耿　直，武中強(qiáng)，王佰梅，王小軍

華北農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系與評價(jià)方法

耿直1，武中強(qiáng)2，王佰梅3，王小軍4

（1.水利部水資源管理中心，北京100053；2.滄州市水利科學(xué)研究所，河北滄州061000；
3.海河流域水資源保護(hù)局，天津300170，4.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029）

華北農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境的安全問題正嚴(yán)重地危害著廣大農(nóng)村居民的身心健康，極大制約了農(nóng)民生活質(zhì)量的改善和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。針對目前國家對實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度工作的高度重視以及農(nóng)村地區(qū)在水環(huán)境安全評價(jià)方面的不足，進(jìn)行農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)體系以及評價(jià)方法的研究，對開展華北地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境保護(hù)、防治農(nóng)村水污染、保障農(nóng)村居民身心健康具有重要意義，同時(shí)還是分析和控制農(nóng)村各種污染、改善生態(tài)環(huán)境的必要手段。

農(nóng)村；水環(huán)境；評價(jià)指標(biāo)體系；評價(jià)方法；華北

1　概述

我國水環(huán)境評價(jià)起步于20世紀(jì)后半葉，主要以水質(zhì)評價(jià)為主要內(nèi)容。隨著水環(huán)境研究工作的深入開展，國內(nèi)專家學(xué)者開始探討一些水質(zhì)評價(jià)方法。1974年，我國提出了第一個(gè)綜合表示水質(zhì)污染情況的綜合污染指數(shù)法。進(jìn)入80年代后，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于水環(huán)境評價(jià)，復(fù)雜的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法得以實(shí)現(xiàn)。近年來，模糊數(shù)學(xué)、隨機(jī)模型、灰色系統(tǒng)和人工智能等理論方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于水環(huán)境評價(jià)研究較多。許多學(xué)者開始研究層次分析法、模糊綜合指數(shù)法、灰色聚類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、物元分析法等綜合評價(jià)方法，并進(jìn)行了大量水質(zhì)評價(jià)方法的科學(xué)合理性分析和比對論證。目前，水環(huán)境評價(jià)方法一般是結(jié)合特定區(qū)域進(jìn)行2種或數(shù)種水質(zhì)評價(jià)方法的比較研究，具有全面性、通用性借鑒意義的研究較為少見。

2　農(nóng)村水環(huán)境定義

曾暢云等（2004）將水環(huán)境安全定義為：水體保持足夠的水量、安全的水質(zhì)條件以維護(hù)其正常的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)功能，保障水中生物的有效生存，周圍環(huán)境處于良好狀態(tài)，使水環(huán)境系統(tǒng)功能可持續(xù)正常發(fā)揮，同時(shí)能較大限度地滿足人類生產(chǎn)和生活需要，使人類自身和人類群際關(guān)系處于不受威脅的狀態(tài)。此定義基本涵蓋了農(nóng)村水環(huán)境的全部組成因素，從水量、水質(zhì)、水安全、水資源條件和開發(fā)利用等方面給出了明確的定義，具有較好的代表性，也是本文所使用的農(nóng)村水環(huán)境安全的定義。

3　華北農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)華北農(nóng)村地區(qū)的水資源條件和特點(diǎn)，結(jié)合調(diào)研的實(shí)際情況，將華北地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)體系歸結(jié)為5個(gè)大的方面，它們分別反映了華北農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境的水質(zhì)安全狀況（包括點(diǎn)源污染防治和面源污染防治狀況）、水量安全狀況、生態(tài)環(huán)境安全狀況、社會(huì)安全狀況和與其息息相關(guān)的生產(chǎn)力水平，詳見表1。

3.1指標(biāo)體系檢驗(yàn)

（1）評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于評價(jià)指標(biāo)的量綱不同，需要先進(jìn)行無量綱化處理，以減少評價(jià)指標(biāo)不同量綱對分析結(jié)果的影響。標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式為：式中：Xi為樣本觀察值；為樣本均值；Sk為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

