基于AHP-TOPSIS 的合肥市生態環境質量評價

夏鵬志，徐 濤，金 磊

（合肥學院 生物食品與環境學院，安徽 合肥 230000）

評估生態環境質量問題有助于我們理解生態環境對于人類生存的重要性[1]。環境質量問題的嚴重程度與人類的健康、社會的經濟發展和生態平衡密切相關。通過對環境質量問題進行評估，可以喚醒公眾意識，形成一種維護環境、保護生態的社會共識，而這對于人類的健康和生存是至關重要的。因為生態破壞會對人類的健康產生影響，例如空氣污染導致呼吸道疾病[2]、水污染導致惡心、嘔吐等癥狀，更嚴重的情況可能導致致死事件[3]。此外，環境破壞還會威脅到生態系統的平衡和穩定，導致物種滅絕[4]、生物多樣性的下降[5]、干旱和土地退化[6]等問題。這些問題不僅會對人類生存帶來危險，也會對社會和經濟的可持續發展帶來負面影響。

合肥是安徽省的核心城市，本研究以合肥市為研究對象，以保護生態環境為出發點，在生態環境質量綜合評價中，本研究將根據合肥市的實際情況，首先確定評價體系的層次結構，包括指標層、準則層和目標層。指標層涵蓋了可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫（SO2）日平均值、二氧化氮(NO2)日平均值等方面的指標。準則層用于確定各指標之間的相對權重，而目標層則是對研究區生態環境質量的最終目標進行設定。然后利用層次分析法的數學模型計算出權重向量。接著在利用逼近理想解排序法將評價對象與理想解進行比較排序，從而確定各評價對象的優劣程度。在生態環境質量綜合評價中，本研究將采用逼近理想解排序法確定各指標的得分，并按照得分進行排序。通過這種方法可以找出與理想解最接近的評價對象，也就是生態環境質量最優的年份。綜合運用層次分析法和逼近理想解排序法，本研究將得出合肥市生態環境質量的綜合評價結果。這將為合肥市的生態保護和高質量的生態建設提供科學依據，為決策者制定相應的措施和政策提供指導。

1 研究方法

1.1 AHP－TOPSIS 評判模型

層次分析法（AHP）是一種適用于多標準、多層次復雜決策問題的有效工具[7]。該方法通過將決策者的主觀認知進行標準化，確定各層次的影響率，驗證一致性并進行權重計算，以提供決策工作的先行標準。其重點在于計算多層次決策體系中各個層次的權重值，并通過遞階層次判斷矩陣和線性加權求值的方法簡化問題。最終得出的合成權重可作為分析結果，并且具有相對最優性。AHP 方法能夠將主觀認知量化，提高決策的客觀性和一致性。因此，AHP 方法在實踐中具有廣泛的應用前景，并為決策者提供了一種科學且可行的決策支持工具。

逼近理想解排序法（TOPSIS）是一種用于多屬性決策分析的方法[8]。它計算比較簡單，容易讓人理解，基于判斷矩陣，通過計算每個決策方案與最優解和最劣解的距離，來確定每個方案相對于其他方案的優劣程度，并進行排序。該方法旨在幫助決策者在多個評價指標和決策方案之間作出理性的選擇。傳統的TOPSIS 方法應用于生態環境質量時，不能很好反應二氧化硫影響的大小，區域環境噪聲影響的程度等。為了解決這個問題,本研究將AHP 和TOPSIS 一起聯用，建立AHP－TOPSIS 綜合評判模型。

