道整治工程影響模糊綜合評價

姜志成

(江蘇省水利工程管理處,江蘇 南京 210001)

基于熵組合權重的河道整治工程影響模糊綜合評價

姜志成

(江蘇省水利工程管理處,江蘇 南京 210001)

針對河道整治工程影響評價的特點,采用定性和定量相結合的模糊綜合評判法構建河道整治工程影響的評價模型,從對經濟發展影響、社會發展影響、社會環境影響、合理利用自然資源的影響4個方面建立評價指標體系,利用熵組合賦權法確定各指標的權重。以黃河濮陽段河道整治工程為研究對象,分析計算該工程的影響程度,評價結果表明工程實施影響為Ⅱ級(較好)。

河道整治工程;影響評價;指標體系;熵組合賦權法;模糊綜合評判法

我國是世界上河流最多的國家之一,歷史上長江、黃河、淮河等大河頻發洪災,給兩岸人民的生命財產造成了巨大的損失,數量眾多、分布廣泛的中小河流造成的洪澇災害也不在少數[1]。河道整治是河流防洪治理中的一種,除具有顯著的防洪作用外,還可以改善長期以來由于河流破壞帶來的諸多問題,能有效減少沖灘塌岸現象,有利于穩定灘涂、改善灘區的生產生活條件,提高灘區的土地利用價值,因而能產生巨大的社會效益[2-3]。對河道整治工程的影響進行評價,可以論證其實施的成效和存在的不足,因而具有重要的理論與實踐意義。

目前,關于河道整治影響評價的相關研究甚少,評價指標體系也很不完善[4-7]。筆者將熵組合賦權法與模糊綜合評判法相結合建立評價模型,從對經濟發展影響、社會發展影響、社會環境影響以及對合理利用自然資源的影響4個方面建立評價指標體系,并將此模型用于黃河濮陽段河道整治工程的影響評價。

1 模糊綜合評判模型原理與方法

模糊綜合評判法是運用模糊數學方法,根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價,對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價,使得模糊現象清晰化[8],既能充分體現評價過程的模糊性,又能盡量減少主觀判斷帶來的弊端[9]。

權重系數是指在評價過程中,對評價指標在重要程度上進行的定量分配。有關權重的確定方法有數十種,根據權重計算原始數據的來源不同,可分為主觀賦權法和客觀賦權法。運用主觀賦權法確定各指標間權重系數反映了決策者的意向,但決策或評價結果具有很大的主觀隨意性;運用客觀賦權法確定各指標間權重系數,決策或評價結果雖具有較強的數學理論依據,但未考慮決策者的意向。為了改善和提高權值的精確性,彌補單一用主觀和客觀權重的不足,筆者以相對最小信息熵為工具,將主客觀權重結合起來形成組合權重,最終確定各評價指標的權重。

1.1 建立因素集

本文因素集分主因素層評價指標與子因素層評價指標2個層級。根據選取的影響評價指標,確定主因素集U={u1,u2,…,um},其中m為主因素層指標的個數;子因素指標集us={us1,us2,…,usn}(s=1,2,…,m),其中n為主因素指標中子因素指標的個數。

1.2 建立因素評價集

確定因素評價集V={v1,v2,…,vj},其中vk(k=1,2,…,j)表示影響事物評價值的第k個等級。河道整治工程影響評價等級分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ五個等級,用“好、較好、一般、較差、差”分別進行描述,并對各等級因子賦予相應分值{1.0,0.8,0.6,0.4,0.2}。

1.3 等級評價矩陣的確定

各主因素指標的等級評價矩陣Rs可表示為

(1)

式中s=1,2,…,m;矩陣中的元素表示子因素層指標對各級評語的隸屬度。由于黃河濮陽段河道整治工程影響綜合評價的各項指標情況復雜,難以量化,筆者通過德爾菲法確定指標隸屬度。指標隸屬函數的構造采用降半梯形法,設vk和vk+1為相鄰的兩級標準,顯然有vk>vk+1,各因素評價指標對vk的隸屬函數為