表1　華北農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)體系

（2）計(jì)算相似評價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)r。相關(guān)系數(shù)r計(jì)算公式為：

式中：Xi、Yi為指標(biāo)樣本觀察值；Xˉ、Yˉ為指標(biāo)樣本均值。

（3）選取臨界值M（0〈M〈l）。如r〉M，說明兩指標(biāo)緊密相關(guān)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況刪除次要指標(biāo)；如果r〈M，說明兩指標(biāo)間相關(guān)性較小，則2個(gè)指標(biāo)均保留。

在農(nóng)村水環(huán)境和水源地安全評價(jià)中，通常選0.9作為臨界值M。通過計(jì)算，農(nóng)村水環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系中所選指標(biāo)的相關(guān)性較小，不需要?jiǎng)h減。

3.2指標(biāo)權(quán)重確定

（1）構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣是表示本層所有因素針對上一層某個(gè)因素的相對重要性的比較。假設(shè)某一評價(jià)目標(biāo)v，其有n個(gè)影響要素（指標(biāo)）為｛A1，A2，…，An｝，aij表示Ai相對于Aj的重要程度判斷值。為使矩陣中各要素的重要性能夠進(jìn)行定量顯示，引進(jìn)了矩陣判斷標(biāo)度，見表2。

如，對于要比較的因子而言，認(rèn)為一樣重要就是1∶1，強(qiáng)烈重要就是9∶1，也可以取中間數(shù)值6∶1等等。若指標(biāo)Ai與指標(biāo)Aj的重要性之比為aij，那么指標(biāo)Aj與指標(biāo)Ai的重要性之比為aji=1/aij。對指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，即可得到判斷矩陣A。

表2　判斷矩陣標(biāo)度含義

（2）層次單排序。層次單排序的目的是對于上層次中的某元素而言，確定本層次與之有聯(lián)系的元素重要性的次序。它是本層次所有元素對上一層次而言的重要性排序的基礎(chǔ)。

首先，將A的每一列向量進(jìn)行歸一化處理，得到矩陣Q，其計(jì)算公式為：

其次，對矩陣Q按行求和得向量α，其計(jì)算公式為：

再次，對向量α進(jìn)行歸一化處理，得到權(quán)重向量W=（w1，w2，…，wn）T，其計(jì)算公式為：

式中：wi為Ai指標(biāo)的權(quán)重值。

最后，計(jì)算最大特征值，其計(jì)算公式為：

（3）一致性檢驗(yàn)。由于客觀事物的復(fù)雜性，會(huì)使人們的判斷帶有主觀性和片面性，因此判斷矩陣一般不可能滿足完全一致條件。為了檢驗(yàn)一致性如何，需要計(jì)算判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI。其計(jì)算公式為：

CI=0時(shí)，判斷矩陣具有完全一致性；反之，CI越大，判斷矩陣的一致性越差。為了檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有令人滿意的一致性，則需要將CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較。一般而言，1或2階判斷矩陣總是具有完全一致性的。對于2階以上的判斷矩陣，其一致性指標(biāo)CI與同階的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比，稱為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比例，記為CR。其計(jì)算公式為：

當(dāng)CR〈0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要重新調(diào)整矩陣，直到CR〈0.10為止。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值可查表3得到。

表3　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

經(jīng)過比較各種權(quán)重計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，結(jié)合農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全狀況的特性，采用層次分析法對華北農(nóng)村水環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。

4　評價(jià)方法

通過篩選比較，選用層次分析法對華北地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境進(jìn)行評價(jià)。層次分析法具體步驟包括兩個(gè)大的方面，即指標(biāo)數(shù)據(jù)處理和賦權(quán)。在選取評價(jià)指標(biāo)后，進(jìn)行原始數(shù)據(jù)整理。將評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值與指標(biāo)值做對比，并進(jìn)行子安全度計(jì)算，然后對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分層次逐級賦權(quán)，最后將各指標(biāo)參數(shù)的子安全度值和相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算，得到各級評價(jià)指數(shù)。如此逐層進(jìn)行，最終得到綜合評價(jià)指數(shù)E。然后將綜合評價(jià)指數(shù)E按一定標(biāo)準(zhǔn)劃分為幾個(gè)等級。

