CN114912744A - 一种村镇污水处理设施优选评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于逼近理想解排序法和层次分析法的村镇污水处理设施筛选方法。该方法以不同种类的村镇污水处理设施为研究对象，选定村镇污水处理设施的评价指标，建立村镇污水处理设施的优选评价体系，通过搜集、计算、打分确定各指标的值，利用层次分析法确定评价指标的权重，通过逼近理想解排序法决策出多目标条件下的最优村镇污水处理设施，计算出适应不同村镇区域的最优的村镇污水处理设施。本发明方法简单、指标全面、结果准确，能够帮助决策者迅速做出最优的决策，避免耗费大量的物力、财力、人力和时间成本，具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

一种村镇污水处理设施优选评价方法

技术领域

本发明属于村镇污水处理技术领域，具体涉及一种村镇污水处理设施优选评价方法。

背景技术

村镇污水处理是村镇人居环境提升的主要措施之一，但村镇的污水处理工艺的选择比较混乱，污水处理设施的净水能力参差不齐，且往往采取简单复制，没有考虑环境的多样性和当地经济承受能力。如何根据不同村镇区域的经济发展水平、人口密度、地形坡度、以及污水处理设施的技术性能，快速、科学的选用适宜的污水处理设施，缺少准确、定量的方法。

污水处理设施在乡镇与农村偏远地区的运行限制因素差异较大，需要考虑不同村镇区域的污水处理需求。目前，关于污水处理设施的适宜性评价研究主要集中在单一方面，评价对象以城市的污水排水设施居多。有学者运用GA-BP神经网络算法针对不同的村镇污水处理设施，建立各种评估指标，对村镇典型的污水处理设施进行评估；也有学者基于模糊优劣系数法建立了村镇生活污水处理技术的评价方法，通过对备选方案的技术性能进行模糊赋值，构建优劣关系的判断矩阵，计算各种备选方案的模糊优劣系数并将其排序，得出最优技术方案；也有学者依据层次分析法的原理建立村镇生活污水处理模式的层次模型，通过构建判断矩阵、计算权重和层次的总排序，计算出决策场景下的最优污水处理技术。

然而，现有技术主要有以下缺点：

(1)指标体系较为单一，未能全面的反应村镇地区的真实需求。

(2)评价方法缺少定性与定量的结合，现有的评价方法主要有逼近理想解排序法、模糊综合评价法、灰色关联度分析法等，但单一的评价方法易出现评价结果不全面、主观性强、需要较多的定量数据支撑等缺陷。

因此，有必要解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种村镇污水处理处理设施的评价方法，可针对不同经济发展水平、地形坡度、人口密度的村镇区域优选出最适宜的村镇污水处理设施。

本发明提供的村镇污水处理设施评价方法，包括下述步骤：

S1建立关于经济成本(A)、环境影响(B)、技术性能(C)和运营管理(D)的村镇污水处理设施评价指标体系；

S2确定评价指标的值；

S3利用层次分析法对评价指标进行客观赋权，计算得出评价指标的客观权重值；

S4利用逼近理想解排序法计算得出不同村镇污水处理设施的优选排序值。

本发明具有下列技术效果：

(1)本发明克服了现有的村镇污水处理设施指标体系单一、具有局限性，未能全面的反应村镇地区的真实需求的缺陷，提出了定量与定性指标相结合的指标体系，并将村镇污水处理设施的管理运行、环境影响纳入到评价指标体系中，满足了不同村镇区域的污水处理需求。

(2)本发明采用层次分析法对设立的村镇污水处理设施的评价指标进行主观赋值，确定不同村镇区域村镇污水处理设施评价指标的权重，避免了单一的主客观评价失衡，评价数据不足的问题，评价结果合理可靠。

(3)在碳中和，碳达峰的背景下，本发明将污水处理设施建设过程中可持续的环境影响纳入到村镇污水处理设施的评价体系中，建立了考虑到长期碳减排、水体富营养化、水体酸化为影响因素的村镇污水处理设施适宜性评价体系，完善了目前村镇污水处理设施优选评价过程中环境效益考虑不足的问题。

附图说明

图1为本发明评价指标体系；

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以湖南省新晃县的最优村镇污水处理设施为例。

S1根据稳定塘、人工湿地、土地处理技术、小型一体化污水处理设施、集中SBR污水处理设施、集中式MBR污水处理设施、集中式接触生物氧化共计7种村镇污水处理设施可以选择。建立经济成本A、环境影响B、技术性能C和运营管理D，其中所述经济成本A包括建设投资费用A₁、运营维护费用A₂、占地面积A₃，所述环境影响B指标包括富营养化程度B₁、酸化潜势B₂、全球变暖潜势B₃，所述技术性能C包括自动化程度C₁、处理效果C₂、市场接受度C₃，所述运营管理D包括运营稳定性D₁、管理难易D₂和污泥处置难易D₃总计12个指标。

