模糊物元法在城市再生水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

陸 曉，楊 侃，劉建林，邱光樹(shù)，劉 朗，梁永靜，楊 堃

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098；2.云南省水利水電學(xué)校，云南昆明650224；3.句容水利農(nóng)機(jī)局，江蘇句容212400)

0 引 言

再生水是指污水經(jīng)深度處理后達(dá)到一定的水質(zhì)要求并可再回收利用的水資源[1]。我國(guó)再生水利用起步相對(duì)較晚，發(fā)展較慢[2]。由于水質(zhì)的不同和處理工藝的限制，再生水中不可避免地會(huì)殘留一部分污染物，對(duì)人體健康、環(huán)境等存在一定的威脅[3]。因此，建立科學(xué)全面的再生水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)機(jī)制，保障再生水利用的順利實(shí)施顯得尤為重要。目前，我國(guó)再生水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)還是一項(xiàng)新的研究領(lǐng)域，仇付國(guó)、李金娜、李朦[4- 5]等在該領(lǐng)域都有重要的成果，但同時(shí)也存在一定的局限性。

本文結(jié)合前人研究成果，提出一種新的權(quán)重計(jì)算方法，在組合賦權(quán)時(shí)引入了spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)，避免了采用單一方法的缺陷。在此權(quán)重計(jì)算基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊物元分析理論，再利用TOPSIS法對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序，判斷各個(gè)城市再生水利用的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)水平，以期為城市再生水的合理利用以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 再生水利用風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

結(jié)合實(shí)際情況，同時(shí)考慮諸多因素，建立了以社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)及生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為準(zhǔn)則層的再生水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[6]。社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)選取以城市缺水情況及其他可能對(duì)人體健康造成危害的指標(biāo)為依據(jù)，從側(cè)面反映再生水利用對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)；經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)選取以與城市再生水相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為依據(jù)，直接體現(xiàn)再生水對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)；生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)選取與再生水水質(zhì)相關(guān)，以此為依據(jù)判斷再生水造成的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。再生水利用風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)圖1。

圖1 再生水利用風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 基于TOPSIS法的模糊物元模型

2.1 復(fù)合模糊物元及從優(yōu)隸屬度

復(fù)合模糊物元是由“事物、特征、模糊量值”這3個(gè)要素構(gòu)成的。在對(duì)再生水利用風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，把待評(píng)價(jià)的各個(gè)城市作為物元的事物，各個(gè)指標(biāo)作為物元的特征，以這兩者及各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的模糊量值構(gòu)造形成復(fù)合模糊物元。

從優(yōu)隸屬度則用于復(fù)合模糊物元的無(wú)量綱化，一般有2種類(lèi)型的指標(biāo)[7]，分別為成本型和效益型。成本型即越小越優(yōu)型，效益型即越大越優(yōu)型。本指標(biāo)體系中，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)下對(duì)應(yīng)的所有指標(biāo)(D5、D6、D7、D8、D9)以及生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)下的再生水PH值(D13)均為越大越優(yōu)型指標(biāo)，其他指標(biāo)(D1、D2、D3、D4、D10、D11、D12、D14)都為越小越優(yōu)型。

2.2 TOPIS法

TOPSIS法是一種逼近于理想解的排序方法，核心就是確定各項(xiàng)指標(biāo)的正負(fù)理想解。當(dāng)一評(píng)價(jià)方案離正理想解最近，又離負(fù)理想解最遠(yuǎn)，則稱(chēng)該方案為最優(yōu)方案。

將無(wú)量綱化后的復(fù)合模糊物元矩陣乘以相應(yīng)各指標(biāo)的權(quán)重，便可確定各指標(biāo)的正負(fù)理想解。TOPSIS法中計(jì)算樣本值與正負(fù)理想解的距離一般用歐氏距離表示。評(píng)價(jià)對(duì)象接近理想解的程度則用貼近度表示，其值在0～1之間，該值越接近于1，評(píng)價(jià)對(duì)象越接近最優(yōu)水平[7- 8]。

3 用改進(jìn)的組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

為使權(quán)重的取值更加合理，本文選取2種主觀賦權(quán)法，即層次分析法及環(huán)比評(píng)分法，2種客觀賦權(quán)法，即熵值法及CRITIC法，將這4種方法兩兩組合，采用spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)矩陣，選出最具有一致性的一組主客觀方法[9]，將這組方法與剩余的其他方法計(jì)算spearman系數(shù)，選取平均系數(shù)最大者作為參考方法，將該參考方法與4種方法(包括自身)計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，此時(shí)獲得的便是4種方法形成的權(quán)向量，對(duì)原先的權(quán)重矩陣進(jìn)行加權(quán)處理得出組合權(quán)重，并進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。

