劉本杰,唐德善,周春飛

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

由橡膠壩、翻板壩、水閘等擋水建筑物優(yōu)選組成的城市景觀河道壩系建設(shè),除能滿足防洪排澇要求外,通過與河道梯級帶狀水面、濱水景觀等的結(jié)合,還能打造水景觀,構(gòu)造現(xiàn)代城市景觀帶[1],為市民提供觀賞、休閑、娛樂的場所。壩系布局方案的優(yōu)劣直接關(guān)系河道景觀效果,影響工程的投資、安全與效益[2]。目前壩系布局方案的選擇主要是將各可選方案定性分析后進(jìn)行主觀判斷[3-4];少數(shù)專家采用的層次分析法計算過程復(fù)雜、計算量大,且容易受知識與經(jīng)驗(yàn)缺乏的影響[5]。筆者應(yīng)用綜合集成賦權(quán)法[6]進(jìn)行城市景觀河道壩系布局方案優(yōu)選。為科學(xué)、合理地對各布局方案進(jìn)行整體評估,選取逼近理想點(diǎn)法計算指標(biāo)的客觀權(quán)重,選用區(qū)間映射賦權(quán)法(G2法)并加以改進(jìn),計算指標(biāo)的主觀權(quán)重,通過基于單位化約束條件[7-8]的“加法”集成法得到兼顧主客觀信息的綜合權(quán)重,借助該權(quán)重對壩系布局方案進(jìn)行綜合評估,確定壩系布局方案優(yōu)選順序。綜合集成賦權(quán)法技術(shù)路線見圖1。

圖1 綜合集成賦權(quán)法技術(shù)路線

1 綜合集成賦權(quán)法簡介

主觀賦權(quán)法能反映決策者的主觀判斷,但容易受知識與經(jīng)驗(yàn)缺乏的影響;客觀賦權(quán)法采用了完善的數(shù)學(xué)方法,但忽略了決策者的主觀影響。從邏輯上將兩類賦權(quán)法有機(jī)地結(jié)合起來,使所確定的權(quán)重同時體現(xiàn)主觀和客觀信息,這就是綜合集成賦權(quán)法[7]。

客觀賦權(quán)法中,逼近理想點(diǎn)法與熵值法相比更能反映各系統(tǒng)之間的整體差異,充分考慮數(shù)據(jù)差異不大的指標(biāo)影響,且較“拉開檔次法”計算簡便。主觀賦權(quán)法中,G2法具有區(qū)間特性,考慮了信息不足、專家知識缺乏等因素的影響,與層次分析法相比計算簡便,且對指標(biāo)的數(shù)量沒有限制,比序關(guān)系分析法靈活,更面向?qū)嶋H應(yīng)用。基于單位化約束條件的“加法”集成法與Delphi法相比,更能體現(xiàn)被評價對象之間的最大差異,適用于評價指標(biāo)相互獨(dú)立的場合,較“乘法”集成法容易計算,便于推廣普及。

1.1 逼近理想點(diǎn)法[6]

對于n個評價對象,設(shè)理想系統(tǒng)指標(biāo)向量s*=(x1*,x2*,…,xm*)T,任一系統(tǒng)指標(biāo)向量si=(xi1,xi2,…,xim)T與s*間的加權(quán)歐氏距離為

求使所有的hi之和最小的權(quán)重pj(j=1,2,…,m),即為求解最優(yōu)化問題

建立拉格朗日函數(shù)

1.2 G2法及其改進(jìn)

1.2.1 G2法

對于閉區(qū)間D=[d1,d2],稱e(D)=d2-d1為D的區(qū)間寬度,n(D)=(d1+d2)/2為區(qū)間中點(diǎn)。對于D1=[d11,d21],D2=[d12,d22],規(guī)定D1+D2=[d11+d12,d21+d22]。

根據(jù)專家對待風(fēng)險決策的態(tài)度,可以分為保守型、中立型和風(fēng)險型專家 。定義映射φε(D)=n(D)+εe(D)為具有專家風(fēng)險態(tài)度的區(qū)間映射函數(shù),其中ε為風(fēng)險態(tài)度因子,對于不同的專家,ε不同且已知。設(shè)專家在指標(biāo)集{xj}(j=1,2,…,m)中挑選出他認(rèn)為最不重要且唯一的1個指標(biāo),并將其記為xjm,這時不妨將m個指標(biāo)x1,x2,…,xm重新標(biāo)記為xj1,xj2,…,xjm,其中xjk為{xj}中的某個指標(biāo)。設(shè)專家根據(jù)有關(guān)信息對評價指標(biāo)xjk與xjm關(guān)于目標(biāo)的重要性程度之比rkm做出理性的范圍判斷,并給出rkm的取值區(qū)間:

