于維洋,張頌嘉,沈會(huì)濤,王仁德
(1.燕山大學(xué)a.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院;b.區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心,河北 秦皇島 066004;2.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所,石家莊 050021)
水資源一直以來都是人們賴以生存的寶貴資源,但近年來伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)以及污水廢料的過度排放,使我國大部分江河湖泊遭到了不同程度的侵蝕或污染。尤其是伴隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷擴(kuò)展,水資源短缺和水污染嚴(yán)重的問題日益突出,這不僅使我國人民的生存環(huán)境惡化,而且使我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展受到了一定的遏制??梢哉f,保護(hù)水資源已經(jīng)成為迫在眉睫的大事[1]。因此,對(duì)地表水質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)、客觀的評(píng)價(jià)是非常必要的。
目前,國內(nèi)外有關(guān)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法很多,常見有灰色關(guān)聯(lián)法[2]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[3]、熵權(quán)法[4]、TOPSIS法[5]、WPI指數(shù)[6]、等效數(shù)值評(píng)價(jià)法[7]、可拓評(píng)價(jià)方法[8]、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]、投影尋蹤法[10]等,各種方法都有其理論上的優(yōu)缺點(diǎn)。由于水質(zhì)評(píng)價(jià)涉及到多個(gè)指標(biāo),水質(zhì)分級(jí)界限存在不確定性,而且各個(gè)污染物指標(biāo)作用應(yīng)根據(jù)污染物排放量大小不同而不同。為此,本文應(yīng)用復(fù)合模糊物元評(píng)價(jià)方法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),采用超標(biāo)加權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。
(1)復(fù)合模糊物元的構(gòu)成。將評(píng)價(jià)對(duì)象(描述事物)O、評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)I及指標(biāo)數(shù)值X結(jié)合起來,構(gòu)成一組描述事物的基本單元,即稱為物元。表示為R=(O,I,X)。評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)及指標(biāo)數(shù)值稱為物元三要素。如果評(píng)價(jià)對(duì)象的特征數(shù)值X具有模糊性,則稱物元為模糊物元。若評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)O1,O2,…,Om,在m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象中,前k個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象為真實(shí)評(píng)價(jià)對(duì)象,后m-k個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象為劃分的等級(jí)數(shù),每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)I1,I2,…,In,其對(duì)應(yīng)數(shù)值為X1,X2,…,Xn,這樣就形成原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣:
(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)的無量綱化處理。在地表水的評(píng)價(jià)過程中,一般涉及的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多,各指標(biāo)間沒有統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn),其指標(biāo)的單位也不同,各指標(biāo)數(shù)值大小之間差距比較大。為了將不同量綱的指標(biāo)綜合起來進(jìn)行比較,必須對(duì)這些評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值進(jìn)行無量綱化處理。在評(píng)價(jià)時(shí)有的指標(biāo)越大越優(yōu)屬于正指標(biāo),有的指標(biāo)越小越優(yōu)屬于逆指標(biāo),在地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)中,各指標(biāo)都是越小越優(yōu),其無量綱化處理公式為:式中:為j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)無量綱化處理后數(shù)值,maxxij=max(xi1,xi2,…,xim),(i=1,2,…,n)為第i個(gè)指標(biāo)的最大數(shù)值,minxij=min(xi1,xi2,…,xim),(i=1,2,…,n)為第i個(gè)指標(biāo)的最小數(shù)值。
將式(1)中的原始數(shù)值通過公式(2)無量綱化處理后,得到式(3),即為從優(yōu)隸屬度模糊物元。
(3)標(biāo)準(zhǔn)模糊物元及差冪復(fù)合模糊物元的確定。從優(yōu)隸屬度模糊物元計(jì)算完后,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模糊物元的確定,一般可以由從優(yōu)隸屬度模糊物元里進(jìn)行選擇,或者事先根據(jù)實(shí)際情況確定。如果由從優(yōu)隸屬度模糊物元里進(jìn)行選擇,可以從各評(píng)價(jià)對(duì)象中各評(píng)價(jià)指標(biāo)中選最大值作為標(biāo)準(zhǔn)模糊物元數(shù)值,標(biāo)準(zhǔn)模糊物元公式表示為:
(4)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定。在評(píng)價(jià)過程中指標(biāo)權(quán)重確定方法較多,常見的權(quán)重確定方法有熵權(quán)法、專家打分法、層次分析法等。上述權(quán)重確定方法都是固定權(quán)重,即權(quán)重確定后,當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象發(fā)生改變時(shí),其指標(biāo)權(quán)重是不變的。由于在地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)過程中,某一個(gè)指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)值,該水質(zhì)就會(huì)發(fā)生改變。因此,本文采用超標(biāo)加權(quán)法,該方法的主導(dǎo)思想是當(dāng)某個(gè)指標(biāo)超出該指標(biāo)的臨界值時(shí),該指標(biāo)的權(quán)重就會(huì)根據(jù)超出范圍而進(jìn)行改變,超標(biāo)加權(quán)法能夠很好解決這個(gè)問題,同時(shí)達(dá)到權(quán)重主觀與客觀上的統(tǒng)一。超標(biāo)加權(quán)法計(jì)算公式為:
