CN109003009A - 一种用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法，包括：步骤一、确定评价指标；步骤二、计算指标权重及进行数据归一化处理：将AHP法和熵权法结合起来组合赋权得到组合权重W_fina，采用“Range 0～1”方法对数据进行归一化处理，构建标准化决策矩阵R；步骤三、利用TOPSIS法对指标进行评价分析：将各指标的组合权重W_fina与形成的标准化决策矩阵R相乘，得到加权决策矩阵Z；根据加权决策矩阵Z确定各措施的理想解向量Z⁺和负理想解向量Z^‑；计算各措施与理想解和负理想解的欧氏距离，进一步计算各措施与最优值的相对贴近度，相对贴近度越大表示措施越优。本发明能够定量评估应急调度方案的实施效果，为决策者选定突发水污染应急调度方案提供技术支持。

Description

一种用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法

技术领域

本发明属于突发水污染应急管理技术领域，主要涉及一种用于优河渠突发水污染事件应急调度方案的评价优选方法。

背景技术

随着国民经济和工业的飞速发展，恶意偷排、自然灾害、工业生产及运输等所引起的突发水污染事件时有发生，根据《中国环境状况公报》的数据统计，在2006-2013年间，全国共发生突发水污染事件460起，说明我国已经进入水污染事故突发的高峰期；当突发水污染事件发生时，若没有及时采取有效对策控制事态发展，一旦污染物大量排入水体，不仅会对水环境造成严重影响，还会威胁周边居民的生命和身体健康，给国家和人民造成重大经济损失，形成社会不稳定因素，严重破坏生态环境。如何让决策者在突发水污染事件的应急调度中快速做出较好的响应显得格外重要。

为了应对发生概率越来越大的水污染事件，我国研究人员，在污染应急调度方面做出了许多研究。例如，探讨三峡水库应急调度措施对长江宜昌段水污染事故处置的有效性和可行性，表明水库调度对瞬排型水污染事故的处置作用明显；用平面二维水动力水质模型，分析了汉江丹襄段不同位置发生水污染事故时，丹江口水库不同应急调度方式对污染物的稀释掺混作用，探讨了丹江口水库应急调度的可行性和有效性；探讨长距离输水工程应对突发水污染的调控预案生成方法；以南水北调东线工程两湖段梯级泵站为研究对象，开展了突发水污染事故仿真模拟及闸、泵应急调度控制的研究；研究了小浪底水库应急调度对下游水污染事故的处置情况，结果表明水库应急调度降低了下游一定范围内的污染程度。

然而在突发水污染事件发生时，如何在众多应急调度中选择一个较优的方案也成为重要的研究课题，关于该课题的研究国内鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法，旨在定量评估应急调度方案的实施效果，为决策者选定突发水污染应急调度方案提供技术支持。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法，包括以下步骤：

步骤一、确定评价指标，并采集指标数据；

步骤二、计算指标权重及进行数据归一化处理：

分别利用AHP法计算得到权重向量WAHP、利用熵权法计算得到权重向量Wenter，将AHP法和熵权法结合起来组合赋权得到组合权重Wfina，组合赋权的计算方法如下：

式中：W_AHPi为AHP法对指标i确定的权重向量；W_enteri为熵权法对指标i确定的权重向量；W_finai为组合赋权得到的i指标相对于目标层的权重向量；n为评价指标的个数。

采用“Range 0～1”方法对数据进行归一化处理，构建标准化决策矩阵R；

步骤三、利用TOPSIS法对指标进行评价分析：

将各指标的组合权重W_fina与形成的标准化决策矩阵R相乘，得到加权决策矩阵Z；根据加权决策矩阵Z确定各措施的理想解向量Z⁺和负理想解向量Z^-；计算各措施与理想解和负理想解的欧氏距离，进一步计算各措施与最优值的相对贴近度，相对贴近度越大表示措施越优。

进一步的，步骤一中确定的评价指标有6个，即：控制污染的渠池个数；闸前水位最大涨幅超过极限值的节制闸座数；闸前水位稳定后涨幅超过极限值的节制闸座数；事故渠池下游段可供水量；弃水量；事故渠池和事故渠池上游段的稳定时间。

