基于熵组合权重的河道整治工程影响模糊综合评价

2017-02-23姜志成

水利经济 2017年1期

关键词：评判河道整治

姜志成

(江苏省水利工程管理处,江苏南京 210001)

基于熵组合权重的河道整治工程影响模糊综合评价

姜志成

(江苏省水利工程管理处,江苏南京 210001)

针对河道整治工程影响评价的特点,采用定性和定量相结合的模糊综合评判法构建河道整治工程影响的评价模型,从对经济发展影响、社会发展影响、社会环境影响、合理利用自然资源的影响4个方面建立评价指标体系,利用熵组合赋权法确定各指标的权重。以黄河濮阳段河道整治工程为研究对象,分析计算该工程的影响程度,评价结果表明工程实施影响为Ⅱ级(较好)。

河道整治工程;影响评价;指标体系;熵组合赋权法;模糊综合评判法

我国是世界上河流最多的国家之一,历史上长江、黄河、淮河等大河频发洪灾,给两岸人民的生命财产造成了巨大的损失,数量众多、分布广泛的中小河流造成的洪涝灾害也不在少数[1]。河道整治是河流防洪治理中的一种,除具有显著的防洪作用外,还可以改善长期以来由于河流破坏带来的诸多问题,能有效减少冲滩塌岸现象,有利于稳定滩涂、改善滩区的生产生活条件,提高滩区的土地利用价值,因而能产生巨大的社会效益[2-3]。对河道整治工程的影响进行评价,可以论证其实施的成效和存在的不足,因而具有重要的理论与实践意义。

目前,关于河道整治影响评价的相关研究甚少,评价指标体系也很不完善[4-7]。笔者将熵组合赋权法与模糊综合评判法相结合建立评价模型,从对经济发展影响、社会发展影响、社会环境影响以及对合理利用自然资源的影响4个方面建立评价指标体系,并将此模型用于黄河濮阳段河道整治工程的影响评价。

1 模糊综合评判模型原理与方法

模糊综合评判法是运用模糊数学方法,根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价,对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价,使得模糊现象清晰化[8],既能充分体现评价过程的模糊性,又能尽量减少主观判断带来的弊端[9]。

权重系数是指在评价过程中,对评价指标在重要程度上进行的定量分配。有关权重的确定方法有数十种,根据权重计算原始数据的来源不同,可分为主观赋权法和客观赋权法。运用主观赋权法确定各指标间权重系数反映了决策者的意向,但决策或评价结果具有很大的主观随意性;运用客观赋权法确定各指标间权重系数,决策或评价结果虽具有较强的数学理论依据,但未考虑决策者的意向。为了改善和提高权值的精确性,弥补单一用主观和客观权重的不足,笔者以相对最小信息熵为工具,将主客观权重结合起来形成组合权重,最终确定各评价指标的权重。

1.1 建立因素集

本文因素集分主因素层评价指标与子因素层评价指标2个层级。根据选取的影响评价指标,确定主因素集U={u1,u2,…,um},其中m为主因素层指标的个数;子因素指标集us={us1,us2,…,usn}(s=1,2,…,m),其中n为主因素指标中子因素指标的个数。

1.2 建立因素评价集

确定因素评价集V={v1,v2,…,vj},其中vk(k=1,2,…,j)表示影响事物评价值的第k个等级。河道整治工程影响评价等级分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ五个等级,用“好、较好、一般、较差、差”分别进行描述,并对各等级因子赋予相应分值{1.0,0.8,0.6,0.4,0.2}。

1.3 等级评价矩阵的确定

各主因素指标的等级评价矩阵Rs可表示为

(1)

式中s=1,2,…,m;矩阵中的元素表示子因素层指标对各级评语的隶属度。由于黄河濮阳段河道整治工程影响综合评价的各项指标情况复杂,难以量化,笔者通过德尔菲法确定指标隶属度。指标隶属函数的构造采用降半梯形法,设vk和vk+1为相邻的两级标准,显然有vk>vk+1,各因素评价指标对vk的隶属函数为

(2)

对vk+1的隶属度函数为

(3)

1.4 权重的确定

根据最小相对信息熵原理将主观权重与客观权重进行组合来确定各评价指标的权重,这里仅介绍子因素指标权重的确定方法,主因素指标的权重计算与之完全类似,不作赘述,权重计算步骤如下。

1.4.1 主观权重计算

对各子因素指标在对应主因素指标下的重要性进行两两比较,建立模糊互补判断矩阵P={pij},其中0≤pij≤1,pij+pji=1(i,j=1,2,…,n),pij表示指标i优于指标j的程度:pij>0.5时,表示指标i比指标j重要,pij越大表示指标i比指标j越重要,反之亦然。子因素指标主观权重计算公式为

(4)

1.4.2 主观权重的合理性判断

设W1=(ω11,ω12,…,ω1n)为子因素指标模糊互补判断矩阵P的权重向量,其中

(5)

通过检验P和其特征矩阵P*的一致性来判断主观权重的合理性,即相容性指标I:

(6)

一般认为,当I<0.1时,即可认为评价指标权重合理。

1.4.3 客观权重计算

黄河濮阳段河道整治工程影响综合评价指标客观权重采用等权法计算,即认为各评价指标的权重相等:

(7)

1.4.4 组合权重计算

综合各指标的主观权重ω1和客观权重ω2,可得到各指标的组合权重ω,显然{ωt}与{ω1t}、{ω2t}都应尽可能接近,根据最小相对信息熵原理有

(8)

通过计算可得到各子因素指标的组合权重ωt。

1.5 单因素评判

根据各子因素指标在所对应主因素指标下的权重Wi=(ωi1,ωi2,…,ωin)以及Rs,得出各主因素指标对于各评价等级的隶属度:

