張 毅, 楊俊元, 趙穎蕾

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院巖土工程有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

2018年非洲總?cè)丝诩s12.88 億，其中無電或缺電人口高達(dá)6.45億。以中西非剛果(布)為例，截至2020年年底，526萬人口的國家至少存在93個(gè)極度缺電區(qū)域，已有輸電網(wǎng)電力損失率高達(dá)53%。與此同時(shí)，剛果(布)位于世界上水資源最富集的地區(qū)——?jiǎng)偣恿饔?，未來該流域?guī)劃有大英加、蘇丹峽(Sounda Gorge)和納赫蒂加爾(Nachtigal)等大型水電站[1]。一方面，由于流域周邊電力消納不足，只能將可開發(fā)電力跨區(qū)送出，然而項(xiàng)目建設(shè)成本動(dòng)輒數(shù)十億至百億美元，工程耗資巨大。另一方面，受剛果(金)、喀麥隆和剛果(布)三國政府支持力度、項(xiàng)目開發(fā)方掣肘等因素影響，導(dǎo)致項(xiàng)目投運(yùn)周期過長。此外，剛果(布)工業(yè)發(fā)展緩慢、落后，國家電力能源供應(yīng)和輸配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況極不穩(wěn)定，大量邊遠(yuǎn)地區(qū)或小城鎮(zhèn)無電網(wǎng)覆蓋。故不能依靠上述大型集中水電項(xiàng)目的開發(fā)解決剛果(布)內(nèi)陸偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題[2_3]。

作為清潔能源和可再生能源，小微水電是解決剛果(布)農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)用電的有效技術(shù)之一。小微水電一般建于偏遠(yuǎn)地區(qū)，通過分散、獨(dú)立的電網(wǎng)運(yùn)行，工程淹沒影響和移民問題均相對較小，對環(huán)境和生態(tài)的影響能夠有效控制，建成后的運(yùn)營和維護(hù)相對簡單。就剛果(布)國情而言，小微水電的開發(fā)選址應(yīng)易于電力送出至周邊城鎮(zhèn)、村莊及廠區(qū)、礦區(qū)等，作為缺電區(qū)域的直供/特供電源點(diǎn)；而開發(fā)區(qū)位的優(yōu)選問題即為本文研究的關(guān)鍵。

1 研究方法選擇

對非洲水能資源開發(fā)研究，目前主要集中于全局能源布置與輸出總體評價(jià)或項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)研究，對裝機(jī)容量小于10 MW的小微水電開發(fā)研究甚少。剛果(布)等國家尤為缺少聚焦規(guī)劃、經(jīng)營層面針對小微水電客觀市場條件、政府行政能力、水能資源稟賦、金融經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)環(huán)境因素等多元結(jié)合進(jìn)行定量分析的研究。目前，上述小微水電開發(fā)區(qū)位優(yōu)選問題可用的評價(jià)方法有層次分析法、模糊綜合評判法等。

層次分析法是一種定量和定性相結(jié)合，將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理的方法，最大限度剔除主觀信息，使評價(jià)結(jié)論趨于可信[4_6]。

模糊綜合評判法的權(quán)重設(shè)計(jì)和分配是關(guān)鍵，評價(jià)指標(biāo)權(quán)重分為主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，存在多個(gè)評價(jià)對象時(shí)，每個(gè)評價(jià)對象都要分別單獨(dú)計(jì)算對應(yīng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值；且該權(quán)重值僅考慮了個(gè)體指標(biāo)的特征，對多個(gè)評價(jià)對象的相互聯(lián)系無法描述。

本文擬通過層次分析法和熵權(quán)基本原理，就剛果(布)小微水電開發(fā)區(qū)位優(yōu)選這一問題，通過層次分析法建立評價(jià)指標(biāo)體系的遞階層次關(guān)系，確定指標(biāo)等級及指標(biāo)權(quán)重；再采用熵權(quán)法賦權(quán)將方案層對準(zhǔn)則層(子準(zhǔn)則層)權(quán)重的確定建立問題模型。由于熵權(quán)表示的是評價(jià)指標(biāo)的相對重要程度而非絕對影響，評價(jià)指標(biāo)的差異程度越大(熵值較小)則權(quán)重越大，故而能使該優(yōu)選問題評價(jià)得到相對可靠、準(zhǔn)確和客觀公正的優(yōu)選結(jié)論[7_8]。