(2)

對vk+1的隸屬度函數為

(3)

1.4 權重的確定

根據最小相對信息熵原理將主觀權重與客觀權重進行組合來確定各評價指標的權重,這里僅介紹子因素指標權重的確定方法,主因素指標的權重計算與之完全類似,不作贅述,權重計算步驟如下。

1.4.1 主觀權重計算

對各子因素指標在對應主因素指標下的重要性進行兩兩比較,建立模糊互補判斷矩陣P={pij},其中0≤pij≤1,pij+pji=1(i,j=1,2,…,n),pij表示指標i優于指標j的程度:pij>0.5時,表示指標i比指標j重要,pij越大表示指標i比指標j越重要,反之亦然。子因素指標主觀權重計算公式為

(4)

1.4.2 主觀權重的合理性判斷

設W1=(ω11,ω12,…,ω1n)為子因素指標模糊互補判斷矩陣P的權重向量,其中

(5)

通過檢驗P和其特征矩陣P*的一致性來判斷主觀權重的合理性,即相容性指標I:

(6)

一般認為,當I<0.1時,即可認為評價指標權重合理。

1.4.3 客觀權重計算

黃河濮陽段河道整治工程影響綜合評價指標客觀權重采用等權法計算,即認為各評價指標的權重相等:

(7)

1.4.4 組合權重計算

綜合各指標的主觀權重ω1和客觀權重ω2,可得到各指標的組合權重ω,顯然{ωt}與{ω1t}、{ω2t}都應盡可能接近,根據最小相對信息熵原理有

(8)

通過計算可得到各子因素指標的組合權重ωt。

1.5 單因素評判

根據各子因素指標在所對應主因素指標下的權重Wi=(ωi1,ωi2,…,ωin)以及Rs,得出各主因素指標對于各評價等級的隸屬度:

Bi=WiδRs=(ωi1,ωi2,…,ωin)·

(9)

式中:ωij為第i個主因素指標中第j個指標的權重;δ為模糊合成算子,表示模糊評價矩陣的模糊運算,本文采用加權平均型模糊合成算子。

1.6 綜合評判

由Bi可以得到主因素層模糊評判矩陣B:

(10)

根據各主因素指標的權重W=(ω1,ω2,…,ωm),得出最終評語向量C:

C=WδB=(ω1,ω2,…,ωm)·

(11)

根據最大隸屬度原則ck=max{ci}(1≤i≤m),可判斷評價等級為第k級。

2 評價指標體系的建立

河道整治工程的影響評價,主要是對工程與社會的相互適應性、工程已實現的社會效益及影響、工程對土地資源利用和對社會經濟發展帶來的影響、工程對改善社會環境和生態環境等方面進行全面的、獨立的、科學的分析和評判。

在參考有關學者所著論文的基礎上[10-15],根據河道整治工程的特點和區域社會、經濟環境特征,提出對經濟發展的影響、對社會發展的影響、對社會環境的影響、對合理利用自然資源的影響4個主因素指標集,并分別將每個主因素指標分解為若干子因素指標,在專家的指導下,遴選出12個子因素指標,建立河道整治工程影響評價層次結構指標體系,見表1。

表1 河道整治工程影響評價層次結構指標體系

3 實例研究

黃河濮陽段位于河南省黃河最下游,自濮陽縣王窯至臺前縣張莊,流經濮陽縣、范縣、臺前3個縣,全長167.5 km,為1855年銅瓦廂決口而形成的河道,迄今已有156年的歷史。河道上寬下窄,屬于游蕩型河段向彎曲型河段過渡的過渡型河段,素有“豆腐腰”河段之稱,歷史上災害頻繁。據史料記載,從1855—1946年的91年間,該河段發生大的黃河水害80多次,決口達108處,給沿岸人民造成了深重的災難。1949年中華人民共和國成立后,各級政府十分重視黃河治理的研究,先后采用過多種河道整治方案。近年來,黃河濮陽段河道整治采用微彎型河道整治方案,取得了很大的成效,對兩岸防洪安全、工農業與生活用水、灘區群眾安全與生產、交通航運等都產生了積極的作用和深遠的影響,筆者采用熵組合賦權法與模糊綜合評判法對其實施影響進行評價。

