不同地下水綜合評價方法對比分析

江弦，黃耀裔，常開琪，高偉，張云峰

(泉州師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362000)

隨著中國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，水資源污染已經(jīng)成為我國社會面臨的可持續(xù)發(fā)展問題.尤其是在2016年1月份由中國水利部公布的《地下水動態(tài)月報》，對2015年全國各地的2100多口地下水水井進(jìn)行例行監(jiān)測(主要檢測對象為淺層地下水)，由于月報未指出具體采用的評價方法，姑且認(rèn)為采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)推薦的F值法，監(jiān)測評價結(jié)果顯示淺層地下水水質(zhì)處于Ⅳ類水占32.9%，處于Ⅴ類水占47.3%，合計占全部的80.2%，評價指標(biāo)中“三氮”污染情況較重，部分地區(qū)受重金屬和有毒有機(jī)物污染[1].“八成地下水不達(dá)標(biāo)”這個標(biāo)題性結(jié)論引起了社會大眾對飲用水資源的廣泛關(guān)注和輿論.

由于地下水污染問題牽涉到非常龐大復(fù)雜的社會生產(chǎn)組織、管理體系和自然生態(tài)系統(tǒng)等，水質(zhì)監(jiān)測與評價是反映水體污染狀況與程度，進(jìn)行水資源保護(hù)與利用的重要途徑與方法手段.不同的評價指標(biāo)和評價方法往往會造成評價結(jié)果差異，甚至與事實不符.通過CNKI數(shù)據(jù)庫查找地下水評價方法的相關(guān)文獻(xiàn)，按“地下水評價”作為檢索詞進(jìn)行全文檢索，截止2017年2月共檢索到180000多篇相關(guān)文獻(xiàn)，主要的評價方法涵蓋有：內(nèi)梅羅指數(shù)評價法及改進(jìn)[2]、灰色關(guān)聯(lián)聚類及改進(jìn)[3，4]、集對分析法及改進(jìn)[5]，物元分析法及改進(jìn)[6]、模糊數(shù)學(xué)法及改進(jìn)[7]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及改進(jìn)[8]、支持向量機(jī)及改進(jìn)[9]、TOPSIS及改進(jìn)[10]、模糊聚類及改進(jìn)[11]、因子分析法及改進(jìn)[12]、貝葉斯法法及改進(jìn)[13]、屬性識別法及改進(jìn)[14]、多元回歸法及改進(jìn)[15]、格魯布斯檢驗法[16]、投影尋蹤法及改進(jìn)[17]、主成分分析法及改進(jìn)[18]、Fuzzy-Grey[19]、距標(biāo)秩和比法[20]等或上述方法彼此間的組合評價或與不同指標(biāo)權(quán)重法組合衍生出的地下水評價法.

對上述國內(nèi)外對地下水評價方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)以上的諸多地下水評價方法均存在各自的優(yōu)點與不足之處，難以說明哪種評價方法更科學(xué)合理準(zhǔn)確，經(jīng)過對比分析其評價原理，總體可以劃分為兩大評價類型：第一大類(稱之為隸屬評價法)，其評價原理是先對待評價指標(biāo)根據(jù)對應(yīng)的待評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)確定其隸屬值或?qū)傩灾档却_切值，接著結(jié)合評價指標(biāo)的貢獻(xiàn)度不同賦權(quán)(通常對指標(biāo)權(quán)重確定的方法有層次分析法、超標(biāo)加權(quán)法、熵權(quán)法、專家打分等)，最后根據(jù)一定的評價準(zhǔn)則確定最終的評價等級.該大類的評價方法有F值法、灰色關(guān)聯(lián)聚類法、屬性識別法、物元可拓法、模糊綜合評判法、貝葉斯法、集對分析法、距標(biāo)秩和比法等；第二大類(稱為多元降維評價法)：其評價原理是先將多個地下水評價指標(biāo)和對應(yīng)評價指標(biāo)的不同評價等級值視為待評價因子組合為高維數(shù)據(jù)或多元數(shù)據(jù)，通過結(jié)合指標(biāo)權(quán)重在不同數(shù)學(xué)方法下進(jìn)行降維或提取主因子，最后根據(jù)對虛擬的待評價因子(評價指標(biāo)的不同評價等級值)作為識別的評價標(biāo)準(zhǔn)確定待評價因子的評價等級.該大類的評價方法有因子分析法、主成分分析法、TOPSIS、投影尋蹤法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法等.本文對上述兩大類評價方法各舉一例闡述其評價原理，最后以福建省晉江市的地下水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行上述多種評價方法的實證與對比分析，為地下水評價的科學(xué)性和合理性提供參考.