1.2 評價指標的確定

可吸入顆粒物（PM10）：高濃度的PM10可被人體吸入會引起咳嗽、哮喘、呼吸困難和慢性阻塞性肺病等，危害人體。同時，可吸入顆粒物也會對植物生長和生態系統的穩定性產生影響[9]。二氧化硫日平均值：二氧化硫是主要的大氣污染物之一，高濃度二氧化硫對人體呼吸道和眼睛有刺激性，也會對植物造成直接傷害。此外，二氧化硫可以與水蒸氣形成硫酸，如果被降水帶到土壤中，會導致土壤酸化，酸性土壤會降低土壤的肥力，影響植物的生長和發育[9]。高濃度的二氧化硫還對土壤中的微生物、土壤動物和植物根系等生物有毒害作用[10]。二氧化氮日平均值： 高濃度的二氧化氮會產生光化學煙霧[9]。此外，二氧化氮也是臭氧的前體氣體，它會與揮發性有機物（VOCs）發生反應[11]，引發了二次顆粒物污染。飲用水源水質達標率：飲用水源水質達標率直接關系到人民群眾的飲水安全問題。如果飲用水源水質不達標，會對人體健康產生嚴重風險[12]，并且可能引發一系列的環境問題，比如水體富營養、水生態退化等。區域環境噪聲平均值：噪聲污染對人體健康和生活質量產生負面影響[13]。長期暴露在高噪聲環境中會導致心理壓力、失眠、聽力損失等問題。對野生動物而言，噪聲也會干擾它們的生活和繁殖。交通干線噪聲平均值：交通干線噪聲主要源于車輛的行駛和路面摩擦，對周邊居民和野生動物造成噪聲污染。高水平的交通噪聲會干擾人的正常生活和休息，影響居民的安寧和生活質量。同時也會干擾野生動物的正常行為和遷徙。

綜上所述，這六個指標對生態環境的影響主要涉及人體健康、植物生長、土壤和水體質量、生態系統穩定性、植物光合作用、環境安寧程度等方方面面。在生態環境質量評價中，需要綜合考慮這些指標的水平,這些指標可以通過數據收集、監測和分析得出，并進行綜合評估。通過評估指標體系可以了解合肥市生態環境的現狀和問題。同時，指標體系的建立也便于對城市生態環境建設的進展進行監測和評估，并提出相應的改進措施。結合合肥市的實際，根據可操作性原則[14]。建立了合肥市生態環境建設水平評價指標體系，該體系包括目標層、準則層（涵蓋6 個子系統）以及指標層（包括6 個關鍵因子），具體結構請參見圖1。指標體系中的數據來源主要采集自2005-2022 年的《合肥市統計年鑒》[15-18]。

圖1 合肥市生態環境評價指標體系

1.3 指標的標準化處理

由于單位不同，因此要進行標準化處理[14]。公式如下

構成規范化的決策矩陣R=(rij)m×n。

1.4 指標權重的確定

應用層次分析法，用Satty 教授提出的1-9 標度法對圖1 中的準則層（B）和指標層（C）的進行兩兩比較,然后打分，構建矩陣A，并根據結果確定各指標的權重[19]。

1.4.1 計算出矩陣最大特征根，并進行一致性檢驗

求解矩陣A 的特征根，得到特征向量歸一化后，得到權重。

由于人的參與，因此對矩陣A 進行一致性檢驗，其檢驗指標為

式中:CR 用來檢驗判斷矩陣A 是否滿足一致性;CI 為一致性檢驗指標，CI=(λmax－n)/(n-1)，λmax為矩陣A 的最大特征根；n 為A 的階數;RI 為平均隨機一致性指標，按表1 取值。當一致性比率CR<0.1時，說明判斷矩陣的不一致性可以接受，這個矩陣最大特征值所對應的特征向量，就可以作為模型中一級元素對于上一級元素的權重向量[20]。如果CR≥0.1 時，說明偏差較大，判斷矩陣有問題，得到的相對權重也有問題，需要對其進行調整。

表2 各項指標數據

1.5 構造加權規范化決策矩陣Z

1.6 確定理想解和負理想解

式中:J+為效益型指標集; 為第j 個指標的理想解;為第j 個指標的負理想解。

1.7 確定每個實際解到理想解的歐氏距離

1.8 計算每個解對理想解的相對貼近度

按Bi的大小排列各個評價對象優先次序，相對貼近度越大，表示該評價對象越接近最優水平。

2 應用

2.1 評價對象的選擇

合 肥 市2005 年、2010 年、2015 年、2018 年、2020 年、2021 年的可吸入顆粒物、SO2日 平均值、NO2日平均值、飲用水源水質達標率、區域環境噪聲平均值、交通干線噪聲平均值數據如下[15-17]。