S2确定上述村镇污水处理设施的指标值。具体的评估方法为：

(1)评估所述建设投资费用A₁，计算式为：

式中S为污水处理工艺总投资额，元；Q为污水处理工艺日处理规模，吨/天。

(2)评估所述运营维护费用A₂，计算式为：

式中M为污水处理工艺年运行成本，元；Q为污水处理工艺日处理规模，吨/天。；

(3)评估所述占地面积A₃，计算式为：

式中D为污水处理设施总占地面积，平方米；Q为污水处理工艺日处理规模，吨/天；

(4)采用生命周期软件评价所述富营养化程度B₁、酸化潜势B₂和全球变暖潜势B₃。

生命周期软件是一种拥有全生命周期环境影响评价功能的环境软件，通过输入村镇污水处理设施施工、建造、运营、报废阶段的物料数据，获得村镇污水处理设施从施工建造到报废处置全过程产生的环境影响。本发明实施例选取其中具有代表性的三个环境影响指标，分别为衡量对环境造成富营养化影响的指标富营养化程度B₁、衡量对环境造成的酸化影响的指标酸化潜势B₂和衡量对环境产生的碳排放影响的指标全球变暖潜势B₃。

(5)定性评价自动化程度C₁、处理效果C₂、市场接受度C₃、运营稳定性D₁、管理难易D₂和污泥处置难易D₃。

定性指标通过专家打分确定分值，其评判分值区间为0-10分，得分越高，定性评价效果越好。具体的判断标准如下表1所示。

表1定性指标判断表

根据上述指标的计算方法，计算7类村镇污水处理设施的12个评价指标，得到表2所示7×12的矩阵。

表2不同污水处理方案的指标参数估算

S3通过层次分析法对12个村镇污水处理设施的评价指标进行主观赋值，计算评价指标的客观权重值。

具体包括：

S301以经济成本A、环境影响B、技术性能C和运营管理D为一级指标层，以经济成本A对应建设投资费用A₁、运营维护费用A₂、占地面积A₃，所述环境影响B对应富营养化程度B₁、酸化潜势B₂、全球变暖潜势B₃，所述技术性能C对应自动化程度C₁、处理效果C₂、市场接受度C₃，所述运营管理D对应运营稳定性D₁、管理难易D₂、污泥处置难易D₃，设立二级指标层，建立村镇污水处理设施评价的指标体系。

S302构建各层级指标的判断矩阵，通过设立二级指标体进行分级的两两比较，使得每一级的权重设置都会直接或间接影响到结果，量化每个因素对结果的影响程度，使最终的计算结果得以清晰、明确。

利用“九级标度法”将各指标进行两两相互比较判断各层级指标权重的重要程度，获得一级指标对村镇污水处理设施的重要程度，二级指标在一级指标范围内的相互重要程度，通过判断矩阵计算得出不同指标的权重值。

“九级标度法”通过专家打分的方式建立判断矩阵，利用数值1-9表示各个指标之间的重要程度，数值低重要程度小，数值大重要程度高。具体的“九级标度法”评判标准见下表所示。

表3九级标度法评估表

元素i相对于元素j的重要程度	赋值
		元素i与元素j一样重要	1
元素i比元素j稍微重要	3
		元素i比元素j比较重要	5
元素i比元素j明显重要	7
		元素i比元素j特别重要	9
重要程度位于上述相邻层次之间	2；4；6；8

其中x₁₂表示指标x₁相较于指标x₂的重要性标度；x_ij满足下列关系，x_ij＞0，x_ij＝x_ji/1。

构建的一级判断矩阵如下表：

表4一级指标的九级标度法判断表

	经济成本	环境影响	技术性能	运营管理
					经济成本	1.0000	4.0000	0.5000	5.0000
环境影响	0.5000	1.0000	0.2500	2.0000
					技术性能	0.2500	4.0000	1.0000	4.0000
运营管理	0.2000	0.5000	0.2500	1.0000

式中x_ij为判断矩阵X的第i行j列元素，(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,n)；W_i为第i个指标的权重。

S303对判断矩阵进行一致性检验。

通过进行一致性检验，避免九级标度法打分出现逻辑错误(例如指标A重要性大于B，指标B重要性大于C，指标C重要性大于A)

