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模糊综合评价湖南省户用沼气区域适宜性

2019-12-28 236 上传者：管理员

摘要：经气候、社会、经济、能源、技术5个方面来选取影响户用沼气区域适宜性的10个具体指标，设立户用沼气区域适宜性评价指标体系，指标权重的确定是利用改进层次分析法（AHP），综合评价值以模糊运算算出，综合评价湖南省14个州市的户用沼气区域适宜性。结果显示：年平均气温、冬季平均温度、冬季日均日照时数、65岁以上人口占比、初中及以上受教育比例、人均可支配收入、人均粮食产量、人均大型畜禽占有量、商品能源比例、人均农业机械占有量的权重分别为0.4293、0.1755、0.0602、0.0917、0.0811、0.0360、0.0303、0.0350、0.0312、0.0297；湖南省区域适宜性综合评价值从高到低排序依次为岳阳市＞衡阳市＞长沙市＞湘潭市＞益阳市＞永州市＞株洲市＞郴州市＞娄底市＞邵阳市＞常德市＞怀化市＞张家界市＞湘西土家族苗族自治州。提议湘西土家族苗族自治州和怀化市提升沼气补贴金额，降低农民负担；张家界市应该积极调整农业结构，充分利用当地的温度条件，加大畜牧业在农业中的占比达到对沼气发酵原料的需要。

关键词：
AHP法
户用沼气
模糊综合评价
适应性评价
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沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体。沼气作为可再生的清洁能源，可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，并且能源效率高，具有极高的利用价值[1]。根据我国《可再生能源中长期发展规划》[2]，到2020年，约8×107户（约3×109人）农村居民生活燃气主要使用沼气，年沼气利用量达到3×1011m3。户用沼气区域适宜性综合评价可以为户用沼气的推广和发展提供科学的理论依据和决策支持。谭美英等[3]以湖南省为例，采用主成分分析法对湖南省各州市畜禽粪便沼气处理的适宜性进行了综合分析，并对各州市的适宜性进行了排序。陈豫等[4-5]以陕西省为例，从气候、能源、社会经济、水文因素4个层次中选取15个评价指标，运用层次分析法、专家咨询法建立了“四位一体”沼气区域适宜性评价模型；又从气候条件、能源状况和社会经济3个方面选择了9个指标，应用层次分析法构建了“三位一体”沼气区域适宜性评价指标体系。陈豫等[6]选择了7个评价指标，运用层次分析法确立了户用沼气区域适宜性分级标准，构建了农村户用沼气区域适宜性评价指标体系。包凤霞等[7]以延安市为例，运用主成分分析法，对延安市农村户用沼气区域适宜性进行了综合评价分析，并用聚类分析法对所研究的7个县进行了区域划分。张颖超等[8]从外部条件、经济、社会、技术等角度出发，采用层次分析法确定指标权重，建立了新型沼气区域适宜性评价指标体系。毕于运等[9]以户用沼气的自然适应性评价为主要依据，以冻土和气温为主要指标，按照户用沼气池安全越冬和沼气常温厌氧发酵的自然适宜性标准，根据安全性、效率性、共轭性、行政区域的完整性等分区原则，把我国农村户用沼气的发展划分为南方自然适宜区、北方及川藏高原条件适宜区、高寒地带非适宜区等3大类型区。彭虹等[10]从气候、社会、经济3个方面选取了13个评价指标，建立了户用沼气区域适宜性评价体系，应用聚类分析法将哈尔滨市户用沼气适宜区域划分为适宜区、次适宜区和不适宜区3类。

户用沼气的区域适宜性受不同区域内的气候、经济、资源、社会环境等诸多因素影响。在不同区域的不同条件下进行户用沼气的区域适宜性评价，有利于户用沼气的科学推广。目前，户用沼气区域适宜性评价并没有一个统一的有说服力的标准，而且已有的评价方法多采用层次分析法（AHP）计算指标权重，需要专家凭借经验构造判断矩阵，个人主观因素的影响使得结果权重可能不具有客观性。笔者采用改进层次分析法，以降低人为主观因素的影响，对湖南省14个州市的户用沼气区域适宜性进行综合评价，其结果与各地的实际情况比较符合。