水環(huán)境安全狀態(tài)分級可以分為3、4或5個(gè)級別?？紤]到分級太少則安全狀態(tài)分級過于籠統(tǒng)，而分級太多又顯得復(fù)雜、繁瑣，因此將華北農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全狀態(tài)分為4級。分級標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

表4　農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)

4.1準(zhǔn)則層指標(biāo)數(shù)值計(jì)算

準(zhǔn)則層指標(biāo)數(shù)值是根據(jù)其所包含的指標(biāo)層指標(biāo)數(shù)值及其相應(yīng)權(quán)重的乘積加權(quán)計(jì)算而得。準(zhǔn)則層安全度的計(jì)算采用模型為：

式中：EB為準(zhǔn)則層安全度；W（Ci）為指標(biāo)層第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；E（Ci）為指標(biāo)層第i個(gè)指標(biāo)的子安全度值；m為指標(biāo)數(shù)目。

4.2準(zhǔn)則層安全度計(jì)算

準(zhǔn)則層安全度是采用各準(zhǔn)則層元素安全度值與相應(yīng)權(quán)重相乘后進(jìn)行加權(quán)計(jì)算而得的。其模型公式如下：

式中：EA為農(nóng)村水環(huán)境安全度；W（Bi）為準(zhǔn)則層第i個(gè)元素的權(quán)重；E（Bi）為準(zhǔn)則層第i個(gè)元素的安全度值；n為準(zhǔn)則層個(gè)數(shù)。

4.3評價(jià)指標(biāo)子安全度計(jì)算

采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算各指標(biāo)子安全度及目標(biāo)安全度。根據(jù)實(shí)際情況定義子安全度介于0～1，即不管是越大越好的指標(biāo)還是越小越好的指標(biāo)，其所對應(yīng)的子安全度均在0～1，且為單調(diào)函數(shù)。每個(gè)指標(biāo)都存在1個(gè)最差值和1個(gè)最優(yōu)值。取最差值或比最差值小的指標(biāo)對應(yīng)的子安全度為0，取最優(yōu)值或比最優(yōu)值高的指標(biāo)對應(yīng)的子安全度為1。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況確定各指標(biāo)對準(zhǔn)則層安全度的貢獻(xiàn)大小，即各指標(biāo)分別占有不同的權(quán)重。符合要求的數(shù)學(xué)模型函數(shù)有對數(shù)函數(shù)、指數(shù)小于1的冪函數(shù)等。根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)選取對數(shù)函數(shù)作為指標(biāo)無量綱化的函數(shù)模型，其計(jì)算模型公式為：

式中：a和b為擬合系數(shù)。

根據(jù)式（6）和實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算出華北農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，見表5。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化公式及表5標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算出華北農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)的子安全度計(jì)算函數(shù)，見表6。

5　結(jié)論

經(jīng)過對已有評價(jià)方法的比較研究，采用層次分析法定權(quán)的綜合指數(shù)法來對華北地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境進(jìn)行評價(jià)研究是適合的。通過該方法對河北省農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行了區(qū)域性的水環(huán)境安全評價(jià)，結(jié)果表明，水環(huán)境評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，指標(biāo)體系可以較全面地反映華北地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境的現(xiàn)實(shí)狀況。在對各影響水環(huán)境因素的分析研究中，層次分析法的賦權(quán)和計(jì)算均合理可行，證明該評價(jià)方法適用于華北地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境的安全評價(jià)工作，可以作為一種實(shí)用的評價(jià)方法在該地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用。同時(shí)，該方法的應(yīng)用也可為華北地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境的改善提供技術(shù)支持。

表6　華北農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)子安全度計(jì)算函數(shù)

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X821

A

1004-7328（2016）04-0014-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.004

2016—04—02

耿直（1983—），男，工程師，主要從事水資源管理與保護(hù)工作。