满堂河河道治理工程整治方案优选研究

赵 珊

(沈阳市水利建筑勘测设计院有限公司，沈阳 110015)

河流是连接自然生态环境与水资源系统的重要媒介，直接关系着水生态文明建设与社会经济的持续发展，对于河道整治方案的合理评价可为提升城市品味、增强流域竞争力、创造宜居环境和实现人水和谐等提供重要保障。河道治理工程涉及到的领域广、参数多，对其方案的优选属于一个多目标、多要素的复杂问题，其中方案优选结果与权重系数的准确计算密切相关。目前，权重系数计算的常用方法有基于差异驱动理论和功能驱动理论的赋权法，前者具有较为完善的理论体系和运算流程，且以客观环境为载体获取初始数据信息，然而该方法未考虑决策者的主观判断使得评价结果往往存在较大的偏差；后者体现了评判者的个人偏好与知识结构，这也是导致评价结果存在偏差的主要原因。为了能够体现指标信息更加合理的求解权重值，综合集成以上方法能够避免单一方法存在的弊端。目前，涉及综合权重计算的现有研究方法存在两方面不足：其一，对于综合权重比重的确定缺乏各类赋权法的判别依据；其二，综合权重的计算存在计算量大、过程冗长等问题。鉴于此，文章对评价指标权重利用综合赋权法求解，该方法具有客观性墙、精准度高、运算量少、理论清晰等优点，对于治理方案的优选分析具有广泛的应用前景[1-4]。

1 综合集成赋权法

1.1 G1序关系法

主观赋权法是以功能驱动原理和决策者主观判断为理论依据，对各指标权重系数按照相对重要程度确定，当前较为常用的方法有G1序关系法、G2法和AHP法等。较AHP法，G1序关系法可不必检验矩阵一致性，由此大大提升了运算效率和速度，并且不受同一层次中参评指标数的限制，保证了评价结果的系统性和客观性。因此，文章将评估指标主观权重系数利用G1法求解，然后对河道整治方案综合评估值按照计算的权重系数确定。采用G1序关系法求解指标主观权重流程如下：

步骤二：参评因子xi的权重wi计算。设wk-1/wk为河道整治方案评价因子xk-1与xk的相对重要度，rk为河流治理领域评判专家的理性判断，其中k=m,m-1,…,2。Ri值在m较大时可取1，专家理性判断的参考依据如表1。

表1 rk参考赋值及含义

采用下述公式求解河道整治方案评价指标权重wm，即：

(1)

wk-1=rkwk；k=m，m-1,…,2

(2)

步骤三：依据权重系数值确定各参评方案评估值，数学表达式为：

(3)

式中：bij为不同治理方案中各评价因子数据。

1.2 熵值法

客观赋权法确定权重系数的主要依据为差异驱动理论和各参数包含信息量的大小，该方法考虑了不同指标间的关联特性，能够克服人为主观判断对权重计算的干扰，保证了治理方案优选的客观性。目前，比较常用的方法有均方差法熵值法、、拉开档次法和极差法等，文章对不同治理方案的总体评价值和客观权重系数考虑选用熵值法确定。

熵值法求解权重系数的重要条件是各项指标提供的数据信息量不同，设第j项指标在第i个决策方案或评价对象中的数值为xij，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。给定评价因子j，数值xij的差异越大则用于比较决策方案或参评样本的作用越高，此参数能够传递的信息和包含的有效数据也越多，在方案决策或目标评价中赋予的权值越大。评价指标权重利用熵值法求解的流程如下：

步骤一：因子特征比重的求解，设评价因子j关于参评样本i的特征为pij，其表达式为：

(4)

步骤二：采用公式(5)求解评价指标j的的熵值ej，即：

(5)

步骤三：评价指标xj差异性系数的计算。给定评价因子j，数值xij的差异性越低则ej越大，该评价指标能够比较决策方案的程度越小；反之，xij的差异性越高则ej越小，该评价指标能够比较决策方案的程度越大。采用下述公式确定差异系数gj，即：

gj=1-ej

(6)

(7)

(8)

1.3 综合赋权法

w=αw′+βw″

(9)

