曲天歌

[摘要] 我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水資源的短缺、污染和浪費(fèi)問題也越來越嚴(yán)重，而飲用水是供給居民生活的用水，是人類最為重要的一種水資源。當(dāng)飲用水安全出現(xiàn)問題，人類的生命活動(dòng)將受到巨大的威脅。因此，我國必須加強(qiáng)對(duì)水資源的保護(hù)，并建立一個(gè)完備且健全的評(píng)價(jià)體系。目前我國針對(duì)飲用水水源地的評(píng)價(jià)現(xiàn)狀主要依據(jù)水質(zhì)方面的情況，因此常常使用單因子評(píng)價(jià)法，但單因子評(píng)價(jià)法存在一定的弊端，使得評(píng)價(jià)結(jié)果過于局限、不夠客觀。在整理和總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)飲用水水源水質(zhì)評(píng)價(jià)的現(xiàn)狀、方法進(jìn)行了分析和討論。

[關(guān)鍵詞]水質(zhì)評(píng)價(jià);水源評(píng)價(jià);評(píng)價(jià)方法;飲用水安全

[中圖分類號(hào)]X523[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1? ? 水源地的定義及概況

水源地指供集中引用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的水庫、河流攔蓄工程等，是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然三者共同作用下的一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。集中的供水水源地主要分為兩類：地下水水源地、地表水水源地。其中地表水源包含河流、湖庫等。水源地的具體范圍是一塊為了保護(hù)水源地不受污染而專門劃定的防止污染、特別保護(hù)的區(qū)域，根據(jù)定義來分析可知，水源地是以保護(hù)環(huán)境為目的，在保護(hù)環(huán)境的基礎(chǔ)上供給水源。

飲用水水源的水質(zhì)安全評(píng)價(jià)是水資源保護(hù)工作中的一項(xiàng)基本工作，也是水源水安全保障的最重要的部分。我國現(xiàn)階段地下水評(píng)價(jià)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T14848-2017》，地表水評(píng)價(jià)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002》，將地下水和地表水的水質(zhì)情況分為五大類別。1996年在全國范圍內(nèi)曾調(diào)查了329個(gè)地表水的集中式飲用水水源地，其中有檢測結(jié)果不符合國家標(biāo)準(zhǔn)的有222個(gè)水源地，調(diào)查了240個(gè)地下水的飲用水水源，其中未達(dá)標(biāo)的也有80多個(gè)，而這些不達(dá)標(biāo)的水源中有些甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)中5類水的標(biāo)準(zhǔn)值。由此可見，飲用水水源水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的問題非常嚴(yán)重，而當(dāng)水體屬于四類的時(shí)候如果再不采取相關(guān)的改善和保護(hù)措施保護(hù)，不久后也會(huì)變成人類無法飲用的水。因此，飲用水水源的保護(hù)問題急需解決，只有這樣才能保證居民飲用上安全放心的水。

2? ? 研究現(xiàn)狀

2.1? ? 國外研究現(xiàn)狀

美國由于各州之間具體情況不盡相同，所制定的飲用水水源評(píng)價(jià)方案也全然不同。因此美國聯(lián)邦環(huán)境保護(hù)局通過向各州提供基礎(chǔ)資料和水源評(píng)價(jià)方法進(jìn)行水源地安全評(píng)價(jià)工作，具體方法為針對(duì)飲用水源的潛在危害，選取了15個(gè)多方面的指標(biāo)，并建立了由這15個(gè)指標(biāo)組成的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系對(duì)飲用水水源進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終結(jié)論依據(jù)指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)結(jié)果體現(xiàn)，共有水質(zhì)安全狀況較好、問題較少、問題較多三種類別，同時(shí)將水源分為脆弱性高與脆弱性低兩種類別。

其他國家對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也各不相同。加拿大對(duì)水源水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法主要是水質(zhì)指數(shù)法，將水體水質(zhì)的具體情況用分值來進(jìn)行評(píng)估，從0到100。以此將水體劃分為較差、及格、中等、較好、極好這五個(gè)類別，從分?jǐn)?shù)上體現(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)五個(gè)區(qū)間：0～44、45～59、60～79、80～95、95～100。

