基于模糊綜合評價法和層次分析法的張掖市黑河濕地水質(zhì)評價

董楠楠++王有樂

摘要：張掖市黑河濕地在維系黑河流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全等方面有極其重要的作用。為了解黑河濕地的水質(zhì)狀況，分別在2011年6月和2012年6月采集了水樣并對5項水質(zhì)污染因子進行評價。同時，為克服層次分析法中人的主觀性對水質(zhì)評價的影響，用AHP模糊綜合評價法來分析黑河濕地的水質(zhì)情況。結(jié)果表明，黑河濕地的水質(zhì)狀況較差，屬于地表水Ⅴ類水質(zhì)，總氮是導(dǎo)致水質(zhì)超標(biāo)的主要污染物。

關(guān)鍵詞：模糊綜合評價法；層次分析法（AHP）；水質(zhì)評價；黑河濕地

中圖分類號：X824 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5535-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.023

Evaluation of Heihe Wetland Water Quality in Zhangye Based on AHP and Fuzzy Comprehensive Method

DONG Nan-nan，WANG You-le

（College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730000，China）

Abstract： The Heihe wetland in Zhangye plays an important role to maintain social and economic sustainable development and ecological security. In order to get the information about its water quality，we collected water samples in June，2011 and 2012 respectively，and analyzed five water pollution factors. The analytic hierarchy process（AHP） were used to analyze water quality to avoid the subjective effect by fuzzy comprehensive evaluation. The results indicated that the quality of Heihe wetland was worse and it belonged to the level of Ⅴ. The element of N was the major reason to cause the wetland deterioration.

Key words： fuzzy comprehensive evaluation method；analytic hierarchy process（AHP）；water quality evaluation；Heihe wetland

濕地是水陸交界處的特殊自然綜合體，也是生物多樣性的搖籃，被譽為“地球之腎”，與森林、海洋并稱世界三大生態(tài)系統(tǒng)。它不僅資源豐富，而且還有著環(huán)境調(diào)節(jié)功能和生態(tài)凈化作用，在維持生態(tài)平衡中起著極為重要的作用。

水是濕地形成、發(fā)育、演替、消亡與再生的主導(dǎo)因素[1]。濕地的自然環(huán)境變化主要影響因素由水質(zhì)和水量組成，所以對濕地的水資源進行監(jiān)測和評價至關(guān)重要。濕地環(huán)境的水質(zhì)評價結(jié)果的真實水平不僅取決于監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性，還依靠于評價方式的科學(xué)性?，F(xiàn)階段常用的水質(zhì)評價方法非常多，但這些評價方法都有自己的優(yōu)缺點。單因子污染指數(shù)是用所評價的水質(zhì)中污染最嚴(yán)重的那個評價因子所屬的類型去判斷水質(zhì)的綜合類別，但這種方法只能說明單個污染物對水環(huán)境的污染水平，并不能完全反映真實的水質(zhì)綜合情況；綜合污染指數(shù)法不能確定整體水質(zhì)的類別，僅能表示水環(huán)境污染的程度?；疑u價法雖然能夠滿足復(fù)雜系統(tǒng)的評價要求，但用此方法評價水質(zhì)的結(jié)果往往趨于均化，水質(zhì)評價的級別和選取污染物的數(shù)量有一定聯(lián)系，水質(zhì)的綜合類別不能確定；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來評價水質(zhì)，對于協(xié)同性不好的樣本，評價結(jié)果往往會出現(xiàn)同質(zhì)化的現(xiàn)象。水環(huán)境質(zhì)量綜合評價中，把模糊評價法和層次分析法（AHP）相結(jié)合的模糊層次分析法得到了廣泛的應(yīng)用[2]，模糊理論能很好地反映水環(huán)境質(zhì)量級別的模糊性與連續(xù)性，層次分析法能夠?qū)⒃u價者對復(fù)雜系統(tǒng)的定性分析進行定量化處理[3]，用模糊數(shù)學(xué)來構(gòu)造矩陣，避免了主觀性對水質(zhì)評價結(jié)果的影響，使評價結(jié)果更符合實際。

本研究選用AHP模糊綜合評價方法，即傳統(tǒng)的層次分析法與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，利用層次分析法確定評價指標(biāo)的權(quán)重，然后用模糊綜合評價法對水質(zhì)進行評價。

