基于改進的水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的碧流河水庫水質(zhì)評價

林洪娟,馬興濤,孫文娟,趙偉麗

基于改進的水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的碧流河水庫水質(zhì)評價

林洪娟1,馬興濤2,孫文娟1,趙偉麗1

1. 沈陽理工大學(xué)理學(xué)院, 遼寧 沈陽 110159 2. 遼寧省沈陽水文局, 遼寧 沈陽 110005

本文將層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法用于碧流河水庫的水質(zhì)評價，并將改進前后的評價結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明：利用等權(quán)重的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價碧流河水庫大堡和鐘嶺兩個斷面水質(zhì)達(dá)到國家地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，桂云花水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。而用組合賦權(quán)的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價三個斷面的水質(zhì)均為Ⅲ類。改進權(quán)重的評價過程考慮了總氮嚴(yán)重超標(biāo)的因素，比改進之前更加客觀合理。評價結(jié)果為該水庫管理水環(huán)境和治理水污染提供參照。

碧流河水庫; 水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法; 水質(zhì)評價

碧流河水庫位于營口和大連交界地，主要功能是城市供水，兼灌溉、發(fā)電、抗洪等。水庫上游流域面積大、農(nóng)耕面廣、人口分散，近年來隨著城市化進程的加快，越來越多的工農(nóng)業(yè)污染物和城鄉(xiāng)生活垃圾直接流入上游河道或水庫，水中污染物不斷積累，可能對水庫產(chǎn)生較大程度污染。因此，利用合理的評價方法分析碧流河水庫水質(zhì)對水庫的水污染防治具有重要意義。

目前我國對于江河水質(zhì)評價用的較多的方法包括：模糊數(shù)學(xué)評價法、灰色系統(tǒng)原理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[1-8]。每一種方法都有各自的優(yōu)勢，但也都有不足之處。單因子評價法的判定依據(jù)是最差的指標(biāo)屬于哪一類水，顯然不合理。模糊數(shù)學(xué)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法對綜合水質(zhì)Ⅰ至Ⅴ類的分析都具有科學(xué)合理性，但對于綜合水質(zhì)為劣Ⅴ類的情況分析結(jié)果偏保護。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法既能定性，也能定量，且不會由于個別水質(zhì)指標(biāo)好壞就做出片面地分析，尤其當(dāng)綜合水質(zhì)為劣Ⅴ類時，更具合理性，但該方法采用等權(quán)重計算，會導(dǎo)致評價結(jié)果不夠全面。

本研究修正了傳統(tǒng)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法存在的不足，采用主客觀組合賦權(quán)的方式評價了碧流河水庫水質(zhì)，評價結(jié)果說明了賦權(quán)后的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法更具有效性，對維護與管理碧流河水庫提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 賦權(quán)方法

1.1.1 層次分析法層次分析法(AHP)根據(jù)問題不同組成因素之間的相互影響和隸屬關(guān)系分層聚類組合，建立完善的遞階層次結(jié)構(gòu)[9]。該方法的步驟如下：

（1）構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型根據(jù)研究對象確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。

（2）構(gòu)造判斷矩陣從準(zhǔn)則層開始，將同一層中的元素相對于上一層元素的重要性兩兩比較，得到準(zhǔn)則層和指標(biāo)層判斷矩陣。

（3）求特征值和特征向量計算判斷矩陣各行元素的乘積。

計算的次方根：

則=[1,2,…,W]即為所求的特征向量。

計算判斷矩陣的最大特征根：

其中()表示向量的第個元素。

（4）判斷矩陣的一致性檢驗判斷矩陣的一致性指標(biāo)為：

隨機一致性比率為：

式中，表示判斷矩陣的階數(shù)，為平均一致性指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 平均一致性指標(biāo)

建立的判斷矩陣當(dāng)<0.1時符合一致性要求，否則需重新建立判斷矩陣，使得<0.1。

（5）層次總排序?qū)哟慰偱判蚣粗笜?biāo)層相對于目標(biāo)層元素的重要性排序。

1.1.2 熵權(quán)法熵權(quán)法是在綜合考量各指標(biāo)所提供信息的基礎(chǔ)上反映信息的無序化程度[10]。指標(biāo)的信息熵越小，它的離散程度越大，該指標(biāo)的權(quán)重就越大。該方法步驟如下：

（1）建立原始矩陣。

=(r)×n(7)

