王冬至 梁建輝

摘要基于層次分析法（AHP）建立了阿克蘇市地下水環(huán)境質(zhì)量評價模型，以阿克蘇市16個水位監(jiān)測井的水樣數(shù)據(jù)為基礎，對地下水環(huán)境質(zhì)量的評價結果表明，水樣中達Ⅲ類水質(zhì)標準的占81.25%，其中優(yōu)良和良好的水質(zhì)占43.75%，而極差和較差的水質(zhì)有18.75%。通過與F值評分法結果對比發(fā)現(xiàn)，層次分析法由于采用了變化的權重對評價因子進行處理，同時綜合考慮了全部評價因子對水質(zhì)的貢獻與因子間的相互聯(lián)系，因而能更全面有效地利用水樣的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使評價結果比較符合實際的水質(zhì)狀況，為使評價結果更科學客觀地反映出水體的實際情況，應根據(jù)實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)與評價目的合理地選擇評價方法。

關鍵詞地下水；水質(zhì)；層次分析法；F值評分法

中圖分類號X824文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）08-0080-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.08.021

AbstractBased on the analytic hierarchy process （AHP），the groundwater environmental quality evaluation model of Aksu City was established.Based on the data of 16 water level monitoring wells in Aksu City，the groundwater environmental quality evaluation results showed that 81.25% of the groundwater samples reached Class III water quality standard，among which 43.75% were good.And poor water quality was 18.75%. By comparing with the results of Fvalue scoring method，it was found that the AHP can make more comprehensive and effective use of the monitoring data of water samples and make the evaluation results more realistic because it adopted variable weights to deal with the evaluation factors and took into account the contribution of all the evaluation factors to water quality and the relationship between the factors.In order to reflect the actual situation of water body more scientifically and objectively，the evaluation method should be selected reasonably according to the actual monitoring data and the purpose of evaluation.

Key wordsGroundwater；Water quality；Analytic hierarchy process；F score method

地下水作為水循環(huán)系統(tǒng)中的重要構成成分，通常是水質(zhì)較好、水源穩(wěn)定的供水水源[1]，因此地下水的合理開發(fā)與利用是灌溉水資源的重要來源，更是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，而水資源可持續(xù)開發(fā)利用的前提是水環(huán)境質(zhì)量的定量化客觀評價，這也是環(huán)境管理與決策的依據(jù)。目前，在水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價中應用較多的主要有單因子評價法[2]、F值評價法[3]、層次分析法[4]、模糊綜合評價法[5]、灰色關聯(lián)評價法[6]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡法[7]及綜合污染標識指數(shù)法[8]等。其中，層次分析法，簡稱AHP法，該方法的特點是通過把問題進行層次化分解，首先將問題分解成若干子系統(tǒng)，按目標層、準則層和方案層建立一個層次結構模型，然后通過判斷矩陣的建立與一致性檢驗得到各層的權重，再根據(jù)權重值確定最終排序，該方法與其他評價方法相比具有較好的邏輯性、系統(tǒng)性和準確性[4，9-10]。筆者采用層次分析法對阿克蘇市16個觀測井的地下水水質(zhì)進行評價，并通過與普遍采用的F 值評分法評價結果進行對比，分析不同方法的優(yōu)缺點，以期為該市地下水資源合理開發(fā)與利用提供參考。

1層次分析法

層次分析法是一種層次化與系統(tǒng)化相結合的多目標決策分析方法，該方法基本思路為先按評價目的和問題的性質(zhì)將各因素分解成階梯狀層次結構，對各層不同因素進行兩兩比較，構造出判斷矩陣和一致性檢驗，再計算各層元素對目標的合成權重，最后進行總排序，確定最下層中的各元素在總目標中的重要程度[11]。

1.1構建層次結構模型將地下水水質(zhì)作為層次分析的目標層（A），將水質(zhì)類別（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類）作為準則層（Bi），將水樣監(jiān)測指標pH、總硬度、總溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸鹽、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)作為方案層（Ci），根據(jù)這3個層次建立阿克蘇市地下水水質(zhì)層次結構模型（圖1）。

1.2構造判斷矩陣判斷矩陣構造之前，應先明確各個參評因子的標度，標度的確認順序是從層次結構模型圖的最底層由下至上[12]，即在遞階層次結構模型建立之后，假定以上一層次的元素Bi作為準則，而且對下一層次的元素C1，C2，…，Cn有支配關系，則對于Bi的2個元素Ci和Cj哪個更重要，重要程度則以數(shù)量表示出來，然后由這些數(shù)值作為矩陣中的元素，最后構成兩兩元素判別矩陣。

1.3判斷矩陣一致性檢驗檢驗判斷矩陣的一致性，是為能夠反映出判斷矩陣構造的合理性，首先要計算出判斷矩陣的特征值與特征向量，然后再對判斷矩陣進行一致性檢驗，計算公式為[9]：

CI=λmax-nn-1（1）

式中，CI為一致性檢驗指標；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為判斷矩陣的階數(shù)。

