兩種評(píng)價(jià)方法在廬江飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

張 千，曹德菊

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036）

1 前言

目前，飲用水是否符合標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)受到了社會(huì)各界的關(guān)注和探討，飲用水污染招致的飲用水危機(jī)正在威脅著人類的生活與進(jìn)步，確保飲用水的潔凈，是維護(hù)人類環(huán)境權(quán)、保護(hù)人類安康權(quán)的必然要求[1].因此，運(yùn)用科學(xué)的評(píng)價(jià)方法對(duì)飲用水水質(zhì)狀況做出科學(xué)的評(píng)估顯得尤為重要.郭彥英[2]等人使用了層次分析法（AHP）對(duì)地表水建立遞階型的綜合評(píng)價(jià)體系，計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，利用了層次分析理論，計(jì)算一致性并將地表水各個(gè)用于評(píng)價(jià)水質(zhì)的指標(biāo)分出層次進(jìn)行排序，從而確定各指標(biāo)對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)度.門寶輝[3]采用物元分析法分析評(píng)價(jià)了松花江位于哈爾濱江段的水質(zhì)情況，選取關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)測(cè)值等數(shù)據(jù)的三樣參數(shù)作為物元，建立分析模型，將抽象的評(píng)級(jí)轉(zhuǎn)換為具體的定量評(píng)價(jià)，通過物元分析理論計(jì)算得到權(quán)系數(shù)，最后通過關(guān)聯(lián)度的計(jì)算與比較得到結(jié)果為此江段的水質(zhì)處于Ⅲ級(jí).多級(jí)模糊評(píng)價(jià)法被方正等人在研究湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)提出[4].Hamed Gharibi[5]等人研究了一種基于模糊邏輯的新型水質(zhì)指數(shù)，能夠用于日常評(píng)估水質(zhì)環(huán)境指標(biāo)的綜合人工智能（AI）方法.Yunchao Jiang[6]等人還利用Monte Carlo模擬和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)估.Zou Qiting[7]等人將和聲度方程（HDE）引入到水質(zhì)評(píng)價(jià)研究中，并提出了協(xié)調(diào)度方程這一新的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法.總之，經(jīng)過各國(guó)學(xué)者的不懈努力，水質(zhì)的評(píng)價(jià)方法種類越來越多，每種方法都各有千秋，評(píng)價(jià)精確度越來越高.該研究使用了基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法與單因子評(píng)價(jià)法，對(duì)廬江縣五家自來水廠水源水中的高錳酸鉀鹽指數(shù)、氨氮、氟化物、砷、鋅、銅、六價(jià)鉻七種因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià).

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法

水質(zhì)變化是連續(xù)的,模糊評(píng)估法充沛表現(xiàn)水環(huán)境中已經(jīng)存在的模糊性和不確定性,其在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用是合理的[8].但熵權(quán)模糊評(píng)價(jià)法的難點(diǎn)在于權(quán)重的合理分配,本文的基本思路是:采納污染物濃度超標(biāo)法計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值確定初始權(quán)重,再利用熵值法修正初始權(quán)重從而得到最終權(quán)重.將求得的各個(gè)目標(biāo)的權(quán)重集與降半梯形散布法所得的隸屬度矩陣相乘,從而得出水環(huán)境品質(zhì)熵權(quán)模糊評(píng)估模型.[9]

第①步：熵值和差異性系數(shù)的確定

⑴計(jì)算指標(biāo)值的權(quán)重P(xij)

指標(biāo)值權(quán)重是指指標(biāo)值xij在指標(biāo)j下的權(quán)重.

式中：xij代表第i個(gè)評(píng)估目標(biāo)類別在第j項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)下的數(shù)值.

⑵計(jì)算指標(biāo)j的熵值ej

信息熵HX與熵值ej的表達(dá)式為：

式中：k=1/lnm

⑶計(jì)算指標(biāo)值j的差異性因數(shù)gj

第②步：熵權(quán)的確定

⑴使用污染物濃度超標(biāo)法確定初始權(quán)重，

式中：xj-j指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度值；

xoj-j指標(biāo)各標(biāo)準(zhǔn)值的均值.

⑵利用公式4計(jì)算指標(biāo)的差異性系數(shù)向量G=(gj)1×n，用差異性系數(shù)修正權(quán)重wj，計(jì)算所需熵權(quán)集W'0=w'j1×n=(w'1w'2……w'n)

第③步：建立模糊評(píng)價(jià)的隸屬度矩陣

⑴采納降半梯形分布函數(shù)來計(jì)算隸屬度,公式如下所示:

⑵建立評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的模糊關(guān)系矩陣

第④步：模糊評(píng)價(jià)模型確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

水環(huán)境質(zhì)量模糊評(píng)價(jià)模型為：

式中：B-模糊評(píng)判向量；

R-隸屬度矩陣.

2.2.2 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法

式中：Ii-單因子指數(shù)；

Ci-各因素的實(shí)測(cè)值；

Lij-各因素的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值.

