遼東丘陵地區(qū)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

汪 晶

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

大連市在近些年來通過排污口治理、河道生態(tài)治理以及生態(tài)修復(fù)等工程措施，在對(duì)河道進(jìn)行防洪能力、輸水能力提升的同時(shí)，也使河流水生態(tài)環(huán)境狀況得到一定程度的改善[1-3]。但是河流生態(tài)環(huán)境形勢(shì)還未得到明顯好轉(zhuǎn)，部分區(qū)域河流水環(huán)境狀況較差，水功能區(qū)水質(zhì)很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，水體凈化功能受到不同程度的影響，水質(zhì)污染狀況時(shí)有發(fā)生。河道擠占、河湖四亂現(xiàn)象還需要加大治理措施[4-5]。隨著近些年來大連地區(qū)城市用水資源量的不斷提高，水資源開發(fā)程度不斷加劇，且受到區(qū)域氣候和生態(tài)環(huán)境影響區(qū)域用水量呈逐步遞減的變化趨勢(shì)，大連地區(qū)的水資源供需很難得到有效平衡，開展大連市水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)對(duì)全市水環(huán)境系統(tǒng)的恢復(fù)具有重要意義[6-8]。近些年來，層次分析方法在許多區(qū)域水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用[9-15]，該方法成果對(duì)河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中權(quán)重設(shè)置過于主觀、水質(zhì)目標(biāo)相對(duì)較為單一以及不能考慮各水質(zhì)指標(biāo)影響因素的局限。但是傳統(tǒng)層次分析方法采用九標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)判定矩陣進(jìn)行設(shè)置，也存在主觀程度過高的問題，使得一些評(píng)價(jià)結(jié)果很難滿足一致性檢驗(yàn)的要求，若指標(biāo)判定矩陣不能通過一致性檢驗(yàn)，則需要對(duì)判定矩陣進(jìn)行重新構(gòu)建和計(jì)算，計(jì)算工作量較大。為有效避免此類局限，本文結(jié)合實(shí)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)濃度以及對(duì)應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建各評(píng)價(jià)指標(biāo)的判定矩陣，再將各評(píng)價(jià)因子濃度及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)濃度之間的差值的倒數(shù)作為標(biāo)識(shí)度構(gòu)建判定矩陣，從而對(duì)傳統(tǒng)層次分析方法進(jìn)行改進(jìn)，將改進(jìn)的層次分析方法用于大連地區(qū)大沙河流域的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，分析改進(jìn)前后評(píng)價(jià)效果，研究成果對(duì)于區(qū)域水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法具有參考意義。

1 改進(jìn)層次分析方法計(jì)算步驟

(1)首先確定區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量作為綜合評(píng)價(jià)的目標(biāo)層(A)，各水質(zhì)指標(biāo)作為準(zhǔn)則(Bi)，方案層(Ci)為各類水質(zhì)等級(jí)，建立模型評(píng)價(jià)的層次結(jié)構(gòu)。

(2)計(jì)算評(píng)定均值各指標(biāo)的特征值。對(duì)不同指標(biāo)之間和要素之間的映射關(guān)系進(jìn)行分析，可以基于該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同類別指標(biāo)進(jìn)行判定矩陣的構(gòu)建。假定不同指標(biāo)間的判定矩陣為(aij)n×n>0，構(gòu)建的判定矩陣特征值采用近似方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算主要方法為：

計(jì)算矩陣各行各元素乘積：

(1)

對(duì)特征方根進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(3)

對(duì)兩兩指標(biāo)判定矩陣特征最大值λmax進(jìn)行計(jì)算：

(4)

(3)對(duì)各指標(biāo)判定均值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)特征值進(jìn)行計(jì)算：

(5)

當(dāng)計(jì)算指標(biāo)低于2個(gè)時(shí)，判定矩陣具有一致性；當(dāng)計(jì)算指標(biāo)高于2個(gè)時(shí)，矩陣存在一定的隨機(jī)程度。當(dāng)指標(biāo)通過一致性檢驗(yàn)時(shí)，兩兩指標(biāo)判定矩陣一致程度越低該值越大。當(dāng)CR值低于0.10時(shí)，矩陣不能通過一致性檢驗(yàn)，需要對(duì)模型按照隨機(jī)一致性指標(biāo)RI(見表1)進(jìn)行修正。

表1 判定矩陣一致性修正指標(biāo)值

(4)評(píng)價(jià)排序。計(jì)算層級(jí)相比于上一個(gè)層次的權(quán)重相對(duì)值即為指標(biāo)評(píng)價(jià)排序。在評(píng)價(jià)過程中從高到低逐步進(jìn)行計(jì)算排序。各指標(biāo)在目標(biāo)層的排序分別為為a1，a2，…，am，則按照表2中排序方法對(duì)準(zhǔn)則層各指標(biāo)要素進(jìn)行權(quán)重值的排序計(jì)算。在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中，不同水質(zhì)等級(jí)下對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)相比于整體流域水質(zhì)狀況進(jìn)行排序，采用一致性檢驗(yàn)方法對(duì)最終排序結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

