王未英

（忻州市水文水資源勘測(cè)分局　山西　忻州　034000）

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滹沱河流域水質(zhì)的評(píng)價(jià)體系研究

王未英

（忻州市水文水資源勘測(cè)分局山西忻州034000）

摘要滹沱河流域面積廣，供水范圍大，但水質(zhì)情況復(fù)雜，為此建立滹沱河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)體系對(duì)于水質(zhì)檢測(cè)、水質(zhì)改善、流域水環(huán)境治理等具有十分重要的意義，本文主要針對(duì)該流域18個(gè)檢測(cè)點(diǎn)豐水期、平水期、枯水期分別進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)用層次分析法，建立滹沱河流域水質(zhì)的評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用matlab軟件結(jié)合矩陣運(yùn)算求解，以治河為例進(jìn)行具體分析，并對(duì)全流域各大檢測(cè)點(diǎn)分別計(jì)算，給出滹沱河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，并說(shuō)明滹沱河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)體系與評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用前景與效果。

關(guān)鍵詞層次分析；綜合評(píng)價(jià)；滹沱河流域；數(shù)學(xué)模型；水質(zhì)

1　研究意義

滹沱河流域面積達(dá)2.73km2，其流域內(nèi)的主要支流包括治河、同河、陽(yáng)武河、太平河、清水河、云中河、牧馬河、南坪河等，滹沱河全長(zhǎng)587km，其中穿越的山丘、峽谷眾多，水流摻雜的碎石于該流域西南部沉淀。其所攜帶的泥沙主要源于黃河上游，在其流域內(nèi)部自上游逐漸沉淀，最終進(jìn)入其他流域。

滹沱河流域面積較大，流域內(nèi)有34個(gè)市，包擴(kuò)石家莊、陽(yáng)泉等大中城市，同時(shí)其水質(zhì)情況較為復(fù)雜，流域內(nèi)植被相對(duì)較少，水土保持情況較差，該河流對(duì)于該流域的整體用水質(zhì)量影響巨大，建立滹沱河流域水質(zhì)的評(píng)價(jià)體系對(duì)于水質(zhì)檢測(cè)、水質(zhì)改善、流域水環(huán)境整治等具有十分重要的意義[6,7]。

2　層次分析模型建立

由于滹沱河流域水質(zhì)情況復(fù)雜，本文選用層次分析法，對(duì)該流域的整體水質(zhì)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)于滹沱河流域水質(zhì)情況的檢測(cè)過(guò)程，經(jīng)歷該流域的豐水期、平水期、枯水期的全部階段，以得到準(zhǔn)確系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)避免水質(zhì)在水量變化情況下，自調(diào)節(jié)功能不同的影響，以使檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠[1]；同時(shí)本次檢測(cè)取樣站包含各大支流上、下游的16個(gè)檢測(cè)站，通過(guò)對(duì)每個(gè)檢測(cè)站多點(diǎn)隨機(jī)取樣測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要支流整體情況進(jìn)行宏觀檢測(cè)。并運(yùn)用層次分析法來(lái)確定測(cè)量樣本中各水質(zhì)指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中的權(quán)重[2]。

2.1構(gòu)造各地區(qū)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的的階梯層次結(jié)構(gòu)

構(gòu)造滹沱河流域水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的基本檢測(cè)指標(biāo)主要有：pH、DO、CODMn、NH3- N，評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是以兩年時(shí)間中不同時(shí)期的均值和年均值為依據(jù)[3]。構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)的目標(biāo)層、準(zhǔn)層等結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.2建立目標(biāo)層判斷矩陣

首先，在建立目標(biāo)層判斷矩陣之前，需要確定參數(shù)優(yōu)先級(jí)，即比較參數(shù)之間的重要性，對(duì)于目標(biāo)層，水質(zhì)指標(biāo)的年均值是最重要的，同時(shí)年均值比年內(nèi)各個(gè)時(shí)期的均值優(yōu)先級(jí)要高，而在其他各個(gè)時(shí)期當(dāng)中（如：豐水期，平水期，枯水期）選擇流量最大的時(shí)期為較高優(yōu)先級(jí)，本例中為豐水期，依據(jù)此方式我們將制定出目標(biāo)層判斷矩陣A：