在新西蘭，為了針對(duì)水源地的實(shí)際治理要求，首先對(duì)潛在的污染源和污染物進(jìn)行確定，進(jìn)而評(píng)價(jià)飲用水水源地的水質(zhì)等級(jí)與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并在這個(gè)基礎(chǔ)上得出該水源作為飲用水的適宜性，同時(shí)向公眾發(fā)布所評(píng)估的結(jié)果，根據(jù)水源地水質(zhì)安全的評(píng)價(jià)結(jié)果提出相應(yīng)的解決辦法。

2.2? ? 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)的水源安全相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)多從水量、水質(zhì)這兩個(gè)維度考慮并進(jìn)行的，其中部分研究還對(duì)水源地脆弱性、生態(tài)、污染源及污染風(fēng)險(xiǎn)、水環(huán)境等指標(biāo)進(jìn)行研究。張韻等人在此基礎(chǔ)上從水質(zhì)狀況、富營養(yǎng)化情況、健康風(fēng)險(xiǎn)、污染風(fēng)險(xiǎn)這四個(gè)角度對(duì)水安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)系統(tǒng)更加周全客觀。王麗紅等人則構(gòu)建了由水量、質(zhì)量、脆弱性和生態(tài)環(huán)境四個(gè)維度構(gòu)成的飲用水水源地安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并給出了與此相關(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及計(jì)算方法。姚治華應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法，將地下水的飲用水水源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為水質(zhì)情況、水量情況、污染源風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)情況和治理情況五個(gè)層次，從而進(jìn)行評(píng)價(jià)。衣強(qiáng)在應(yīng)用層次分析法確定權(quán)重后，將飲用水水源的影響指標(biāo)劃分為水量安全、水質(zhì)安全、工程安全、生態(tài)安全和其他因素五個(gè)種別，用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算水源地安全等級(jí)，從而對(duì)指標(biāo)各個(gè)安全等級(jí)的隸屬度進(jìn)行計(jì)算，確定各指標(biāo)的安全狀況后，應(yīng)用模糊綜合指數(shù)法得出安全評(píng)價(jià)成果。

3? ? 代表性水質(zhì)評(píng)價(jià)方法簡介

3.1? ? 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種對(duì)水環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)較為科學(xué)客觀地方法，首先要為各個(gè)指標(biāo)與其相對(duì)應(yīng)的各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的隸屬度函數(shù)，根據(jù)隸屬度函數(shù)得出指標(biāo)的隸屬度，再為每項(xiàng)檢測指標(biāo)確定一個(gè)相應(yīng)的權(quán)重值，運(yùn)用合適的算子進(jìn)行矩陣的復(fù)合運(yùn)算，求出綜合隸屬度，最后將求得的隸屬度與相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匹配，得出水質(zhì)評(píng)價(jià)的最終結(jié)果。具體如下：

3.1.1? ? 求出評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各個(gè)水質(zhì)類別的隸屬函數(shù)及隸屬度。隸屬度體現(xiàn)的是評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的指標(biāo)對(duì)某個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬的可能性，較為常用的確定隸屬度的方法為模糊統(tǒng)計(jì)法、升半梯形及降半梯形法。

3.1.2? ? 求出各指標(biāo)權(quán)重。一個(gè)指標(biāo)的權(quán)重能夠體現(xiàn)該指標(biāo)在此評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的重要程度，常用方法有專家打分法、熵權(quán)法等。而實(shí)測數(shù)據(jù)相同的指標(biāo)，其允許濃度標(biāo)準(zhǔn)大的，對(duì)污染程度的影響較小，因此得出各指標(biāo)權(quán)重后需要對(duì)權(quán)重進(jìn)行歸一化計(jì)算。

3.1.3? ? 模糊矩陣的算子選擇及運(yùn)算。根據(jù)上述步驟得出的指標(biāo)權(quán)重和由各隸屬度組成的判斷矩陣，在選擇復(fù)合算子之后，即可計(jì)算出此評(píng)價(jià)體系對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)類別的綜合隸屬度。

3.1.4? ? 判斷水質(zhì)級(jí)別。一般情況下使用最大隸屬度原則：對(duì)比評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)全部等級(jí)隸屬度的大小，評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)某一種等級(jí)的隸屬度最高，則判定其隸屬于這個(gè)等級(jí)。