根据公式(9)可知，运用综合集成赋权法的核心环节是确定待定系数α和β。单位化约束条件下α与β应满足关系式：

α2+β2=1

(10)

整治方案综合评估目标值ui采用决策分析的加权法则求解，其数学计算式为：

(11)

一般情况下，决策方案的优劣程度与ui值的大小正相关，因此尽可能的增大决策方案综合评价值之和为权重计算的约束条件，在此基础上构造的最优化模型如下：

(12)

上述最优化模型属于多目标、多因素系统性决策问题，而河道整治方案之间不存在明显的偏好特征，因此可选用单目标最优化模型和加权线性求和法作等价转换，最优化模型可转化为对下式的求解问题：

(13)

模型的求解公式选用Lagrange函数，通过归一化处理运算结果获取最优化单目标模型的理想解α*、β*，计算公式如下：

(14)

(15)

(16)

2 满堂河整治方案优选

满堂河属于浑河的一级支流，发源于上木匠村，流经沈阳市浑南区、沈河区后于王家湾橡胶坝处汇入浑河，河流全长23.5km，控制面积62.73km2。满堂河综合整治工程主要治理沈河段，起点为绕城高速，终点为王家湾橡胶坝，治理段长8.972km，治理目标为绿化河岸、美化环境、加固护岸、清淤疏通，保证河流的顺畅及提升河道的生态景观。根据防洪标准和工程情况，工程设计标准为10a一遇防洪，现状满堂河沈河区段大部分河道均无法满足该标准，按照防洪标准要求需要拓宽或加高河道。该工程项目建设的目是为解决河道淤积，险工及生态环境问题，由于河道沿线两侧堤岸靠近岸边有大量的房屋、菜地大棚、现有的道路等不允许被占用，应业主要求项目设计过程中不考虑防洪标准。桩号17+500—18+731段河道宽度不满足6m处按6m拓宽，超过6m处按现有河道宽度清淤整形、清除垃圾；14+500-17+500段、18+731-23+472段河道宽度不满足8m处按8m拓宽，超过8m处按现有河道宽度清淤整形、清除垃圾、护岸整治、河堤的绿化等[5-9]。

河道整治的关键环节是合理的选择护岸形式及河道断面，考虑河道生态景观、农田灌溉、城市防洪等功能要求拟定了四个整治方案。①方案Ⅰ：治理河段全部选用干砌石护坡和单槽断面形式；②方案Ⅱ：治理河段全部选用砂浆砌石护坡，洪水槽与清水槽双槽断面形式；③方案Ⅲ：治理河段为中间洪水槽、两边清水槽断面形式，为混凝土护坡；④方案Ⅳ：治理河段下游选用干砌石护坡、单槽方案，治理段中游为浆砌石护坡、中间洪水槽、两边清水槽、方案，治理段上游为综混凝土护坡、双槽断面方案。从土地增值效益x6、洪水资源利用率x5、占地面积x4、环境协调性x3、亲水性x2、投资成本x1等6个方面评价分析河道整治方案产生的生态、经济与社会效益，从而确定最优方案。

2.1 主、客观权重

1)主观赋权法。采用专家打分法获取环境协调性和亲水性等定性指标数值，各河道整治方案中6项指标值计算结果如表2。

表2 河道治理工程评估指标值

2)客观赋权法。采用正向化和无量纲化公式处理表2中各治理工程初始数值如表3，并以此作为河道整治方案评估样本值。根据熵值法运算流程和计算公式(4)-(7)得到客观权向量为：w″=(0.077，0.114，0.261，0.006，0.313，0.229)。

表3 河道治理工程各评估指标无量钢化数值

2.2 综合权重

3 结 论

1)对满堂河沈河区段河道整治方案选用综合集成赋权法优选，将主客观权重法相耦合确定综合权重。该方法考虑了初始有效信息且能够反映评判者的主观判断，各方案利用计算的综合权重评估具有运算量少、理论清晰等优点，最终确定满堂河沈河区段最佳整治方案。

2)根据综合集成法、主观与客观赋权法确定的河道整治方案优劣排序结果，不同方法的排序结果存在一定差异，综合集成法兼顾了单一法的优点，使得评价结果更加合理、准确，在多要素、多目标方案决策和综合评价中具有较好的应用价值及应用前景。