3.1 等級評價矩陣計算

在黃河濮陽段河道整治方案影響評價中,為確定各指標對各評價等級的隸屬度,邀請20位專家采用德爾菲法對各指標進行單因素評價,專家組來自政府部門、水利高校、科研機構、工程協會,將黃河濮陽段河道整治工程實施前后的河段經濟、社會、資源利用的運行相關資料及影響評價打分表發給每位專家,匯總各考核專家的評分結果,由式(2)和式(3)計算得到各評價指標的隸屬度，見表2。

表2 各評價指標的隸屬度

由表2可得到各主因素指標的等級評價矩陣:

3.2 指標權重計算

對各級評價指標兩兩進行重要性比較,建立模糊互補判斷矩陣。主因素層指標模糊互補判斷矩陣P為

子因素層指標模糊互補判斷矩陣分別為

由式(6)可得到主因素指標評價系統的相容性指標I為0.027 4,小于0.1;4個子因素指標評價系統的相容性指標I分別為0.032 1,0.028 3,0.045 24,0.026 3,均小于0.1,可知得到的各層次評價指標的主觀權重合理。

由式(4)和式(7)分別計算出各級評價指標的主觀權重及客觀權重,由式(8)根據最小相對信息熵原理可得到組合權重值：W=(0.211,0.368,0.342,0.079),W1=(0.458,0.424,0.118),W2=(0.425,0.418,0.157),W3=(0.523,0.319,0.158),W4=(0.482,0.304,0.214)。

3.3 單因素評判

由式(9)及計算得到的各主因素指標的等級評價矩陣及各子因素指標的權重可以求得單因素對于各評價等級的隸屬度如下:

B1=W1δR1=(0.458,0.424,0.118)·

(0.663,0.290,0.047,0,0)

B2=W2δR2=(0.425,0.418,0.157)·

(0.298,0.337,0.209,0.078,0.078)

B3=W3δR3=(0.523,0.319,0.158)·

(0,0.471,0.243,0.286,0)

B4=W4δR4=(0.482,0.304,0.214)·

(0.166,0.712,0.122,0,0)

3.4 綜合評判

由式(11)可得最終評語向量C:

C=WδB=(0.211,0.368,0.342,0.079)·

(0.263,0.402,0.179,0.127,0.029)

由c2=max{ci}(1≤i≤5)=0.402,根據最大隸屬度原則,可判定黃河濮陽段河道整治工程的影響為Ⅱ級(較好)。

4 結 語

a. 綜合應用熵組合權賦權法和模糊綜合評判法,建立了河道整治工程影響的評價模型,并構建了河道整治工程影響評價層次結構指標體系,在參考大量文獻的基礎上經專家指導遴選出評價指標,評價指標體系具有一定的科學性,該模型計算方法相對簡單,模型分析結果與工程建設特點和所處環境特征基本吻合,表明該評價方法具有較好的科學性和實用性。

b. 將所建模型用于評價黃河濮陽段河道整治工程,評價結果表明其實施影響較好,論證了該河道整治工程的合理性,從計算結果可以看出該整治工程對社會環境的影響和對合理利用自然資源的影響2個主因素相較其他2個因素要差一些,在今后該河段實施河道整治應充分考慮這2個因素。

c. 由于河道整治工程影響評價涉及的評價指標較多,在指標的選擇方面尚不能全部納入考慮范圍,指標體系需要進一步完善,這有待于后續工作的進一步開展。

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10.3880/j.issn.1003-9511.2017.01.005

姜志成(1975—),男,工程師,主要從事水利工程后評價研究。E-mail:2949939670@qq.com

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1003-9511(2017)01-0017-04

2016-07-29 編輯：方宇彤)