基于模糊層次分析法的污水壓力管道路線方案比選

陳毅

（莆田市水質凈化有限公司，福建莆田 351100）

0 引言

隨著城市開發建設的持續推進和城鎮化水平的不斷提高，城市污水量逐漸增多，污水管道作為城市的“腸道”系統，擔當著城市運送排泄物的工作，城市污水管網覆蓋面越來越廣。當前污水管道選址建設過程中著重關注經濟與技術情況，忽略建設過程中對社會、生態環境的影響，導致工程建設與社會發展不和諧[1-2]。因此，在污水管道建設過程中科學、合理地選取路線顯得迫在眉睫。

市政污水管道工程十分復雜，且污水管道建設大多位于城區，要對市政污水管道工程中的布置路線進行分析，需要考慮技術、經濟、生態等多種因素，這些因素之間也會存在或多或少的聯系。鑒于選線因素權重分析模型的重要性與市政污水管道工程的復雜性，本文決定采用模糊層次分析法進行因素權重分析，以莆田市中心城區城北污水泵站壓力輸送管工程項目為例，將不便量化的社會、生態環境、施工條件與地質條件等指標與可量化投資經濟的指標相結合[3-5]，構建路線決策指標體系，綜合模糊評價法與層次分析法的優點，通過MATLAB 軟件計算出各方案的綜合評分值，最終進行方案分析對比得出最優路線。此方法能夠綜合工程建設過程中各類影響因素，實現管道路線投資合理、社會環境影響小、工程難度進度可控，為路線方案的決策提供理論基礎。

圖1 路線比選方案

1 工程路線概況

近年來莆田市不斷推進雨污分流改造及新建排水管道管理，市區原有錯排亂排污水得到收集，內河水環境得到極大改善，伴隨而來的是市區污水主干管水流量劇增，莆田市中心城區城北污水泵站壓力輸送管工程項目旨在提升中心城區污水輸送能力，有效緩解城區污水排放高峰期污水泵站工作負荷，解決原重力流污水輸送管線高峰期部分溢流問題。

方案一：壓力管線沿荔園路—白塘路—污水處理廠，線路全長約5 400m，中途穿越9 次河道，沿線途經城市主干道輔道生態環境一般，人類活動密集，現場場地開闊，管道線形順暢。

方案二：壓力管線沿荔園路—城涵河道—污水處理廠，線路全長約3 900 m，中途穿越5 次河道，沿線途經城市河道園林景觀步道生態環境豐富，人類活動一般，場地狹小，地下淤泥層展布，地質條件差，管道線形曲折。

2 模糊層次分析模型建立

2.1 構建模糊互補判斷矩陣

采用模糊層次分析法的時候，一般采用某個因素對比其它因素的相對重要性來對2 個因素進行重要性的定量判斷，將各因素兩兩進行對比得到矩陣 A=(aij)n×n，并判斷其是否具有以下兩種性質：

1）0

2）aij+aij=1(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)。

如果矩陣滿足以上性質要求，那就稱這個矩陣為模糊互補判斷矩陣。為了定量描述各指標的重要程度，使用0.1—0.9 標度法來標定指標之間的相對重要程度［6］，其標度含義見表1。

表1 模糊互補判斷矩陣的數量標度含義

以上面的數字為標度依據，對a1,…,an等因素進行對比取值，得到模糊互補矩陣如式（1）所示：

2.2 判斷矩陣權重確定

對模糊判斷矩陣A 按行求和：

進行數學代換：

乍一聽“頭腦”的名稱，我還以為是用“筋頭巴腦”為主要食材做的燉菜，結果親口品嘗時才發現，“頭腦”是一道沒有半點筋頭巴腦的滋補湯！——我犯了典型的“顧名思義”錯誤！太原古城擁有燦爛的飲食文化，而“頭腦”便是古城久負盛名的一道獨特美食。

