基于AHP方法的湖泊群引水方案综合评价方法

潘建波，张 挺，石 圣

(1．华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州 450045;2．福州大学土木工程学院，福建福州 350116)

0 引言

湖泊在人类的生存中起着重要的作用，研究湖泊水体中污染物迁移转化规律，准确评价水环境状况，预测其变化趋势，这对于经济有效地防治水环境污染具有重要的科学价值和现实意义［1］．其中湖泊群的水质改善尤为复杂．

改善湖泊水质常采用的方法有:外围截污、内部清淤、引水活水和生态修复．引水活水是通过引入比本体水质好的水，冲走本体中的污染物，使湖泊或河流的水动力、水质变好，因此叫做“引水活水”，它是一种新型的水环境改善措施［2］．使用引水活水方法对湖泊群的水质改善效果较为显著．

对湖泊群采用引水活水工程需要制定多种方案，实施前首先要选取相对较优方案．针对雁栖河自然性定量评价，冯泽深等［3］做了相应研究，提出了指标体系的设置、选取原则;华祖林等［4］对浅水湖泊引调水模式的评价指标做了相应分析，但此分析只重点考虑了水质改善指标与生态动力学指标两项;陈鸿展等［5］对广州市内河综合整治水质评价体系做了相应探讨，讨论了水质指标浓度的分级评分的思路．但到目前为止，尚未采用过一套标准化的水质评价方法来评价福州西湖左海湖泊群引水活水方案改善效果的优劣，本文探索一种基于AHP层次分析方法的综合评价方法(简称为“ESLI”)应用在福州西湖左海湖泊群的水质改善的方案优选中，研究成果可为湖泊群水质改善措施的设计与决策提供相对较优的方案集．

1 研究对象

福州左海公园是一座以水景为主的城市公园，上游水系主要有铜盘河、屏西河，下游有西湖、白马河．福州市内河引水工程修建的内河引水冲污隧道引闽江上游河水进入铜盘河、屏西河，运行流量为2 m3·s－1，西湖来水由铜盘河与屏西河汇聚后汇入，运行流量为4 m3·s－1，左海湖水汇入西湖后经白马河流入闽江．左海与西湖之间由芳沁园河相连，芳沁园河总长度为670 m，河宽为12～18 m，河底高程为4．1～4．8 m．如图1所示，西湖左海形状复杂，两者经过自然条件和人工改造又都可以划分成多个小湖区，可看作是一个相互作用的湖泊群．为了研究方便将西湖左海湖泊群划分七个区域，每个区域根据其功能性设置监测点对其水流及水质进行监测．

图1 西湖左海湖泊群Fig．1 Lake group of Xihu and Zuohai

2 湖泊群引水方案综合评价方法

2．1 综合评价方法的建立

为了得到实用性、科学性、客观性、可比性、系统性等指标体系，引入层次分析法(AHP)，结合福州西湖左海湖泊群的水体特性，构建了包含水质改善指标(II)、水动力学指标(DI)、经济指标(EI)和感观指标(SI)4个方面的湖泊引水方案改善效果综合评价体系，以评价引水活水工程的改善效果．

根据指标评价方法的构建原则，湖泊引水方案改善效果综合评价方法(ESLI)建立的基本思路包括如下:首先，为了对多目标问题进行量化分析，采用多目标线性加权函数法构造评价函数R，假定有n个指标x1，x2，…，xn，对应权重系数为a1，a2，…，an，则评价函数R可表示为:

其次，引入层次分析法的思想进行ESLI的组成层次分析;再次，确定各个子系统、指标、子指标的权重值，选取各指标合理的评分标准及量化标准;最后，建立各指标、系统的计算公式和目标函数;最终形成可用于方案评比的ESLI方法，如图2所示．

图2 湖泊群引水活水方案的综合评价方法(ESLI)层次分析图Fig．2 Analytic hierarchy process diagram of comprehensive evaluation method of water diversion schemes for lake group(ESLI)

2．2 综合评价方法的层次分析

引水活水改善水环境方案评价包含方案的水质改善效果、水动力学改善效果、社会经济效果和感观改善效果，为多目标、多层次的复杂系统决策问题．鉴于此，应从水质、水动力学、经济效益、感观四个层面选取合理性评价指标因子，构建引水活水改善方案综合评价指标体系．

引入层次分析法，按照各因素的类别及其支配关系，将评价方法分为五个层次，由上到下依次为:系统层、子系统层、指标层、子指标层、方案层，如图2所示．系统层是最高层，主要是用来识别引水活水改善方案对水质、水动力学、经济效益、感观情况之间关系的处理情况，概括反映了水质改善方案的优劣;子系统层、指标层、子指标层为中间层，这些层进一步描述了各因素对方案系统层的影响及体系内部协调性;方案处于最底层，该层将评价指标体系应用于多方案比选．

