基于结构熵权-物元可拓分析的宁夏农村基础设施建设适用技术评价
2020-11-09胡云香马占武韩静云田幼萌
胡云香, 马占武*, 韩静云, 傅 博, 马 玲, 田幼萌
(1.北方民族大学土木工程学院, 银川 750021; 2.中国科学技术出版社有限公司, 北京 100054)
农村基础设施建设是推进乡村振兴战略、实现美丽乡村建设的具体举措。自2008年以来,在国家政策的重点扶持下,宁夏农村基础设施建设进展迅速,截至2018年年底全区基本实现了水、电、路、气、房、优美环境“六到农家”,大部分地区的公共服务水平显著提高,村民生活环境得到极大改善。但是随着《农村人居环境整治三年行动方案》的不断推进与落实,宁夏农村基础设施建设中存在的问题不断凸显,尤其是对农村人居环境影响比较显著的生活污水处理、垃圾处理、粪便处理(厕所)等设施的建设问题最为明显。宁夏地处西部地区,自身发展基础比较薄弱,在农村基础设施建设的过程中借鉴东部发达省份的经验较多,但是由于缺乏详细规划,在借鉴的过程中对技术的选择和使用论证不足,完全照搬东部地区模式,没有因地制宜、因村制宜,影响了宁夏农村基础设施建设的质量及人居环境整治的效果。
造成部分技术在宁夏地区应用 “水土不服”的主要原因在于:一是技术本身存在缺陷。技术在研发及推广的过程中没有考虑使用者的区域差异,没有考虑到在西部干旱寒冷地区的应用条件,导致这些技术引进宁夏地区后使用效果不佳;二是技术引进缺乏客观论证,没有进行适用性分析。引进的技术不符合当地村庄的实际情况,没有尊重当地村民的意愿和生活习惯,导致大量设备设施利用率低。目前,宁夏地区的建设规划只到乡镇一级,村一级的建设规划和产业规划普遍缺失,因此村级单位如何在乡镇规划的基础上因村制宜,选择符合村庄实际情况的基础设施建设适用技术,是困扰宁夏农村基层建设工作者的主要问题。
图1 宁夏农村基础设施建设适用技术评价指标体系Fig.1 The evaluation indicator system of appropriate technology of rural infrastructure construction in Ningxia
中外学者针对具体农村基础设施建设技术的适用性进行了分析,包括农村生活垃圾处理技术[1]、污水处理技术[2-3]、道路养护技术[4]和住宅节能技术[5-6]等。前人研究主要从技术层面进行适用性分析,评价指标及方法较为复杂,且需要依靠专业设备进行大量数据的采集及处理,不适合在农村基层评价中应用,并且这些研究只针对某一项具体基础设施,不具有普适性,难以在宁夏农村地区进行推广应用。为此,对宁夏农村基础设施建设适用技术评价进行研究,旨在帮助村级单位在建设初期采用科学简便的方法进行技术的初步筛选,以此作为在乡镇规划下编制村庄建设规划、申请建设资金的依据,并且根据评价的结果,发现技术在应用的过程中可能出现的问题,针对问题及时改进,提高宁夏农村基础设施建设的质量及水平。
1 宁夏农村基础设施建设适用技术评价模型
1.1 评价指标的选取
影响技术适用性的因素很多,区域的经济发展水平、地理位置、气候环境、人文环境、产业发展、人口分布、使用者的思想观念和生活习惯等都会影响技术的适用性[7-9]。主要从两个方面考虑影响宁夏农村基础设施建设技术适用性的因素,一是宁夏当地的环境能否保证技术的顺利实施;二是技术实施后能否在当地达到预期的效果。因此,评价指标既要能体现实现技术所满足的基本条件,还要能够反映技术在当地实施后的预期效果[10-11]。对宁夏区内94个村庄、浙江安吉县6个村庄进行实地调研的基础上,通过查阅大量文献、咨询区内外相关领域的专家,从经济、社会、环境、技术四个维度,选取了21个具有代表性、可操作性的指标,建立宁夏农村基础设施建设适用技术评价指标体系[12-17]。具体评价指标的选取如下。