2 基于層次分析法的評價(jià)

2.1 構(gòu)建層次分析數(shù)學(xué)模型

剛果(布)小微水電開發(fā)區(qū)位優(yōu)選問題是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的多目標(biāo)決策問題，變量繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在評價(jià)指標(biāo)體系中，選擇合理的定性、定量評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建科學(xué)的評價(jià)體系是進(jìn)行目標(biāo)評價(jià)的基礎(chǔ)工作。評價(jià)指標(biāo)選取的原則是以盡量少的指標(biāo)，反映最主要和最全面的信息。根據(jù)層次分析法基本原理，構(gòu)建小微水電開發(fā)區(qū)位優(yōu)選的綜合評價(jià)指標(biāo)體系如下所示(見表1)，該模型為不完全層次結(jié)構(gòu)，其中O為目標(biāo)層，A1～A4為準(zhǔn)則層，B1～B13為子準(zhǔn)側(cè)層，C1～C10為方案層。由于該研究主要針對邊遠(yuǎn)地區(qū)小微水電開發(fā)，故方案層不考慮布拉柴維爾市及黑角市[8_12]。

表1 剛果(布)小微水電開發(fā)區(qū)位優(yōu)選層次模型結(jié)構(gòu)

2.2 判斷矩陣及一致性檢驗(yàn)

要解決決策中各因素的權(quán)重分配問題，首先要根據(jù)層次分析法基本原理建立模糊層次綜合評價(jià)模型判斷矩陣。需要指出的是，層次結(jié)構(gòu)反映了因素之間的關(guān)系，但準(zhǔn)則層中的各指標(biāo)在目標(biāo)衡量中的橫向權(quán)重在不同決策者的心目中并不完全相同。

按表1不完全層次結(jié)構(gòu)模型，每一層元素都以相鄰上一層次各元素為基準(zhǔn)，構(gòu)造判斷矩陣O、A1～A4、B1～B13，據(jù)定義及賦值有下式：

可以證明，正定互反矩陣O，其最大特征根λmax存在且惟一[11]，即存在惟一的λmax使得OW1=λmaxW1，W1為最大特征根對應(yīng)的特征向量。同理有A1～A4、B1～B13存在對應(yīng)的λmax及W2～W5、W6～W18。特征向量W經(jīng)歸一化后即為同一層次相應(yīng)因素對于緊鄰上一層次某因素相對重要性的排序權(quán)值。判斷矩陣O中若比較結(jié)果前后完全一致，則矩陣O的元素還應(yīng)當(dāng)滿足：

AijAjk=Aik，?i,j,k=1,2,……n

當(dāng)且僅當(dāng)λmax=n時(shí)，n階正反矩陣為O為一致矩陣，否則λmax>n必然成立，且誤差越大|λmax-n|值越大，矩陣O非一致性越嚴(yán)重，λmax對應(yīng)的歸一化特征向量就不能真實(shí)客觀的反應(yīng)權(quán)重。需要說明的是，對于上述判斷矩陣，最大特征根無法直接求得，本文只能通過方根法求近似值。矩陣O最大特征根按下式計(jì)算[11]：

式中，Wi為判斷矩陣O的元素按行相乘所得的乘積。

2.3 各層級算子權(quán)重及排序

在判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)的條件下，可求得各層因素的權(quán)重向量(見表2)，即確定了評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。表中，關(guān)于剛果(布)小微水電開發(fā)區(qū)域選擇的決策問題，客觀市場(水能資源稟賦、能耗企業(yè)、人口密度及GDP)貢獻(xiàn)最大，權(quán)重可達(dá)0.580 5，表示其在該群決策分析中占主導(dǎo)地位。而開發(fā)區(qū)域方案選擇時(shí)，布恩扎區(qū)為最優(yōu)選擇，其次為尼阿里區(qū)和萊庫穆區(qū)；應(yīng)盡量避開選擇利夸拉區(qū)、盆地區(qū)作為剛果(布)小微水電開發(fā)的首選區(qū)域。

