黃鸞玉

(廣西漁業(yè)病害防治環(huán)境監(jiān)測和質(zhì)量檢驗中心，南寧 530021)

·環(huán)境評價·

權(quán)重對梧州種質(zhì)資源保護區(qū)水質(zhì)評價的影響

黃鸞玉

(廣西漁業(yè)病害防治環(huán)境監(jiān)測和質(zhì)量檢驗中心，南寧 530021)

計算權(quán)重是水質(zhì)評價中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同權(quán)重算法將導(dǎo)致評價結(jié)果有較大差異。研究基于超標(biāo)法、熵權(quán)法以及主成分分析這3種權(quán)重算法，對梧州種質(zhì)資源保護區(qū)水質(zhì)進行模糊綜合評價。結(jié)果表明：基于超標(biāo)法的模糊綜合評價對單因子超標(biāo)比較敏感；基于熵權(quán)法和主成分分析法的模糊綜合評價全面考慮了各因子對評價結(jié)果的影響，二者評價結(jié)果一致，且水質(zhì)類別滿足種質(zhì)資源保護區(qū)用水要求，較超標(biāo)法好。主成分分析法可直接借助SPSS統(tǒng)計分析軟件，操作更簡單、實用性更強，能更好更高效的服務(wù)于保護區(qū)水質(zhì)管理工作。

水質(zhì)評價；模糊綜合評價；權(quán)重；熵權(quán)法；主成分分析法

模糊綜合評價是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法[1]，以模糊數(shù)集來代表評價結(jié)果，不嚴格劃分等級，不作絕對的肯定或否定，被廣泛運用于生產(chǎn)實踐中[2～5]。水環(huán)境質(zhì)量受眾多因素影響，各污染物標(biāo)準(zhǔn)限值的確定、水質(zhì)級別的劃分均具有一定的模糊性。許多學(xué)者研究模糊綜合評價法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[6～9]，以期客觀地反映水質(zhì)狀況。該方法最重要的工作就是權(quán)重的確定。權(quán)重是衡量評價因子集當(dāng)中某一因子對水質(zhì)污染程度影響相對大小的量，權(quán)重越大的因子對水質(zhì)的影響程度越大。一旦帶入主觀因素，會對評價結(jié)果造成非常大的影響。目前，國內(nèi)外還沒有形成統(tǒng)一的權(quán)重確定方法，所以，研究出一種可以科學(xué)合理的確定權(quán)重的方法顯得非常重要。本文以梧州種質(zhì)資源保護區(qū)為例，比較超標(biāo)法、熵權(quán)法以及主成分分析法確定的權(quán)重對水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果的影響。

1 模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型

1.1 確定各水質(zhì)指標(biāo)的隸屬函數(shù)

假設(shè)參與水質(zhì)評價的因子有n個，水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)由m個級別組成。由于水質(zhì)污染程度和水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)都是模糊的，故用隸屬度來刻畫分級界限。設(shè)rij表示第i種污染物的環(huán)境質(zhì)量數(shù)值可以被評價為第j類環(huán)境質(zhì)量的可能性(即i對j的隸屬度，用隸屬函數(shù)表示)，這樣就構(gòu)成了水質(zhì)評價因子與水質(zhì)類別的模糊關(guān)系矩陣R[10]。

(1)

式中，n代表評價因子數(shù)，即i=l，2，…，n；m代表水體級別，即j=1，2，3，4，5。

隸屬度可以通過對隸屬函數(shù)的計算來確定，常用的求隸屬度方法為對隨等級升高而因子標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值減小的偏大型分布指標(biāo)采用“升半梯形分布圖法”，各水質(zhì)類別的隸屬度rij解析式為式(2)；對隨等級升高而因子標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值增大的偏小型分布指標(biāo)采用“降半梯形分布圖法”，各水質(zhì)類別的隸屬度rij解析式為式(3)[11]。

(2)

(3)

式中，Sj為評價因子xi的第j類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值；ci為評價的因子xi的監(jiān)測值。

1.2 確定權(quán)重

1.2.1 超標(biāo)法

采用評價因子貢獻率的方法確定權(quán)重向量，通過計算超標(biāo)比來計算權(quán)重值。對于數(shù)值越大水質(zhì)越差的因子，采用式(4)計算；對于數(shù)值越小水質(zhì)越差的因子，采用式(5)計算[12]。

(4)

(5)