圖1　滹沱河流域綜合評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)圖

表1　治河觀測(cè)站觀測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.3準(zhǔn)則層判斷矩陣

準(zhǔn)則層判斷矩陣中的參數(shù)βij計(jì)算方法如下：

首先將目標(biāo)層判斷矩陣中參數(shù)A1、A2、A3、A4中各指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果用如下公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

其次令:

再次計(jì)算:

設(shè):

對(duì)于任意的βz與βt相比，其判斷矩陣元素βzt由以下確定:

表2　各指標(biāo)觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)化值

最后，由以上各式可得準(zhǔn)則層的判斷矩陣，運(yùn)用矩陣運(yùn)算結(jié)合matlab數(shù)據(jù)工具箱求出目標(biāo)層判斷矩陣A。

2.4特征值計(jì)算

為確保結(jié)果準(zhǔn)確可靠，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，因此需據(jù)下式計(jì)算B(1)、B(2)、B(3)的最大特征值λmax：

得出B(1)、B(2)、B(3)的最大特征值λmax，再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：求得一致性指標(biāo)CI與一致性比例系數(shù)CR：

（注：只有當(dāng)CR小于0.1時(shí)，才能認(rèn)為該矩陣的一致性較好。）

2.5水環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算

水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)PI為本綜合評(píng)價(jià)體系的最終參考指標(biāo)之一[4]，其計(jì)算公式如下所示：

其中，疊加系數(shù)n主要依據(jù)參考指標(biāo)個(gè)數(shù)確定，本例中為固定值“4”，歸一化特征向量VA（n）、VB(n）通過(guò)方根計(jì)算法得，在此不做過(guò)多贅述。

3　綜合評(píng)價(jià)模型求解——以滹沱河流域?yàn)槔?/h2>

以治河觀測(cè)站為例，通過(guò)對(duì)其16個(gè)觀測(cè)站兩年時(shí)間的觀測(cè)值進(jìn)行分層計(jì)算，求該觀測(cè)站的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。根據(jù)觀測(cè)站測(cè)量的24個(gè)月的觀測(cè)值，統(tǒng)計(jì)得到下面的平均值表：

標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算得相應(yīng)于上表中各指標(biāo)觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)化值如表2：

計(jì)算準(zhǔn)則層的判斷矩陣分別為：

用方根法計(jì)算出判斷矩陣A,B (1),B(2),B (3)的歸一化特征向量:

以上代表的是目標(biāo)層判斷矩陣分別在豐水期、平水期、枯水期、以及年均指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)體系中的權(quán)重，即VA、V（B1）、V（B2）、V（B3）、V（B4）分別指酸堿性PH、溶解氧含量DO、CODMn、NH3- N在全年、豐水期、平水期、枯水期下的指標(biāo)權(quán)重值[5]。

計(jì)算判斷矩陣的最大特征值結(jié)果如下：

并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)得：

一致性指標(biāo):

一致性比例：

其中R.I.為平均一致性指標(biāo)，查表R.I. =0.9，計(jì)算得：

當(dāng)C.R.＜0.1時(shí)判斷矩陣具有好的一致性，故一致性檢驗(yàn)滿足要求。

最后進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算得：

根據(jù)國(guó)家環(huán)?？偩謽?biāo)準(zhǔn)處推薦的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為參考依據(jù)，見(jiàn)下表：

表3　水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)上述計(jì)算，我們可以得出陽(yáng)武河上游、云中河上游、牧馬河上游、同河上游、清水河上游、南坪河上游、冶河上游、太平河上游、陽(yáng)武河下游、云中河下游、牧馬河下游、同河下游、清水河下游、南坪河下游、冶河下游、太平河下游各檢測(cè)站的28組檢測(cè)數(shù)據(jù)所計(jì)算的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值，并通過(guò)與上表比對(duì)，確定該流域總體水質(zhì)情況，以及各河流在這個(gè)長(zhǎng)時(shí)間序列下的水質(zhì)變化情況。其評(píng)價(jià)指標(biāo)PI計(jì)算結(jié)果如下：

