基于最小偏差的組合權(quán)重模型在水資源應(yīng)急管理能力評價中的應(yīng)用

郭 亮

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

我國水資源分布規(guī)律受人類社會活動和全球氣候變化影響已發(fā)生明顯的改變，季節(jié)性及區(qū)域性干旱等事件頻繁發(fā)生，因干旱缺水所造成的自然災(zāi)害已對社會經(jīng)濟發(fā)展和水資源循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成嚴重威脅；我國水污染事件受船舶污染或企業(yè)違法超標排污等影響頻繁發(fā)生，造成社會生產(chǎn)和城市生活供水的中斷，嚴重影社會經(jīng)濟的發(fā)展和居民的正常生活[1]。建立完善的應(yīng)急管理體系是應(yīng)對水資源突發(fā)事件的有效方法，對應(yīng)急環(huán)節(jié)進行科學(xué)合理的安排將直接決定了應(yīng)急行動的效率和突發(fā)事件的危害程度[2]。合理的評價指標體系的構(gòu)建不僅可提高應(yīng)急行動的效率和能力，而且有利于促進對水資源應(yīng)急管理的科學(xué)合理評價和突發(fā)事件控制技術(shù)的提升，從而降低干旱事故的概率和危害[3]。據(jù)此，本文以遼寧省大凌河水資源應(yīng)急管理為例，通過構(gòu)建基于最小偏差的組合權(quán)重評價模型對其應(yīng)急管理能力進行綜合的評價分析，以期為提高應(yīng)急管理能力和突發(fā)事件控制技術(shù)提供一些理論依據(jù)[4]。

1 構(gòu)建水資源應(yīng)急管理能力評價指標體系

評價指標的科學(xué)性、上下級指標的層次性以及同級指標之間的相互獨立性，是構(gòu)建水資源應(yīng)急管理評價指標體系的重要基礎(chǔ)和依據(jù)，通常可采用最小均方差法、Delphi法和相關(guān)系數(shù)法進行判別[5]。本研究結(jié)合研究區(qū)域水資源應(yīng)急管理的基本特征和內(nèi)涵，利用Delphi法篩選出具有代表性的18個二級評價指標和4個一級指標。為了提高評價結(jié)果的準確性并便于專家的評價賦分，在進行評價需對模糊性評價指標進行詳細的描述說明，構(gòu)建的評價指標體系見表1。表中B1～B4分別代表應(yīng)急預(yù)防能力、應(yīng)急準備能力、應(yīng)急響應(yīng)能力和應(yīng)急恢復(fù)能力；C11～C14分別代表危險源識別與評價、應(yīng)急監(jiān)測能力、應(yīng)急預(yù)警能力和法律規(guī)章制度；C21～C26分別代表應(yīng)急隊伍見啥、預(yù)案建設(shè)、教育培訓(xùn)、演練、備用水源建設(shè)以及應(yīng)急保障能力；C31～CC33分別代表應(yīng)急處置能力、指揮協(xié)調(diào)能力、信息溝通能力；C41～C45分別代表善后處置能力、事故分析總結(jié)、預(yù)案的完善度、事故的后續(xù)跟蹤監(jiān)測和獎懲責(zé)任追究。

2 基于最小偏差的組合權(quán)重評價模型

對水資源管理能力的薄弱環(huán)節(jié)進行準確查找并加強應(yīng)急能力建設(shè)、完善應(yīng)急管理體系是進行水資源應(yīng)急管理能力評價分析的主要目的[6]。要實現(xiàn)對水資源應(yīng)急能力的客觀、科學(xué)評價，不僅要構(gòu)建科學(xué)、有效的評價指標體系，且評價模或評價方法的選擇將直接決定評價真實性和可靠性。

表1 水資源應(yīng)急管理評價指標體系

2.1 改進熵權(quán)法的客觀賦權(quán)法

熵權(quán)法是以信息熵理論為基礎(chǔ)對指標的權(quán)重進行客觀賦權(quán)的方法，信息熵值理論是以系統(tǒng)中的無序化程度為標準，對各指標的離散程度賦予響應(yīng)的數(shù)值，其數(shù)值的大小即代表了評價指標在整個評價過程中所占的權(quán)重比例即所賦予的熵權(quán)值，采用信息熵值法是獲取系統(tǒng)中有效信息和數(shù)據(jù)值的主要方法。熵值的大小即代表了指標的差異性程度，值越大則指標的差異性越小其所包含的有效信息就越少，對綜合評價的貢獻率就越低相應(yīng)的指標權(quán)重系數(shù)越小；反之，則指標所包含的有效信息越大其權(quán)重系數(shù)就越大[7]。

