楊凱凱，王曉嬌，齊 鵬，徐海鵬，朱葡莉，王 玲

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

基于主成分和模糊數(shù)學(xué)的蘭州市城市飲用水安全綜合評價(jià)

楊凱凱1，王曉嬌1，齊 鵬1，徐海鵬2，朱葡莉1，王 玲1

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

以甘肅蘭州市為例，運(yùn)用主成分分析和模糊綜合評價(jià)法對其飲用水安全進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明：蘭州市城市飲用水安全綜合評價(jià)等級為“一般”，飲用水水質(zhì)主要以氟化物、硝酸鹽氮、渾濁度為主要污染指標(biāo)，屬于有機(jī)污染。根據(jù)評價(jià)結(jié)果，從加強(qiáng)城市飲用水水源地的保護(hù)、完善安全供水措施和建立“三位一體”城市飲用水安全應(yīng)急機(jī)制等方面提出了城市飲用水安全的保障措施。

飲用水安全；主成分分析；模糊綜合評價(jià)；對策；蘭州

城市飲用水是城市生存環(huán)境的基礎(chǔ)和命脈，故飲用水安全問題成為21世紀(jì)中國最突出的問題[1]。飲用水使用之前需經(jīng)多個(gè)環(huán)節(jié)處理，而水源地?zé)o污染是確保城市供水安全的首要環(huán)節(jié)。加強(qiáng)對水源地生態(tài)安全保護(hù)，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民健康生活均具有重要意義。

從20世紀(jì)60年代開始，世界各國就根據(jù)本國的實(shí)際情況利用數(shù)學(xué)模型展開了一系列關(guān)于飲用水的綜合評價(jià)[2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在水質(zhì)評價(jià)、水源適宜性評價(jià)等方面[3]，但是在飲用水水源地生態(tài)安全方面的研究還處于起步階段[4-6]，主要是對飲用水水源地的水質(zhì)和水量進(jìn)行一些基本評價(jià)，對水源地的水質(zhì)安全并沒有提出較為系統(tǒng)的評價(jià)方法和手段，因此對城市飲用水安全評價(jià)方法體系的研究仍然是飲用水安全評價(jià)的重點(diǎn)。焦士興等[7]以河南省安陽市為例，從水量、水質(zhì)、管理水平和環(huán)境狀況等方面，構(gòu)建了基于三角模糊函數(shù)的城市飲用水水源地安全評價(jià)模型，為飲用水的評價(jià)提供了一種行之有效的方法。筆者以蘭州市城市飲用水資料為基礎(chǔ)，通過主成分分析確定蘭州城市飲用水的主要污染指標(biāo)，然后利用模糊綜合評價(jià)法對蘭州市城市飲用水進(jìn)行評價(jià)和定級，并根據(jù)分析結(jié)果提出了提高城市飲用水質(zhì)量的建議，為保障城市飲用水安全提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1 蘭州飲用水水源地概況 蘭州市位于我國西北內(nèi)陸地區(qū)，地處青藏高原的東北邊緣、黃土高原的西部，黃河穿城而過[8]。蘭州市的城市供水源主要由黃河水和地下水2個(gè)供水系統(tǒng)構(gòu)成，其取水口位于西固區(qū)的西柳溝黃河段。在這兩大供水系統(tǒng)中，黃河的供水量占當(dāng)?shù)乜偣┧康?5%，而地下水僅占5%[9]。