檢驗隨機一致性比率計算公式為：

CR=CIRI（2）

式中，CR為隨機一致性比率，當CR<0.10時，則認為判斷矩陣滿足一致性，否則應對判斷矩陣進行修正，直到滿足一致性要求；RI為平均隨機一致性指標。

2結果與分析

根據(jù)阿克蘇市16個觀測井的水樣數(shù)據(jù)，選取pH、總硬度、總溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸鹽、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)共8項評價指標，采用層次分析法和F值法對地下水水質(zhì)進行評價，各觀測點實測數(shù)據(jù)如表1所示。

2.1構造判斷矩陣與一致性檢驗

2.1.1構造（A-B）判斷矩陣與一致性檢驗。以1號觀測井為例，通過采用指數(shù)標度方法進行兩兩比較，確定各影響因子的相對重要性并賦于標度值[12]，構造水質(zhì)與水質(zhì)類別的判斷矩陣A-Bi（目標層-準則層），如表2所示。

經(jīng)計算判斷矩陣A-B的最大特征值λmax=5.049 8，由公式（1）計算可得CI=（5.049 8-5）/（5-1）=0.012 45，由公式（2）計算得到CR=0.012 45/1.26=0.011 1，CR<0.10，因此矩陣A-B滿足一致性要求。

2.1.2構造（Bi-C）判斷矩陣與一致性檢驗。用評價因子水質(zhì)類別與其對應的各個指標因子構造各水質(zhì)類別的兩兩比較判斷矩陣（Bi-C），如表3～7所示。

經(jīng)計算，各矩陣隨機一致性比率CR均小于0.10，具有滿意的一致性。

2.2確定水質(zhì)類別總排序先對計算出的每一個評價因子相對于總目標水質(zhì)評價的權重值進行層次總排序，再計算各層次所有因子對總目標相對重要性的層次權值，其1號觀測井水質(zhì)指標的總排序結果見表8。

同理可得到2～16號觀測井的各監(jiān)測指標相對于水質(zhì)的權值和總排序，具體結果見表9。從表中可以看出，在2～16號水質(zhì)指標層次總排序中，前6項水質(zhì)指標的排序均相同，權值從大到小分別為pH、總硬度、總溶解性固形物、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和硫酸鹽，而水質(zhì)指標氟化物和氯化物的權值在所有水樣中均排第7或第8位。從各水質(zhì)指標權值上看，指標權值越大表明此指標對水質(zhì)的影響越大，在所有水樣的指標權值中，pH、總硬度和總溶解性固形物的權值明顯大于其他指標權值，說明在所有采樣點中，pH、總硬度和總溶解性固形物含量對水質(zhì)的影響最大，需優(yōu)先控制該指標。

從2種評價方法的結果中可發(fā)現(xiàn)，層次分析法結果中極差與較差的3處正好對應于F值評分法結果中的3處Ⅲ類水質(zhì)，對這3處水樣的水質(zhì)指標進一步分析發(fā)現(xiàn)，該3處水樣中的總硬度、總溶解性固形物和硫酸鹽明顯高于其他水樣，而且在層次分析法中，在確定權值時突出了pH、總硬度及總溶解性固形物對水質(zhì)評價的貢獻，而弱化了其他評價因子的影響，同時，在進行地下水質(zhì)量評價的分析過程中，將專家打分法與層次分析法相結合，將人為主觀判定與理性約束相結合，可使得地下水評價結果更符合水質(zhì)實際情況，因此，層次分析法結果中含有Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì)，而F值評價法盡管利用綜合評分值，按單項指標所對應的分級標準確定水質(zhì)類別，評價結果可以反映出水質(zhì)整體狀況，但此方法由于在單項指標上級別分類分明的局限，導致在評價結果中更加凸顯了超標污染指標的級別，而且評價結果不連續(xù)，如表9中所示，F(xiàn)值評分法評價結果只有Ⅱ類和Ⅲ類，而缺少Ⅰ類、Ⅳ類和Ⅴ類。

3結論

利用阿克蘇市16處監(jiān)測井的水樣數(shù)據(jù)，采用層次分析法對該市地下水水質(zhì)進行評價，結果表明，水樣中達Ⅲ類水質(zhì)標準的占81.25%，其中優(yōu)良和良好的水質(zhì)占43.75%，而極差和較差的水質(zhì)有18.75%，超過了國家地下水質(zhì)量標準的Ⅲ類水標準[16]，將層次分析法評價結果與F值評分法評價結果進行比較發(fā)現(xiàn)，層次分析法結果中水質(zhì)類別超標的3處正好與F值評分法評價結果中水質(zhì)類別最高的3處（Ⅲ類）相對應，而且F值評分法結果中所有水樣均滿足國家地下水質(zhì)量標準的Ⅲ類水標準，這主要是因為該方法按單項指標所對應的分級標準，利用綜合評分值確定水質(zhì)類別，但評價結果不連續(xù)，缺少Ⅰ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì)，而層次分析法因為利用專家打分與層次分析相結合的方法，采用了變化的權重對評價因子進行處理，同時綜合考慮了全部評價因子對水質(zhì)的貢獻與因子間的相互聯(lián)系，因此能比較全面地反映出水環(huán)境質(zhì)量的綜合狀況，使評價結果與實際更為符合，更具實用性。

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