(1)構(gòu)建判別矩陣。在建立初始判別矩陣的基礎(chǔ)上利用下述差值公式構(gòu)建最終判別矩陣，差值公式如下：

(1)

式中，aij—評價要素i與j的相對重要性標度；ri、rj—分別為評價要素i與j的相對重要性權(quán)重。

因各評價要素之間的量綱和單位存在差異，對上述公式進行標準化歸一處理，設(shè)定Pij為第i個評價目標的第j項評價指標，則其計算公式為：

(2)

(2)對評價指標的熵值ej利用信息熵公式計算。可采用微觀分子方式對系統(tǒng)的熵值進行統(tǒng)一計算，假設(shè)n1、n2分別代表二元系統(tǒng)中兩種物質(zhì)的分子個數(shù)，則該系統(tǒng)的熵值可采用Botlgman公式計算：

(3)

式中，Ω—微觀角度的兩種物質(zhì)的分子排列方式。

總熵值計算：

(4)

單位熵值計算：

(5)

(6)

第j項評價指標的熵權(quán)可采用下式進行計算：

(7)

2.2 G1法的主觀賦權(quán)法

G1序關(guān)系法、G2法和AHP層次分析法是主觀賦權(quán)法的主要方法，G1法相對于AHP層次賦權(quán)法，無需對判斷矩陣的一致性進行檢驗，可明顯提高計算效率和速度，并且可不考慮相同層次權(quán)重的元素個數(shù)；而相對于G2賦權(quán)法，G1法具有簡單、方便的優(yōu)點，且有利于提高專家風(fēng)險意識的判別[8- 10]。G1序關(guān)系法對指標權(quán)重系數(shù)的計算與過程如下：

(2)對xi指標的權(quán)重系數(shù)wi進行計算，引入wk-1/wk作為評價指標xk-1與xk的重要性程度之比，rk;k=m，m-1，，2作為比值的理性，其取值范圍見表2。m值較大值rk值可取1。評價指標的權(quán)重wm計算公式如下：

(8)

wk-1=riwi;k=m，m-1，，2

(9)

表2 rk參考賦值及含義

(10)

式中，bij—各評價指標的數(shù)值。

2.3 最小偏差的組合權(quán)重

熵權(quán)法主要是對指標信息的內(nèi)在聯(lián)系進行客觀的描述，但往往忽略了決策者對主觀信息的判斷，并以此可能對評價結(jié)果造成嚴重的偏差；而G1法雖然考慮了決策者的主觀判斷且可操作性較強，但往往因決策主體的知識經(jīng)驗或個人偏好的不同引起評價結(jié)果的不同。綜合集成上述兩種方法可同時考慮主、客觀判別對信息作用并避免單一賦權(quán)對權(quán)重系數(shù)造成的誤差，通常采用的方法為線性加權(quán)法，然而該方法需要確定主觀偏好系數(shù)并因此造成評價結(jié)果具有一定的主觀判斷性[11]。因此，本研究對指標的綜合權(quán)重采用最小偏差法進行綜合計算。

設(shè)定指標權(quán)重計算方法共有q中，其中主觀、客觀法分別有l(wèi)和q-l種，則權(quán)重向量表示為：

(11)

利用偏差函數(shù)對決策的客觀性和決策者的主觀意見進行綜合考慮，并使得各方法求得的權(quán)重偏差最小，其權(quán)重向量為w={ω1，ω2，，ωm}T，所構(gòu)建的單目標優(yōu)化模型可采用下式進行表示：

(12)

式中，ak—利用各賦權(quán)法求得的權(quán)重系數(shù)；aj—利用第j中賦權(quán)法求得的權(quán)重；fj(uk)、gj(uk)—分別為主、客觀賦權(quán)法的偏差函數(shù)。

各賦權(quán)法的權(quán)重偏差越小則所代表所求得的權(quán)重信息的有效利用率越高，因此所構(gòu)建的模型可轉(zhuǎn)化為：

然而，正如凱登 (Gerald Caiden)所說，公共行政本當(dāng)服務(wù)社會，造福人類。曾幾何時，在不少地方，它竟已淪落成“邪惡，殘忍，道德敗壞，公理蕩然無存，無辜慘遭殺戳的工具，而數(shù)以千計的公務(wù)員卻對之非但熟視無睹，甚至參與其中，隨波逐流”(Caiden，2007:260)。行政道德何在?行政道德改革已是刻不容緩，迫在眉睫。