將每個因子超標(biāo)比歸一化處理，算出各評價因子權(quán)重，見式(6)，由此得到權(quán)重集：W=(w1，w2，…wn)。

(6)

1.2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是根據(jù)因子變異程度來確定客觀權(quán)重。因子的信息熵Ej越小，表明因子變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中起的作用越大，權(quán)重就越大，相反，某個因子的信息熵Ej越大，表明因子變異程度越小，提供的信息量也越少，在綜合評價中起的作用越小，權(quán)重就越小[13]。

(7)

(8)

通過信息熵計算各指標(biāo)的權(quán)重，見式(9)。

(9)

1.2.3 主成分分析法

借助SPSS統(tǒng)計分析軟件進行主成分分析，按照特征根λ大于1的原則提取p個主成分，一般應(yīng)滿足累計方差貢獻率f1+f2+…+fp>85%。將輸出的初始因子載荷陣A各列分別除以對應(yīng)特征根的開平方，得到相關(guān)矩陣特征根對應(yīng)的特征向量U。指標(biāo)權(quán)重見式(12)。

(10)

(11)

(12)

式中，u1p、u2p、……、unp為前p個特征根對應(yīng)的特征向量；n為變量個數(shù)。

2 梧州種質(zhì)資源保護區(qū)水質(zhì)評價

2.1 研究區(qū)域概況

梧州國家級種質(zhì)資源保護區(qū)位于潯江下游，全長18.8 km，總面積1 564 hm2。核心區(qū)為云龍橋至西龍洲，全長約4.5km，平均寬度0.8 km，面積360 hm2。實驗區(qū)分兩個江段，上游從長洲島水利樞紐下游至云龍橋，長約11.5 km，面積約952 hm2，下游從西龍洲至界首村，長度約2.8 km ，面積252 hm2。該保護區(qū)地形地貌獨特，是水生生物良好的庇護所，大型經(jīng)濟魚類在漁獲物中所占比例大，優(yōu)勢種群為鯪魚、鳡，并分布有黃顙魚、赤眼鱒、海南紅鲌、青魚、鳙、鰱、大眼鱖、斑鱧等國家水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)品種，也是中華鱘、花鰻鱺、長臀鮠、鰣魚等國家重點保護或瀕危珍稀魚類生長和繁殖場所。

2.2 建立評價因子集

2005年以來，本中心根據(jù)水域使用功能、水文氣候特征及污染源分布特征，對該區(qū)域水質(zhì)進行多年持續(xù)布點監(jiān)測。監(jiān)測指標(biāo)包括水溫、DO、pH、TN、NH3-N、非離子氨、TP、葉綠素a、揮發(fā)酚、CODMn、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、石油類。本次評價選擇2010～2012年5月和8月的DO、TN、TP、NH3-N、CODMn、Zn、Pb和Hg作為評價因子，計算各監(jiān)測點各評價因子濃度平均值，得到評價因子集：A={xl，x2，x3，…，xn}={DO，TN，TP，NH3-N，CODMn，Zn，Pb，Hg}。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，地表水水質(zhì)劃分為五類水體，因此確定評價集為：B={I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。評價中使用的各因子為地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的最低限值，如表1所示。

表1 模糊綜合評價中各水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值Tab.1 Standard limit of water quality index in fuzzy comprehensive evaluation (mg/L)

2.3 建立模糊關(guān)系矩陣R

按照1.1的方法確定不同監(jiān)測時段的模糊關(guān)系矩陣。2010年5月至2012年8月的模糊關(guān)系矩陣依次為：

2.4 權(quán)重向量的計算

2.4.1 超標(biāo)法

表2 超標(biāo)法評價因子權(quán)重Tab.2 Weight of evaluation indexes in standard method

2.4.2 熵權(quán)法

由于熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)因子變異性的大小來確定客觀權(quán)重，因此不再分時段，將三年的數(shù)據(jù)全部用于一次權(quán)重計算，結(jié)果見表3。

表3 熵權(quán)法評價因子權(quán)重Tab.3 Weight of evaluation indexes in entropy method

2.4.3 主成分分析法

將2010～2012年的監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS，輸出主成分分析的相關(guān)結(jié)果，按照1.2.3介紹的方法計算權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4 主成分分析法評價因子權(quán)重Tab.4 Weight of evaluation indexes in principal component analysis