1、户用沼气区域适宜性评价指标体系的构建

1.1　评价指标选取原则

评价指标体系由多个评价指标构成，指标间既相互独立又相互联系。在构建评价指标体系时要遵循一定的原则，它们分别是科学性原则、主导性原则、可行性原则、可操作性原则。

1.2　评价指标的选取

1.2.1 气候指标：气候是影响沼气池正常运转的主要因素，将直接影响料液的发酵和沼气的生产。发酵温度是影响厌氧微生物及沼气发酵过程的关键因素，适宜的发酵温度条件下细菌繁殖能力强，活力旺盛[1]。在一些气候寒冷地区，由于冬季温度达不到沼气的最低允许发酵温度，可以充分利用当地的太阳能资源为沼气池增温。因此，如图1图1　户用沼气区域适宜性评价指标体系所示，选取年平均气温、冬季平均气温、冬季日平均日照时数对户用沼气区域适应性的气候状况进行量化。

1.2.2 社会指标：社会指标作为沼气使用过程中的关键因素，将会在很大程度上影响沼气的正常使用。在建设和使用沼气的过程中，需要投入足够的劳动力。沼气使用过程中的进出料、换料、维护等需要投入一定的劳动力，65岁以上人口所占比例能有效地反映农业生产活动中劳动力的供给状况[11]。文化水平的高低将会在很大程度上影响对新知识、新事物的接受能力，文化水平越高，接受新事物的能力就越强。受教育程度，会直接影响户用沼气在初期的推广。因此，如图1所示，选取农业生产人员65岁以上人口所占比例和初中及以上受教育比例对户用沼气区域适宜性评价的社会状况进行量化。

1.2.3 经济指标：沼气的建设与使用维护等都离不开资金的投入。户用沼气的正常投入使用包括沼气池的建设、后期维护使用以及畜禽圈舍等基础配套设施的建设等。在建造过程中，一个完整的沼气池总体投入少则3000~4000元，多则10000~20000元[12]。经济不发达地区农村的经济状况较差，可能存在部分地区农户由于经济收入有限而无力承担沼气建设费用的情况。因此，如图1图1　户用沼气区域适宜性评价指标体系所示，选取人均可支配收入对户用沼气区域适宜性评价的经济状况进行量化。

1.2.4 能源状况指标：充足的发酵原料是生产沼气的物质基础，也是微生物进行正常生命活动所需能量的物质来源，沼气发酵所需的发酵原料主要包括农作物秸秆和畜禽粪便。我国农村使用的资源除了可再生资源外还有商品能源，主要包括煤气、天然气、液化石油气等。随着新农村建设的进一步推进，农村生活用能中商品能源所占的比例也在逐渐提高[13]。但在经济发达地区，农民对生活品质有更高的要求，农民愿意使用更加舒适、卫生、便利的生活能源。假如该地区商品能源普及率较高，用户使用短期内收益较少的沼气代替原有的生活能源会存在一定的困难，使用沼气的积极性会降低。因此，如图1所示，选取人均粮食产量、人均大型畜禽占有量和商品能源比例对户用沼气区域适宜性评价的能源状况进行量化。1.2.5　技术指标　技术手段的进步对于户用沼气的发展具有推进作用。农业生产机械化、自动化可以减轻农民负担，提高粮食产量，增加农民收入。因此，如图1所示，选取人均农业机械占有量对户用沼气区域适宜性评价的技术状况进行量化。

2、户用沼气区域适宜性评价模型

2.1　改进AHP法计算权重

2.1.1 对样本数据进行标准化处理：为避免人为主观决定判断矩阵，采用改进AHP法来构造判断矩阵。设有n个评价指标组成对全体m个方案的评价指标样本集数据，各指标值{x(i，j)|i=1~n，j=1~m}，（i，j）均为非负值对于越大越优型指标，按公式（1）计算：对于越小越优型指标，按公式（2）计算：对于越中越优型指标，按公式（3）计算：

式中，xmax(i)、xmin(i)、xmid(i)、分别为户用沼气区域适宜性样本集中第i个指标的最大值、最小值和中间值；R(i,j)为标准化后的评价指标值，也就是第j个方案第i个评价指标从属于优的相对隶属度值[14]。

2.1.2 构造判断矩阵：模糊综合评价的实质是一种优选过程，从综合评价的角度看，评价指标i1的样本系列{x(i1，j)|i=1~n，j=1~m}的变化程度能够传递综合评价信息[15]。对于户用沼气的区域适宜性，笔者提出若评价指标i1的样本系列{x(i1，j)|i=1~n，j=1~m}的变化程度比评价指标i2的样本系列{x(i2，j)|i=1~n，j=1~m}的变化程度小，则评价指标i1传递的综合评价信息比评价指标i2多。计算指标的样本方差，令反应各评价指标的影响程度。其中为各评价指标下样本系列的均值，i=1~n[公式（4）]

式中，smax、smin 分别为{s(i)|i=1~n}的最大值和最
小值；相对重要程度参数其中 int 和min 分别为取整函数和取小函数。按照公式（4）计算结果构建1~9 级判断矩阵（d11=1，dij=dji）（公式 5）

