张 岩，徐凌云，史云鹏

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

1 引言

太湖位于长江三角洲的南缘，是我国第三大淡水湖泊，太湖以其优越的地理位置和自然地理环境为经济社会发展提供了便利的条件，对维持长江下游的生态环境起着重要的作用。随着太湖流域社会经济继续保持高速发展，用水量和排污量不断增加，太湖水污染状况不断恶化，太湖水质污染主要体现为有机物污染，富营养化严重。在进入21世纪后，为了控制太湖富营养化和蓝藻爆发，通过采取综合性的治理措施，取得了较好的效果，蓝藻爆发程度减轻，爆发面积减少。

目前用于治理太湖水污染治理的技术可以分为点源污染治理技术、非点源污染治理技术、水体污染治理技术和底泥污染治理技术。不同类型技术的选用会影响到太流域不同水质条件下的水环境治理效果、运行费用、技术的可靠度、运行方式的便捷性、投资规模、占地面积和能耗等因素。这些是评估太湖水环境治理的效果的关键，但这些因素很难进行定性和定量的判断，这为太湖水环境治理技术的选择带来了一定的难度。为了能够更好地指导太湖水环境治理，选用合理的技术，本研究运用层次分析法构建4层3子系统15个指标18种技术方案的综合评价体系从经济效益、生态环境效益和社会效益等角度对18种技术方案进行综合评价。选取经济效益、生态环境效益和社会效益最优的技术方案，为太湖水污染治理提供方法依据和理论参考。

2 层次分析法基本原理

层次分析法(The Analytic Hierarchy Process, AHP)是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初提出的，该方法是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。AHP根据不同层次结构的评估指标的相对重要程度层层分解，具有层次性，可以将复杂的问题简单化，实现对非定量的事件进行定量分析，实现定量与定性相结合[1]。目前AHP已经应用于环境质量评价[2]、水环境治理效果评估[3,4]和安全评估[5]中得到了广泛的应用。

层次分析法首先应建立评价层次结构模型，梳理评价要素，对评估体系中的评价要素进行关系、逻辑和重要性分层排列，构建一个具有层次的结构模型。层次分析法将评估模型分为三个层次，目标层、准则层和方案层，其中准则层可以分为多层；其次是构建判断矩阵，判断矩阵是将定性的问题进行定量化的过程，通过确定不同要素对目标的影响权重进行确定；再次是一致性检验分析，对于每一个成对比较阵计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量(归一化后)即为权向量；若不通过，需重新构造成对比较。最后做出综合评估。

3 基于层次分析法的方案评价

3.1 技术方案评价

依据国内外目前应用比较广泛的湖泊治理技术，按照治理技术的面向对象的不同，将这些技术分为4大类[1]，共18种：点源污染治理技术、面源污染治理技术、水体污染治理技术和底泥污染治理技术。点源污染治理技术包括管网优化运行技术[6]、管网漏排水诊断技术[7]、管网漏溢流污水阻控技术[8]、分散点源污染河岸带阻控技术、污水厂再生水深度处理技术[9]等；面源污染治理技术包括调蓄池技术[10]、下凹式绿地调蓄和净化技术[11]、人工湿地处理技术[12]、生态护岸技术[13]、梯级生态阻控技术[14]等；水体污染治理技术包括人工曝气复氧技术[15]、生态浮床(浮岛)技术[16]、生物制剂原位净化技术[17]、封闭和半封闭河道控藻技术[18]、外源优化调水技术[19]等；底泥污染治理技术包括底泥生态疏浚技术[20]、底泥原位覆盖和污染控释技术[17, 21]和底泥生物修复技术等技术。

根据每种技术产生的经济效益、生态环境效益和社会效益，对各种技术进行评价。经济效益考虑投资成本、运营成本、占地面积、沿岸土地增值率和工程完工率；环境生态效益考虑污染物净化率、植被覆盖率、人为干扰度、景观多样性指数、鱼类多度和浮游生物密度等；社会效益考虑居民居住环境满意度、休闲游憩满意度、环境管理水平和周边文体设施使用度等。根据国内外相关经验和专家意见，将评价指标分为5个等级，评价标准如表1所示，根据评价标准，使用层次分析法确定每种环境治理技术的指标得分如表2所示。

表1 治理措施指标评价标准

表2 治理措施评价

3.2 层次指标体系的构建

3.2.1 明确目标问题

根据太湖流域的环境、经济和社会情况，设立不同的优先级，确定以下目标：①生态环境效益优先、经济效益次之、社会效益最低(A1)；②经济效益优先、生态环境效益次之、社会效益最低(A2)；③社会效益优先、经济效益次之、生态环境效益最低(A3)。