令Dm=1,若Dk賦值準(zhǔn)確,則評價指標(biāo)xjk的權(quán)重為

這種賦權(quán)法稱為G2法[6]。

1.2.2 改進(jìn)的G2法

如果L位專家對指標(biāo)集{xj}(j=1,2,…,m)中最不重要指標(biāo)的定性判斷不一致,可根據(jù)每位專家的定性判斷定量賦值,借助該賦值確定各指標(biāo)的權(quán)重。如果專家對不重要指標(biāo)的定性判斷不一致,而對最重要指標(biāo)的判斷一致且該指標(biāo)唯一,記為xj1。同樣地,可將m個指標(biāo)x1,x2,…,xm重新標(biāo)記為xj1,xj2,…,xjm。邀請專家給出xjk與xj1之比rk1的取值區(qū)間:

令D1=1,得到評價指標(biāo)xjk的權(quán)重,同式(5)。

考慮到專家風(fēng)險態(tài)度因子的確定難度,為簡化評價步驟,根據(jù)Yager方法中的指標(biāo)F1(~N)確定φε(D)[9]。對于閉區(qū)間D=[d1,d2],幾何中心F1(~N)=(d1+d2)/2=n(D)?？扇?φε(D)=F1(~N)=n(D)。此時評價指標(biāo)xjk的權(quán)重為

由“加法”集成法得各綜合評價值為

1.3 基于單位化約束條件的“加法”集成法

設(shè)pj,qj分別是基于差異驅(qū)動原理和功能驅(qū)動原理生成的指標(biāo)xj的權(quán)重,令 ωj=k1pj+k2qj(j=1,2,…,m),則 si的綜合評價值為

這是體現(xiàn)整體最大差異的綜合集成賦權(quán)法[6]。由式(9)得各綜合評價值為

2 應(yīng)用實(shí)例

內(nèi)蒙古烏海市摩爾溝河道整治工程整治河段長11.5km,地形落差56m,河道岸坡基本處于自然狀態(tài),防洪能力差,洪水威脅市民人身財產(chǎn)安全;由于降水少、蒸發(fā)大,河槽基本處于干涸狀態(tài),生態(tài)環(huán)境惡劣,影響城市形象,制約城市發(fā)展。根據(jù)摩爾溝河道整治工程規(guī)劃,通過梯級壩系的建設(shè),應(yīng)既能蓄洪滯洪,又能構(gòu)造水景觀,要將河道建設(shè)成為滿足市民觀賞、親水、娛樂需要的城市景觀河道。

綜合考慮景觀、防洪、投資、運(yùn)行等需求,根據(jù)城市建設(shè)規(guī)劃,專家篩選出以下3個壩系布局方案:①十六壩方案。為保證河道全斷面蓄水,修筑16座壩(閘)。存在問題包括:建壩數(shù)量多,投資大;水面面積小,景觀效果一般;運(yùn)行調(diào)度復(fù)雜。②九壩方案。為保證河道全斷面蓄水,經(jīng)過開挖后修筑9座壩(閘),增大水面面積,以提高水景觀效果。存在問題包括:開挖量大,運(yùn)輸費(fèi)用高;工期長,臨時工程投資大。③七壩方案。在地形坡度較大的河段不蓄水,以減少筑壩數(shù)和開挖量,降低工程投資。缺點(diǎn)是水景觀效果差,干河槽段河道衛(wèi)生、環(huán)保問題存在隱患。

從城市建設(shè)規(guī)劃參數(shù)x1、景觀滿意度x2、運(yùn)行調(diào)度難易指標(biāo)x3、工程投資x4、防洪效益x5等相互獨(dú)立的5個方面對壩系布局方案進(jìn)行評估,以達(dá)到最佳整治效果,產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)社會效益[10]。通過問卷調(diào)查、專家評分、定量計算等措施,得到各評價指標(biāo)值見表1。

表1 壩系布局方案評價指標(biāo)

2.1 客觀權(quán)重計算及方案客觀評估

設(shè)理想方案指標(biāo)向量 s*=(1,1,1,1,1)T,將3個方案的指標(biāo)值進(jìn)行一致化、無量綱化處理,得到各方案指標(biāo)向量 s1=(0.78,0.74,0.76,0.46,0.70)T,s2=(0.81,0.78,0.80,0.52,0.75)T,s3=(0.74,0.51,0.88,0.64,0.90)T。各方案指標(biāo)x1與x3差異較小。

將s*,s1,s2,s3代入式(3)計算得到指標(biāo)x1,x2,x3,x4,x5的權(quán)重分別為:p1=0.253,p2=0.108,p3=0.343,p4=0.059,p5=0.237。即客觀賦權(quán)法權(quán)重向量 p=(0.253,0.108,0.343,0.059,0.237)T。

將p=(0.253,0.108,0.343,0.059,0.237)T代入式(1)得h1=0.269,h2=0.228,h3=0.205。由h3＜h2＜h1知,客觀賦權(quán)法得到的方案優(yōu)選順序?yàn)?七壩方案優(yōu)于九壩方案,九壩方案優(yōu)于十六壩方案。