2．3 权重确定

ESLI是个多层次、多目标的评价指标体系，子系统层包含4个因素，指标层包含9个因素，子指标层包含16个因素，并且采用加权法计算各层次各因素的分值，因此，最终的评价结果是由各层次各因素的权重系数及其分值共同决定的．

权是目标重要性的数量化表示，按目标的重要程度决策者可以赋予其不同的权重值，但在目标较多情况下，这种赋值很难直接确定，一般需要运用特定的数学方法，推求各级目标的权重，本文采用相对重要性判断矩阵法［6］进行权重确定:采用和积法对判断矩阵A进行计算，可得每个指标的平均指标量Wi，再进行标准化处理得到四指标的权重大小，平均指标量Wi可表示为:

式中:n为判断矩阵A的阶数;aij为判断矩阵A的元素;Wi为第i个指标的标准化前特征量．

2．4 评价指标的标准分级及量化

以2011年9月18日作为整治前、后的时间节点，比较引水活水方案实施后与现状的水质、水动力、工程造价和感观的变化情况，对其进行标准分级和量化处理，可以得出上层因素的总分值．

1)水质改善指标包含三个方面内容:湖泊各水质指标平均浓度(AC)、重点关注区浓度(IC)和湖泊出水浓度达标时间(t)，由湖泊平均浓度和重点关注区浓度进行线性加权可得总浓度指标(TC)．根据水质指标浓度变化幅度的不同，相应的水质指标分级评分情况见表1．西湖左海湖泊群出水口浓度达标需要时间在湖体库容和引水流量变化小情况下改变不大，故采用排名进行等级划分和赋分值．湖体水动力条件越好，对污染物扩散越有利，出水口浓度达标需要时间越短，排名越靠前，本文设五组活水方案，故第一名得5分，后面排名依次减1分．考虑到不同区域浓度反映的水质变化情况重要性不同，引入浓度评价指标pj:

式中:ai为不同区域浓度指标的权重;fi为不同区域浓度得分;m为划分的区域数;j为某一指标．

表1 水质改善情况评价指标分级评分标准Tab．1 Classification criteria and standard for evaluation of water quality improvement evaluation index

3)经济指标有调水总流量(Q)和工程费用(M)．分级评分标准类似流速标准差指标．

4)感观指标有显见景区(RT1)、可见近区(RT2)和可见远区(RT3)．分级评分标准类似水质改善指标．

3 湖泊群引水方案的综合评价

3．1 湖泊群引水方案设计

湖泊水动力增强是水质改善的基础，水流的运动决定着污染物的扩散和输运转化过程，西湖左海由于湖体形状复杂，水流缓慢，易形成多处污染死角，如图1所示，湖体③和⑥区为该湖泊群中水动力水质条件最差的区域．因此，从西湖左海湖泊群检测的水流及水质现状出发，结合湖体宽深比较大，不存在明显密度分层，垂直方向混合不明显的特点，采用沿垂向积分的二维模型进行数值模拟［7］;遵循滞水区最少化、工程费用最省化、污染物扩散最快化的原则，进行引水动力水质改善方案的设计，保持上游引水流量不变，设计如下五个方案:

方案一:取湖水盘活水体．本方案拟在左海北侧②区内，紧邻西二环设活水泵站一座，取水流量1．0 m3·s－1，引②区水，沿湖底敷设管道，沿途设4个分散式出水口，以增强③区水循环，对于西湖⑥区，拟打通连通西湖与左海的河道，这样左海出水将进入西湖⑥区，以增强⑥区水动力，达到改善水质的目的．同时拟在芳沁园河北端设一座活水泵站，抽西湖的水进入河道，引水流量0．6 m3·s－1，这样约2．0 m3·s－1的水进入⑥区湖体以盘活湖体这一带的水质，详见图1．

方案二:同方案一，但泵站取水量为1．5 m3·s－1，沿途设6个分散式出水口，每个流量为0．25 m3·s－1，其中两个出口设在③区最下端，以盘活此片水域．其余措施同方案一，详见图3．

方案三:取来水盘活水体．拟在左海水闸边取水1．0 m3·s－1，出水口沿左海南侧的湖体单元的岸边敷设，沿途设5个出水口，每个流量为0．20 m3·s－1，以提高水循环．其余措施同方案一，详见图4．

图3 方案二示意图Fig．3 Schematic diagram of case 2

图4 方案三示意图Fig．4 Schematic diagram of case 3

方案四:不设泵站，在③区上部两个湖体单元之间设置两根D800的钢筋混凝土连通管．同时打通左海下侧Z11也用连通管连接，流量控制0．6 m3·s－1．将X3出口封堵，这样大约有1．6 m3·s－1的流量进入西湖．其余措施同方案一，详见图5．

