基于层次分析法在河道治理过程中的方案优化的应用

王巨玺

中铁一局集团市政环保工程有限公司

摘要：河道是城市文明的摇篮，在城市快速发展过程中，河道对城市经济的稳定性具有关键性的作用，因此河道治理的研究越来越受到关注。本文基于层次分析法，运用AHP软件对河道治理过程的方案进行优化，河道治理要考虑护岸工程、堤防工程及水工建筑物的综合治理，为河道治理提供借鉴和参考。

关键词：河道治理；层次分析法；方案优化

1引言

伴随社会经济的发展步伐，尤其是区域经济发展中，河道治理工程在其中的作用越来越显著。在河道治理过程中会面临新问题，这需要更高的综合治理方案和方法来适应工程的需要，以满足城市发展的需求。国外在河道治理方面非常注重河流治理和生态保护的协调，如美国、加拿大和日本，针对河道治理专门编写了相关的手册和标准，对河道治理的生态修复和堤防生态保护进行了详细阐述，并提出了相关的设计方案^[1-2]。为其他国家在河道治理方面提供了参考。而国内在河道治理方面最早是从大禹治水开始，我国在这方面也积累了丰富的治理经验，在施工过程中采取了“预防为主、生态修复”的方案，经历了初级治理阶段、治理和预防阶段和环境保护和河道治理的综合阶段。各地也出台地方河道建设标准、治理导则和评价标准来指导相关工作。

徐后涛^[3]通过对上海市中小河道生态健康评价，建立了上海市河道生态健康评价模型，提出了不同类型河道生态治理的重点。李宝东^[4]通过对山东省洙赵新河进行研究，提出了山东省河道治理的方案和实践数据。黄迪^[5]通过对大沽河生态护岸技术进行试验研究，提出了大沽河生态护岸形式的综合评价指标体系，构建了综合评价模型。徐球^[6]分析了农村河道治理规划中的问题，提出了分级分类方法和生态治理评价模型。

2河道治理存在的问题及治理的必要性

2.1河道治理存在的问题

目前在河道治理过程中，常出现河岸工程坍塌、污染河水、河滩破坏、植被破坏等事件，在城市河道治理中桥梁工程较多，在桥梁周边较容易形成人为缺口、疏挖河槽、植被等，造成河道堤防工程的不完整和不连续，和现有的防洪设计标准不一致，危及了河道堤防的安全和当地人们的生活和工作。

在城市郊区的堤防工程由于弃土和人为取土的影响，造成堤防工程残缺不全，部分河槽高低不一，形成了大量的缺口，给城市防洪工程造成安全隐患。在调查中发现目前大部分河道的平槽过流能力偏低，现状除涝的过流量和设计流量达不到要求，大部分河道达不到有五年一遇的除涝标准，而现状防洪工程达不到50年一遇的防洪能力设计要求。河道堤防工程中砂质土较多，缺少生态植被修复，如有降雨出现，影响河道工程的安全，降雨对河道的冲刷，将造成河道坍塌，进而影响周边堤防，危及河道沿岸的建筑物的安全和水工建筑物的使用。

2.2河道治理的必要性

随着社会的发展，环境保护和生态治理已经成为目前发展的主流，国家已经在城市区域内推行河长制，加强河道治理的安全和生态保护，因此河道治理工程势在必行。实施城市河道堤防治理和除涝基础设施工程建设，减轻水灾对城市的损失，是推动城市经济发展的需要。

随着城市人口的增加，对生活用水和生产用水增加，实施城市河道工程的治理可以保障人们的用水，促进城市的稳定，对周边生态保护也有一定的促进作用。保护生态环境，河道治理工程占据一定的地位和作用，洪涝灾害危及城市人民的生命和财产的安全，阻碍城市的健康稳定发展。因此，开展河道治理工程，加大城市河道防汛能力和除涝能力，提供城市河道的防洪标准，能解决河道周边群众和人民的切身利益，保障人民的生活和生产，是非常必要的基础设施问题。

3层次分析法在河道治理中的应用

3.1层次分析法的介绍及计算流程

层次分析法简称AHP，是一种将涉及多个目标的复杂决策问题当作一个系统，将最终方案目标分为多个指标或准则，进而分解为多指标（约束、准则）的若干层次，在通过定性指标模糊量化法得出层次单排序、总排序，然后确定最终方案的分析方法。

层次分析法的计算步骤如下：

（1）建立层次结构模型

通过决策的目标、准则、对象之间的相互关系分为最高层、中间层、最低层，然后建立层次结构模型。

（2）构造判断矩阵

对各准则下各因素进行两两比较，根据重要程度评定等级，用 表示因素 与因素 比较结果。两两比较结果构成的矩阵即为判断矩阵，可用公式3·1表示，表5.1为9个重要性等级及其赋值。