一致性检验公式为：

式中：λ_max为判断矩阵的最大特征值；(A×W)_i为判断矩阵(n×n)右乘权重向量(n×I)所得向量的第i行；RI与n有预设的关联关系；

表5一致性指标RI取值表

n	1	2	3	4	5	6	7	8
									RI	0	0	0.58	0.9	1.12	1.24	1.32	1.41

若一致性检验中CR值均小于0.1，随机检验一致性通过；若一致性检验CR值均大于0.1，需要回到步骤S302，重新进行九级标度法打分，重新计算，直至CR值均小于0.1。

上述S302步骤中一级指标判断矩阵CR的计算值为0.0204，二级指标判断矩阵的计算值分别是：经济成本类指标的CR值为0.0215，环境影响类指标的CR值为0.0413，技术性能类指标的CR值为0.0501，运营管理类指标的CR值为0.0356。

最终计算得出各个指标的权重如下所示：

W_i＝[A₁，A₂，A₃,B₁,B₂,B₃,C₁,C₂,C₃,D₁,D₂,D₃]^T

＝[0.1872，0.1191，0.0380,0.0296,0.0111,0.0758,0.1028,0.2840,0.0715,0.0201,0.0469,0.0127]^T

S4采用逼近理想解排序法计算得出不同村镇污水处理设施的优选排序值。

具体步骤为：

S401对12个村镇污水处理设施的评价指标进行标准化处理，具体计算式为：

式中y_ij为决策矩阵中第j个村镇污水处理设施的第i个评价指标值；t_ij为标准化处理后的第j个村镇污水处理设施的第i个评价指标值，i＝1～12,k为待评估的村镇污水处理设施数量。标准化的结果如下所示。

各指标之间单位不一样，存在数量级的差别，直接计算会导至计算结果产生较大误差。因此，需要对各指标进行标准化处理。

S402将指标权重与标准化决策矩阵相乘，具体公式为：

V_ij＝t_ij×W_i

其中w_i为不同决策场景下的指标权重；t_ij为标准化决策矩阵；V_ij为加权标准化矩阵；

S403采用逼近理想解排序法确定最优解与最劣解，所述逼近理想解排序法是基于归一化后的原始数据矩阵，找出有限方案中的最优方案和最劣方案，然后分别计算不同评价对象与最优方案和最劣方案的距离，获得各评价对象与最优方案的相对接近程度，以此作为评价优劣的依据；

其中，所述最优解由所述经济成本A和所述环境影响B的最小值以及所述技术性能C和所述运营管理D的最大值组成，所述最劣解由所述经济成本A和所述环境影响B的最大值以及所述技术性能C和所述运营管理D的最小值组成，计算式为：

V⁺＝{(maxV_ij|j∈j⁺),(minV_ij|j∈j^-)}

V^-＝{(minV_ij|j∈j⁺),(maxV_ij|j∈j^-)}

V⁺＝{0.11,0.25,0.18,0,0,0,0.44,0.50,0.47,0.50,0.42,0.49}

V^-＝{0.79,0.52,0.70,0.92,0.96,0.84,0.25,0.22,0.21,0.22,0.32,0.27}

式中j⁺——经济成本A和环境影响B指标；j^-——技术性能C和运营管理D指标。

S404计算最优解与最劣解距离的接近程度：

式中

——最优解接近距离长度；

——最劣解接近距离长度；

S405计算最优解与最劣解距离接近度系数Fi:

表6F_i计算结果

接近度系数F_i的值越大，村镇污水处理设施越适用。上述计算计算结果表明稳定塘村镇污水处理处理设施最适宜当地。

本发明的上述实施例所示仅为本发明较佳实施例之部分，并不能以此局限本发明，在不脱离本发明精髓的条件下，本领域技术人员所作的任何修改、等同替换和改进等，都属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种村镇污水处理设施优选评价方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1建立关于经济成本(A)、环境影响(B)、技术性能(C)和运营管理(D)的村镇污水处理设施评价指标体系；

S2确定评价指标的值；

S3利用层次分析法对评价指标进行客观赋权，计算得出评价指标的客观权重值；

S4利用逼近理想解排序法计算得出不同村镇污水处理设施的优选排序值。

2.如权利要求1所述的村镇污水处理设施评价方法，其特征在于，所述S1步骤中：

所述经济成本(A)包括建设投资费用(A₁)、运营维护费用(A₂)、占地面积(A₃)，所述环境影响(B)包括富营养化程度(B₁)、酸化潜势(B₂)、全球变暖潜势(B₃)，所述技术性能(C)包括自动化程度(C₁)、处理效果(C₂)、市场接受度(C₃)，所述运营管理(D)包括运营稳定性(D₁)、管理难易(D₂)和污泥处置难易(D₃)。