3.1 4種賦權(quán)法

3.2 利用spearman系數(shù)組合賦權(quán)

4 實(shí)例分析

4.1 數(shù)據(jù)收集

以云南省N、H、L、F等4個(gè)城市的實(shí)測(cè)指標(biāo)為例，驗(yàn)證本文所構(gòu)建的再生水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。N市人口較密集，以農(nóng)業(yè)為主，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，缺水情況嚴(yán)重；H市由于氣候條件較為優(yōu)越，城市缺水率小，但經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)；L市人口較少，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低；F市以旅游業(yè)為主，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，存在較嚴(yán)重的缺水情況。

本研究計(jì)算所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要是從各市的2016年統(tǒng)計(jì)年鑒與水資源公報(bào)、污水處理廠再生水水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料等得到的，具有可靠性和真實(shí)性。研究區(qū)各評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2。

4.2 數(shù)據(jù)處理

首先，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，按照從優(yōu)隸屬度原則，將各市各指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0～1之間的數(shù)值。無(wú)量綱化后指標(biāo)見(jiàn)表3。

接著，進(jìn)行組合權(quán)重的計(jì)算。按照上面所述的方法，綜合利用matlab、spss及excel工具進(jìn)行計(jì)算。4種方法所得權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 研究區(qū)2016年各相關(guān)指標(biāo)

表3 無(wú)量綱化后指標(biāo)

表4 4種方法所得權(quán)重

計(jì)算spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)，得出熵值法與環(huán)比評(píng)分法的相對(duì)一致性最好，比較兩者與其他方法的等級(jí)系數(shù)，可得出熵值法是相對(duì)一致性最好的方法。因此，可求出spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)，從而構(gòu)成向量(0.855，0.916，1，0.868)，經(jīng)過(guò)歸一化得出修正權(quán)向量(0.252，0.235，0.275，0.239)。據(jù)此最終得出14個(gè)指標(biāo)的組合權(quán)重為W=(0.213，0.064，0.062，0.125，0.084，0.175，0.016，0.031，0.023，0.050，0.038，0.031，0.025，0.063)

將組合權(quán)重與無(wú)量綱化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)相乘可得到加權(quán)復(fù)合模糊物元，從而用TOPSIS法計(jì)算出正理想解與負(fù)理想解，求出距離以及貼近度。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 城市再生水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

按計(jì)算得到的貼近度大小進(jìn)行排序，再生水利用風(fēng)險(xiǎn)從小到大的排序城市依次是H市、F市、L市、N市。其中，L市和F市的再生水利用風(fēng)險(xiǎn)基本在同一水平。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)實(shí)情況分析可知，N市再生水利用風(fēng)險(xiǎn)較高，主要是由于該市相對(duì)發(fā)達(dá)，人口較多，對(duì)再生水的利用量較大；H市再生水利用風(fēng)險(xiǎn)較低，主要是因?yàn)槠浔旧硭Y源相對(duì)豐富，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，對(duì)再生水的利用量較少；F市和L市水資源較為匱乏，但由于人口等因素，對(duì)再生水的利用較少，因此這2個(gè)城市再生水利用風(fēng)險(xiǎn)水平較低，比H市要高，是因?yàn)槠浔旧硭|(zhì)較差，污水處理廠出水水質(zhì)也不好。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和再生水的常規(guī)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照指標(biāo)體系建立的原則，構(gòu)建了社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等3個(gè)方面的城市再生水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用模糊物元分析的基本理論和方法，結(jié)合TOPSIS法建立了基于改進(jìn)的組合賦權(quán)及TOPSIS法的模糊物元風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合實(shí)例對(duì)4個(gè)城市的再生水利用風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該模型合理可靠。鑒于此次評(píng)價(jià)結(jié)果及再生水利用的現(xiàn)狀，建議制定合理的城市供水水價(jià)，加強(qiáng)再生水利用管網(wǎng)設(shè)施的建設(shè)，重視并推廣污水再生的新工藝和新設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，提高污水處理廠的出水質(zhì)量，還要加強(qiáng)再生水水質(zhì)、水量的檢測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，保證用水安全。

本文采用改進(jìn)的組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，改善了以往僅用主客觀賦權(quán)法的單一性，用科學(xué)合理的途徑融合了4種方法各自的優(yōu)越性，是一種較為合適的權(quán)重確定方法，對(duì)增強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果的精準(zhǔn)性具有重要作用。