2.2 構建規范化決策矩陣

由表中的數據可以得到矩陣R′

代入（1）式作無量綱和正向化處理，得到規范化的決策矩陣R

2.3 構造判斷矩陣A，并計算評價指標權重

通過特征根法計算評估指標的權重向量:

計算得出λmax=6.4652，對判斷矩陣A 進行一致性檢驗，CR=0.0738<0.1，符合一致性要求。

從圖2 中可以看出可吸入顆粒物（C1）、SO2日平均值（C2）、NO2日平均值（C3），權重占比分別是38.5%，29.5%，15.5%。此三項的權重比超過了80%，說明這三項指標是核心。權重按降序排序可得出:C1>C2>C3>C4>C5>C6。

圖2 評價指標權重圖

2.4 構造加權規范化決策矩陣并確定理想解Zj*與負理想解Zj－

將得到的規范化決策矩陣代入式(4)，構造加權規范化決策矩陣Z。

據式(5)、式(6)確定理想解和負理想解:

2.5 計算歐氏距離并確定相對貼近度

將以上結果代入式(7)、式(8)得到:

根據式(9)可得各個評價對象與理想解的相對貼 近 度B=(B1，B2，B3，B4，B5，B6)=(0.386，0.210，0.369，0.647，0.743，0.766), 可得合理性的優劣排序為：B6＞B5＞B4＞B1＞B3＞B2，故2021 年生態環境質量最優，2010 年生態環境質量最差。由排列順序可知：從2005-2021 年合肥市的生態環境整體呈現改善和提升。說明合肥市政府采取了一系列的環保措施和政策是卓有成效的。

2.6 POE 法調查驗證

狀況評價法（Post Occupancy Evaluation 簡稱POE）目的是調查空間的實際使用情況，以了解人們對舒適性和效能的滿意度，并從中獲取改進的反饋意見。POE 法能夠以標準化的方式收集大規模的數據，提供對評價體系準確性和合理性的量化評估。用POE 法對合肥市生態環境質量進行問卷調查，統計分析得出滿意度。合肥市環境質量滿意度評價體系（見表3）。受訪者打分，然后求和，計算算術平均值得出滿意度得分。

調查問卷按平日和休息日分兩次發放，隨機發放。得到有效問卷270 份。調查對象滿意度得分如表4 所示。滿意度排序結果由表5 知B6＞B5＞B4＞B1＞B3＞B2，這與AHP-TOPSIS 得出的評價排序一致。

表5 POE 法調查結果

3 結論與建議

通過對層次分析法確定的評價指標權重分析得出： 可吸入顆粒物、SO2日平均值、NO2日平均值這3 項準則層指標占總和的83.06%，說明這三項是整個合肥市生態環境質量評價的主導因子。雖然城市化發展導致合肥市的生態環境質量發生變化,但是合肥市生態環境質量整體依舊保持上升的趨勢，朝好的一面發展。所以為了進一步提高合肥市生態環境質量, 合肥市可以通過排放許可制度、排污費等措施，促使企業加強污染物的處理和減排。建立執法機制，加大處罰力度，形成有效的威懾機制。合肥市還要提升生態保護意識，即加強公眾的環境保護和生態意識教育，增強居民和企業的責任感，減少環境污染和資源浪費行為。鼓勵發展公共交通系統，包括地鐵、電車和公交等，減少私家車的使用。通過給予生態環境志愿者榮譽稱號、獎勵優秀生態保護行為等方式，激勵社會各界積極參與生態保護行動。設立生態保護示范項目，向公眾展示生態保護的效果和好處。例如，建設生態公園、濕地保護區等，讓公眾身臨其境地感受自然環境的美好。

AHP-TOPSIS 組合評判模型雖然減少了決策者的主觀判斷和個人偏好，但是對于某些問題可能適用性有限。它在處理多屬性決策問題時比較有效，但在面對更加復雜和動態的決策場景時可能存在局限性。如準則層以及指標層等變得更加復雜時，這可能會導致AHP-TOPSIS 模型準確度下降甚至會出現錯誤。