表2 不同準(zhǔn)則層水質(zhì)指標(biāo)排序方式

2 研究實(shí)例

2.1 區(qū)域概況

以大連市大沙河為例，將層次分析法應(yīng)用于大沙河流域地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。大沙河為大連地區(qū)主要入境河流之一，大沙河主要分布5個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 大沙河流域5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地理位置信息

研究流域內(nèi)3個(gè)功能區(qū)主要情況見表3。

表3 大連市大沙河流域水功能區(qū)基本情況

選擇各水功能區(qū)監(jiān)測(cè)斷面常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)、富營(yíng)養(yǎng)化以及氟化物指標(biāo)作為評(píng)價(jià)水質(zhì)指標(biāo)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)枯水期水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度見表4。

表4 大連市大沙河流域各控制斷面枯水期水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：mg/L

2.2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

模型評(píng)價(jià)的目標(biāo)層次(A)為水環(huán)境質(zhì)量，常規(guī)監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)作為模型評(píng)價(jià)指標(biāo)的準(zhǔn)則層(Bi)，方案層(Ci)為不同水質(zhì)等級(jí)。按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層結(jié)合改進(jìn)的層次分析方法建立大沙河流域水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型。本文將麥家鐵路水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為計(jì)算示例，將GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》水環(huán)境質(zhì)量作為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，對(duì)斷面各污染指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合斷面各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度進(jìn)行兩兩對(duì)比得到模型判定矩陣的各指數(shù)，從而確定模型評(píng)價(jià)各指標(biāo)層的判定矩陣，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 判斷矩陣指標(biāo)重要度計(jì)算結(jié)果

當(dāng)判定均值的特征根高于2次時(shí)，則一致性檢驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算方法為CR=CI/RI。當(dāng)一致性檢驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算值低于0.10時(shí)，則計(jì)算得到的各水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)兩兩對(duì)比的判定矩陣通過一致性檢驗(yàn)，若一致性檢驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算值高于0.10時(shí)，則需要修正判定矩陣的對(duì)應(yīng)指標(biāo)值。通過檢驗(yàn)判定矩陣(A-B)的一致性程度后，對(duì)判定矩陣的特征最大值進(jìn)行計(jì)算，得到判定矩陣特征最大值進(jìn)行計(jì)算其檢驗(yàn)指標(biāo)CI值為0。通過表1可以對(duì)隨機(jī)一致性指標(biāo)的均值比例(RI)進(jìn)行查算，則麥家鐵路水質(zhì)評(píng)價(jià)判定均值的隨機(jī)一致性指標(biāo)均值的比例通過一致性檢驗(yàn)。

2.3 模型檢驗(yàn)

考慮到傳統(tǒng)層次分析方法在進(jìn)行判定矩陣計(jì)算量較大的局限，本文以各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)水功能區(qū)水環(huán)境目標(biāo)下的標(biāo)準(zhǔn)濃度與監(jiān)測(cè)濃度的差值的倒數(shù)作為判定矩陣的標(biāo)度進(jìn)行各指標(biāo)相對(duì)重要性對(duì)比矩陣，計(jì)算結(jié)果見表6。通過計(jì)算兩兩對(duì)比矩陣(B1-C)也可通過一致性檢驗(yàn)。

表6 高錳酸鹽指數(shù)兩兩對(duì)比矩陣相對(duì)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

按照上述計(jì)算步驟對(duì)其他檢測(cè)指標(biāo)的權(quán)重判定矩陣進(jìn)行計(jì)算，各指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同水質(zhì)等級(jí)下的權(quán)重值計(jì)算如下：

WB2-C=(0.072，0.072，0.093，0.211，0.552)T

WB3-C=(0.126，0.126，0.163，0.409，0.176)T

WB4-C=(0.162，0.175，0.193，0.214，0.256)T

WB5-C=(0.169，0.174，0.192，0.218，0.247)T

WB6-C=(0.235，0.235，0.235，0.143，0.152)T

通過計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重判定矩陣(Bi-C)的一致性檢驗(yàn)值CR<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

2.4 目標(biāo)層次排序分析

對(duì)麥家鐵路橋監(jiān)測(cè)斷面的各目標(biāo)層進(jìn)行排序計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表7。

從表7排序結(jié)果可看出，大沙河流域麥家鐵路監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅳ類(C4)的排序最高，因此該監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果未Ⅳ類。采用相同計(jì)算步驟對(duì)大沙河流域其他4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)層進(jìn)行排序分析，分析結(jié)果見表8。