1.1.2 城市供水 蘭州城市供水主要依靠蘭州威立雅水務(wù)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，供水范圍不僅包括七里河區(qū)、城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)以及西固區(qū)等4大建成區(qū)，還包括榆中縣的和平開發(fā)區(qū)，每天的平均供水量達(dá)到138萬m3，供水的普及率高達(dá)93%。近年來隨著城市的發(fā)展和人口數(shù)量的增多，城市的需水量也不斷提高。蘭州市城市用水具有用水量增長較快，居民對水質(zhì)要求高，水量浪費(fèi)嚴(yán)重等特點(diǎn)。蘭州市城市用水的種類包括地表水源和地下水源，以地下水作為水源時(shí)，由于水質(zhì)較好，通常不需多余處理，僅經(jīng)消毒即可，工藝簡單。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用主成分分析和模糊綜合評價(jià)相結(jié)合的研究方法，選取蘭州市城市飲用水進(jìn)行安全評價(jià)，水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于2015年1～8月蘭州威立雅水務(wù)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司官網(wǎng)的水質(zhì)公告（表1）。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行主成分分析，采用MATLAB軟件求模糊綜合評價(jià)的評判矩陣、最大特征值以及最大特征值對應(yīng)的特征向量。

表1 蘭州市威立雅水務(wù)公司1～8月水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

1.3 主成分分析法

主成分分析方法是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究的多元統(tǒng)計(jì)方法[10]。查閱大量資料，結(jié)合調(diào)查結(jié)果，咨詢相關(guān)專家，對影響蘭州市城市飲用水質(zhì)量的主要指標(biāo)進(jìn)行篩選[11-13]，最終選擇氟化物（X1）、硝酸鹽氮（X2）、渾濁度（X3）、pH值（X4）、氯化物（X5）、硫酸鹽（X6）、溶解性總固體（X7）、總硬度（X8）、耗氧量（X9）、總氯（X10）為主要影響因子。

1.4 模糊綜合評價(jià)

設(shè)飲用水水質(zhì)評價(jià)因子集合：

U={U=U1，U2，…，Um}，其中，U1，U2，…，Um為參評的m個(gè)評價(jià)因子。

設(shè)其對應(yīng)的評價(jià)等級集合為：

V={V=V1，V2，…，Vn}，其中，V1，V2，…，Vn為n個(gè)評價(jià)等級。

1.5 確定模糊綜合評判矩陣

模糊向量U和模糊關(guān)系矩陣V得到后，將U和V進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算可以得到綜合評價(jià)模糊子集B，進(jìn)而確定城市應(yīng)用水安全綜合評價(jià)結(jié)果。

即：B=U°V（“°”稱為合成算子）

1.6 評價(jià)定量分級

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的水域功能和保護(hù)目標(biāo)，結(jié)合隸屬函數(shù)，用語義學(xué)標(biāo)度分為5個(gè)測量等級：好、良好、中等、一般、差。為了便于計(jì)算，將主觀評價(jià)的語義學(xué)標(biāo)度進(jìn)行量化，并依次賦值為5、4、3、2和1。主觀測量是用五級語義學(xué)標(biāo)度[14-15]。所設(shè)計(jì)的評價(jià)定量標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 評價(jià)定量分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 城市飲用水水質(zhì)主成分分析

對蘭州市城市飲用水10個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，計(jì)算變量的相關(guān)系數(shù)矩陣V，相關(guān)系數(shù)列表見表3，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣V的特征值以及累計(jì)貢獻(xiàn)百分率如表4。由表3可以看出，第一主成分氟化物與硝酸鹽氮、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體、總硬度、總氯的相關(guān)系數(shù)較高，除了與渾濁度和pH值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)外，與其他變量均呈現(xiàn)正相關(guān)。第二主成分硝酸鹽氮與渾濁度、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體、總硬度、耗氧量的相關(guān)系數(shù)較高，除與pH值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)外，與其他指標(biāo)均呈現(xiàn)正相關(guān)。這說明蘭州城市飲用水污染物中主要以有機(jī)污染物為主。從表4可以看出，前3個(gè)特征值的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)到93.026%，說明在蘭州城市飲用水主要以氟化物、硝酸鹽氮、渾濁度為主要污染指標(biāo)。

2.2 水質(zhì)模糊綜合評價(jià)