2.2 主觀權(quán)重計算與方案主觀評估

邀請25位專家對評價指標(biāo)集{xj}(j=1,2,3,4,5)最重要指標(biāo)和最不重要指標(biāo)進(jìn)行判斷,判斷得出最不重要指標(biāo)不一致,而最重要指標(biāo)一致,為景觀滿意度x2,記為xj1,并將x1,x3,x4,x5分別記為xj2,xj3,xj4,xj5。

由式(6)取r11=1,根據(jù)烏海市摩爾溝河道整治工程相關(guān)信息對評價指標(biāo)進(jìn)行理性判斷,確定指標(biāo)xj2,xj3,xj4,xj5與xj1之比r21,r31,r41,r51的取值區(qū)間D2,D3,D4,D5分別為D2=[0.32,0.50],D3=[0.26,0.31],D4=[0.71,0.85],D5=[0.26,0.39]。區(qū)間中點(diǎn)分別為:n(D2)=0.41,n(D3)=0.28,n(D4)=0.78,n(D5)=0.33。代入式(7)得評價指標(biāo)xj1,xj2,xj3,xj4,xj5的權(quán)重分別為q1=0.357,q2=0.146,q3=0.100,q4=0.279,q5=0.118。即主觀賦權(quán)法權(quán)重向量 q=(0.146,0.357,0.100,0.279,0.118)T。

將q=(0.146,0.357,0.100,0.279,0.118)T代入式(8)得y1=0.665,y2=0.710,y3=0.663。由y2＞y1＞y3可知,客觀賦權(quán)法得到的方案優(yōu)選順序?yàn)?九壩方案優(yōu)于十六壩方案,十六壩方案優(yōu)于七壩方案。

2.3 指標(biāo)權(quán)重的綜合集成計算及方案優(yōu)選

將p=(0.253,0.108,0.343,0.059,0.237)T,q=(0.146,0.357,0.100,0.279,0.118)T分別代入式(10)(11),得k1*=0.530,k2*=0.470。則指標(biāo)的綜合權(quán)重 ω=(0.203,0.225,0.229,0.162,0.181)T。

比較p,q,ω可知,客觀權(quán)重、主觀權(quán)重和綜合權(quán)重明顯不一致。

將k1*=0.530,k2*=0.470,s1=(0.78,0.74,0.76,0.46,0.70)T,s2=(0.81,0.78,0.80,0.52,0.75)T,s3=(0.74,0.51,0.88,0.64,0.90)T代入式(12),得到十六壩方案、九壩方案、七壩方案的綜合評價值分別為y1=0.704,y2=0.743,y3=0.733。

由y2＞y3＞y1可知,綜合集成賦權(quán)法得到的方案優(yōu)選順序?yàn)?九壩方案優(yōu)于七壩方案,七壩方案優(yōu)于十六壩方案。

2.4 計算結(jié)果分析與方案優(yōu)選

運(yùn)用綜合集成賦權(quán)法得到的壩系布局方案優(yōu)選結(jié)論與客、主觀賦權(quán)法得到的結(jié)論明顯不一致。逼近理想點(diǎn)法得到的方案優(yōu)選結(jié)論未能體現(xiàn)各指標(biāo)之間的相對重要程度,尤其是忽略了河道景觀的重要性;改進(jìn)的G2法得到的方案優(yōu)選結(jié)論較大程度地體現(xiàn)了人們對指標(biāo)重要程度的主觀認(rèn)識;而基于單位化約束條件的綜合集成賦權(quán)法綜合反映了主客觀因素,且最大程度地體現(xiàn)了各方案的差異,借助該方法得到的布局方案更加科學(xué)合理。

綜上所述,摩爾溝河道整治工程壩系布局方案選用九壩方案。針對該方案存在的問題,需要在整治工程下階段重點(diǎn)做好土石方平衡、臨時工程、進(jìn)度控制等施工設(shè)計工作,以期達(dá)到河道的最佳整治效果。

3 結(jié) 語

a.應(yīng)用綜合集成賦權(quán)法進(jìn)行城市景觀河道壩系布局方案優(yōu)選,計算得到兼顧主客觀因素的綜合權(quán)重,借助該權(quán)重對3個布局方案總體評估。應(yīng)用實(shí)例表明,基于單位化約束條件的綜合集成賦權(quán)法綜合反映了主客觀因素,且最大程度體現(xiàn)了各方案的差異,借助該方法得到的布局方案更加科學(xué)合理。

b.選用逼近理想點(diǎn)法作為客觀賦權(quán)法,改進(jìn)的G2法作為主觀賦權(quán)法,通過基于單位化約束條件的“加法”集成法進(jìn)行權(quán)重集成,同其他類似的綜合集成賦權(quán)法應(yīng)用[9,11-12]相比,原理科學(xué),方法靈活,更面向?qū)嶋H應(yīng)用,有較好的推廣價值。

c.本文采用的綜合集成賦權(quán)法及區(qū)間映射賦權(quán)法同樣適用于壩系布局合理性評價。

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