2.1.3 指标权重的计算：运用MATLAB 软件计算判断矩阵，根据公式（6）（ 7）对判断矩阵进行一致性检验：

式中，λmax为判断矩阵的最大特征值，C.I为一致性指标，C.R为随机一致性比率；若C.R＜0.1，则表明该权重的分配结果是可接受的；R.I为平均一致性指标，当n分别为3、4、5、6、7、8、9、10、11时，对应的R.I分别为0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45、1.49、1.51。2.2　综合评价值把各评价指标的权重值Wi与各方案相应评价指标的相对隶属度R（i，j）相乘并且累加，得到模糊评价的综合评价值Z(j)：

综合指标值越大，说明方案越优。

3、实例分析

3.1　数据来源

气象数据来源于中国资源环境经济人口数据库，其他数据来源于各州市《第三次农业普查公报》和《2017年湖南统计年鉴》。

3.2 改进AHP法计算权重

3.2.1 标准化处理：对湖南省14个州市数据进行标准化处理，该样本集中除指标9（商品能源所占比例）为越小越优型指标外，其余指标均为越大越优型指标，按照公式（1）和（2）计算相对隶属度值为：

3.2.2 权重值及一致性检：运用MATLABR2015b软件计算判断矩阵，得到评价指标1~10的权重计算值分别为0.4293、0.1755、0.0602、0.0917、0.0811、0.0360、0.0303、0.0350、0.0312、0.0297。由公式（6）和（7）计算相应的一致性指标系数值C.R=0.0184＜0.1，说明该判断矩阵具有满意的一致性，上述计算结果成立。3.2.3　综合评价值　将权重值带入公式（8）得到长沙、株洲、湘潭、衡阳、邵阳、岳阳、常德、张家界、益阳、郴州、永州、怀化、娄底和湘西土家族苗族自治州的综合评价值Z(j)分别为0.521、0.509、0.519、0.523、0.466、0.547、0.464、0.442、0.518、0.490、0.511、0.459、0.468和0.436。

4、结论与讨论

该研究全面合理地考虑影响户用沼气区域适宜性的各种因素，从气候、社会、经济、能源、技术5个方面选取了10个具体指标，构建了户用沼气区域适宜性评价体系。通过改进的AHP法计算指标权重，不依赖专家经验构造判断矩阵，避免了人为主观性。计算所得的权重值与已有的报道较为接近，评价结果也与各地的实际情况比较符合。这表明应用改进的AHP法进行户用沼气区域适宜性评价是切实可行的。从各指标的权重可以看出，气候因素所占的比重最大，达到0.6650，是影响户用沼气区域适宜性的最主要因素，接下来应对其进行着重研究。

湖南省位于我国中部，界于东经108°47′~114°15′，北纬24°38′~30°08′之间，东临江西，西接重庆、贵州，南毗广东、广西，北连湖北，全省总面积211800km2。湖南地处云贵高原向江南丘陵、南岭山脉向江汉平原的过渡地带，地势呈三面环山、朝北开口的马蹄形地貌，由平原、盆地、丘陵地、山地、河湖构成，地跨长江、珠江两大水系。湖南省属亚热带季风气候，年平均温度在16~18℃，年日照时数1300~1800h，冬季约占3个月。从气候因素分析，湖南地区具有适宜沼气发展的气候条件。

研究结果表明，湖南省14个州市的户用沼气区域适宜性综合评价值从高到低排序依次为岳阳市＞衡阳市＞长沙市＞湘潭市＞益阳市＞永州市＞株洲市＞郴州市＞娄底市＞邵阳市＞常德市＞怀化市＞张家界市＞湘西土家族苗族自治州。岳阳市、长沙市、衡阳市的综合评价值较大，分别为0.547、0.521、0.523，这几个地区沼气发酵原料与劳动力充足，户用沼气的发展潜力较大，因此应扩大宣传力度，积极引导农民使用沼气。湘西土家族苗族自治州、张家界市、怀化市的综合评价值较小，分别为0.436、0.442、0.459。其中，湘西土家族苗族自治州与怀化市由于地理因素限制，海拔高、多山地，经济相对落后，受教育程度偏低，因此政府应加大沼气补贴金额，减轻农民负担；张家界市具有丰富的旅游资源，是中国最重要的旅游城市之一，近年来当地大力发展旅游业，2018年第三产业比重占全市生产总值的72.1%，农牧业发展比重小，因此沼气发酵原料不充足，应该充分利用当地的温度条件，积极调整农业结构，增加畜牧业在农业中的比重，来满足对沼气发酵原料的需求。

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