2.5 水質(zhì)模糊綜合評價

將3種方法的權(quán)重數(shù)據(jù)和模糊關(guān)系矩陣帶入綜合得分計算公式B1=w1·R1，求出綜合得分，判斷水質(zhì)類別，列于表5。水質(zhì)所屬類別為得分高的類別。

表5 模糊綜合評價結(jié)果Tab.5 Results of fuzzy comprehensive evaluation

由表5可以看出，采用傳統(tǒng)的超標(biāo)法，保護區(qū)水質(zhì)2010年8月為Ⅳ類，2012年8月為Ⅱ類，2010年至2012年其他監(jiān)測時段水質(zhì)均為V類。保護區(qū)主要污染物為TN，其他指標(biāo)均未出現(xiàn)異常。潯江地區(qū)甘蔗種植面積廣，工業(yè)以制糖、造紙為主，屬涉氮工業(yè)，排放的生產(chǎn)廢水導(dǎo)致保護區(qū)TN監(jiān)測值超標(biāo)。而超標(biāo)法僅是根據(jù)水質(zhì)最差的單個因子所屬類別來判斷水質(zhì)等級，過分突出TN對結(jié)果的影響，導(dǎo)致評價結(jié)果顯示水質(zhì)污染嚴重，不滿足漁業(yè)用水要求。

熵權(quán)法和主成分分析法在計算權(quán)重時，不僅考慮污染最嚴重的TN，也全面考慮了其他因子對評價結(jié)果的影響，能夠較客觀的反映水質(zhì)狀況。2種方法結(jié)果一致，評價結(jié)果顯示水質(zhì)較好，均為I類水，滿足種質(zhì)資源保護區(qū)用水要求。

3 結(jié) 論

本文以梧州種質(zhì)資源保護區(qū)的水質(zhì)為研究對象，選擇了一些重要監(jiān)測點2010～2012年的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為參考，將熵權(quán)法和主成分分析法引入到模糊數(shù)學(xué)水質(zhì)評價模型中來。結(jié)果表明：(1)超標(biāo)法根據(jù)對水質(zhì)影響最大的單個因子所屬的類別來判斷水質(zhì)等級，夸大了最大污染因子對結(jié)果的影響而忽視其他因子的作用，得到的評價結(jié)果與后2種方法差異較大。導(dǎo)致評價結(jié)果與實際情況不符。因此，不建議使用超標(biāo)法確定權(quán)重。

(2)熵權(quán)法確定的污染因子權(quán)重，能夠比較客觀地反映梧州種質(zhì)資源保護區(qū)水質(zhì)狀況。不足之處是計算過程比較復(fù)雜，計算量大。

(3)主成分分析法是借助SPSS統(tǒng)計分析軟件進行大部分計算，根據(jù)輸出的方差貢獻率、計算特征向量，即可算出因子權(quán)重，計算過程簡單。通過方差貢獻率能直觀反映各污染物對水質(zhì)的影響程度。綜合考慮操作性、實用性、可靠性，本文推薦運用主成分分析法進行水質(zhì)模糊綜合評價，更好更高效的服務(wù)于保護區(qū)水質(zhì)管理工作。

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Impact of Weight Algorithm on Water Quality Evaluation in Wuzhou Germplasm Resources Protection Area

HUANG Luan-yu

(CenterofFisheryDiseasePrevention&Cure，EnvironmentalMonitoring&QualityInspecionofGuangxi，Nanning530021，China)

Weight algorithm is a key link in the evaluation of water quality. Different algorithms will lead to different results. This study based on the standard method, entropy method and principal component analysis to make a fuzzy synthetic evaluation to water quality in germplasm resources conservation zone in Wuzhou. Results indicate that the over-standard method is relatively sensitive when single factor is over standard. Fuzzy comprehensive evaluation based on entropy method and principal component analysis method considers the influence of each factor Evaluation results of both methods are consistent and the water quality meet requirements for germplasm resources conservation zone. This method is better than over-standard method. Principal component analysis method can directly use SPSS which is easier to operate and more practical. It can provide better and more efficient services to water quality management in conservation zone.

Water quality evaluation；fuzzy assessment；weight；entropy method；principal component analysis

2016-09-26

廣西科技攻關(guān)項目(桂科攻0992015-1)。

黃鸞玉(1983-)，女，廣西來賓人，2015年畢業(yè)于廣西大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事漁業(yè)生態(tài)環(huán)境保護技術(shù)研究工作。

X824

A

1001-3644(2017)01-0083-06