1 評價方法

1.1 隸屬評價法(以模糊綜合評判法為方法范例)

1.1.1 評價指標(biāo)隸屬度的確定

依《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)[21]的評價指標(biāo)等級值，根據(jù)隸屬度函數(shù)確定其每個待評價樣點指標(biāo)xi所處標(biāo)準(zhǔn)中的對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的隸屬度值，其對應(yīng)等級的隸屬度函數(shù)見式(1)-(5)，通過隸屬度值構(gòu)建一個待評價矩陣U.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)-(5)中：Xi1，Xi2，Xi3，Xi4，Xi5分別對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級標(biāo)準(zhǔn)值.

1.1.2 指標(biāo)權(quán)重確定

多指標(biāo)綜合評價往往涉及指標(biāo)重要程度差異來反映指標(biāo)的重要性，通常有主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)兩大類，以客觀賦權(quán)居多.該小節(jié)以超標(biāo)加權(quán)法確定權(quán)重.超標(biāo)加權(quán)法能夠反映同一污染指標(biāo)在不同的待評價樣點上的監(jiān)測指標(biāo)的不同，權(quán)重系數(shù)也不相同，是一個實測值與標(biāo)準(zhǔn)值的函數(shù)變量[22]，利用式(6)-(8)計算.

(6)

(7)

(8)

1.1.3 模糊綜合評判確定評價等級

由指標(biāo)隸屬值矩陣U和指標(biāo)權(quán)重矩陣W建立不同的運算規(guī)則(式(9)，通常有取小取大、相乘取大、取小相加、相乘相加)得到地下水評價對象的評價等級結(jié)果.

F=UΘW=(c1，c2，…，cn)

(9)

式(9)中：F為模糊綜合評價結(jié)果；Θ為模糊運算規(guī)則符號；c1、c2，…，cn為隸屬于各評價等級的程度值，按對應(yīng)運算規(guī)則得到評價結(jié)果.

1.2 多元降維評價法(以TOPSIS法為方法范例)

1.2.1 構(gòu)建評價矩陣

將待評價樣點和評價指標(biāo)的不同評價等級值(視為虛擬待評價樣點)做歸一化處理后構(gòu)建待評價矩陣.

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

為了區(qū)別1.1.2小節(jié)的權(quán)重確定，該小節(jié)以熵權(quán)確定指標(biāo)權(quán)重作為權(quán)重確定法.熵權(quán)法確定步驟為公式(10)-(12)：

(10)

(11)

(12)

1.2.3 TOPSIS法確定評價等級

將虛擬待評價樣點指標(biāo)與各個樣點指標(biāo)權(quán)重按式(13)計算：

C=(cij)m×n=ωj·zij

(13)

圖1 晉江市淺層地下水水樣監(jiān)測點Fig.1 shallow groundwater monitoring points in Jinjiang city

再確定規(guī)范化決策矩陣的正理想解向量C+和負(fù)理想解向量C-：

(14)

(15)

接著計算待評價樣點指標(biāo)與最優(yōu)評價等級及最劣評價等級的距離：

(16)

最后計算各評價對象對于理想解的貼近度：

(17)

貼近度的大小反映出各目標(biāo)解與理想解之間的貼近程度.根據(jù)虛擬的待評價樣點(各等級標(biāo)準(zhǔn)值)的貼近度區(qū)間確定待評價樣點的評價等級結(jié)果.