3.如权利要求2所述的村镇污水处理设施评价方法，其特征在于，所述S2步骤中：

(1)评估所述建设投资费用(A₁)的计算式为：

式中S为污水处理工艺总投资额，元；Q为污水处理工艺日处理规模，吨/天；

(2)评估所述运营维护费用(A₂)的计算式为：

式中M为污水处理工艺年运行成本，元；Q为污水处理工艺日处理规模，吨/天；

(3)评估所述占地面积(A₃)的计算式为：

式中D为污水处理设施总占地面积，平方米；Q为污水处理工艺日处理规模，吨/天；

(4)采用生命周期软件评价所述富营养化程度(B₁)、所述酸化潜势(B₂)和所述全球变暖潜势(B₃)；

(5)定性评价所述自动化程度(C₁)、所述处理效果(C₂)、所述市场接受度(C₃)、所述运营稳定性(D₁)、所述管理难易(D₂)和所述污泥处置难易(D₃)。

4.如权利要求2或3所述的村镇污水处理设施评价方法，其特征在于，所述S3步骤具体包括：

S301以所述经济成本(A)、所述环境影响(B)、所述技术性能(C)和所述运营管理(D)为一级指标层，将所述建设投资费用(A₁)、所述运营维护费用(A₂)、所述占地面积(A₃)，所述富营养化程度(B₁)、所述酸化潜势(B₂)、所述全球变暖潜势(B₃)，所述自动化程度(C₁)、所述处理效果(C₂)、所述市场接受度(C₃)，所述运营稳定性(D₁)、所述管理难易(D₂)、所述污泥处置难易(D₃)为二级指标层，建立村镇污水处理设施评价的二级指标体系；

S302构建各层级指标的判断矩阵，利用两两相互比较法和九级标度法判断各层级指标权重的重要程度，获得一级指标对村镇污水处理设施的重要程度，二级指标在一级指标范围内的相互重要程度，通过判断矩阵计算得出不同指标的权重值；

S303对判断矩阵进行一致性检验。

5.如权利要求4所述的村镇污水处理设施评价方法，其特征在于，所述S302步骤中构建的各层级的判断矩阵为：

其中x₁₂表示指标x₁相较于指标x₂的重要性标度；x_ij满足下列关系，x_ij＞0，x_ij＝x_ji/1。

式中x_ij为判断矩阵X第i行j列元素，(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,n)；W_i为第i个指标的权重。

6.如权利要求5所述的村镇污水处理设施评价方法，其特征在于，所述S303步骤中的一致性检验为：

式中λ_max为判断矩阵的最大特征值；(A×W)_i为判断矩阵(n×n)右乘权重向量(n×I)所得向量的第i行；RI与n为预设的关联关系；

若一致性检验中CR值均小于0.1，随机检验一致性通过；若一致性检验CR值均大于0.1，回到步骤S302，重新进行九级标度法打分，重新计算，直至CR值均小于0.1。

7.根据权利要求5或6所述的村镇污水处理设施评价方法，其特征在于，所述S4步骤具体包括：

S401对12个村镇污水处理设施的评价指标进行标准化处理，具体计算式为：

式中y_ij为决策矩阵第j个村镇污水处理设施的第i个评价指标值；t_ij为标准化处理后的第j个村镇污水处理设施的第i个评价指标值，i＝1～12,k为待评估的村镇污水处理设施数量；

标准化后的矩阵Y为：

S402将指标权重与标准化决策矩阵相乘，具体公式为：

V_ij＝w_i×t_ij

其中w_i为不同决策场景下的指标权重；t_ij为标准化决策矩阵；a_ij为加权标准化矩阵；

S403基于归一化后的原始数据矩阵，通过逼近理想解排序法，找出有限方案中的最优方案和最劣方案，然后分别计算不同评价对象与最优方案和最劣方案的距离，获得各评价对象与最优方案的相对接近程度，确定最优解与最劣解；

其中，所述最优解由所述经济成本(A)和所述环境影响(B)的最小值以及所述技术性能(C)和所述运营管理(D)的最大值组成，所述最劣解由所述经济成本(A)和所述环境影响(B)的最大值以及所述技术性能(C)和所述运营管理(D)的最小值组成，计算式为：

V⁺＝{(maxV_ij|j∈j⁺),(minV_ij|j∈j^-)}

V^-＝{(minV_ij|j∈j⁺),(maxV_ij|j∈j^-)}

式中j⁺——经济成本(A)和环境影响(B)指标；j^-——技术性能(C)和运营管理(D)指标；

S404计算最优解与最劣解距离的接近程度：

式中

——最优解接近距离长度；

——最劣解接近距离长度；

S405计算最优解与最劣解距离接近度系数F_i:

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