1 建立水質(zhì)模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型[4，5]

模糊綜合評價是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清楚，不易定量的因素定量化，進行綜合評價的一種方法[6]。水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價中，常出現(xiàn)許多模糊的現(xiàn)象和一些模糊的概念，評價過程中還會大量涉及到一些復(fù)雜的情況和各種因素的相互作用，所以，在綜合評價時可以用模糊綜合評價法來處理這些模糊不清的情況，這樣就可以評價出水環(huán)境的真實水平。

1.1 建立評價因素集、評價集

根據(jù)對水質(zhì)的影響程度選取一些關(guān)鍵的指標(biāo)作為評價因素，建立因素集，由污染因子的現(xiàn)實監(jiān)測值所組成，即u={u1，u2，u3，…，un}。

評價集就是與因素集的評價指標(biāo)相對應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的級別，即V={V1，V2，V3，…，Vm}。

1.2 建立隸屬函數(shù)

各水質(zhì)評價因子是模糊綜合評價的重要基礎(chǔ)，然而隸屬函數(shù)又是各水質(zhì)評價因子評價的重要根據(jù)，所以明確各個評價因子所對應(yīng)等級的隸屬函數(shù)非常重要。確定隸屬函數(shù)的方法有多種，常見的隸屬函數(shù)主要為矩形分布、梯形分布、k次拋物形分布、Γ-型分布、正態(tài)分布、柯西分布和嶺形分布[7]7種類型。本研究選用較為成熟的降半梯形分布確定各元素的隸屬函數(shù)[8]：

對于Ⅰ級水質(zhì)（j=1）隸屬函數(shù)為：

uij= 1 （xi

（aij

0 （xi≥ai（j+1）） （1）

對于Ⅱ-（m-1）級水質(zhì)（j=2，…，m-1），隸屬函數(shù)為：

uij=

（ai（j-1）≤xi≤aij）

（aij

0 （xi≥ai（j+1）或xi≤ai（j-1）） （2）

對于Ⅴ級水質(zhì)（j=m），隸屬函數(shù)為：

uij= 0 （xi≤ai（j-1））

（ai（j-1）

1 （xi≥aij） （3）

式中，xi為評價因子的實際監(jiān)測值，aij為評價因子的第j級評價標(biāo)準(zhǔn)，（j=1，2，3，4，5）分別為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度值。溶解氧的指標(biāo)與其他評價因子相反，濃度越高則表示水質(zhì)越好，所以隸屬函數(shù)要做一定的調(diào)整。把評價因子的實際監(jiān)測值代入到相對應(yīng)的隸屬函數(shù)中去，計算出各評價因子對于每一個評價等級的隸屬度，就可以獲得U和V之間的模糊關(guān)系矩陣R，記作：U [R] V，R稱為模糊矩陣，R=（rij）n×m。

1.3 用AHP模型確定各指標(biāo)的權(quán)重矩陣

水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重在模糊綜合評價中有著非常重要的作用，主要用來衡量各個污染因子對水環(huán)境影響程度的大小，所以它的準(zhǔn)確性將會直接關(guān)系到評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前權(quán)重的確定方法主要有加權(quán)統(tǒng)計法、層次分析法、德爾菲法、回歸分析法、熵值法等。污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種客觀賦權(quán)法[9]。該方法簡單方便，但是很容易受到極值特征數(shù)據(jù)的影響，評價結(jié)果不能反映水質(zhì)的真實情況。AHP法是定量和定性相結(jié)合的多屬決策方法，對各評價因子的相對重要性給予定量表示[10]，能夠很好地避免評價過程中的主觀性。本研究選用層次分析法來確定各水質(zhì)因子的權(quán)重?；静襟E如下：

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型；首先要將所包含的因素分組，每一組作為一個層次，一般模型如圖1所示。