表2 層次分析法判斷矩陣各指標(biāo)權(quán)重及熵權(quán)法熵權(quán)信息

3 基于熵權(quán)法賦權(quán)的評價(jià)

3.1 初始數(shù)據(jù)處理

熵權(quán)并不表示具體評價(jià)指標(biāo)實(shí)際的重要性程度或指數(shù)，而是在各評價(jià)指標(biāo)值確定的情況下，各指標(biāo)在競爭意義上的相對激烈程度，主要根據(jù)各指標(biāo)傳遞信息量大小來確定其權(quán)重。熵權(quán)法是一種計(jì)算綜合指標(biāo)的數(shù)學(xué)方法，其特點(diǎn)是綜合考慮各評價(jià)指標(biāo)所提供的信息。熵權(quán)法賦權(quán)需要進(jìn)行原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、定義熵及熵權(quán)3個(gè)步驟。設(shè)有m個(gè)評價(jià)指標(biāo)，n個(gè)評價(jià)對象，則有原始數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n。對于某項(xiàng)指標(biāo)i，指標(biāo)值xij差異越大，則該指標(biāo)在綜合評價(jià)中所起的作用越大；若某指標(biāo)的指標(biāo)值差異不大甚至相等，則表示該指標(biāo)在綜合評價(jià)中表現(xiàn)甚微[13_15]。

在上述剛果(布)小微水電開發(fā)優(yōu)選決策問題中，B1(水能資源稟賦)和B3(人口密度及GDP)2個(gè)指標(biāo)測算方法為目標(biāo)區(qū)域內(nèi)經(jīng)調(diào)研的小微水電理論裝機(jī)容量和區(qū)內(nèi)人總數(shù)，其余指標(biāo)由于暫不具有確定的量化特質(zhì)，其測算采用專家打分(1～9分)獲取，專家均為中國電建集團(tuán)駐剛工作多年且具有高級職稱以上人員。原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如下所示(見表3)，表中各指標(biāo)均為收益性指標(biāo)。

表3 熵權(quán)法賦權(quán)原始數(shù)據(jù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化成果

3.2 信息熵及熵權(quán)計(jì)算

熵是系統(tǒng)無序程度的度量，可以度量指標(biāo)所提供的有效信息量。熵權(quán)法賦權(quán)是一種客觀的賦權(quán)方法，在小水電開發(fā)優(yōu)選問題評價(jià)中，通過對熵的計(jì)算確定權(quán)重，就是根據(jù)各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)值的差異程度，確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

假設(shè)在有m個(gè)評價(jià)指標(biāo)，n個(gè)評價(jià)對象的評估問題中，第i個(gè)指標(biāo)的熵定義為：

則第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)定義為：

根據(jù)以上熵權(quán)法賦權(quán)基本定義原理，可得到剛果(布)基于客觀市場、行政能力、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)因素等的各評價(jià)指標(biāo)的熵和熵權(quán)如表2所示。

4 評價(jià)結(jié)果分析比較

關(guān)于剛果(布)小微水電開發(fā)優(yōu)選問題，層次分析法中前三依次為布恩扎、尼阿里、萊庫穆，評價(jià)指標(biāo)權(quán)重排序前三依次為水能資源稟賦(0.306 4)、能耗企業(yè)(0.193 0)、政府穩(wěn)定性(0.174 4)。熵權(quán)法(綜合法)中前三依次為萊庫穆、尼阿里、西盆地，評價(jià)指標(biāo)權(quán)重排序前三依次為水能資源稟賦(0.260 9)、人口密度及GDP(0.215 4)、能耗企業(yè)(0.104 2)。

