基于AHP方法在中水作为电厂水源的供水方案研究

第17卷第2期2011年2月水利科技与经济WaterConservancyScienceandTechnologyandEconomyVol.17No.2Feb.，2011［收稿日期］2010－11－23［作者简介］赵保华(1974－)，男，河北乐亭人，工程师，从事水资源管理工作;李丽(1975－)，女，黑龙江方正人，工程师，从事水利规划设计工作;王永波(1978－)，男，黑龙江讷河人，高级工程师，工程硕士，从事水利规划设计工作.基于AHP方法在中水作为电厂水源的供水方案研究赵保华1，李丽2，王永波3(1.鹤岗市水务局水资源管理办公室，黑龙江鹤岗154101;2.鹤岗市水利设计院，黑龙江鹤岗154101;3.哈尔滨市水利规划设计研究院有限公司，哈尔滨150076)［摘要］建立合理的评价指标体系，在电厂以中水作为水源的情况下，实现中水水源供水方案的综合评价。针对供水方案中的定性和定量的影响因素，将层次分析法和模糊数学中的隶属度函数相结合应用于供水方案综合效果评价中，运用层次分析法构造评价指标的判断矩阵，求出目标层和系统层的权重，最后计算各方案的综合评判值。通过建立供水方案综合效果评价指标体系和评价模型，采用该模型对3种组合方案综合效果进行评价，方案一、方案二以及方案三综合评判值分别为0.24、0.55和0.61，表明方案3比较合理。将层次分析法和隶属度函数相结合用于供水方案的选取，得到的综合效果评价是可行的。［关键词］中水;AHP;指标体系;供水方案;评判值［中图分类号］TU991.1［文献标识码］B［文章编号］1006－7175(2011)02－0028－03随着经济的迅速发展，人口的增加及工业化和城市化步伐的加快，城市用水量和污水排放量急剧增加，这更加剧了水资源的短缺和水环境的恶化［1］。中水作为电厂供水水源的选择缓解了城市水资源紧张，同时城市中水用于电厂用水，从水质、水量、处理技术及经济效益方面来讲，都具备一定条件和优势。引用城市中水作为电厂供水工程方案涉及的因素众多，而对于不同的方案，涉及的因素又有差异，欲将因素完全列出是非常困难的。同时，各影响因素之间影响程度也不尽相同，对于一些与所有供水方案都相关，而相互影响程度相近的因子完全列出并进行比较也没有必要［2］。因此，在进行具体的供水方案选择时，应根据具体情况选择那些在不同供水方案比较中影响程度差别较大的因素，进行方案优选。因此，本研究在建立中水供水方案评价指标体系的基础上，采用层次分析法与模糊数学中的隶属度函数相结合的方法，对中水供水方案进行分析与评价，最后确定最合理的方案为电厂供水。1综合指标体系的建立1.1供水方案的综合指标体系层次分析法是一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法。这种方法适用于结构较复杂、决策准则较多，而且不易量化的决策问题。其基本原理为［3－4］:首先根据问题的性质和要求，提出一个总的目标，然后将问题按层次分解，对同一层次的诸因素通过两两比较的方法确定出相对于上层目标的各自权系数。这样层层分析下去，直到最后一层，即可得出所有因素相对于总目标按重要程度的排序。构建评价体系包括层次、系统以及系统内各种指标［5－6］。层次包括:目标层、系统层、指标层、方案层。系统包括:技术系统、经济系统、生态环境系统等。本次优化计算评价系统分为供水能力因素A(含有A1～A4)、经济因素B(含有B1、B2)、工程条件因素C(含有C1、C2)及资源因素D(含有D1、D2)共4个系统10个指标。电厂供水方案评价指标体系图见图1。图1电厂供水方案评价指标体系1.2建立指标评价因子3种联合供水的方案:方案一，永寿(一期)、乾县(一期)、礼泉(一期)及咸阳西郊(一期)污水处理厂供水;方案二，永寿(一、二期)、乾县(一期)及礼泉(一期)污水处理厂供水;方案三，永寿(一、二期)、乾县(一、二期)污水—82—赵保华，等:基于AHP方法在中水作为电厂水源的供水方案研究第2期处理厂供水。