方案五:在湖心岛A右下角处设置长度为120 m，高度为0．5 m的固定式潜水堰，潜水堰具体位置详见图6，除潜水堰以外，其他措施与方案四相同．

3．2 单指标评价结果分析

1)水质改善指标(II):由方案模拟得到湖泊群的水质指标改善情况定量分析结果(见表2)．从表2可见，就目前福州市西湖左海湖泊群的情况而言，采取水质改善方案一后TN和COD的全湖平均浓度(AC)及重点关注区浓度值(IC)最低，改善效果相对最显著;方案五对BOD的改善作用相对最显著;各方案TP浓度差别不大，无法据此判别优劣．可见在水质改善上方案一或方案五为相对较优方案．

图5 方案四示意图Fig．5 Schematic diagram of case 4

图6 方案五示意图Fig．6 Schematic diagram of case 5

表2 湖泊群水质改善指标定量分析Tab．2 Quantitative analysis of effect indicators of water quality improvement in lake group

2)水动力学指标(DI):由于流速小于0．5 cm·s－1时，水体流动性很差，对污染物扩散作用不够显著，故本文将此类水体区域界定为“滞水区”，水动力模拟结果见表3．ESLI中水动力学指标包含三个方面:全湖平均流速、流速相对标准偏差和滞水区面积占全湖面积的百分比．从表3可见，方案五全湖平均流速最大，水体流动性相对最佳;其次，该方案流速相对标准偏差最小，说明流速分布最均匀;该方案滞水区面积相对最小，故从水动力学角度分析，方案五为相对最优方案．

表3 水动力学指标对比表Tab．3 Comparison of hydrodynamic indicators

3)经济效益指标(EI):根据相关定额，并参考福州市规划设计研究院关于西湖左海水质情况综合和水体整治方案的报告，最终得出各方案的工程投资概算表4．

表4 工程投资概算分析Tab．4 Estimate analysis of project budgetary

从表中明显看出，方案五所需经济成本最高，方案四最低．方案一、方案二和方案三经济费用虽然相对较低，但需要拆迁，拆迁是一般工程建设中要尽可能规避的问题，故综合考虑以上因素，从经济角度分析建议采用方案四．

4)感观指标(SI):因为方案设计阶段进行浊度测量是不可行的，相关研究表明，污水的浊度和COD具有较好的线性相关性，故本节通过各水质改善方案实施后反映浊度的COD浓度值的变化情况间接进行浊度的改善情况分析．对湖区浊度进行分析时将湖区划分为三类区域:显见景区(RT1)、湖面可见近区(RT2)和湖面可见远区(RT3)．湖区不同部分的COD平均浓度见表5，从表中可得:感观方面不同区域改善效果不同，对显见景区的浊度改善情况来看，方案五的改善效果相对最佳，而从可见近区与可见远去的浊度改善情况来看，方案四的改善效果最显著．

表5 感观指标情况Tab．5 Comparison of sensory indicators

3．3 多指标综合评价方案比选

从前述单指标评价结果可以看出，各方案均有优劣，仅凭单个指标进行评价，其结果将是片面的，为了更全面科学地进行湖泊群引水活水方案的比选，综合各个指标的影响，采用ESLI方法进行综合评比．根据前文权重的确定方法，对子系统层的水质改善指标(II)、水动力学指标(DI)、经济指标(EI)和感观指标(SI)四个指标由相对重要性判断矩阵法得到相对权重分别为0．35、0．3、0．15和0．2，得到不同水动力水质改善方案与原方案对比后各指标的值，见表6．指标层各指标按照浓度评价指标p值进行打分，最终各指标评比得分结果见表7．研究表明各方案从优到劣排序为方案五、方案一、方案四、方案二和方案三，方案五评价得分最高，为相对较优方案，方案一可作为备选方案．

表6 水动力水质改善方案ESLI比选表Tab．6 Comparison of ESLI hydrodynamic water quality improvement scheme

表7 最终各指标评比得分结果Tab．7 Final score of each index appraisal result

4 结语

针对目前尚未采用标准化的水质评价方法来评价福州西湖湖泊群引水活水方案改善效果优劣的现状．引入多目标线性加权法，构建了包含水质改善指标、水动力学指标、经济指标和感观指标4个方面的湖泊引水方案改善效果综合评价方法(ESLI)．基于层次分析法(AHP)，将该评价体系分为五个层次，采用相对重要性判断矩阵法确定各层次各因素的权重，建立了湖泊引水活水方案的综合评价方法，评价结果得分最高的方案为相对较优方案．湖泊群引水方案中相对较优方案为方案五，方案一可作为备选方案．

为了使综合评价方法更加完善，同时由于在评价时研究尺度(空间尺度和时间尺度)的重要性，将在下一步研究中对空间或时间尺度变化时，权重系数及指标层的调整方法做进一步探讨，以求有更广泛的适用性和更准确的评价结果．