2 實例分析

2.1 指標(biāo)選取與評價

表1 地下水單項指標(biāo)質(zhì)量分類

2.2 評價結(jié)果分析

通過對上述的15種評價方法(1-9歸為第一大類，10-15歸為第二大類)對研究區(qū)進(jìn)行綜合評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同評價方法評價結(jié)果差異較大，最大橫跨1級至5級，第一大類的評價等級結(jié)果整體大于第二大類的評價等級結(jié)果，評價結(jié)果見表2和圖2所示.

表2 部分樣點不同評價方法的評級等級對比

圖2 研究區(qū)樣點評價等級隸屬圖Fig.2 Sample evaluation grade belonging to figure in the study area

對評價結(jié)果進(jìn)行分析，造成評價結(jié)果差異的因素可總結(jié)如下：(1)水質(zhì)因素：由于水體本身是一個多元復(fù)雜體系，受到水質(zhì)的多種物理化學(xué)因素的影響，因此指標(biāo)的選取和指標(biāo)監(jiān)測值對評價結(jié)果起到主要作用，特別是如果某一種評價指標(biāo)的檢測結(jié)果偏高，造成第一大類評價方法的該指標(biāo)隸屬度(或得分)較其它評價指標(biāo)偏大，導(dǎo)致評價結(jié)果等級偏高，因此當(dāng)評價指標(biāo)存在有毒元素或是對人類危害較大的環(huán)境因子，則不宜采用第一大類評價法進(jìn)行評價，建議改為通過降維或多元回歸的第二大類評價方法，受指標(biāo)影響較小.(2)權(quán)重影響：單因子評價只考慮了最突出的因子(污染最大的待評價因子)對整體評價結(jié)果的影響，忽略其他因子造成評價結(jié)果往往偏差，賦權(quán)綜合考慮了各個指標(biāo)因子對評價結(jié)果的影響，但比如層次分析法評價受主觀因素影響較大，通常采用熵權(quán)法或者超標(biāo)法確定權(quán)重居多克服主觀偏向性，使評價結(jié)果更具客觀性.(3)評價手段：不同的評價方法必然存在評價結(jié)果差異，各自存在優(yōu)點和不足，比如物元可拓評價雖然考慮了水質(zhì)評價的模糊性和不確定性，利用變權(quán)突出主要污染物的影響，但在將關(guān)聯(lián)函數(shù)拓展至(-∞，+∞)，不利于指標(biāo)間的比較，此外關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算是以經(jīng)典域和節(jié)域的中點為基準(zhǔn)，與評價屬“越小越優(yōu)”性存在沖突；灰色關(guān)聯(lián)法只能處理白化值，難于處理區(qū)間模糊值，而灰色聚類的白化權(quán)函數(shù)則只能處理模糊區(qū)間；多元回歸評價則可能存在多重共線性問題；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)則評價過于復(fù)雜，很多需要借助計算機(jī)和編程，不利于推廣等等.綜上所述，對于不同的評價區(qū)，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況合理選擇評價指標(biāo)，盡量運用多種不同的評價方法進(jìn)行比較，不能過分強(qiáng)調(diào)某種水質(zhì)評價方法的優(yōu)越性，確定較合理的評價方法，才能綜合反應(yīng)實際的水質(zhì)狀況，避免出現(xiàn)不合理的評價結(jié)果，使評價結(jié)果更能準(zhǔn)確真實地反映該區(qū)域的水質(zhì)情況.

3 結(jié) 語

本研究綜合了目前國內(nèi)外的地下水主要評價方法，分析了每種方法的原理、優(yōu)缺點等，根據(jù)評價方法的原理將其歸納為兩大類，并通過實例研究區(qū)進(jìn)行15種不同評價方法進(jìn)行評價，對評價結(jié)果進(jìn)行分析得出對于不同的評價區(qū)，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況合理選擇評價指標(biāo)，盡量運用多種不同的評價方法進(jìn)行比較，不能過分強(qiáng)調(diào)某種水質(zhì)評價方法的優(yōu)越性，確定較合理的評價方法，才能綜合反應(yīng)實際的水質(zhì)狀況，避免出現(xiàn)不合理的評價結(jié)果，使評價結(jié)果更能準(zhǔn)確真實地反映目標(biāo)研究區(qū)域的水質(zhì)情況.

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