2）構(gòu)造兩兩比較矩陣。在已經(jīng)確定的層次結(jié)構(gòu)模型中明確各層元素之間的關(guān)系、上下兩層的從屬關(guān)系，就可以根據(jù)上下層的準(zhǔn)則構(gòu)成比較矩陣。為了使評價因子更方便比較、評價結(jié)果更有意義，本研究用單因子評價法進行了處理。計算公式為ai=ci /coi，其中ai是因子的標(biāo)度值，ci為因子的實測值，coi為各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的均值。對于溶解氧的計算剛好是相反的。coi通常有兩種取值方法，一種是采用國家Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[11]，另一種是取5類標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。但這兩種方法都沒有考慮不同污染物在相同水質(zhì)級別之間標(biāo)準(zhǔn)值的不同變化幅度[12]，因此不是很合理。隸屬函數(shù)的各取值區(qū)間是各級標(biāo)準(zhǔn)值之差，所以本研究利用加權(quán)平均法確定coi[13]。例如，污染因子xi，水質(zhì)級別區(qū)間為（a1，a2]，（a2，a3]，（a3，a4]，（a4，a5]，（a5，a6]。根據(jù)式（4）可得各評價因子coi的結(jié)果（表1），構(gòu)造標(biāo)度為ai的水環(huán)境評價指標(biāo)相對重要性判斷矩陣D。

D= 1

1

1

1

1

3）評價因子權(quán)重計算及一致性檢驗。求出判斷矩陣D的最大特征根λmax以及其對應(yīng)的特征向量A，并歸一化，計算公式如下：

Mi=aij （i=1，2，…，n） （5）

= （i=1，2，…，n） （6）

對進行歸一化，可得：

ωi= /∑ （i=1，2，…，n） （7）

A=（ω1，ω2，…，ωn）即所求得特征向量，也就是各個元素的權(quán)重值。如果判斷矩陣滿足條件aij=aik/ajk（i，j，k=1，2，…，n），則稱判斷矩陣為一致性矩陣，因為客觀事物的復(fù)雜性和主觀推斷的不確定性，所以難以把統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的事物區(qū)別度量得非常準(zhǔn)確。一般情況下，判斷矩陣D不具有一致性。所以，要對判斷誤差程度實行一致性檢驗。首先要計算判斷矩陣D的最大特征根λmax：

λmax= （8）

C.I.= （9）

C.R.= （10）

式中，R.I.為重復(fù)計算1 000次的平均隨機一致性指標(biāo)[14]（表2）。當(dāng)C.R.<0.1時，判斷矩陣D的一致性是能夠允許的，否則需要對判斷矩陣進行一定的調(diào)整。

1.4 綜合評價

在確定了權(quán)重集和模糊評價矩陣之后進行運算，就可以獲得AHP模糊綜合評價子集，并根據(jù)評價子集得到水環(huán)境的最終綜合評價結(jié)果，即B=A×R。常用的運算因子有4種，取大取小法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法[15]。本研究采用相乘相加法，用最大隸屬度原則去確定評價結(jié)果。

2 張掖市黑河濕地水質(zhì)現(xiàn)狀的綜合評價

張掖市黑河濕地處于黑河中游，由祁連山洪積扇前緣和黑河古河道及泛濫平原的潛水溢出地帶所形成，濕地的生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜、種類繁多。黑河濕地不僅由天然濕地、河流、草本沼澤、濕草甸等組成，還由人工濕地、人工湖、池塘、溝渠等構(gòu)成。

黑河濕地能夠涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、凈化水質(zhì)、防風(fēng)固沙、有效防止巴丹吉林沙漠向南侵入等，尤其在保持黑河流域的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、阻止京津地區(qū)西路沙塵、保證達到國務(wù)院明確的下游年份水指標(biāo)、保護地域生態(tài)安全等方面有非常關(guān)鍵的作用。所以張掖市黑河濕地有著不可取代的利用價值，也是西北地區(qū)奇特而珍貴的自然資源。但是，城市建設(shè)開發(fā)造成濕地的嚴(yán)重破壞。沒有規(guī)劃地任意開荒、周邊牧民過度放牧、為了經(jīng)濟發(fā)展隨意填湖建房、埋池建筑公路等行為不僅使?jié)竦氐牡叵聫搅髟獾絿?yán)重阻塞，還使得地表的各種植被遭到人為大肆毀壞。再加上黑河流域跨省調(diào)水政策，抽調(diào)了中游的大量用水，減少了生態(tài)用水的水量，濕地水源補給嚴(yán)重不足，進而使張掖市黑河濕地面積大幅度收縮，生物多樣性逐年驟減。本研究基于模糊評價及AHP方法，以濕地2011年和2012年4個斷面的5項污染因子的監(jiān)測值為分析對象展開評價研究。