其中，r為第個評價區(qū)域第個評價指標(biāo)（=1,2,…,;=1,2,…,)。

（2）矩陣標(biāo)準(zhǔn)化。

其中，max為相同指標(biāo)下的最大值。

（3）計算信息熵。

（4）計算評價指標(biāo)的熵權(quán)。

1.1.3 組合賦權(quán)層次分析法為指標(biāo)之間兩兩比較，無法考量各指標(biāo)的關(guān)系，于是導(dǎo)致最大污染指標(biāo)權(quán)重頗高，可以用熵權(quán)法的均衡性來削減最大指標(biāo)的權(quán)重分配。這種組合賦權(quán)的方式能夠使權(quán)重分配更科學(xué),評價結(jié)果更可靠。

設(shè)熵權(quán)法計算的權(quán)重為ω，層次分析法計算的權(quán)重為ω，組合權(quán)重為ω，用ω和ω線性表示ω，計算公式為：

ω=ɑω+(1-)ω(11)

其中為熵權(quán)法確定的權(quán)重在組合賦權(quán)中所占的比例，為了減少主觀因素的影響，選用差異系數(shù)法[11]進行賦值，計算公式為：

式中：ω1，ω2，ω表示層次分析法算得的由小到大重新排序的權(quán)重值，是評價因子個數(shù)。

1.2 水質(zhì)評價方法

1.2.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)P[12]表示為：

P=1?23(13)

式中：整數(shù)部分1為第個指標(biāo)所在的水質(zhì)類別，可由指標(biāo)測量值與國家標(biāo)準(zhǔn)對比得到，1=表示該指標(biāo)符合類水標(biāo)準(zhǔn)；2表示測量數(shù)據(jù)處在1類水質(zhì)變動范圍的方位，分非溶解氧（濃度越小越好）和溶解氧（濃度越大越好）兩類取值。

非溶解氧指標(biāo)的表達(dá)式為：

式中：C為第項指標(biāo)所測值；C和C分別為第項指標(biāo)處在第（=1）類水濃度范圍的最低值和最高值。計算結(jié)果四舍五入取一位整數(shù)。

溶解氧指標(biāo)的表達(dá)式為：

式中為溶解氧所測值。

對于劣Ⅴ類水，非溶解氧指標(biāo)的表達(dá)式為：

式中C為第個水質(zhì)指標(biāo)Ⅴ類水濃度范圍的最大值。

溶解氧指標(biāo)，有：

式中C為第個水質(zhì)指標(biāo)Ⅴ類水濃度范圍的最小值。

3由所選水域目標(biāo)類別與水質(zhì)計算類別對比得到，取1到2位有效數(shù)字。如果目標(biāo)類別比計算類別差，此時3=0；如果目標(biāo)類別比計算類別好，同時2≠0，有3=1-，若2=0，有3=1--1，其中為功能區(qū)目標(biāo)類別。碧流河水庫功能區(qū)目標(biāo)類別為Ⅱ類水，因此這里=2。如果是劣Ⅴ類水，功能區(qū)目標(biāo)類別與計算類別相差可能超過10，那么3是兩位有效數(shù)字。

1.2.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)[13]表示為：

=1.234(18)

其中1.2的表達(dá)式為：

3為計算類別比目標(biāo)類別差的指標(biāo)個數(shù)。4由目標(biāo)類別與綜合水質(zhì)計算類別對比得到。如果目標(biāo)類別比計算類別差，此時4=0；如果目標(biāo)類別比計算類別好，且2≠0，有4=1-，若2=0，有4=1--1。如果綜合水質(zhì)是劣Ⅴ類，可能4>10，那么4是2位有效數(shù)字。

1.2.3 改進的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)將綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)中1.2的計算由式(19)中等權(quán)重改為組合賦權(quán)得到：

其中ω為由熵權(quán)法與層次分析法計算的參評指標(biāo)的組合權(quán)重。

2 碧流河水庫水質(zhì)狀況分析

2.1 數(shù)據(jù)來源與評價標(biāo)準(zhǔn)

選擇碧流河水庫桂云花（蛤蜊河入庫口）、鐘嶺（八家河入庫口）和大堡（碧流河入庫口）3個典型監(jiān)測斷面，監(jiān)測指標(biāo)包括高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、溶解氧（DO）、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、五日生化需氧量(BOD5)、總氮(TN)。評價標(biāo)準(zhǔn)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[14]，如表2所示。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)/(mg/L)

2.2 權(quán)重計算

本次水質(zhì)評價用層次分析法所建立的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖 1 碧流河水庫水質(zhì)評價層次結(jié)構(gòu)模型