3.2? ? BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能計(jì)算系統(tǒng)，能模擬人腦或自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征。BP算法的學(xué)習(xí)過程中會(huì)進(jìn)行信號(hào)的正向傳播和誤差的反向傳播，在傳播過程中，正向傳播、反向傳播是連續(xù)不斷地進(jìn)行，直到輸出層的誤差到達(dá)可以接受的范圍或到提前設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)才會(huì)停止。具體如下：

3.2.1? ? 選取學(xué)習(xí)樣本。學(xué)習(xí)樣本的主要用途就是訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。將一組實(shí)時(shí)檢測出來的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)指標(biāo)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)相對(duì)比，與檢測值最接近的標(biāo)準(zhǔn)值所對(duì)應(yīng)的水質(zhì)級(jí)別，以此為該組檢測數(shù)據(jù)的水質(zhì)級(jí)別。

3.2.2? ? 樣本預(yù)處理。樣本預(yù)處理主要是指對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)充與歸一化。樣本數(shù)量不夠時(shí)，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的是每個(gè)訓(xùn)練樣本的本身特性，而非共性，因此需要對(duì)樣本進(jìn)行擴(kuò)充，增多樣本數(shù)量。而當(dāng)檢測指標(biāo)的量綱存在差異時(shí)，對(duì)比較為困難，所以在評(píng)價(jià)前有必要把各個(gè)指標(biāo)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)先歸一化成無量綱的指標(biāo)。

3.2.3? ? 建立BP網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能否順利建成的核心和基礎(chǔ)，就是確定網(wǎng)絡(luò)輸入層數(shù)及每層的神經(jīng)元數(shù)量。計(jì)算過程中，首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定出隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的大體范圍，后通過多次試錯(cuò)最終得出最佳節(jié)點(diǎn)數(shù)。

3.2.4? ? 選擇算法及設(shè)定參數(shù)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。設(shè)定初始學(xué)習(xí)率、訓(xùn)練精度、訓(xùn)練次數(shù)等預(yù)設(shè)指數(shù)，網(wǎng)絡(luò)建立后對(duì)預(yù)設(shè)指數(shù)進(jìn)行修正，直到網(wǎng)絡(luò)的輸出層誤差在可以接受的范圍或到提前設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)即可停止。

3.3? ? 主成分分析法

主成分分析是運(yùn)用降維的思想，通過求解主成分的方法將之前數(shù)量較多的指標(biāo)體系轉(zhuǎn)化成數(shù)量較少的幾個(gè)新指標(biāo)，原有指標(biāo)由這幾個(gè)數(shù)量較少的新指標(biāo)綜合代替，而各個(gè)綜合指標(biāo)之間相互獨(dú)立，并最大化的體現(xiàn)原有指標(biāo)的全部信息，進(jìn)而達(dá)到簡化計(jì)算過程的目的。具體如下：

（1）求得相關(guān)系數(shù)矩陣;（2）計(jì)算特征值和與其相對(duì)應(yīng)的特征向量;（3）求得主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率;（4）根據(jù)主成分載荷求出主成分得分。

3.4? ? 單因子評(píng)價(jià)法

單因子評(píng)價(jià)法是取評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際檢測值，并與該指標(biāo)的規(guī)范值比較。在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，只要存在一項(xiàng)指標(biāo)的檢測值與相應(yīng)的規(guī)范值不符合，就可以理解為該水源地已經(jīng)無法完全滿足要求。單因子評(píng)價(jià)法是最簡明的判斷水域標(biāo)準(zhǔn)的方法，同時(shí)也是飲用水水源地評(píng)價(jià)尤其是水質(zhì)評(píng)價(jià)中應(yīng)用頻率最高的方法。

4? ? 結(jié)束語

本文介紹了四種針對(duì)水質(zhì)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)最常用的方法，除此之外還有一些其他評(píng)價(jià)方法，如灰色預(yù)測法、秩和比法等。雖然水資源評(píng)價(jià)的方法眾多，但是每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，在選擇和應(yīng)用的過程用應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體研究對(duì)象的詳細(xì)情況以及所篩選的指標(biāo)體系等內(nèi)容進(jìn)行確定。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王珮.村鎮(zhèn)飲用水水源地安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2014.

[2] 邢昱.飲用水源地水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及污染防治研究[J].環(huán)境影響評(píng)價(jià)，2017（5）：31-33.

[3] 安樂生.代表性水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的比較研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2010，26（5）：47-50.

[4] 馬玲玲.遼寧省大伙房水庫水源地安全評(píng)價(jià)研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.