2.1 建立因子集

水樣布點和采集依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T91-2002）進行，根據(jù)張掖市黑河濕地河道分布情況、功能區(qū)劃、目前政策現(xiàn)狀以及今后發(fā)展規(guī)劃等共布置4個采樣點，分別為庚名渠、人工濕地、4號壩、濱河新區(qū)北湖。

根據(jù)黑河濕地的實際情況，本研究選取了5項具有代表性的污染物作為評價因子為u={DO，CODMn，HN3-N，N，P}，其中溶解氧的評價指標(biāo)是以數(shù)值大為最優(yōu)，其他以數(shù)值小為最優(yōu)。各斷面的監(jiān)測項目和數(shù)據(jù)見表3。

2.2 建立評價集

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），評價等級由5個級別組成評價等級集合V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}，各等級標(biāo)準(zhǔn)見表4。

2.3 求出各評價因子的隸屬度

計算出各評價因子的隸屬函數(shù)后對單因素進行評估，建立模糊關(guān)系矩陣R。根據(jù)隸屬函數(shù)（1）-（3）可計算出各監(jiān)測斷面2011年和2012年的模糊矩陣R。2011年的模糊矩陣分別表示為：庚名渠R1；人工濕地R2；4號壩R3；濱河新區(qū)北湖R4。2012年的模糊矩陣分別表示為：庚名渠R1′；人工濕地R2′；4號壩R3′；濱河新區(qū)北湖R4′。

R1= 0 0.310 0.690 0 0

0 0.235 0.765 0 0

0.657 0.343 0 0 0

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

R1′= 0 0.920 0.080 0 0

0 0.415 0.585 0 0

0.857 0.143 0 0 0

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

R2 = 0.333 0.667 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0 1

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

R2′=0.480 0.520 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0.220 0.780

0 0 0 0 1

0.988 0.012 0 0 0

R3 = 0 0.820 0.180 0 0

0.080 0.920 0 0 0

0 0 0 0 1

0 0 0 0 1

0.075 0.925 0 0 0

R3′=0.013 0.987 0 0 0

0.235 0.765 0 0 0

0 0 0 0 1

0 0 0 0 1

0.438 0.562 0 0 0

R4 = 0.453 0.547 0 0 0

0.645 0.355 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

R4′=0.507 0.493 0 0 0

0.775 0.225 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

2.4 建立權(quán)重集

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。

2）構(gòu)造2011年2012年標(biāo)度為ai的水環(huán)境評價指標(biāo)相對重要性判斷矩陣D。2011年的模糊矩陣分別表示為：庚名渠D1；人工濕地D2；4號壩D3；濱河新區(qū)北湖D4。2012年的模糊矩陣分別表示為：庚名渠D1′；人工濕地D2′；4號壩D3′；濱河新區(qū)北湖D4′。