3 基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法與單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法在廬江縣金牛水廠水源水的水質(zhì)評(píng)價(jià)中的示例研究

3.1 基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法在泥河水系金牛水廠水源水中的示例研究

①根據(jù)公式1計(jì)算七項(xiàng)因素的標(biāo)準(zhǔn)值權(quán)重p（xij），結(jié)果制成下表1：

表1七項(xiàng)因子的五類標(biāo)準(zhǔn)各標(biāo)準(zhǔn)值權(quán)重值p（xij）表

根據(jù)公式3和公式4，計(jì)算指標(biāo)j的熵值ej和差異性因數(shù)gj，得到結(jié)果如下表2：

表2七項(xiàng)因素的權(quán)重值（ej）和熵權(quán)值（gj）表

②計(jì)算權(quán)重使用污染物濃度超標(biāo)法，制成下表3：

表3 七項(xiàng)因素的權(quán)重值和熵權(quán)值表

③計(jì)算隸屬度，根據(jù)公式8可得矩陣R：

④根據(jù)公式10，計(jì)算出熵權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型：B=W'0R

根據(jù)上述步驟計(jì)算后得出的廬江縣金牛水廠水源水的熵權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型可以看出，其I類水的隸屬度為0.7857，遠(yuǎn)高于II類水的隸屬度0.0997，并且III類水、IV類水和V類水的隸屬度均為0，因此用基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)得出金牛水廠水源水的水質(zhì)為I類水.

3.2 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法在廬江縣金牛水廠水源水中的示例研究

利用單因子指數(shù)評(píng)估法，步驟上較為簡(jiǎn)單，主要方法是測(cè)定各項(xiàng)因素的實(shí)測(cè)值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的比值，結(jié)果如下表4.

根據(jù)表4，由單因子指數(shù)評(píng)估法能夠得出，金牛水廠水源水的水質(zhì)最差類別為II類水，因此金牛水廠水源水的水質(zhì)為II類水.

4 廬江縣五家自來水廠水源水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

表4 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法在金牛水廠水源水中的評(píng)價(jià)結(jié)果

4.1 基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法在五家自來水廠水源水的水質(zhì)評(píng)價(jià)與分析

將廬江縣剩余四家自來水廠水源水的各項(xiàng)因子實(shí)測(cè)濃度值帶入基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法，能夠得出其余水廠水源水的水質(zhì)評(píng)估結(jié)論，將結(jié)果制成下表5.

表5 五家自來水廠水源水依據(jù)基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表5可以看出，基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法得出的結(jié)果是五家自來水廠水源水均只有I類水和II類水的隸屬度值，并且各家水廠水源水的I類水隸屬度都遠(yuǎn)高于II類水，因此廬江縣的飲用水水質(zhì)符合居民用水需求.而同春水廠水源水的I類水隸屬度值最高，故同春水廠水質(zhì)最優(yōu).

4.2 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法在五家自來水廠水源水的水質(zhì)評(píng)價(jià)與分析

根據(jù)單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法在金牛水廠水源水的應(yīng)用示例，對(duì)剩余的四家自來水廠水源水也進(jìn)行相同的評(píng)測(cè)，得到的結(jié)果如下表6.

表6 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法得出的五家水廠水源水的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表6所示結(jié)果，可以看出使用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法時(shí)，五家水廠水源水的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果均為II類水，這與基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法得出的結(jié)果有很大的差異.造成這種差異的主要原因?yàn)閱我蜃又笖?shù)評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)要求過于嚴(yán)苛，往往會(huì)不能夠全面綜合的分析水質(zhì)情況，沒有熵權(quán)法經(jīng)濟(jì)適用.其中，同春水廠水源水與天井水廠水源水相比較其余三家水廠水源水而言都只有一個(gè)因子被評(píng)價(jià)為II類水，因此在單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法中同春水廠水源水和天井水廠水源水的水質(zhì)最好.

5 結(jié)論

本文主要研究基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法在廬江縣五家自來水廠水源水的水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，最終的結(jié)果為五家自來水廠均為I類水，而經(jīng)過與單因子指數(shù)評(píng)估法的相比后，最后的結(jié)果為五家自來水廠水源水的水質(zhì)均為II類水.經(jīng)過分析可以看出，單因子指數(shù)評(píng)價(jià)使用時(shí)要求過于苛刻，有一定的片面性，無法綜合各方面因素分析評(píng)價(jià)水質(zhì)，但是在運(yùn)算上較為簡(jiǎn)單、方便，相對(duì)來說更適用于評(píng)價(jià)因子中有個(gè)別參數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)，對(duì)水質(zhì)有了較為嚴(yán)重的影響時(shí)，使用一票否決權(quán).熵權(quán)法避免了單因子法的片面性，更加全面和綜合地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠細(xì)化指標(biāo)所造成的影響，將所有數(shù)據(jù)所帶來的信息進(jìn)行周密的整合，給出一個(gè)完善的、可靠性高的結(jié)論，在需要對(duì)水體進(jìn)行治理以及評(píng)價(jià)水質(zhì)時(shí)，基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法更加經(jīng)濟(jì)適用[10].因此為了綜合全面地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，充分了解各個(gè)因子對(duì)水質(zhì)狀況的綜合影響，基于熵權(quán)的模糊評(píng)價(jià)法比單因子評(píng)價(jià)法更適用.