(13)

在此基礎(chǔ)上可建立Lagrange函數(shù)，表達式為：

(14)

式中，λ—構(gòu)建函數(shù)所引入的參數(shù)。

結(jié)合Lagrange函數(shù)極值存在的必要條件，L即為建立的Lagrange函數(shù)，對其進行微分求解有：

(15)

該線性方程組系數(shù)行列式利用克萊姆法則分析有唯一的解，并可求得各賦權(quán)法的權(quán)重系數(shù)，通過各權(quán)重系數(shù)與相應(yīng)方法的指標權(quán)重進行加權(quán)最終可求得各賦權(quán)方法的權(quán)重值。通過計算應(yīng)急管理評價指標的權(quán)重可利用專家打分法對各指標的評分進行賦值，并求得應(yīng)急管理能力的綜合評價值E，公式如下：

(16)

式中，ωi、ωij—分別為各一級、二級評價指標的權(quán)重；Sij—目前條件下，各二級評價指標的評分值。

3 實例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)域概況

大凌河流域位于遼寧省西部，流域大小支干交錯，全長398km，所占面積約為2.35萬km2，是遼寧省重要的生活用水及工農(nóng)業(yè)用水的主要來源之一，屬于典型的河網(wǎng)水系地區(qū)；縱橫交錯的河道是流域進行蓄水和輸水的主要方法和途徑，因此造成的蓄水調(diào)控能力較低極易引起汛期棄水和夏季枯水的現(xiàn)象[12]。據(jù)此，該地區(qū)為了確保突發(fā)性供水危機發(fā)生時可以進行正常供水編制了水資源綜合規(guī)劃，在水資源配置和保護、節(jié)水規(guī)劃、蓄水預(yù)測以及應(yīng)急水源等方面開展了深入的研究和調(diào)查；而且，該區(qū)域還針對水環(huán)境安全預(yù)警和警情發(fā)布做了系統(tǒng)的規(guī)劃，對突發(fā)性水污染事件制定專項應(yīng)急預(yù)案，分別從預(yù)警監(jiān)測、應(yīng)急響應(yīng)、措施保證、責(zé)任追究與獎懲等方面開展工作；對應(yīng)急預(yù)案進行定期的培訓(xùn)教育和應(yīng)急演練，并定期進行經(jīng)驗總結(jié)和匯報，不斷完善源體制和內(nèi)容[13]。本文研究結(jié)合該區(qū)域應(yīng)急管理具體狀況，采用專家打分法分別對各評價指標進行賦分，結(jié)果見表3。

表3 大凌河流域某地區(qū)應(yīng)急預(yù)案各評價指標專家打分結(jié)果

由表3打分結(jié)果可知，專家對部分指標的打分偏低，由此表明，該區(qū)域的應(yīng)急管理能力還存在一定的不足例如應(yīng)急管理法規(guī)規(guī)章制度還有待進一步完善，危險源評估和識別等工作有待加強，應(yīng)急隊伍建設(shè)還存在不足，對于事故的分析總結(jié)、善后處置以及后續(xù)跟蹤監(jiān)測等方面仍有待進一步的提升和加強。

3.2 水資源應(yīng)急管理能力評估

結(jié)合各評價指標的內(nèi)涵和相關(guān)研究成果可將其評價等級劃分為5個等級即差、較差、一般、較好、好。考慮到評價集模糊性基本屬性，采用百分值對各上述評價集進行定量化給分，并以此提高計算的效率，引入V={100，80，60，40，20}，各評價等級標準和取值范圍見表4。

表4 評價等級標準及取值范圍

首先采用改進的熵權(quán)法對一級指標構(gòu)建初始判別矩陣，并對4個指標之間的相對重要性權(quán)重進行計算，然后利用差值法和文中所述計算公式構(gòu)建最終的判別矩陣，一級指標判別矩陣計算結(jié)果見表5。

表5 評價指標體系中一級指標的初始、最終判別矩陣

利用文中所述計算公式對評價指標體系各級指標的熵和熵權(quán)進行計算，其中一級指標計算結(jié)果為：

eB=(0.830，0.830，0.781，0.880)