进一步的，步骤二中利用AHP法计算得到权重向量WAHP包括以下三个步骤：

1)构造判断矩阵：

需人工确定指标层中n个指标G＝{g₁,g₂,...,g_n}对目标层各自所占的权重，可选取其中的两个g_i和g_j进行两两比较，令a_ij＝g_i/g_j，即可得到判断矩阵：

A＝(a_ij)_n×n (1)

式中：a_ij＞0，a_ij＝1/a_ji，a_ii＝1(i，j＝1，2，…，n)；a_ij采用Satty提出的1～9标度方法确定，a_ij越大说明g_i比g_j对于目标层更重要；

2)计算排序权重向量：

先求出判断矩阵A的最大特征值λ_max，再求出最大特征值所对应的特征向量，将其标准化后，得到指标层各指标相对于目标层的权重向量W_AHP；

3)进行一致性检验：

一致性指标CI和一致性比率CR计算方法分别见式(2)和式(3)；当CR<0.1时，认为通过一致性检验，求解出的排序权重可作为最终的权重，否则需重新构造判断矩阵，对A加以调整；

CI＝(λ_max-n)/(n-1) (2)

CR＝CI/RI (3)

式中：n为判断矩阵A的阶数；RI为平均随机一致性指标。

进一步的，步骤二采用“Range 0～1”方法对数据进行归一化处理，具体遵从式(4)，构建标准化决策矩阵R如式(5)，

R＝(r_ij)_n×m (5)

式中：g_min和g_max分别为指标g_i的最小值和最大值，n为矩阵的阶数，i＝1,2,...,n；m为方案层的措施个数，j＝1,2,...,m。

进一步的，利用熵权法计算得到权重向量Wenter的步骤为：

采用式(6)计算熵权法的权重：

式中：i为指标个数，i＝1,2,...,n；j为措施个数，j＝1,2,...,m，其中，k＝1/lnm，当f_ij＝0时，约定f_ijlnf_ij＝0。

进一步的，步骤三利用TOPSIS对指标进行评价分析具体如下：

1)计算加权决策矩阵

将各指标的组合权重W_fina与形成的标准化决策矩阵R相乘，得到加权决策矩阵Z，如式(8)：

2)确定各措施的理想解向量和负理想解向量：

理想解向量Z⁺和负理想解向量Z^-计算方法分别见式(9)和式(10)：

Z⁺＝(z₁ ⁺,z₂ ⁺,...,z_n ⁺) (9)

Z^-＝(z₁ ^-,z₂ ^-,...,z_n ^-) (10)

式中：Z_i ⁺＝max{z_ji,j＝1,2,...,m}；Z_i ^-＝min{z_ji,j＝1,2,...,m}；

3)计算各措施与理想解和负理想解的欧氏距离：

各措施与理想解和负理想解的欧氏距离d_j ⁺和d_j ^-的计算方法分别见式(11)和式(12)：

4)计算各措施与最优值的相对贴近度

各措施的相对贴近度c_j的计算方法如下：

c_j越大表示措施越优，最优措施就是c_j最大的措施。

本发明的有益效果是：

1)为了定量评估突发水污染事件应急调度方案的实施效果，本发明多方位的考虑了影响应急调度的因素，根据应急调度的目标和其引起的水力响应特性，建立了六个定量评价指标体系，基于这六个评价指标，综合全面的考虑了各调度方案的差异性，使得评价效果更加贴近实际运用。

2)本发明基于AHP，熵权法，TOPSIS法构建了应急调度方案定量评价模型，极大程度的提高了模型的准确率，可以较精准地模拟各种应急措施的最终结果，实现应急调度方案的评价优选。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明定量评价模型的层次结构图。

具体实施方式

本发明提出了一种用于评价南水北调中线工程突发水污染应急调度方案的评价方法，具体技术方案如下：

步骤一：确定评价指标，并采集指标数据。

根据应急调度的目标和应急调度引起的水力响应特性，建立应急调度方案定量评价体系，本发明提出了6个评价指标，即控制污染的渠池个数；闸前水位最大涨幅超过极限值的节制闸座数；闸前水位稳定后涨幅超过极限值的节制闸座数；事故渠池下游段可供水量；弃水量；事故渠池和事故渠池上游段的稳定时间。

6种指标因子，综合反应了突发水污染应急方案在保障工程安全、控制污染范围、减少经济损失等多个方面具有良好的效果。

①控制污染的渠池个数。突发水污染应急调度的一个重要目标是将污染物限制在事故渠池，但考虑到污染处置需求等因素，控制污染的渠池个数可能为1个或多个。因此，确定控制污染的渠池个数作为评价指标。