(1)萊庫穆?？傃b機(jī)容量48.5 MW，人口18.63萬人，城鎮(zhèn)規(guī)模較大，P9道路支路過境，有木材加工廠和鐵礦石開采企業(yè)(PMD)，無國家電網(wǎng)覆蓋，無環(huán)境影響敏感點(diǎn)，社會(huì)穩(wěn)定，40 MW重油發(fā)電度電成本約20美分。

(2)尼阿里?？傃b機(jī)容量23.5 MW，人口38.13萬人，城鎮(zhèn)莫森焦人口較多，位于松達(dá)上游水位臨界處，盧埃塞和尼阿里河交匯處，有金屬礦產(chǎn)，可發(fā)展林木業(yè)，無國家電網(wǎng)覆蓋，無環(huán)境影響敏感點(diǎn)，社會(huì)穩(wěn)定。

(3)西盆地?？傃b機(jī)容量42.0 MW，人口25.69萬人，該區(qū)域緊鄰喀麥隆，有豐富的礦產(chǎn)資源待開發(fā)。

(4)布恩扎?？傃b機(jī)容量7.5 MW，人口15.72萬人，擁有Yanga_Koubanza及Boko_Songho兩個(gè)礦區(qū)及其他木材加工廠，連接黑角—布拉柴的N1公路穿過境內(nèi)，110 kV國家電網(wǎng)覆蓋，無環(huán)境影響敏感點(diǎn)，國家低壓用電度電成本約8.75美分。

綜合對比層次分析法及熵權(quán)法評價(jià)結(jié)果，二者大致相同，就評價(jià)指標(biāo)權(quán)重差異而言，雖然某些指標(biāo)對小水電開發(fā)選址問題至關(guān)重要，但若聚焦剛果(布)具體區(qū)域小微水電開發(fā)決策問題對比研究時(shí)，由于各評價(jià)對象該指標(biāo)值差異不大甚至相等，熵權(quán)法摒棄了該類型指標(biāo)的信息(熵值大)，故而更為合理的體現(xiàn)了評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際權(quán)重。綜合評價(jià)后得剛果(布)小微水電開發(fā)指數(shù)如下所示(見表4)，經(jīng)模糊判別后將開發(fā)等級由高至低分為推薦、基本推薦、不推薦3個(gè)級別。

表4 層次分析—熵權(quán)法權(quán)重、綜合評價(jià)指數(shù)及排序

5 結(jié) 論

(1)選取了剛果(布)客觀市場、行政能力、金融風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)因素4方面所轄水能資源稟賦、政府穩(wěn)定性、建設(shè)運(yùn)營成本、社會(huì)穩(wěn)定等13個(gè)二級評價(jià)指標(biāo)作為研究小微水電開發(fā)評價(jià)指標(biāo)，評價(jià)體系的構(gòu)建較豐富、全面、合理。

(2)采用層次分析法及熵權(quán)法(綜合法)，以評價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，構(gòu)建層次分析和熵權(quán)賦權(quán)評價(jià)模型，將兩種方法分別應(yīng)用于剛果(布)小微水電開發(fā)區(qū)位選擇中，評判結(jié)果具有較強(qiáng)的離散性和獨(dú)立性，評判效果較好。經(jīng)比較，二者評價(jià)結(jié)果大致相同，評價(jià)指標(biāo)權(quán)重略有差異，熵權(quán)法能較好的忽略同質(zhì)化指標(biāo)，評價(jià)實(shí)際權(quán)重更為合理，表現(xiàn)更為客觀。

(3)經(jīng)熵權(quán)賦權(quán)法并結(jié)合層次分析綜合研判，確定萊庫穆、尼阿里作為剛果(布)小微水電開發(fā)的優(yōu)先推薦區(qū)域；西盆地、奎盧、高原為視情況待定的基本推薦區(qū)域；其余為暫不推薦的小微水電開發(fā)區(qū)域。