高麗偉

(北票市西官營水利服務(wù)站，遼寧 北票 122125)

0 引 言

方法和參評指標的合理選取為飲水安全評價的主要內(nèi)容，當前模糊物元法、AHP法、熵權(quán)法等為比較常用的方法，但大部分研究僅僅考慮某幾項或從某個方面對農(nóng)村飲水現(xiàn)狀給予評價，綜合考慮各方面因素的系統(tǒng)研究較少，將GIS技術(shù)應(yīng)用于飲水安全評價的研究還鮮有報道。鑒于此，本文從供水、水質(zhì)和水量3個方面選取供水工程通村率、水資源保證率不達標、飲用苦咸水超標的人口比等12項因子參與評價，將基于各因子值獲取客觀權(quán)重的熵權(quán)法加以改進，結(jié)合主觀性較強的層次分析法更加科學、準確的計算各因子權(quán)重。然后結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)和模糊綜合評價理論，綜合評價了北票市10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)村飲水安全現(xiàn)狀，旨在為解決北票市農(nóng)村飲水安全問題和飲水安全評價提供科學的指導[1-5]。

1 模糊綜合評價模型

1.1 AHP法確定權(quán)重

AHP法可將復(fù)雜的系統(tǒng)性問題依據(jù)一定的原則進行分解，通過對評價樣本各要素的分析監(jiān)理相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，邀請領(lǐng)域內(nèi)的專家對各要素重要程度給予定量的賦值，由此監(jiān)理模糊數(shù)學模型計算各指標權(quán)重，最終實現(xiàn)多因素、多層次復(fù)雜問題的定量化處理，對于復(fù)雜的模糊性問題具有較強的適用性。

1.2 改進熵權(quán)法計算權(quán)重

步驟一：構(gòu)造判斷矩陣。設(shè)農(nóng)村飲水安全評價共m個樣本，參評指標數(shù)有n個，依據(jù)專家意見和標度準則構(gòu)造判斷矩陣為：

R=(rki)m×n

(1)

式中：rki為第評價指標i關(guān)于評價樣本k的數(shù)值。

步驟二：歸一化處理判斷矩陣。采用歸一化處理公式將各指標數(shù)據(jù)處理至0-1范圍，由此得到標準化判斷矩陣，即：

B=(bki)m×n

(2)

式中：bki為歸一化處理后的各參數(shù)值。

根據(jù)各指標內(nèi)涵特征分為越大越優(yōu)型與越小越優(yōu)型兩類指標，對于評價值越大則飲水安全水平越高型指標，其歸一化處理公式如下：

(3)

對于評價值越小則飲水安全水平越高型指標，其歸一化處理公式如下：

(4)

步驟三：各指標熵的確定。根據(jù)飲水安全各參數(shù)熵值的定義，采用下式計算各評價因子的熵，即：

H=(hi)1×n

(5)

步驟四：各因子熵權(quán)的確定。根據(jù)以上權(quán)重和熵值計算結(jié)果，對農(nóng)村飲水安全各指標熵權(quán)利用下式計算，其表達式為：

(6)

步驟五：改進的熵權(quán)法。采用以上公式獲取的各元素初始權(quán)重相互獨立，對于信息熵所反映的各元素之間的一致性關(guān)系無法體現(xiàn)，對此采用模糊互補判斷矩陣加以改進，由此建立新的矩陣D，即：

D=(dijn×n)

(7)

式中：dij為飲水安全評價因子i關(guān)于j的優(yōu)先關(guān)系系數(shù)，dij值介于0-1之間，且滿足條件dij+dji=1。評價因子i對j的優(yōu)先關(guān)系包括等優(yōu)、i優(yōu)于j、i劣于j三種情況，相應(yīng)的的dij值取0.5、>0.5、<0.5。

為保證評價結(jié)果的可靠性和可信度，還需要對互補矩陣D還利用下式進行一致性檢驗，計算式如下：

(8)