ωB=(0.251，0.251，0.320，0.172)

二級指標的計算結(jié)果分別為：

eC=(0.753，0.776，0.672，0.871，0.801，0.772，0.782，0.806，0.715，0.772，0.801，0.720，0.854，0.778，0.778，0.635，0.782，0.804)

ωC=(0.065，0.060，0.091，0.032，0.036，0.045，0.040，0.040，0.052，0.041，0.102，0.145，0.078，0.031，0.031，0.055，0.028，0.026)

ωC=(0.071，0.058，0.105，0.042，0.031，0.042，0.026，0.020，0.058，0.053，0.112，0.138，0.080，0.036，0.032，0.052，0.025，0.018)

利用G1法和改進的熵權(quán)法可構(gòu)建評價指標體系準則層的權(quán)重矩陣，如下所示：

利用公式(15)則有：

對G1法和改進的熵權(quán)法進行權(quán)重計算，結(jié)果為α=(0.59，0.41)，其中λ為-0.405。因此評價指標體系準則層的權(quán)重w*=(0.260，0.244，0.326，0.170)T，各二級指標權(quán)重計算結(jié)果如下所示：

w*C=(0.070，0.060，0.093，0.037，0.036，0.042，0.034，0.031，0.056，0.045，0.108，0.142，0.075，0.032，0.034，0.051，0.028，0.025)

利用文中所述公式(16)對各二級指標的評分值和權(quán)重值進行計算，求得評價值結(jié)果見表6。利用表6中數(shù)據(jù)可對大凌河流域應(yīng)急管理能力評價值E進行求解，其中E1～E4計算結(jié)果分別為86.5、89.2、85.5、82.4，E值為86.1，評價結(jié)果顯示處于“好”水平。由此說明該大凌河流域水資源應(yīng)急管理能力整體處于較好的水平等級。

表6 評價指標體系各二級指標值

評價指標體系中各一級指標均處于“好”的等級水平，應(yīng)急響應(yīng)、防控和準備能力應(yīng)處于相對更好的水平，而對于應(yīng)急恢復(fù)能力建設(shè)表現(xiàn)出相對滯后狀態(tài)[13]。本文針對研究區(qū)域水資源應(yīng)急管理實際狀況分別對應(yīng)急預(yù)防、準備、響應(yīng)和恢復(fù)建設(shè)方面提出了以下幾條建議，以期提高研究區(qū)域的水資源應(yīng)急管理水平：定期對危險源進行識別和評估，對潛在的重大危險源進行定期的檢查和排除；加強水資源應(yīng)急管理人才的引進，加快人才隊伍建設(shè)；完善應(yīng)急信息處理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)建設(shè)，促進應(yīng)急響應(yīng)機制建設(shè)；加強應(yīng)急處置后的教育培訓(xùn)和經(jīng)驗分析總結(jié)，對現(xiàn)有應(yīng)急預(yù)案提出建議并不斷完善，提升對應(yīng)急處置結(jié)束后水質(zhì)變化的跟蹤監(jiān)測能力，確保事故不會再次發(fā)生[14]。

4 結(jié)論

本文分析了G1法和改進賦權(quán)法基本理論和適用范圍，通過將二者進行有效的結(jié)合建立了基于最小偏差組合權(quán)重評價模型，以遼寧省大凌河流域某地區(qū)為研究對象進行水資源應(yīng)急管理能力的綜合評估，得出的主要結(jié)論如下：

(1)對影響應(yīng)急管理能力的各因素采用數(shù)值法進行直觀的對比表征，進而可定量的分析研究區(qū)域的應(yīng)急管理能力，可為研究區(qū)域提高應(yīng)急管理能力和突發(fā)事件控制技術(shù)提供一定的理論依據(jù)。

(2)研究區(qū)域評價指標體系中各一級指標均處于“好”的等級水平，應(yīng)急響應(yīng)、防控和準備能力應(yīng)處于相對更好的水平，而對于應(yīng)急恢復(fù)能力建設(shè)表現(xiàn)出相對滯后狀態(tài)。

(3)影響應(yīng)急管理能力評估的因素較多，且各因素之間相互作用，關(guān)系復(fù)雜。本研究所考慮的因素還不夠具體和系統(tǒng)，因此對水資源應(yīng)急管理能力進行科學(xué)、精確的評價仍需要更多的因素和理論做進一步的研究。