分别建立了4个评价因子，其中，供水能力因素和经济因素为定量因子;工程条件因素和资源因素为定性因子。对于定性指标要进行指标量化，用专家打分二元对比法，专家打分评价因子评分分为5等:好(100)、较好(75)、中(50)、差(25)、极差(0)。各方案的评价因子数据见表1、表2。表1各方案定量评价因子特征表评价因子方案方案一方案二方案三供水能力因素A经济因素BA1水质指标/mg·L－119.81817.8A2输水管线距离/km102.8561.6338.84A3日供水量/104m3·d－15.522.462.88A4供水保证率/%979597B1总投资/万元25766154409731B2年运行费用/万元921.5552.2593.6表2各方案定性指标量化评价因子特征表评价因子方案方案一方案二方案三工程条件因素C资源因素DC1工程运营条件1005075C2工程建设条件7575100D1水源可靠性5075100D2中水回用程度50751001.3评价指标标准度的确定层次分析法采用1～9比率标度法来确定判断矩阵中的值，1～9比率标度法是根据一些客观事实和一定的科学依据而得来的［7］。这样就可使所比较的因素之间的差别落在1～9标度之间。评价指标标准度及其含义见表3。表3评价指标标准度及其含义标准度含义1表示因素Ui与Uj比较，具有同等重要性3表示因素Ui与Uj比较，Ui比Uj稍微重要5表示因素Ui与Uj比较，Ui比Uj略显重要7表示因素Ui与Uj比较，Ui比Uj强烈重要9表示因素Ui与Uj比较，Ui比Uj极端重要2，4，6，82，4，6，8，分别表示相邻判断1～3，3～5，5～7，7～9的中值倒数表示因素Ui与Uj比较的判断，即:与Uji=1/Uij1.4评价因子方案模糊矩阵的确定首先建立方案评价因子矩阵，矩阵(xij)mn表示m个评价指标因子的n种方案的矩阵:xij=x11x12Lx1mx21x22Lx2mMLLLxm1xm2Lxmnxmn式中xij为j方案i指标值，其中方案中各指标i要经过规范化处理，使之有可比性。计算上述矩阵的评价因子隶属度。对越大越优型指标，其隶属度构造为［8－9］:Aij=Xij－XminXmax－Xmin对越小越优型指标，其隶属度构造为［8－9］:Aij=Xmax－XijXmax－Xmin式中Xij为评价因子指标或评价值;Xmax，Xmin分别为同一指标系统内各方案的最大、最小值。供水能力因素A、经济因素B、工程条件因素C、资源因素D四个系统评价因子隶属度方案矩阵为:Aij=00.9100.641100.14010A4×3Bij=00.641[]010.89B2×3Cij=100.5[]001C2×3Dij=00.51[]00.51D2×32权重的计算确定与一致性检验目标层或系统层均要计算其评价因子(对目标层是各系统，对系统层是各指标)的权重。要建立评价因子权重矩阵。然后计算各系统或各指标相应权重Wi=W1LWmobij，计算原则是对评价因子重要性进行两两比较，设bij为i评价因子对j评价因子的重要程度，如bij=1则同等重要，如bij＞1则认为i比j重要，bij＜1则相反，bij=k即i评价因子对j评价因子重要程度为相对k倍。其中，bij=1/bji，i=1，2，3，L，m;j=1，2，3，L，m。bij=b11b12Lb1mb21b22Lb2mMMLMbm1bm2Lbmnbmn权重Wi的计算方法:Pi=Πni=1bij;Di=nP槡i;Wi=Di/Σni=1Di在层次分析法中，利用判断矩阵计算权重的方法主要分为几何平均法和规范列几何法。但是，该矩阵的构造是基于专家经验得出的数值，难免出现与实际不符的情况，缺乏一致性，因此要对每一层相对于上一层进行一致性检验以消除人为判断的局限性［10］。