由上表計(jì)算得最終滹沱河流域各地區(qū)水質(zhì)情況綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

其中權(quán)值ωκ是通過(guò)加權(quán)平均法計(jì)算得出整個(gè)流域各支流對(duì)該流域整體水質(zhì)情況的影響權(quán)重值，本文采用超標(biāo)指數(shù)法或指數(shù)賦權(quán)法，即根據(jù)各地區(qū)水質(zhì)的質(zhì)量分級(jí)指數(shù)Cok來(lái)確定權(quán)重。其公式為：

式中PIi為各地區(qū)水庫(kù)分級(jí)指數(shù)，Coi為PIi對(duì)應(yīng)分級(jí)指數(shù)的最大允許值。將上表中所得到的PIi值代入Ii式算得水質(zhì)總體PI結(jié)果為：

表4　滹沱河流域近兩年來(lái)16個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值

表5　滹沱河流域各地區(qū)的水質(zhì)情況的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

故可以認(rèn)為滹沱河流域近兩年來(lái)的水質(zhì)情況為Ⅲ類(lèi)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文采用的分析數(shù)據(jù)，由一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間序列下檢測(cè)得到，這樣一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間序列，將經(jīng)歷該流域的豐水期、平水期、枯水期的全部階段，可以得到準(zhǔn)確、系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)避免水質(zhì)在水量變化情況下自調(diào)節(jié)能力不同的影響，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠；同時(shí)本次檢測(cè)站包含各大支流上、下游，對(duì)主要支流整體情況進(jìn)行宏觀檢測(cè)，既能有效的降低檢測(cè)效率與成本，又能客觀的反應(yīng)滹沱河流域水質(zhì)的整體情況。由兩年內(nèi)各時(shí)段計(jì)算結(jié)果可知，滹沱河流域各支流在不同時(shí)間段（豐水期、平水期、枯水期）水質(zhì)情況變化較大，可知本文采用的長(zhǎng)時(shí)間序列檢測(cè)十分必要。由各流域水質(zhì)總檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果可知，滹沱河流域整體水質(zhì)情況為Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，即水質(zhì)情況一般，其中由滹沱河流域上游到下游水質(zhì)逐漸變差，但變化十分緩慢，只有南平河下游輕度污染，其他地區(qū)均滿足Ⅲ類(lèi)水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該水質(zhì)評(píng)價(jià)體系很好地反映了滹沱河流域在時(shí)間和空間上的水質(zhì)變化情況，利于有針對(duì)性地對(duì)滹沱河流域進(jìn)行治理，對(duì)于改善水質(zhì)、治理流域水環(huán)境等具有十分重要的意義。同時(shí)該評(píng)價(jià)方法具有普遍適用性，對(duì)于我國(guó)各大流域的水質(zhì)評(píng)價(jià)均具有較高的借鑒意義。

對(duì)該流域，其水質(zhì)整體情況為三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，但個(gè)別支流存在輕度污染，從時(shí)間角度來(lái)看，該流域的整體水質(zhì)情況處于逐漸惡化趨勢(shì)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)管力度，嚴(yán)厲打擊排污、排廢等非法行為；加大生態(tài)水利、生態(tài)河道的宣傳理念，積極開(kāi)發(fā)生態(tài)混凝土等新型材料，引用生態(tài)護(hù)坡、適應(yīng)性河床等新技術(shù)；提高宣傳教育力度，樹(shù)立積極健康的環(huán)境友好型河流建設(shè)理念。同時(shí)，也應(yīng)實(shí)時(shí)進(jìn)行水質(zhì)選點(diǎn)檢測(cè)，周期性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，按需進(jìn)行宏觀調(diào)控，最大限度提高水質(zhì)，保護(hù)水環(huán)境。陜西水利

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（責(zé)任編輯：闕嘉雯）

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