表3 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

按公式(1)-(4)得到矩陣的最大特征值max=3.099，對應(yīng)于max的特征向量為=[0.455,0.455,0.100]。

按公式(5)和(6)對A-B層判斷矩陣B進行一致性檢驗，得到=0.085<0.1，滿足一致性要求。

對碧流河水庫大堡、桂云花和鐘嶺3個斷面的六種評價指標(biāo)用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法逐一進行單因子評價，計算結(jié)果列于表4。

表4 3個斷面各評價指標(biāo)的單因子污染指數(shù)

以各評價指標(biāo)的單因子指數(shù)作為評價標(biāo)度，兩兩比值得到B-C層判斷矩陣。分別算出B1-C、B2-C和B3-C判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量，并驗證其滿足一致性檢驗。方法與A-B層判斷矩陣類似。層次分析法的層次總排序即各評價因子的主觀權(quán)重見表5。

表5 3個斷面各評價因子的主觀權(quán)重

按式(7)-(10)確定各評價因子的客觀權(quán)重。再根據(jù)式(11)和(12)得到各評價因子的組合權(quán)重（表6）。

表6 組合權(quán)重的計算結(jié)果

2.3 評價結(jié)果與分析

由式(14)-(16)可以得到三個斷面由單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價所得結(jié)果（表7）。

表7 3個斷面各評價指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

將計算所得的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)分別帶入式(19)和(20)，可得到3個斷面賦權(quán)前后的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)（表8）。

表8 賦權(quán)前后3個斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

通過表8所得的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)中的1.2，參照表9，可確定各斷面綜合水質(zhì)類別。

表9 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法判定綜合水質(zhì)的分類根據(jù)

賦權(quán)前后的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果對照見表10。結(jié)果顯示，利用等權(quán)重的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價碧流河水庫大堡和鐘嶺兩個斷面水質(zhì)符合國家地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn),桂云花水質(zhì)符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。而用組合賦權(quán)的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價三個斷面的水質(zhì)均為Ⅲ類。

表10 賦權(quán)前后的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法水質(zhì)評價結(jié)果比較

3 結(jié)論

利用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價了碧流河水庫水質(zhì)。單項指標(biāo)的判定結(jié)果顯示，氮和磷是主要污染物，總氮指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，水庫有富營養(yǎng)化趨勢。從綜合指標(biāo)的判定結(jié)果可知，賦權(quán)后的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價碧流河水庫三個斷面水質(zhì)均為Ⅲ類，沒有達(dá)到該區(qū)域水質(zhì)要求。而等權(quán)重的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法忽視了總氮超標(biāo)嚴(yán)重的情況，評價結(jié)果比較樂觀，只有桂云花斷面沒有達(dá)到功能區(qū)劃要求。當(dāng)評價因子的權(quán)重值有較大差別時，該方法評價結(jié)果不夠合理。改進后的評價方法比傳統(tǒng)方法更加真實客觀，更符合研究區(qū)域的實際水質(zhì)情況。

針對總氮嚴(yán)重超標(biāo)問題，今后應(yīng)該保持碧流河水庫和周邊各地的生態(tài)環(huán)境，加強流域的綜合治理，以確保水庫的水質(zhì)安全。治理方案主要有整治、淘汰落后企業(yè)，提高工業(yè)企業(yè)污染治理力度；同時削減源頭污染，加強生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，包括農(nóng)村生活污水和生活垃圾處理，養(yǎng)殖業(yè)污染防治等。

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Water Quality Assessment on Biliuhe Reservoir Based on the Improved Water Quality Identification Index Method

LIN Hong-juan1, MA Xing-tao2, SUN Wen-juan1, ZHAO Wei-li1

1.110159,2.110005,

In this paper, The synthetical water quality identification index method of combination weight by analytic hierarchy process and entropy weight method was used in the water quality assessment of Biliuhe Reservoir, and the assessment results before and after empowerment were compared. The results show that the water quality of the sections of Dabao and Zhongling reaches the national class III standard of surface water and the water quality of Guiyunhua reaches class II standard using the synthetical water quality identification index method of a same weight. However, the water quality of the three sections is class III using the method of empowerment. Because the factor of total nitrogen seriously exceeding the standard is considered, the improved assessment method is more objective and reasonable than the traditional one, and the assessment results can be taken as references for water environment management and water pollution control of the reservoir.

Biliuhe River Reservoir; water quality identification index method; water quality assessment

X824

A

1000-2324(2021)06-0990-06

2021-04-16

2021-05-20

遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費項目(LG202025)

林洪娟(1980-),女,碩士研究生,講師,研究方向:應(yīng)用數(shù)學(xué). E-mail:95334891@qq.com