若ρ值等于0，則表示互補矩陣各因子值完全滿足一致性要求。然而，由于飲水安全評價系統(tǒng)涉及到的范圍廣、因素較多，各因素之間具有一定的模糊性、隨機性和復(fù)雜性，所以在實際應(yīng)用過程必須檢驗矩陣D的一致性。具體為：設(shè)一致性檢驗的某一閾值為ε，在ρ<ε的情況下，認為矩陣D的一致性滿足要求，確定的各因子權(quán)重能夠用于評價分析；否則，需要對矩陣進行修正，重復(fù)以上步驟直至滿足檢驗要求。

1.3 組合權(quán)重的確定

AHP層次分析法是以標度準則和人的主觀判斷為依據(jù)構(gòu)造判斷矩陣，經(jīng)一致性健全確定各因子權(quán)重，所以該方法存在較強的主觀隨意性，個人偏好和知識經(jīng)驗的不同可能導致賦權(quán)結(jié)果存在較大偏差；依據(jù)各參數(shù)具體數(shù)值構(gòu)造判斷矩陣的改進熵拳法，確定的各因子權(quán)重存在較強的客觀性。據(jù)此，本文考慮將以上兩個方法相耦合，綜合考慮評價對象的客觀性和專家賦權(quán)的主觀性確定各因子組合權(quán)重，由此提高權(quán)重計算的合理性、準確性。將改進的熵權(quán)法和AHP法確定的各因子權(quán)重值進行乘積運算，通過歸一化處理獲取各因子組合權(quán)重，即：W=(wi)1×n。

1.4 模糊綜合評價法

對各評價指標標準化值利用半梯形分布函數(shù)計算，結(jié)合各項參數(shù)內(nèi)涵分為越大越優(yōu)和越小越優(yōu)型兩大類。經(jīng)標準化處理構(gòu)成農(nóng)村飲水安全模糊評價矩陣，表達式為：

X=(xij)n×g

(9)

式中：n、g為分別為飲水安全評價的指標個數(shù)和評價等級數(shù)。

采用模糊綜合計算公式，確定研究區(qū)飲水安全等級及其所處的狀態(tài)，結(jié)果為：

CV=(wi)1×n(xij)n×g(Gj)g×1

(10)

式中：Gj為不同評價等級下所對應(yīng)的量化評語集。

根據(jù)各評價等級標準和綜合指標值計算結(jié)果，即可獲取研究區(qū)飲水安全所處的狀態(tài)及其對應(yīng)的評語集。

2 實例應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

北票市位于亞沿海地區(qū)，介于N41°20′和42°30′，E120°16′-121°20′之間，下轄7個街道和7個城鎮(zhèn)，總面積4469km2。地勢特征為中間低、四周高，地形以低山丘陵為主，有“七山一水二分田”之稱。該區(qū)域為大陸性季風氣候，年均氣溫8.6℃，年均降水量509mm，境內(nèi)多季節(jié)性河流，有牤牛河、大凌河、西官營河、黑城子河、馬友營河、柳河等支流，各支流與主流程近似直交或直交格網(wǎng)水系，與次一級構(gòu)造平衡[6]。

據(jù)統(tǒng)計，截止2019年末，北票市農(nóng)村地區(qū)約18%的人口處于不安全狀態(tài)，其中，大部分飲水工程修建時間較長，一直以來供水設(shè)備老化、供水管網(wǎng)腐蝕、周邊環(huán)境污染等問題突出，加之農(nóng)村消毒、過濾、凈化等設(shè)備的缺乏，飲用水供給能力和水質(zhì)狀況不斷下降，非常有必要綜合評價北票市農(nóng)村飲水狀況[7-8]。目前北票市氟超標和苦咸水占總?cè)丝诘谋壤謩e為39%、12%，嚴重污染地表水與地下水的飲用人口比例為42%、9%，水量不達標人口比例7%，水源保證率不達標人口比例為44%，現(xiàn)狀集中供水工程人均供水量60L/d，飲水方便程度不達標人口比例4%。截止到目前為止，共建成農(nóng)村飲水工程868處，解決了30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)241個村981個村組的20.86萬人的飲水不安全問題，集中供水受益人口占總?cè)丝诒壤?%。其中，解決了20所學校飲水不安全問題，受益師生0.3208萬人；將7處供水工程分別配套了7套消毒設(shè)備，受益人口0.7698萬人。工程的水源類型為地下水，自來水普及率達到54.9%，各級資金累計投入21072.6萬元。20m3/d

