基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)研究

王 迪

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

根據(jù)目前的狀況，對國內(nèi)外河道治理工程及治理技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并與當(dāng)前城市黑臭河道污染治理技術(shù)體系相結(jié)合,研究了基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)系統(tǒng)，為我國城市黑臭河道污染治理工作提供一份幫助，為水環(huán)境的改善貢獻(xiàn)出一份力量。

1 基于CW-GRAP模型黑臭河道治理工程效益評價(jià)方法

對每個(gè)黑臭河道治理工程進(jìn)行評價(jià)研究，才能總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提出更好的治理方案。下面介紹在CW-GRAP模型基礎(chǔ)上所建立的黑臭河道治理工程效益評價(jià)研究方法。

1.1 基于CW-GRAP的評價(jià)分析模型建立

黑臭河道治理工程綜合效益評價(jià)模型的構(gòu)建應(yīng)該以實(shí)際的經(jīng)濟(jì)發(fā)展為基礎(chǔ)，而實(shí)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展就要從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)循環(huán)效益、科學(xué)效益、穩(wěn)定性和實(shí)際可行性這6個(gè)方面來進(jìn)行衡量。生態(tài)循環(huán)效益是指在黑臭河道治理工程進(jìn)行過程中和完成后對河道區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的改變，具體表現(xiàn)在綠色植被覆蓋率增加、水污染自凈能力提升等方面。基于以上衡量實(shí)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展的衡量方法，本模型建立了經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)循環(huán)效益、科學(xué)效益、穩(wěn)定性和實(shí)際可行性這6個(gè)評價(jià)模塊[1]，再加上模型的自主反饋系統(tǒng)，待評價(jià)完成后將河道治理工程的優(yōu)缺點(diǎn)篩選出來，構(gòu)成一個(gè)完整、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的黑臭河道治理工程效益評價(jià)系統(tǒng)[2]。

整體的基于CW-GRAP的評價(jià)分析模型具體流程見圖1。

圖1 基于CW-GRAP的評價(jià)分析流程

1.2 效益評價(jià)指標(biāo)

建立一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義并且能夠客觀全面地反映河道治理情況的評價(jià)指標(biāo)體系，對今后河道治理工程能否順利實(shí)施、能否成功治理河道都具有決定性作用。

從客觀性和科學(xué)性兩個(gè)方面出發(fā)選取效益評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合目前河道治理工程效益以及實(shí)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展的衡量方法，本文選取12種效益評價(jià)指標(biāo)[3]，這12種效益評價(jià)指標(biāo)將會公平客觀地對黑臭河道治理工程效益進(jìn)行評價(jià)。綜合河道治理綜合效益的區(qū)域性，將效益評價(jià)分為 5 個(gè)等級，分別是效益好(1)、效益較好(2)、效益中(3)、效益較差(4)、效益差(5)，這個(gè)評定等級的來源就是指效益評價(jià)指標(biāo)的到達(dá)率，具體指標(biāo)體系見表1。

表1 效益評價(jià)指標(biāo)

1.3 黑臭河道治理工程效益評價(jià)實(shí)現(xiàn)

要想成功地對河道治理工程進(jìn)行效益評價(jià)還要考慮多個(gè)因素，并且每個(gè)因素之間都是互不干涉、相對獨(dú)立的。此次研究將河道與各個(gè)效益[4]的關(guān)系描述見圖2。

圖2 河道與各個(gè)效益的關(guān)系描述

在整個(gè)評價(jià)過程中，每個(gè)因素都同樣重要，沒有輕重之分，從理論上來說，評價(jià)因素近似于立態(tài)分布。基于此，本文選取立態(tài)云模型來進(jìn)行主觀權(quán)重計(jì)算[5]。根據(jù)逆向立體發(fā)生器確定特征值，再用正向立體發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)充，得出最后的權(quán)重結(jié)果。整個(gè)計(jì)算步驟如下：

1) 各個(gè)探勘專家進(jìn)行打分[6]，計(jì)算初始權(quán)重值。

2) 通過逆向立體器求解方差Dx、熵Gg、超熵Bg，計(jì)算公式為：

(1)

式中：xi為所有調(diào)查樣本；n為樣本總數(shù)；He為樣本方差。

3) 根據(jù)所求得的特征值Dx、Dn、Bg，再通過正向立體發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)充，得到最后的權(quán)重結(jié)果。

在此基礎(chǔ)上，對指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算[7]，映射取優(yōu)法(YY)。這個(gè)方法就是將立體空間通過映射歸納到平面空間上，從而得到一個(gè)映射指標(biāo)函數(shù)，然后通過計(jì)算得到最優(yōu)指標(biāo)，得到在立體空間的最優(yōu)質(zhì)指標(biāo)值，這樣就可以通過對平面上的指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，然后得到立體空間數(shù)據(jù)的指標(biāo)分析結(jié)果。映射指標(biāo)函數(shù)可以反映出指標(biāo)的數(shù)據(jù)情況，選用歸一處理法對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并把能反映數(shù)據(jù)特征的方面作為映射方向[8]。具體計(jì)算步驟如下：