2.2.1 進(jìn)行單因素評價(jià)，建立模糊關(guān)系矩陣 由于水質(zhì)污染程度和水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)都是模糊的，所以利用前面建立的隸屬函數(shù)來描述分級界限，在飲用水水質(zhì)綜合評價(jià)時(shí)，由于pH值沒有明確分 級，所以去除pH值這一指標(biāo)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—85）確定各指標(biāo)的5級標(biāo)準(zhǔn)，分別求得隸屬度，建立單因素評價(jià)矩陣V如下。

表3 水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)矩陣

表4 特征值及主成分百分率

2.2.2 用層次分析法確定評價(jià)因素的權(quán)向量 權(quán)重是模糊綜合評價(jià)中一個(gè)重要的因素。利用層次分析法確定權(quán)重，結(jié)合模糊綜合評價(jià)，可使飲用水的評價(jià)更加客觀和準(zhǔn)確。由于各評價(jià)因子對于城市飲用水的影響不同，所以對于各指標(biāo)賦予不同的權(quán)重。利用層次分析法，構(gòu)造判斷矩陣，標(biāo)準(zhǔn)化得到如下矩陣。

應(yīng)用MATLAB軟件通過計(jì)算機(jī)編程求得各判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量：

U=（0.430 0.706 0.128 0.323 0.276 0.086 0.274 0.084 0.180）T

2.2.3 評價(jià)結(jié)果 計(jì)算結(jié)果顯示，蘭州市城市飲用水綜合評價(jià)結(jié)果Y為1.909。根據(jù)表3的分級標(biāo)準(zhǔn)可知，處于E4級，屬于“一般”水平，定量評價(jià)結(jié)果與定性評級結(jié)果基本一致，說明評價(jià)結(jié)果具有一定的合理性，可以作為參考。

B=U°V=（0.126，0.102，0.201，0.134）

Y=5×0.126+4×0.102+3×0.201+2×0.134=1.909

3 結(jié) 論

調(diào)查分析顯示：（1）蘭州市城市飲用水水質(zhì)主要以氟化物、硝酸鹽氮、渾濁度為主要污染指標(biāo)，以有機(jī)污染源為主；（2）蘭州市城市飲用水安全數(shù)據(jù)定量模糊綜合評價(jià)結(jié)果為“一般”，基本符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況；（3）蘭州市城市飲用水水源地排污嚴(yán)重，自來水存在安全隱患，不容樂觀。

4 改善蘭州市城市飲用水質(zhì)量的建議

4.1 加強(qiáng)城市飲用水水源地的保護(hù)

（1）合理規(guī)劃城市飲用水水源地，制定行之有效的保護(hù)措施。對水源地附近排污較嚴(yán)重的企業(yè)進(jìn)行整治，或者將其搬遷到下風(fēng)帶地區(qū)，其次要將污水集中處理，建立污水處理廠，將周圍居民的生活污水集中收集，實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)利用。（2）加強(qiáng)對城市飲用水水源地的水質(zhì)監(jiān)測，建立健全水源地水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)。及時(shí)檢測污染源（比如：土壤以及水體中的農(nóng)藥、化肥和重金屬等），并將檢測結(jié)果向城市居民公布，做到公開和透明。（3）制定城市飲用水安全應(yīng)急預(yù)案。對于水質(zhì)突發(fā)事件應(yīng)做到有備無患，并建設(shè)應(yīng)急水源地，為加強(qiáng)應(yīng)急管理措施和后備飲用水供給提供保障。（4）建立城市飲用水生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。既滿足當(dāng)?shù)鼐用竦陌l(fā)展需求，又達(dá)到保護(hù)飲用水水源地的目的，同時(shí)充分調(diào)動當(dāng)?shù)鼐用駥λ吹乇Ｗo(hù)的積極性，使飲用水安全的保護(hù)得到人民大眾的支持，提高飲用水安全的保護(hù)力度，實(shí)現(xiàn)水源保護(hù)和家庭使用的雙贏。（5）建立健全城市飲用水水源地法律保護(hù)體系。根據(jù)蘭州市飲用水源地的實(shí)際情況，政府相關(guān)部門應(yīng)頒布相應(yīng)的水源地保護(hù)法規(guī)，對水資源的開發(fā)利用以及水源地的一系列生產(chǎn)活動進(jìn)行規(guī)范，提高對飲用水水源地的法制化管理。