（3·1）

（3）层次单排序及一致性检验

对于判断矩阵最大特征根 的特征向量，经归一化得出的结果，记为 。 为上一层次因素与该层次因素相对重要性的排序权值，该比较过程即为层次单排序。层次单排序的确定需一致性检验，即对 （一致矩阵）确定不一致的范围。一致性指标可用 表示，计算公式如5·2所示。

（3·2）

-- 判断矩阵特征值的特征向量

-- 阶一致阵的唯一非零特征根

（4）层次总排序及一致性检验

计算某一层次所有元素对最终决策目标的相对重要性权值，该过程即为层次总排序，计算过程从最高层向最底层依次进行。

表3.1比例标度表

因素 比因素	量化值
同等重要 稍微重要 较强重要 强烈重要 极端重要	1 3 5 7 9
两相邻判断的中间值	2、4、6、8

3.2基于层次分析法对结构模型方案的确定

（1）建立层次结构模型

在河道治理方案的确定过程中以河道治理方案优化的评估为最高层，下分为工程建设任务、工程建设规模两个准则层，治理沿岸建筑物、整修加固堤防、疏挖河槽、河道工程、堤防工程、防汛工程、水工建筑物工程七个指标层；常规方案、综合治理和生态修护方案为三个最底层。由以上划分要求可构件如图1所示层次结构模型。

图1 河道治理方案优化评估的层次结构模型图

（2）层次单排序及一致性检验

以中间层为准则层，工程建设任务记作B1、工程建设规模记作B2，以治理沿岸建筑物、整修加固堤防、疏挖河槽、河道工程、防汛工程、堤防工程、水工建筑物工程为指标层，治理沿岸建筑物记作C1、整修加固堤防记作C2、疏挖河槽记作C3；河道工程记作C4、堤防工程记作C5；防汛工程记作C6、水工建筑物工程记作C7。

表3.2准则层B1与指标层C1-C3间判断矩阵表

工程建设任务	疏挖河道	整修加固堤防	治理沿岸建筑物
疏挖河道 整修加固堤防 治理沿岸建筑物	1.0000 0.1667 0.2500	6.0000 1.0000 2.0000	4.0000 0.5000 1.0000	0.6999 0.1066 0.1935

（注：一致性比例：0.0089，对“河道治理方案优化”的权重：0.8333； ：3.0092）

表3.2准则层B2与指标层C4-C7间判断矩阵表

工程建设规模	水工建筑物工程	防汛工程	堤防工程	河道工程
水工建筑物工程 防汛工程 堤防工程 河道工程	1.0000 0.2000 0.2500 1.0000	5.0000 1.0000 2.0000 3.0000	4.0000 0.5000 1.0000 2.0000	1.0000 0.3333 0.5000 1.0000	0.4372 0.0892 0.1484 0.3251

（注：一致性比例：0.0247，对“河道治理方案优化”的权重：0.1667； ：4.0658）

（3）方案优化结果分析

通过层次分析法所得的结果显示，在备选方案中，生态修护方案的权重为0.6566，常规方案的权重为0.2363，综合治理的权重为0.1071。可见，生态修复越来越受到社会的重视，保护城市的生态环境，在进行工程建设的同时，不能以牺牲环境为代价，但在河道治理过程中，方案投资成本也在考虑的范围，河道治理方案要以最大程度维持河道周边的自然形态，提升河道的整体防洪能力。

4 结论

（1）AHP层次分析法应用于河道治理系统评价，将定性分析与定量计算有效的结合起来，使评价模型具有系统性，该方法数学模型简单，容易掌握，是一种简洁实用的决策方法，对多因素多层次的复杂问题评判效果显著，是别的数学模型难以代替的方法。

（2）层次分析法适用于河道治理方案优化的系统评价，通过权重的分析提出了河道治理的系统评价准则，建立了河道治理的系统评价指标体系模型，确定出最优的河道治理的系统评价方案。

（3）在河道治理评价系统中，生态修复技术是未来城市河道治理中不可缺少一部分。

参考文献

1. The U.S.Army Corps of Engineer,Hydraulic Design of Stream Restoration Projects[M],2001．

2. 刘树坤.日本城市河道的景观建设和管理团[J].海河水利，2003（03）：68-70.

3. 徐后涛. 上海市中小河道生态健康评价体系构建及治理效果研究[D].上海海洋大学,2016.

4. 李宝东. 山东省洙赵新河综合治理方案优化研究及实践[D].山东大学,2018.

5. 黄迪. 大沽河生态护岸技术的试验与评价研究[D].青岛理工大学,2016.

6. 徐球,李大峰,仇宁. 农村河道治理规划与设计问题探讨[J]. 水利规划与设计,2015(10):14-17.