3.2.2 层次结构建立

根据确定的目标问题提出的综合效益，构建以经济效益、生态环境效益和社会效益为准则层，15项指标为评价指标层，18项治理技术为方案层的4层次的结构模型，如图1所示。第一层为目标层A，综合效益最大；第二层为准则层，共3项准则P1、P2和P3，并且准则层的3个要素与目标层有关系，属于目标决策层。第三层指标层M，共有15项指标M1-M15，P1与下层M1-M5有关；P2与下层M6-M11有关；P3与下层M12-M15有关。第四层为方案层S，包括点源污染治理技术、非点源污染治理技术、水体污染治理技术和底泥污染治理技术4大类18种技术方案，各技术方案均与各指标有关，每种技术方案都与各指标有关，每种治理技术方案根据指标层选项获得目标条件下的权重关系。

3.3 构建判断矩阵

在构建了层次模型的基础上构建判断矩阵。判断矩阵主要表示每一层上各要素相对上层某要素的相对重要程度，以数字1～9作为表述这类同时比较某种属性差异的判断的标度尺度。构建判断矩阵如下[22]：

(1)

图1 太湖水环境治理技术综合评价体系

在矩阵中，若μi与μj同等重要，则μij=1；若μi比μj稍微重要，则μij=3；若μi比μj明显重要，则μij=5；若μi比μj非常重要，则μij=7；若μi比μj极端重要，则μij=9；μij=2,4,6,8分别表示相邻判断1～3,3～5,5～7,7～9的中值；μji=1/μij；根据目标层的3个目标特征，可得A-P的判断矩阵，以生态环境效益优先P2、经济效益次之P1、社会效益P3最低目标为例，构建判断矩阵见表3。以此方法可以建立P-M和M-S的判断矩阵。

表3 判断矩阵A1-P

3.4 层次排序及检验

3.4.1 重要性排序

根据判断矩阵计算最大特征值和对应特征向量。通过计算，得出A1-P判断矩阵的最大特征值λmax=3.0649，对应特征向量为W1=(0.1498,0.7654,0.0848)T。

3.4.2 一致性检验

一致性检验公式CR=CI/RI，其中CI=(λmax-n)(n-1)，λmax为判断矩阵的最大特征值，n为判断矩阵的维数。RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，取值根据洪志国等[23]计算的结果为参考，如表4所示。一般认为CR<0.10时，即认为判断矩阵具有满意的一致性[22, 24]。当在本研究中，n=3，所以选定RI=0.52，根据λmax和n确定的CR=0.0624<0.10，说明权重的分配是合理的。根据此方法，将判断矩阵进行重要性排序和一致性检验，确定其权重。

表4 平均随机一致性指标

3.5 层次分析综合评价

根据构建的判断矩阵A-P、P-M、M-S以及求得的权重值，计算每种治理技术的综合权重WA-S，根据WA-S的大小对不同技术对不同目标的适宜性进行排序。WA-S计算公式如下[3]：

(2)

根据以上公式，在3种不同目标条件下，计算18种治理技术的权重值，结果如表5所示。在目标A1的情况下，权重值前5的治理技术分别为人工曝气复氧技术、人工湿地处理技术、生态浮床技术、生物制剂原位净化技术、生态护岸技术，其中人工曝气复氧技术、生态浮床技术和生物制剂原位净化技术为水体污染治理技术，人工湿地处理技术和生态护岸技术为面源污染治理技术，由此可见，在以生态环境效益优先，经济效益次之的目标条件下，水体污染治理技术和面源技术更容易达到目标要求。在目标A2的情况下，权重值前5的治理技术分别为人工曝气复氧技术、生物制剂原位净化、底泥原位覆盖和污染控释技术、生态浮床技术和底泥生态疏浚技术，其中人工曝气复氧技术、生物制剂原位净化和生态浮床技术为水体治理技术，底泥原位覆盖和污染控释技术和底泥生态疏浚技术为底泥污染治理技术，由此可知，在以经济效益优先、生态环境效益次之为目标的情况下，水体污染治理技术和底泥污染治理技术更容易达到目标要求。在目标A3的情况下，权重值前5的治理技术分别为生态浮床技术、生态护岸技术、下凹式绿地蓄水和净化技术、人工湿地处理技术和梯级生态阻控技术，在这5种治理技术，生态浮床技术属于水体污染治理技术，其他的4种治理技术均为面源污染治理技术，由此可见，在以社会效益优先、经济效益次之为目标条件下，面源污染治理技术更容易达到目标要求。

表5 不同目标下治理的权重值

4 结语

本研究使用层次分析法构建了一套具有4层15个指标18种治理技术方案的太湖水环境治理技术综合评估体系，对18种处理技术对应的15指标进行打分，根据每一层确定的权重，分别从生态环境效益优先、经济效益优先和社会效益优先的角度，对18种治理技术进行评估，得出太湖在不同目标条件下，最适合的水环境治理方案，在生态效益优先时，人工曝气复氧技术和人工湿地技术最优，在经济效益优先时，人工曝气复氧技术和生物制剂原位净化技术最优，物理和化学处理技术较为可靠；在社会效益优先时，生态浮床技术和生态护岸技术最优，公众和政府对景观性要求更高。从评价结果来看，技术方案评价合理，可为太湖水环境治理决策提供可靠的科学依据，对水环境的管理和决策具有重要的意义。