经济适用性的指标主要包括实现技术所需要的资金、成本和预期的经济效益,采用资金来源保障度C11、单位规模投资C12、单位使用成本C13和人均年收入增加率C14体现;社会适用性指标包括当地社会对技术的接受程度以及技术实施后对社会的预期影响,采用村民受教育程度C21、村民的改造意愿C22、社会风险水平C23、剩余劳动力解决率C24、农民科技素质提高率C25体现;环境适用性指标包括当地环境能否保证技术的顺利实施以及技术实施后对当地自然环境产生的影响,包括温度、湿度适宜度C31、地形地貌适宜度C32、生物多样性保持率C33、空气质量改善度C34、地表水水质改善度C35、污染物排放降低率C36;技术适用性采用技术成熟度C41、质量达标率C42、操作便利度C43、配套完备性C44、管网衔接度C45、管理制度健全度C46体现,完整指标体系如图1所示。
1.2 指标权重的确定
指标的权重直接影响评价结果的合理性,为了规避在调查中出现的指标权重量化标准不统一的问题,选取结构熵权法来确定评价指标的权重。结构熵权法让专家对指标的重要性进行“典型排序”,并用熵理论对排序结构的不确定性进行分析,计算熵值并进行“盲度分析”,最后对数据进行统一处理得到各指标的权重[18]。具体步骤如下:
(1)由专家意见可以得到k个专家对n个指标的排序矩阵记为
A=(aij)k×n,i=1,2,…,k;j=1,2,…,n
(1)
式(1)中:aij表示第i个专家对第j个指标的评价值,可以是{1,2,…,n}中的任意一个数,对应于“第1选择,第2选择,…,第n选择”。
(2)排序结果定量转化,通过计算排序结果的熵值,构造转化的隶属函数为
χ(I)=-lpn(I)lnpn(I)
(2)
式(2)中:χ(I)为定性排序结果I的熵函数,I=aij=1,2,…,j+1,对应“第1选择,第2选择,…,第j+1选择”,j为实际最大排序数。
令
其中m为转化参数量,m=j+2,代入式(2)化简为
(3)
(4)
将I=aij代入式(4)中可得bij=μ(aij),为I的隶属度,矩阵B=[bij]k×n为隶属度矩阵。
(3)盲度分析。假设k个专家对指标mj的平均认识度为bj,则
bj=(b1j+b2j+…+bkj)k-1
(5)
专家对指标mj由认知产生的不确定性,称为“认知盲度”,记为Qj:
Qj=|{[max(b1j,b2j,…,bkj)-bj]+
[min(b1j,b2j,…,bkj)-bj]}/2|
(6)
显然,Qj≥0。假设k个专家对于mj的总体认识度为xj,则:
xj=bj(1-Qj),xj>0
(7)
由xj可以得到k个专家对指标mj的评价向量为X=(x1,x2,…,xn)。
(4)归一化处理,令
(8)
根据结构熵权法的基本原理,结合宁夏农村地区实际情况,邀请30位宁夏区内对农村基础设施建设情况非常了解的专家对适用技术评价指标进行典型排序,根据典型排序的结果对数据进行分析处理,最终得到各指标的权重,如表1所示。
1.3 评价模型的建立
物元可拓评价方法计算简单、结果严密,适合在农村基层评价决策中应用,因此采用物元可拓评价方法建立宁夏农村基础设施建设适用技术评价模型,具体步骤如下[19]。
1.3.1 构造可拓物元矩阵
要评价宁夏农村基础设施建设适用技术,首先应该分析影响宁夏农村基础设施建设技术适用性的因素,根据建立的评价指标体系,建立宁夏农村基础设施建设适用技术评价的物元模型为
(9)
式(9)中:P为宁夏农村基础设施建设适用技术;ci(i=1,2,…,n)为影响技术适用性的各种因素,即确定的各评价指标;xi为适用技术P关于ci所确定的量值范围,i=1,2,…,n。
1.3.2 确定经典域与节域
结合宁夏农村基础设施建设适用技术的特点,本评价模型将宁夏农村基础设施建设适用技术评价的一级指标等级分为适用、较为适用、较难适用和不适用4个等级。其中适用等级表示该技术应用于该地区的所有条件均已满足,能够最大限度地发挥技术的优势,预期应用效果良好;较为适用等级表示该技术应用于该地区还有部分条件不满足,需要针对不适用的地方进行改进,改进后能够达到预期应用效果;较难适用等级表示该技术应用于该地区需要克服的困难较多,需要改进的地方很多,并且应用的效果很难保证;不适用等级表示该技术跟本不适用于在该地区推广,即使采用很多改进措施也无法让该技术在该地区顺利实施,或者改进的代价与技术推广的代价相比花费巨大,得不偿失。这4个等级对应的量化评价准则为适用(1~0.75)、较为适用(0.75~0.50)、较难适用(0.50~0.25)和不适用(0.25~0)。