1) 列出最初的指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行歸一處理，得到初始矩陣(a個(gè)評價(jià)樣本，b個(gè)評價(jià)指標(biāo))。

2) 構(gòu)造映射指標(biāo)函數(shù)，利用二維映射方法，把最初的指標(biāo)映射到映射方向[9]目標(biāo)上，得到指標(biāo)的映射值Bi。計(jì)算公式為：

(2)

式中：ai為映射方向函數(shù)，映射函數(shù)的計(jì)算公式為：

(3)

式中：S(a)為標(biāo)準(zhǔn)方差；d(a)為部分密度；z為zi的平均值；m為部分密度總體直徑。

3) 最后利用最優(yōu)映射函數(shù)[10]，構(gòu)造出適應(yīng)度函數(shù)。公式如下：

(4)

然后再用代數(shù)法求解，多次計(jì)算權(quán)重值，將最后的結(jié)果作為最優(yōu)值。

指標(biāo)歸屬界計(jì)算，在求解評價(jià)等級時(shí)，要利用立體發(fā)生器擬態(tài)計(jì)算來確定指標(biāo)評價(jià)的等級與標(biāo)準(zhǔn)。具體計(jì)算步驟如下:

1) 先把計(jì)算得到的評價(jià)指標(biāo)值與指標(biāo)的評價(jià)等級相匹配。

2) 對于有雙邊界的指標(biāo)值[11]，有屬于它自己的計(jì)算公式：

式中：Cij,min、Cij,max分別為第i個(gè)指標(biāo)在第j個(gè)等級上的最小值和最大值；Eij,n為第n個(gè)指標(biāo)在第j個(gè)等級的熵和超熵。當(dāng)指標(biāo)值是單邊界時(shí)，要根據(jù)指標(biāo)的特點(diǎn)確定參數(shù)，再代入公式進(jìn)行計(jì)算。

3) 最后要用歸一處理法[12]對指標(biāo)進(jìn)行處理，逆向指標(biāo)[13]計(jì)算公式如下：

(6)

式中：exp為指標(biāo)處理參數(shù)。

最后通過立體發(fā)生器[14]，對每個(gè)指標(biāo)都進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而求得平均值，得到立體模型計(jì)算矩陣[15]。其計(jì)算公式為：

(7)

依據(jù)上述最終權(quán)重值計(jì)算結(jié)果，獲得工程效益評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)先級，依據(jù)其優(yōu)先級完成基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)。

2 實(shí)驗(yàn)對比

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并將傳統(tǒng)評價(jià)方法與其對比。

本文的研究對象是某城市的一條黑臭河流，在經(jīng)過一段時(shí)間的處理后，該實(shí)驗(yàn)黑臭河流治理工程各階段的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益綜合指標(biāo)隨時(shí)間推移而不斷提高。同時(shí)，逐步緩解土壤侵蝕狀況，使水土保持措施的結(jié)構(gòu)比例趨于合理，進(jìn)一步改善了黑臭水體。實(shí)驗(yàn)中，主要對比兩種方法的效益評價(jià)時(shí)間以及評價(jià)誤差。試驗(yàn)過程中，均方根誤差分析(RMSE)可通過數(shù)據(jù)大小直接判斷模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的一致性，以便反映模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而對模擬結(jié)果進(jìn)行綜合評定。RMSE的均方根誤差分析公式為：

(8)

式中：xobs,i為第i個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)；xmodel,i為第i個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)；n為監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量。

2.1 評價(jià)時(shí)間對比

傳統(tǒng)的黑臭河道治理工程效益評價(jià)方法與此次研究的評價(jià)方法所用的評價(jià)時(shí)間對比結(jié)果見圖3。

圖3 評價(jià)時(shí)間對比

通過分析圖3能夠發(fā)現(xiàn)，此次研究的基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)模型在幾次實(shí)驗(yàn)中都比傳統(tǒng)評價(jià)方法評價(jià)時(shí)間少。

2.2 評價(jià)誤差對比

此次研究的基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)方法與傳統(tǒng)方法的評價(jià)結(jié)果見圖4。

圖4 評價(jià)誤差對比

分析圖4可發(fā)現(xiàn)，此次研究的基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)方法在幾個(gè)項(xiàng)目評價(jià)上，評價(jià)誤差均小于傳統(tǒng)方法。

通過上述實(shí)驗(yàn)可知，此次研究的基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)方法能夠在短時(shí)間內(nèi)就能獲得準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果。原因是此次研究的評價(jià)方法預(yù)先建立評價(jià)指標(biāo)，然后采用CW-GRAP模型對指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)處理，從而獲得較好的黑臭河道治理工程效益評價(jià)效果。

3 結(jié) 語

本文主要從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)循環(huán)效益3個(gè)方面作為評價(jià)根本，提出了基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)模型，以實(shí)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為根本，讓模型的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。黑臭河道一直影響著我國生態(tài)環(huán)境，治理好黑臭河道具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。本文基于CW-GRAP模型的黑臭河道治理工程效益評價(jià)研究可為河道治理工程提供參考與借鑒，從而為相關(guān)領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。