②闸前水位最大涨幅超过极限值的节制闸座数。各渠池下节制闸闸前水位最大涨幅是影响工程安全的重要指标之一，而事故渠池和事故渠池上游段在应急调度过程可能致使节制闸闸前水位最大涨幅超过极限值。因此，确定闸前水位最大涨幅超过极限值的节制闸座数作为评价指标。

③闸前水位稳定后涨幅超过极限值的节制闸座数。各渠池下节制闸闸前水位稳定后涨幅是影响工程安全的重要指标之一，而事故渠池和事故渠池上游段在应急调度过程可能致使节制闸闸前水位稳定后涨幅超过极限值。因此，确定闸前水位稳定后涨幅超过极限值的节制闸座数作为评价指标。

④事故渠池下游段可供水量。在应急调度过程中，事故渠池分水口在污染物到达前迅速关闭，事故渠池上游段分水口正常供水，而事故渠池下游段的供水量受到事故渠池范围和调度过程的影响。因此，确定事故渠池下游段可供水量作为评价指标。

⑤弃水量。水的宝贵价值决定了在实际工程运用中应该尽可能的少弃水，而事故渠池和事故渠池上游段在应急调度过程可能需要通过退水闸弃水。因此，确定弃水量作为评价指标。

⑥事故渠池和事故渠池上游段的稳定时间。稳定运行是中线干渠调度管理的要求，事故渠池下游段由于要延长供水时间致使渠池水位逐渐下降，可不考虑；而事故渠池和事故渠池上游段在应急调度过程致使水流震荡。因此，确定事故渠池和事故渠池上游段的稳定时间作为评价指标。

其中，受污染的渠池个数、闸前水位最大涨幅超过极限值的节制闸座数、闸前水位稳定后涨幅超过极限值的节制闸座数、弃水量、事故渠池和事故渠池上游段的稳定时间这5个指标为负向指标，而事故渠池下游段可供水量为正向指标。

步骤二：计算各指标的权重

2.1利用权重层次分析法(Analytic Hierarchy Process简称AHP)计算指标。

利用AHP法计算指标权重具体分为以下3个步骤：

①构造判断矩阵。

需人工确定指标层中n个指标G＝{g₁,g₂,...,g_n}对目标层各自所占的权重，可选取其中的两个g_i和g_j进行两两比较，令a_ij＝g_i/g_j，即可得到判断矩阵：

A＝(a_ij)_n×n (1)

式中：a_ij＞0，a_ij＝1/a_ji，a_ii＝1(i，j＝1，2，…，n)。a_ij采用Satty提出的1～9标度方法(表1)确定，a_ij越大说明g_i比g_j对于目标层更重要。

表1 1～9标度方法

②计算排序权重向量。先求出判断矩阵A的最大特征值λ_max，再求出最大特征值所对应的特征向量，将其标准化后，即得到指标层各指标相对于目标层的权重向量W_AHP。

③一致性检验。一致性指标CI和一致性比率CR计算方法分别见式(2)和式(3)。当CR<0.1时，认为通过一致性检验，求解出的排序权重可作为最终的权重，否则需重新构造判断矩阵，对A加以调整。

CI＝(λ_max-n)/(n-1) (2)

CR＝CI/RI (3)

式中：n为判断矩阵A的阶数；RI为平均随机一致性指标，查阅表2确定具体数值。

表2平均随机一致性指标

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											RI	0	0	0.5	0.89	1.12	1.26	1.36	1.41	1.46	1.49
n	11	12	13	14	15
											RI	1.52	1.54	1.56	1.58	1.59

2.2数据归一化处理。

为了消除指标层原始数据由于量纲及数量级大小不同造成的影响，采用“Range 0～1”方法对数据进行归一化处理(式(4))，从而构建标准化决策矩阵R(式(5))。

R＝(r_ij)_n×m (5)