D1= 1 0.889 2.427 0.218 7.282

1.125 1 2.731 0.245 8.193

0.412 0.366 1 0.090 3.000

4.593 4.082 11.148 1 33.444

0.137 0.122 0.333 0.030 1

D1′= 1 0.853 2.939 0.216 8.398

1.173 1 3.447 0.253 9.848

0.340 0.290 1 0.074 2.857

4.627 3.946 13.600 1 38.857

0.119 0.102 0.350 0.026 1

D2= 1 2.281 0.204 0.050 6.692

0.438 1 0.089 0.022 2.933

4.912 11.207 1 0.246 32.875

19.986 45.597 4.068 1 133.750

0.149 0.341 0.030 0.007 1

D2′= 1 2.383 0.274 0.067 4.932

0.420 1 0.115 0.028 2.070

3.650 8.696 1 0.243 18.000

15.023 35.798 4.116 1 74.095

0.203 0.483 0.056 0.013 1

D3= 1 1.168 0.063 0.046 1.272

0.856 1 0.054 0.039 1.089

15.988 18.672 1 0.730 20.340

21.909 25.586 1.370 1 27.872

0.786 0.918 0.049 0.036 1

D3′= 1 1.228 0.131 0.058 1.779

0.814 1 0.106 0.047 1.448

7.646 9.391 1 0.445 13.600

17.178 21.098 2.247 1 30.554

0.562 0.691 0.074 0.033 1

D4= 1 1.442 5.542 0.264 6.129

0.694 1 3.844 0.183 4.251

0.180 0.260 1 0.048 1.106

3.781 5.452 20.657 1 23.176

0.163 0.235 0.904 0.043 1

D4′= 1 1.576 6.686 0.318 7.354

0.635 1 4.242 0.202 4.667

0.150 0.236 1 0.048 1.100

3.147 4.959 21.039 1 23.143

0.136 0.214 0.909 0.043 1

3）根據(jù)公式（5）-（8）計算各斷面2011年和2012年的特征向量和最大特征根，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。2011年庚名渠A=（0.137 6， 0.154 8， 0.056 7， 0.632 0， 0.018 9），λmax=5.000，C.I.=0，C.R.=0<0.1。2012年庚名渠A=（0.137 8， 0.161 5， 0.046 9， 0.637 4， 0.016 4）， λmax=5.012， C.I.=0.003， C.R.= 0.002 7<0.1。2011年人工濕地，A=（0.037 8，0.161 5， 0.185 5，0.764 6，0.005 6），C.I.=0.000 3，C.R.=0.000 3<0.1。2012年人工濕地A=（0.049 3，0.020 7， 0.179 8， 0.740 2， 0.010 0）， λmax=5.000， C.I.=0， C.R.=0<0.1。2011年4號壩A=（0.024 7，0.021 1，0.394 4，0.540 4， 0.019 4），λmax=5.013，C.I.=0.003 3，C.R.=0.002 9<0.1。2012年4號壩A=（0.036 8，0.029 9，0.281 1，0.631 5， 0.020 7），λmax=5.120，C.I.=0.03，C.R.=0.026 8<0.1。2011年濱河新區(qū)北湖A=（0.171 9， 0.119 2， 0.031 0， 0.649 9， 0.028 0）， λmax=5.008， C.I.=0.002 0， C.R.=0.001 8<0.1。2012年濱河新區(qū)北湖A=（0.197 4， 0.125 2， 0.029 5， 0.621 1， 0.026 8）， λmax=5.012， C.I=0.003 0，C.R.=0.002 7<0.1。以上C.R.均小于0.1，所以判斷矩陣D有滿意的一致性。

2.5 水質(zhì)綜合評價

將評價因子權(quán)重A和模糊關(guān)系矩陣R進行模糊關(guān)系合成，即得到模糊綜合評價矩陣B，并根據(jù)最大隸屬度原則判斷各監(jiān)測斷面水質(zhì)級別，評價結(jié)果見表5。

3 小結(jié)與討論

1）本研究采用層次分析方法與模糊綜合評價法相結(jié)合對張掖市黑河濕地水環(huán)境現(xiàn)狀進行了評價分析，利用將兩種模型相互結(jié)合的評價方法，使水質(zhì)的評價結(jié)果更為準(zhǔn)確和合理，并成功地避開了層次分析法中由于人的主觀因素對水質(zhì)評價帶來的影響。

2）黑河濕地的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，2012年黑河濕地水質(zhì)總體狀況比2011年稍有好轉(zhuǎn)。利用AHP模糊綜合評價法對張掖市黑河濕地水環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價，結(jié)果表明庚名渠、人工濕地、4號壩和濱河新區(qū)北湖的水質(zhì)均為Ⅴ類，各斷面水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)。4個監(jiān)測斷面都是以氮污染為主，分析其污染的主要原因：黑河濕地農(nóng)業(yè)區(qū)域過度使用農(nóng)藥和化肥，還有部分群眾從事養(yǎng)殖業(yè)，而工業(yè)園區(qū)以農(nóng)產(chǎn)品加工為主，工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢水和生活污水直接排入濕地，這些因素都是導(dǎo)致濕地水體氮含量增大，超標(biāo)嚴(yán)重的主要原因。因此對濕地水源區(qū)進行長期的生態(tài)監(jiān)測、強化管理和規(guī)劃，提高水質(zhì)是十分必要的。

3）傳統(tǒng)模糊綜合評價中評價因子的權(quán)重與其實測濃度值與各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的均值直接相關(guān)。各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的均值一般采用國家Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或5類標(biāo)準(zhǔn)值的平均值，但這兩種方法都沒有考慮不同污染物在相同水質(zhì)級別之間標(biāo)準(zhǔn)值的不同變化幅度，本研究采用的是加權(quán)評價法確定各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的均值。

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