如果每一层因素对于上一层排序的指标为CI，相应的平均随机一致性指标为RI，则层次总排序一致性比率为:CR=CI/RI其中CI=λmax－nn－1，CI=0时，矩阵为一致阵;CI越大，矩阵不一致程度就越严重。式中λmax为判断矩阵的特征值最大值;n为矩阵阶数;RI依同阶平均随机一致性指标查出。当n≤2时无需进行一致性检验［11－14］。如果CR＜0.1，则说明构造的判断矩阵符合要求［15］。见表4。表4随机一致性指标RI的数值n1234567891011RI000.580.901.121.241.321.411.451.491.51—92—第17卷第2期2011年2月水利科技与经济WaterConservancyScienceandTechnologyandEconomyVol.17No.2Feb.，20112.1目标层权重的计算与一致性检验见表5。表5目标权重计算结果表方案ABCDA1772B1/7121/6C1/71/211/5D1/2651根据上述矩阵，WA=0.53，WB=0.08;WC=0.06;WD=0.33。λmax=4.1052，CR=CI/RI=0.035/0.9=0.039＜0.1，一致性检验通过，判断矩阵符合要求。2.2系统层权重的计算与一致性检验系统权重计算见表6～表9。表6A系统权重计算结果表方案A1A2A3A4A1181/21/2A21/811/71/7A32711A42711根据上述矩阵，WA1=0.23，WA2=0.05，WA3=0.36，WA4=0.36。λmax=4.0866，CR=CI/RI=0.029/0.9=0.032＜0.1，一致性检验通过，判断矩阵符合要求。表7B系统权重计算方案B1B2B111/2B221表8C系统权重计算表方案C1C2C113C21/31表9D系统权重计算表方案D1D2D111/4D241根据上述矩阵，WB1=0.33，WB2=0.67，WC1=0.75，WC2=0.25，WD1=0.2，WD2=0.8。上述均属于一致阵，CI=0。3方案综合评判值的确定各方案的综合评判值为:T=WS0式中T为各方案综合评判值;S0为目标层内各系统评价因子，方案矩阵。S0=SijS11S12LS1mS21S22LS2mMMMMSm1Sm2LSmnSmn式中Sij为j方案i系统评价因子值;m为系统评价因子数;n为方案数。根据供水能力因素A、经济因素B、工程条件因素、C资源因素D四个系统评价因子隶属度方案矩阵和系统层的权重可得如下:［S11S12S13］=(0.23，0.05，0.36，0.36)00.9100.641100.14010=(0.360.600.33)［S21S22S23］=(0.33，0.67)00.641[]010.89=(00.880.93)［S31S32S33］=(0.75，0.25)100.5[]001=(0.7500.44)［S41S42S43］=(0.2，0.8)00.51[]00.51=(00.51.0)根据公式，各方案的综合评判值T计算矩阵如下所示:T=WS0=(0.53，0.08，0.06，0.33)0.360.600.3300.880.930.7500.4400.501.0=(0.240.550.61)根据矩阵可知:方案一T1=0.24;方案二T2=0.55;方案三T3=0.61。由此可以看出T3＞T2＞T1，即方案3:永寿(一、二期)、乾县(一、二期)污水处理厂供水优于方案二:永寿(一、二期)、乾县(一期)及礼泉(一期)污水处理厂供水优于方案一:永寿(一期)、乾县(一期)、礼泉(一期)及咸阳西郊(一期)污水处理厂供水。因此，电厂的供水方案采用方案三:永寿(一、二期)、乾县(一、二期)污水处理厂供水比较合理。4讨论目前，国家鼓励利用城市污水处理厂的中水或其它废水，对电厂采用中水作为供水水源是可行的，中水作为电厂水源的水量、水质可以保证，不仅节约了水资源，同时减少了环境污染。通过提出的评价指标体系和评价模型，可以用于横向比较，具有合理有序的优点，对电厂供水方案优化选择提供了良好的科学理论依据和决策支持