式中：g_min和g_max分别为指标g_i的最小值和最大值，i＝1,2,...,n；m为方案层的措施个数，j＝1,2,...,m。

2.3利用熵权法计算指标权重

采用公式i＝1,2,...,n(指标个数)，j＝1,2,...,m(措施个数)，其中，k＝1/lnm，但是当f_ij＝0时，约定f_ijlnf_ij＝0。

然后，采用式(6)计算熵权法的权重向量w_enteri：

2.4指标的主、客观组合赋权

AHP法确定的权重具有较大的主观性；熵权法能充分挖掘指标的原始数据蕴含的信息，从而客观反映具体数据对评价结果的贡献。因此，将AHP法和熵权法结合起来进行组合赋权，以提高权重的准确性。组合赋权w_finai的计算方法如下：

式中：W_AHPi为AHP法对指标i确定的权重向量；W_enteri为熵权法对指标i确定的权重向量；W_finai为组合赋权得到的i指标相对于目标层的权重向量；n为评价指标的个数。

步骤三：利用TOPSIS对指标进行评价分析

3.1计算加权决策矩阵

将各指标的组合权重W_fina与形成的标准化决策矩阵R相乘，得到加权决策矩阵Z。

3.2确定各措施的理想解向量和负理想解向量。

理想解向量Z⁺和负理想解向量Z^-计算方法分别见式(9)和式(10)：

Z⁺＝(z₁ ⁺,z₂ ⁺,...,z_n ⁺) (9)

Z^-＝(z₁ ^-,z₂ ^-,...,z_n ^-) (10)

式中：Z_i ⁺＝max{z_ji,j＝1,2,...,m}；Z_i ^-＝min{z_ji,j＝1,2,...,m}。

3.3计算各措施与理想解和负理想解的欧氏距离

各措施与理想解和负理想解的欧氏距离d_j ⁺和d_j ^-的计算方法分别见式(11)和式(12)：

3.4计算各措施与最优值的相对贴近度

各措施的相对贴近度c_j的计算方法如下：

c_j越大表示措施越优，因此，最优措施就是c_j最大的措施。

实施例1

本发明以某河渠突发水污染应急调度为例，采用上述方法，优选出一种用于河渠突发水污染应急调度的最佳调度方案。

假设中线总干渠初流量为70％设计流量，第4个渠池发生突发水污染事故，方式为瞬时点源污染，发生位置为渠池中点，污染物为假设的不可降解物，污染量为10吨，可在渠池内处置。通过计算可知，污染物到达淇河节制闸和十二里河节制闸(第5个渠池下节制闸)的时间分别为20和180分钟。因此，在事故渠池设置2种情景，事故渠池上游段设置2种情景，事故渠池下游段设置1种情景，则共有4种应急调度方案(表3)。

表3应急调度方案信息表

利用水力学模型对4种应急调度方案进行模拟，则每个指标的数值如表4所示。

表4应急调度方案指标体系数据表

经过咨询，设置如下判断矩阵：

求出判断矩阵A的最大特征值λ_max＝6.08，对应的权重向量为：

W_AHP＝(0.0504,0.1547,0.2733,0.4101,0.0779,0.0337)^T (15)

而CI＝(6.08-6)/(6-1)＝0.016，CR＝0.016/1.26＝0.0127＜0.1，通过一致性检验。

对指标数据归一化处理后，得到如下标准化决策矩阵：

则可得到熵权法的权重为：

W_enter＝(0.2222,0.1111,0,0.2222,0.2222,0.2222)^T (17)

组合赋权后权重为：

W_fina＝(0.0777,0.1191,0,0.6314,0.1199,0.0519)^T (18)

则可得到加权决策矩阵为：

理想解向量和负理想解向量分别见式(20)和式(21)：

Z⁺＝(0.0777,0.1191,0,0.6314,0.1199,0.0519) (20)

Z^-＝(0,0,0,0,0,0) (21)

各措施与理想解和负理想解的欧氏距离分别见式(22)和式(23)：

D⁺＝(0.6446,0.6475,0.0979,0.1429) (22)

D^-＝(0.1429,0.0979,0.6475,0.6446) (23)

综上所述，这4个措施的方案贴近度分别为0.18,0.13,0.86和0.81。因此，措施3为最优措施。

Claims (6)

1.一种用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、确定评价指标，并采集指标数据；

步骤二、计算指标权重及进行数据归一化处理：

分别利用AHP法计算得到权重向量W_AHP、利用熵权法计算得到权重向量W_enter，将AHP法和熵权法结合起来组合赋权得到组合权重W_fina，组合赋权的计算方法如下：