可以求得一致性矩陣R=(rij)n×n，由矩陣 R 采用行和歸一化方法求出排序向量，W=(W1,W2,…,Wn)T,其中 W 向量滿足：

2.3 模糊互補判斷矩陣一致性檢驗

為驗證權重值設置的合理性，可通過檢驗權重判斷矩陣是否具有滿意的一致性來實現。某層級識別出較多的風險因素時，根據專家評議信息建立的模糊互補判斷矩陣會影響一致性的判定，需要再次進行判斷，直至符合一致性檢驗要求。本文對一致性的檢驗主要是采取檢驗模糊判斷矩陣與其特征矩陣是否相容來實現的[7-8]。

對于決策者的態度α，當相容性指標I（A,W?)≤α，則認為符合一致性要求。α 的取值越小，說明項目決策者對一致性的要求越高，無特殊情況下常取α=0.1。

3 項目路線比選分析

3.1 綜合評價體系建立

本次研究采用定性與定量兩類指標，并充分考慮項目為市政基礎設施的公益性，主要鋪設于城區人類活動程度較高地區，沿途路線河網密集等工程實際特點，選取經濟效益、社會環境、工程影響等三大類評價指標（表2），避免指標體系主觀性過強，考慮項目的社會環境影響，討論了項目施工技術條件影響，實現路線選取經濟、環境、技術的平衡。

表2 路線綜合評價體系指標表

3.2 路線方案比選

3.2.1 指標賦值

根據路線方案比選評價體系，對方案一與方案二的經濟效益進行定量分析，對社會環境與工程影響指標進行專家打分，分值范圍為0～1，分值高表明該方案本項指標較優。兩種方案的指標賦值如表3 所示。

表3 路線綜合評價體系賦值表

表4 路線綜合評估表

3.2.2 指標權重計算

對選取的污水管道路線評價因素進行對比分析，并構建判斷矩陣，一致性檢驗。由于指標較多、計算量大，本文通過MATLAB 軟件快速準確實現矩陣的計算與一致性檢驗[9-10]，過程結果如下：

2）子目標層-指標層普安段矩陣，計算過程同同目標層－子目標層判斷矩陣相同。

權重向量w1=（0.383 0.317 0.300），相容性指標 I（B1,w1?)=0.0618，<0.1；權重向量w2=（0.55 0.45），相容性指標I（B2,w2?)=0.025，＜0.1；權重向量w3=（0.60 0.40），相容性指標 I（B3,w3?)=0.05，＜0.1；故B1、B2、B3是滿意一致的，權重均分配合理。綜合以上得出指標層權重值總排序（表5）。

表5 指標層權重值總排序

根據表5 可知，本次路線方案對比分析中目標層權重最大的為經濟效益指標0.383，指標層中權重最大的為施工條件與難易程度0.180。

3.2.3 方案比選應用

將兩種路線方案評估表與指標層權重值總排序表進行模糊分析，得到兩種方案的分值如表6。

表6 方案對比分析評分表

經計算得出方案一綜合評分0.48425，方案二綜合評分0.51575，以分值大為較優方案為判斷標準，本次污水管道路線選取方案二，能充分平衡經濟效益、社會環境、工程影響等因素。

4 結論

本文基于模糊層次分析法，結合莆田市中心城區城北污水泵站壓力輸送管工程投資效益、社會環境、施工條件等因素，選取經濟效益、社會環境影響、工程影響三大指標，并對經濟效益指標中的管道長度、穿越河道次數、水流轉角等三指標進行定量分析，對社會環境影響、工程影響指標中的社會影響、生態環境影響、施工條件及難易程度、地質條件等指標進行定性分析，對項目路線的兩種方案進行分析對比，得出如下結論：

1）本次路線方案對比分析中目標層權重最大的為經濟效益指標，是影響污水管道路線的首要因素。指標層中權重最大的為施工條件與難易程度，對影響污水管道路線布置影響最大；

2）經綜合評分后得出方案二評分高于方案一，即方案二為項目最終走向方案。經評估分析后的方案路線與項目設計文件中推薦選用的路線一致；

3）應用模糊層次分析法對污水管道路線進行比選，通過定量分析與定性分析的綜合評分比較，有效避免評價過度主觀化，并將評價結果數據化，讓決策者能夠更加直觀地進行線路方案選取。