4.2 完善安全供水措施

根據(jù)蘭州市城市飲用水水源地的現(xiàn)狀以及當(dāng)?shù)卦谳^長時(shí)間內(nèi)的供水需求，為保證城市居民的正常供水，同時(shí)保護(hù)飲用水水源地環(huán)境，可采取如下措施：（1）在現(xiàn)有的供水系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化配置，確保居民能夠飲用到優(yōu)質(zhì)的水；（2）通過如對河道清淤、疏浚和水源地取水設(shè)施的擴(kuò)建等工程建設(shè)，對具有來水量的現(xiàn)有工程進(jìn)行改善，提高水源地的供水能力；（3）根據(jù)水源地的實(shí)際情況可以在水質(zhì)符合飲用水安全要求，并且能夠與相關(guān)的水利工程相銜接的地方新建一些水源地以增加供水量，保證城市居民的用水。

4.3 建立“三位一體”城市飲用水安全應(yīng)急機(jī)制

目前，我國飲用水安全事件處理一般是由環(huán)保、水務(wù)、衛(wèi)生等職能部門協(xié)調(diào)配合，臨時(shí)建立應(yīng)急機(jī)制[16]。這種應(yīng)急機(jī)制雖然經(jīng)濟(jì)、易行，但存在著權(quán)責(zé)不明、信息不暢、決策混亂等缺點(diǎn)。而“三位一體”應(yīng)急機(jī)制可以較好地彌補(bǔ)上述不足?！叭灰惑w”應(yīng)急機(jī)制即上級政府、水務(wù)衛(wèi)生部門、居民共同保護(hù)城市飲用水的措施。政府部門是政策法規(guī)和城市飲用水應(yīng)急制度的制定者，全面負(fù)責(zé)，統(tǒng)一指揮；水務(wù)衛(wèi)生部門是城市飲用水水質(zhì)安全的檢測者和實(shí)施者，使決策和建議反饋更加快速、全面、準(zhǔn)確；居民是城市飲用水安全的監(jiān)督者和受益者。建立“三位一體”應(yīng)急機(jī)制應(yīng)該切實(shí)做好上級政府、水務(wù)衛(wèi)生部門以及城市居民的協(xié)調(diào)合作，相互監(jiān)督，以保證城市飲用水的清潔和環(huán)保，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的綜合。

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（責(zé)任編輯：成 平）

Comprehensive Evaluation on the Safety of Drinking Water in Lanzhou City Based on Principal Component and Fuzzy Mathematics

YANG Kai-kai1，WANG Xiao-jiao1，QI Peng1，XU Hai-peng2，ZHU Pu-li1，WANG Ling1
（1. College of Environment and Resources, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, PRC; 2. College of Prataculture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, PRC）

Taking Lanzhou city of Gansu Province as an example, using the principal component analysis and fuzzy comprehensive evaluation method to the safety of drinking water is evaluated respectively. The Results showed that Lanzhou City drinking water safety comprehensive evaluation level as the “general”, drinking water mainly, nitrate nitrogen, fluoride, turbidity as the main pollution index, and belongs to organic pollution. According to the evaluation results targeted urban drinking water safety guarantee measures are put forward, such as strengthen the protection of urban drinking water source, improve the safety measures of water supply, and establish the trinity urban drinking water safety emergency response mechanism.

the safety of drinking water; principal component analysis; fuzzy comprehensive evaluation; countermeasures; Lanzhou

X824

：A

：1006-060X（2017）02-0053-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.002.015

2016-10-11

甘肅省哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（14YB053）

楊凱凱（1994-），男，甘肅定西市人，本科生，專業(yè)：土地資源管理。

王曉嬌