式中：W_AHPi为AHP法对指标i确定的权重向量；W_enteri为熵权法对指标i确定的权重向量；W_finai为组合赋权得到的i指标相对于目标层的权重向量；n为评价指标的个数。

采用“Range 0～1”方法对数据进行归一化处理，构建标准化决策矩阵R；

步骤三、利用TOPSIS法对指标进行评价分析：

将各指标的组合权重W_fina与形成的标准化决策矩阵R相乘，得到加权决策矩阵Z；根据加权决策矩阵Z确定各措施的理想解向量Z⁺和负理想解向量Z^-；计算各措施与理想解和负理想解的欧氏距离，进一步计算各措施与最优值的相对贴近度，相对贴近度越大表示措施越优。

2.根据权利要求1所述的用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法，其特征在于：步骤一中确定的评价指标有6个，即：控制污染的渠池个数；闸前水位最大涨幅超过极限值的节制闸座数；闸前水位稳定后涨幅超过极限值的节制闸座数；事故渠池下游段可供水量；弃水量；事故渠池和事故渠池上游段的稳定时间。

3.根据权利要求1所述的用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法，其特征在于：步骤二中利用AHP法计算得到权重向量W_AHP包括以下三个步骤：

1)构造判断矩阵：

需人工确定指标层中n个指标G＝{g₁,g₂,...,g_n}对目标层各自所占的权重，可选取其中的两个g_i和g_j进行两两比较，令a_ij＝g_i/g_j，即可得到判断矩阵：

A＝(a_ij)_n×n (1)

式中：a_ij＞0，a_ij＝1/a_ji，a_ii＝1(i，j＝1，2，…，n)；a_ij采用Satty提出的1～9标度方法确定，a_ij越大说明g_i比g_j对于目标层更重要；

2)计算排序权重向量：

先求出判断矩阵A的最大特征值λ_max，再求出最大特征值所对应的特征向量，将其标准化后，得到指标层各指标相对于目标层的权重向量W_AHP；

3)进行一致性检验：

一致性指标CI和一致性比率CR计算方法分别见式(2)和式(3)；当CR<0.1时，认为通过一致性检验，求解出的排序权重可作为最终的权重，否则需重新构造判断矩阵，对A加以调整；

CI＝(λ_max-n)/(n-1) (2)

CR＝CI/RI (3)

式中：n为判断矩阵A的阶数；RI为平均随机一致性指标。

4.根据权利要求3所述的用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法，其特征在于：步骤二采用“Range 0～1”方法对数据进行归一化处理，具体遵从式(4)，构建标准化决策矩阵R如式(5)，

R＝(r_ij)_n×m (5)

式中：g_min和g_max分别为指标g_i的最小值和最大值，n为矩阵的阶数，i＝1,2,...,n；m为方案层的措施个数，j＝1,2,...,m。

5.根据权利要求4所述的用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法，其特征在于：步骤二中利用熵权法计算得到权重向量W_enter的具体为：

采用式(6)计算熵权法的权重：

式中：i为指标个数，i＝1,2,...,n；j为措施个数，j＝1,2,...,m，其中，k＝1/lnm，当f_ij＝0时，约定f_ijln f_ij＝0。

6.根据权利要求1所述的用于河渠突发水污染应急调度方案的评价方法，其特征在于：步骤三利用TOPSIS对指标进行评价分析具体如下：

1)计算加权决策矩阵

将各指标的组合权重W_fina与形成的标准化决策矩阵R相乘，得到加权决策矩阵Z，如式(8)：

2)确定各措施的理想解向量和负理想解向量：

理想解向量Z⁺和负理想解向量Z^-计算方法分别见式(9)和式(10)：

Z⁺＝(z₁ ⁺,z₂ ⁺,...,z_n ⁺) (9)

Z^-＝(z₁ ^-,z₂ ^-,...,z_n ^-) (10)

式中：Z_i ⁺＝max{z_ji,j＝1,2,...,m}；Z_i ^-＝min{z_ji,j＝1,2,...,m}；

3)计算各措施与理想解和负理想解的欧氏距离：

各措施与理想解和负理想解的欧氏距离d_j ⁺和d_j ^-的计算方法分别见式(11)和式(12)：

4)计算各措施与最优值的相对贴近度

各措施的相对贴近度c_j的计算方法如下：

c_j越大表示措施越优，最优措施就是c_j最大的措施。