1.3.3 定性指标的定量转化
在宁夏农村基础设施建设适用技术评价指标中既有定性指标又有定量指标,定性指标通过专家打分获得,将专家打分的定性指标分为“优、良、中、差”4个等级,对应分值分别为1~0.75、0.75~0.50、0.50~0.25和0.25~0。
1.3.4 定量指标的归一化处理
为了统一不同量纲的指标,对定量指标采取如式(10)所示的无量纲化处理:
(10)
1.3.5 构造关联函数
在运用可拓评价时,需要构造关联函数来评价事物关于某一量值的符合程度,即关联度。在物元分析中,将一个点x0到区间x=[a,b]的距离定义为
(11)
以式(11)为基础构造宁夏农村基础设施建设适用技术评价的关联函数,如式(12)所示:
(12)
式(12)中:j=1,2,3,4为适用技术的4个评价等级,i=1,2,…,21为适用技术的评价指标数;xi为评价物元对于第i个评价指标的值;xji为评价指标i的第j类经典域〈aji,bji〉;xpi为节域,取(0,1);|xij|=|aji-bji|为经典域的距离。
1.3.6 综合评价
确定关联函数后,用式(13)计算各待评价物元对各评价等级的关联度
(13)
式(13)中:Kj(p)为待评价物元P对于评价等级j的关联度;wi为评价指标i的权重;kj(xi)为评价指标i对于评价等级j的关联函数值。通过式(13)计算出来的关联度中,如果Kj=maxKj(P),则认为待评物元属于第j级,以此来确定宁夏农村基础设施建设适用技术。
2 案例分析
目前在宁夏农村生活污水处理设施建设中采用的技术主要为分散式和集中式两大类[20-22],分散式技术中以地埋一体化污水处理技术在宁夏地区的应用最为广泛。以宁夏吴忠市利通区某村污水处理技术选择为例,采用上述适用技术评价模型对该村采用分散式地埋一体化污水处理技术的适用性进行评价,邀请10位对该村情况较为熟悉的专家进行打分,根据专家打分的结果得到各评价指标对评价等级的关联函数值如表1、表2所示。
由表2可知,该村采用分散式地埋一体化污水处理技术的适用性对于经典域R3(较难适用)的关联度最大,表明分散式地埋一体化污水处理技术较难适用于在该村推广。一级指标中经济适用性和技术适用性对应的级别均为较难适用,表明造成该技术推广困难的主要原因是经济和技术层面的适用性不佳。评价结果与该村实际情况一致,该村距离城镇管网较近,采用分散式污水处理技术的投资成本和使用成本均较高,并且处理的效果不佳,异味问题始终没有得到彻底解决。因此该村不太适合应用分散式污水处理技术,可以考虑采用集中管网式污水处理技术,并对技术的适用性进行进一步论证。
表1 各二级评价指标对评价等级的关联函数值
3 结论
在对宁夏农村地区进行大量实地调研的基础上,针对宁夏农村基础设施建设中存在的技术应用“水土不服”问题,研究适合村级单位进行建设技术初选的适用技术评价方法。
得出以下主要结论。
(1)基于农村基层建设者的角度,通过文献查阅、实地调研和专家函询等方式选取21个指标构建宁夏农村基础设施建设适用技术评价指标体系,采用结构熵权-物元可拓分析建立宁夏农村基础设施建设适用技术评价模型。
(2)以宁夏吴忠市利通区某村污水处理技术选择为例进行案例分析,评价该村采用分散式地埋一体化污水处理技术的适用性。结果表明在当地广泛推广的分散式地埋一体化污水处理技术很难适用于该村,评价结果与该村实际情况吻合,表明评价方法及评价模型真实可靠,可以为宁夏农村基础设施建设技术选择提供科学依据,有效避免盲目建设。同时证明了在宁夏农村地区,因地制宜、因村制宜,进行基础设施建设适用技术评价的必要性。
(3)研究结果为宁夏村级单位建设技术选择提供了简单合理、切实可行的评价方法,为村级单位的决策提供了客观依据,为村庄建设规划的编制提供基本方法和参考意见,解决了制约宁夏农村建设工作推进的实际问题,有利于提高宁夏农村基础设施建设的质量和水平,具有良好的推广和应用价值。