式中:wij為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的權(quán)重,xˉi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)不同等級(jí)污染物標(biāo)準(zhǔn)的平均值。
一般情況下,權(quán)重滿足兩個(gè)條件,即為歸一性和非負(fù)性:
(5)復(fù)合模糊物元貼近度的確定。在模糊數(shù)學(xué)中,貼近度表示兩個(gè)模糊子集相互靠近的程度。在本文中,貼近度表示待評(píng)價(jià)地表水污染物濃度(評(píng)價(jià)樣本)與地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)中對(duì)應(yīng)污染物濃度(標(biāo)準(zhǔn)樣本)相互靠近的程度。所得貼近度越大,表示待評(píng)價(jià)對(duì)象與標(biāo)準(zhǔn)樣本越接近;反之,相反。計(jì)算貼近度公式為:
式中:wij為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的權(quán)重,若q=1,該貼近度為海明貼近度;q=2,則為歐式貼近度。
根據(jù)公式(9)可以構(gòu)造出的模糊物元貼近度,即各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合模糊物元貼近度,其表示為:
(1)灤河水系地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的確定。關(guān)于地表水質(zhì)量指標(biāo)比較多,在這些指標(biāo)中化學(xué)需氧量及氨氮是最重要的,從動(dòng)態(tài)看這兩個(gè)指標(biāo)的具有連續(xù)性,因此,對(duì)地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)選擇這兩項(xiàng)指標(biāo)。
灤河水系主要河流有小灤河、武烈河、伊遜河、柳河、瀑河、潮河、清水河、老哈河、青龍河等主要河流,灤河支流繁多,常年有水者達(dá)500余條,全水系面積54530k㎡,該水系是河北省八大水系之一。為此,收集灤河水系水質(zhì)數(shù)據(jù)見表1,并據(jù)此數(shù)據(jù)應(yīng)用上述模型對(duì)灤河水系地表水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
表1 2007—2016年灤河水系水質(zhì)數(shù)據(jù) (單位:mg/L)
(2)地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)復(fù)合模糊物元的構(gòu)成。為了進(jìn)行灤河水系地表水質(zhì)量評(píng)價(jià),將不同年度作為評(píng)價(jià)對(duì)象,共有10年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1,所以評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)量為10個(gè);同時(shí)也將地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分類作為評(píng)價(jià)對(duì)象共五類見表2,所以評(píng)價(jià)對(duì)象又增加了5個(gè),評(píng)價(jià)對(duì)象總共15個(gè)。根據(jù)我國地表水環(huán)境質(zhì)量主要污染物標(biāo)準(zhǔn)I類中化學(xué)需氧量為15mg/L,該標(biāo)準(zhǔn)與II類水相同,為了進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià),在評(píng)價(jià)中將I類水化學(xué)需氧量標(biāo)準(zhǔn)定為10mg/L。這樣根據(jù)表1及表2中的數(shù)據(jù)就形成原始指標(biāo)數(shù)據(jù)公式(1)的矩陣。
表2 我國地表水環(huán)境質(zhì)量主要污染物標(biāo)準(zhǔn) (單位:mg/L)
(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)的無量綱化處理。雖然化學(xué)需氧量及氨氮的單位都是相同的,但是這兩個(gè)指標(biāo)的數(shù)量級(jí)別不同,為此,通過公式(2)進(jìn)行無量綱化處理,得到式(3)從優(yōu)隸屬度模糊物元X′ij,具體數(shù)據(jù)見表3。
表3 2007—2016年灤河水系水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)
(4)標(biāo)準(zhǔn)模糊物元及差冪復(fù)合模糊物元的確定。標(biāo)準(zhǔn)模糊物元的確定是從無量綱化處理數(shù)據(jù)中選擇最大值為標(biāo)準(zhǔn)模糊物元數(shù)值
(5)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定。由于采用超標(biāo)加權(quán)法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可以計(jì)算不同類別污染物的平均值,再依據(jù)公式(6)可以計(jì)算不同年度及不同污染物的權(quán)重wij見表3。
(6)復(fù)合模糊物元海明貼近度的確定。根據(jù)公式(9)結(jié)合權(quán)重?cái)?shù)據(jù)wij及差冪復(fù)合模糊物Dij數(shù)據(jù)可以計(jì)算不同年度地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)的貼近度數(shù)據(jù)pj見表3,這里q取1。
從表3評(píng)價(jià)結(jié)果看,2012—2016年灤河水系質(zhì)量模糊物元貼近度均達(dá)到0.8789,期間水質(zhì)達(dá)到II類標(biāo)準(zhǔn);2010年和2011年模糊物元貼近度均達(dá)到0.7659,期間水質(zhì)達(dá)到III類標(biāo)準(zhǔn);2008年和2009年模糊物元貼近度均達(dá)到0.5633,期間水質(zhì)達(dá)到IV類標(biāo)準(zhǔn)。從動(dòng)態(tài)分析該水系地表水的質(zhì)量有變好的態(tài)勢。
通過上述水質(zhì)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建及應(yīng)用,可以看出該模型具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:
(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重能夠根據(jù)污染物的濃度而改變。采用超標(biāo)加權(quán)法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重能夠根據(jù)污染物的濃度而改變,當(dāng)污染物的濃度超標(biāo)時(shí)該指標(biāo)權(quán)重就變大,克服不變權(quán)重缺點(diǎn),無論污染物濃度多高,其權(quán)重不變,不能反映超標(biāo)污染物對(duì)水質(zhì)的影響程度。
(2)能夠全面反映評(píng)價(jià)對(duì)象達(dá)到的級(jí)別。從上面的實(shí)際應(yīng)用可以看出,該評(píng)價(jià)方法不僅計(jì)算出不同類別標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)質(zhì)量模糊物元貼近度,而且還計(jì)算出不同評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊物元貼近度,通過評(píng)價(jià)對(duì)象模糊物元貼近度與標(biāo)準(zhǔn)模糊物元貼近度對(duì)比就可以確定評(píng)價(jià)對(duì)象的級(jí)別。