表7 麥家鐵路橋監(jiān)測(cè)斷面水環(huán)境質(zhì)量層次總排序

表8 大沙河流域各水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水環(huán)境質(zhì)量層次總排序

從大沙河流域各水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水環(huán)境質(zhì)量層次總排序表中可看出，劉大水庫(kù)入口水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為Ⅰ類，劉大水庫(kù)和洼子店閘水質(zhì)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為Ⅱ類，而元臺(tái)大橋水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為Ⅴ類。

2.5 評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)的對(duì)比

將改進(jìn)的層次分析法的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際水質(zhì)相比較，結(jié)果見表9。

表9 改進(jìn)的層次分析法評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)的對(duì)比結(jié)果

從綜合評(píng)價(jià)和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可看出，采用改進(jìn)的層次分析方法大沙河流域麥家鐵路橋以及元臺(tái)大橋水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)際結(jié)果吻合度較高，元臺(tái)大橋總磷超標(biāo)7.3倍，其總磷計(jì)算相對(duì)權(quán)重也較高，而麥家鐵路橋氨氮超標(biāo)較大，超過標(biāo)準(zhǔn)限值的倍數(shù)為15.3倍，其計(jì)算相對(duì)權(quán)重在各指標(biāo)中也最高。綜合分析采用改進(jìn)的層次分析方法綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果較為客觀、合理。

2.6 不同方法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

用傳統(tǒng)單因子評(píng)價(jià)法對(duì)大沙河流域各斷面水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與改進(jìn)的層次分析法進(jìn)行比較，結(jié)果見表10。

從對(duì)比結(jié)果可看出，采用改進(jìn)方法的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果較為直觀地反映區(qū)域水質(zhì)的分類等級(jí)，該方法對(duì)相同層次下不同指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比，并考慮不同指標(biāo)之間的相對(duì)重要程度，對(duì)指標(biāo)間的相對(duì)程度進(jìn)行量化后，可綜合考慮不同指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度，對(duì)不同層次之間的指標(biāo)相對(duì)權(quán)重進(jìn)行兩兩對(duì)比。從表10可以得出，改進(jìn)的層次分析法評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)于單因子評(píng)價(jià)法，水質(zhì)類別等級(jí)有一些改變，其中與單因子法完全吻合的水質(zhì)斷面所占比例為20%；評(píng)價(jià)等級(jí)好于單因子評(píng)價(jià)方法1個(gè)等級(jí)的斷面比例為60%；有20%的斷面評(píng)價(jià)結(jié)果相差2個(gè)等級(jí)，主要集中在單因子評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅴ類水以上的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。

表10 不同方法水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

水體中各個(gè)污染物之間是存在一定的內(nèi)在聯(lián)系的，DO、氨氮、鉛按照GB3838—2002等級(jí)存在線性關(guān)聯(lián)，BOD5和石油類存在二次函數(shù)關(guān)聯(lián)，揮發(fā)酚和汞指標(biāo)存在逆函數(shù)關(guān)聯(lián)。而傳統(tǒng)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法不能考慮不同層次指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度，對(duì)權(quán)重進(jìn)行100%的賦值計(jì)算，而不能得出全部指標(biāo)對(duì)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度，不同指標(biāo)之間為獨(dú)立計(jì)算，不能對(duì)水質(zhì)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)單因子方法對(duì)水質(zhì)指標(biāo)要求標(biāo)準(zhǔn)較高，因此評(píng)價(jià)結(jié)果往往和實(shí)際情況有所不符，呈現(xiàn)出過高的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而一旦出現(xiàn)過低甚至負(fù)值評(píng)價(jià)結(jié)果，則對(duì)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)影響程度較高。比較2種評(píng)價(jià)方法之后發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的層次分析法獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確和客觀。

3 研究結(jié)論

(1)改進(jìn)方法可通過隨機(jī)一致性指標(biāo)RI對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正，使其滿足一致性要求，相比于傳統(tǒng)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法可顯著降低計(jì)算量。

(2)在采用改進(jìn)層次分析方法構(gòu)建水質(zhì)指標(biāo)判斷矩陣時(shí)，為綜合考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度建議根據(jù)其水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，按照水質(zhì)類別對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行單因子計(jì)算后，再對(duì)同一層次之間各指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比確定各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重

(3)判斷矩陣的階數(shù)對(duì)其評(píng)價(jià)效率影響程度較高，在后續(xù)研究中還應(yīng)該對(duì)其評(píng)價(jià)最優(yōu)階數(shù)進(jìn)行分許，從而提高改進(jìn)層次分析方法的計(jì)算效率。