Bi=WiδRs=(ωi1,ωi2,…,ωin)·

(9)

式中:ωij为第i个主因素指标中第j个指标的权重;δ为模糊合成算子,表示模糊评价矩阵的模糊运算,本文采用加权平均型模糊合成算子。

1.6 综合评判

由Bi可以得到主因素层模糊评判矩阵B:

(10)

根据各主因素指标的权重W=(ω1,ω2,…,ωm),得出最终评语向量C:

C=WδB=(ω1,ω2,…,ωm)·

(11)

根据最大隶属度原则ck=max{ci}(1≤i≤m),可判断评价等级为第k级。

2 评价指标体系的建立

河道整治工程的影响评价,主要是对工程与社会的相互适应性、工程已实现的社会效益及影响、工程对土地资源利用和对社会经济发展带来的影响、工程对改善社会环境和生态环境等方面进行全面的、独立的、科学的分析和评判。

在参考有关学者所著论文的基础上[10-15],根据河道整治工程的特点和区域社会、经济环境特征,提出对经济发展的影响、对社会发展的影响、对社会环境的影响、对合理利用自然资源的影响4个主因素指标集,并分别将每个主因素指标分解为若干子因素指标,在专家的指导下,遴选出12个子因素指标,建立河道整治工程影响评价层次结构指标体系,见表1。

表1 河道整治工程影响评价层次结构指标体系

3 实例研究

黄河濮阳段位于河南省黄河最下游,自濮阳县王窑至台前县张庄,流经濮阳县、范县、台前3个县,全长167.5 km,为1855年铜瓦厢决口而形成的河道,迄今已有156年的历史。河道上宽下窄,属于游荡型河段向弯曲型河段过渡的过渡型河段,素有“豆腐腰”河段之称,历史上灾害频繁。据史料记载,从1855—1946年的91年间,该河段发生大的黄河水害80多次,决口达108处,给沿岸人民造成了深重的灾难。1949年中华人民共和国成立后,各级政府十分重视黄河治理的研究,先后采用过多种河道整治方案。近年来,黄河濮阳段河道整治采用微弯型河道整治方案,取得了很大的成效,对两岸防洪安全、工农业与生活用水、滩区群众安全与生产、交通航运等都产生了积极的作用和深远的影响,笔者采用熵组合赋权法与模糊综合评判法对其实施影响进行评价。

3.1 等级评价矩阵计算

在黄河濮阳段河道整治方案影响评价中,为确定各指标对各评价等级的隶属度,邀请20位专家采用德尔菲法对各指标进行单因素评价,专家组来自政府部门、水利高校、科研机构、工程协会,将黄河濮阳段河道整治工程实施前后的河段经济、社会、资源利用的运行相关资料及影响评价打分表发给每位专家,汇总各考核专家的评分结果,由式(2)和式(3)计算得到各评价指标的隶属度，见表2。

表2 各评价指标的隶属度

由表2可得到各主因素指标的等级评价矩阵:

3.2 指标权重计算

对各级评价指标两两进行重要性比较,建立模糊互补判断矩阵。主因素层指标模糊互补判断矩阵P为

子因素层指标模糊互补判断矩阵分别为

由式(6)可得到主因素指标评价系统的相容性指标I为0.027 4,小于0.1;4个子因素指标评价系统的相容性指标I分别为0.032 1,0.028 3,0.045 24,0.026 3,均小于0.1,可知得到的各层次评价指标的主观权重合理。

由式(4)和式(7)分别计算出各级评价指标的主观权重及客观权重,由式(8)根据最小相对信息熵原理可得到组合权重值：W=(0.211,0.368,0.342,0.079),W1=(0.458,0.424,0.118),W2=(0.425,0.418,0.157),W3=(0.523,0.319,0.158),W4=(0.482,0.304,0.214)。

3.3 单因素评判

由式(9)及计算得到的各主因素指标的等级评价矩阵及各子因素指标的权重可以求得单因素对于各评价等级的隶属度如下:

B1=W1δR1=(0.458,0.424,0.118)·

(0.663,0.290,0.047,0,0)

B2=W2δR2=(0.425,0.418,0.157)·

(0.298,0.337,0.209,0.078,0.078)

B3=W3δR3=(0.523,0.319,0.158)·

(0,0.471,0.243,0.286,0)

B4=W4δR4=(0.482,0.304,0.214)·

(0.166,0.712,0.122,0,0)

3.4 综合评判

由式(11)可得最终评语向量C:

C=WδB=(0.211,0.368,0.342,0.079)·

(0.263,0.402,0.179,0.127,0.029)

由c2=max{ci}(1≤i≤5)=0.402,根据最大隶属度原则,可判定黄河濮阳段河道整治工程的影响为Ⅱ级(较好)。

4 结语

a. 综合应用熵组合权赋权法和模糊综合评判法,建立了河道整治工程影响的评价模型,并构建了河道整治工程影响评价层次结构指标体系,在参考大量文献的基础上经专家指导遴选出评价指标,评价指标体系具有一定的科学性,该模型计算方法相对简单,模型分析结果与工程建设特点和所处环境特征基本吻合,表明该评价方法具有较好的科学性和实用性。

b. 将所建模型用于评价黄河濮阳段河道整治工程,评价结果表明其实施影响较好,论证了该河道整治工程的合理性,从计算结果可以看出该整治工程对社会环境的影响和对合理利用自然资源的影响2个主因素相较其他2个因素要差一些,在今后该河段实施河道整治应充分考虑这2个因素。

c. 由于河道整治工程影响评价涉及的评价指标较多,在指标的选择方面尚不能全部纳入考虑范围,指标体系需要进一步完善,这有待于后续工作的进一步开展。

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