2.2 農(nóng)村飲水安全評價體系

評價指標的選取遵循層次性、可操作性、代表性和科學性等原則，考慮北票市農(nóng)村飲用水實際情況及衛(wèi)生部、水利部制定的相關(guān)標準，從供水、水量與水質(zhì)3個方面選擇典型的12項制約因子，從而構(gòu)建以農(nóng)村飲水安全為目標的綜合評價體系如表1所示。

表1 北票市農(nóng)村飲水安全評價體系

根據(jù)北票市飲水安全標準和已有相關(guān)研究資料，將安全評價等級劃分為5個級別，Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級，所對應(yīng)的評語為不安全、較不安全、基本安全、較安全和安全，相應(yīng)的綜合評價值為[0,40)、[40,60)、[60,80)、[80,90)、[90,100)。

2.3 AHP法計算權(quán)重

步驟一：判斷矩陣的構(gòu)造。AHP法計算權(quán)重的關(guān)鍵是準確、合理的建立判斷矩陣，結(jié)合專家意見和1-9標度準則比較分析各要素間的相對重要性，由此構(gòu)建各評價因子的判斷矩陣。綜合評價體系中各層級之間的判斷矩陣如下：

步驟二：單排序、總排序及一致性檢驗。根據(jù)各要素之間的重要性判別結(jié)果確定p8-p12對準則層C3、p5-p7對準則層C2、p1-p4對準則層C1、準則層C對目標層A的權(quán)重，結(jié)果如下：

WCT=(0.32,0.20,0.48)；

WPC1=(0.32,0.32,0.21,0.15)

WPC2=(0.30,0.20,0.50)；

WPC3=(0.13,0.18,0.25,0.12,0.32)

關(guān)于同一評價因子不同專家的賦分難免會存在差異，為確保飲水安全評價的可靠性必須對檢驗判斷矩陣的一致性。采用隨機一致性比率檢驗矩陣的一致性，比率值為0.045、0.025、0.047、0.042，均小于0.1，由此表明所構(gòu)造的矩陣能夠滿足一致性要求。對各參數(shù)相對于目標層的權(quán)重進行計算，最終獲取各因子的權(quán)重為：WA=(0.10,0.10,0.07,0.05,0.05,0.04,0.10,0.07，0.08,0.12,0.06,0.15)，采用隨機一致性比率對層次總排序進行檢驗，其值為0.036<0.1，由此表明確定的各因子權(quán)重能夠用于飲水安全評價。

2.4 改進熵權(quán)法計算權(quán)重

選取北票市10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的飲水安全現(xiàn)狀為評價樣本，由此可構(gòu)建包含10個評價樣本和12項評價因子的判斷矩陣R10×12，采用歸一化公式獲取標準矩陣B10×12。

然后對各評價因子客觀權(quán)重利用公式(5)、(6)計算，結(jié)果為：WE=(0.08,0.05,0.090.07，0.11,0.05,0.06,0.06,0.15,0.13,0.08,0.10)。為判斷向量WE能否被接受，需要檢驗各因子一致性。采用文中所述方法建立飲水安全評價模糊互補矩陣為：

對矩陣D的一致性ρ值利用公式(7)求解，其值為0.005遠遠小于設(shè)定的閾值0.1，因此矩陣D滿足一致性要求，由此確定的各評價因子權(quán)重能夠滿足科學合理性要求，可用于飲水安全評價。

2.5 組合權(quán)重

將改進熵權(quán)法和AHP法計算獲取的各評價因子權(quán)值進行乘積運算，經(jīng)歸一化處理獲取各參數(shù)最終的組合權(quán)重W=(0.10,0.07,0.05,0.03,0.08,0.02,0.07,0.05,0.14,0.17,0.06,0.15)，同理可確定準則層各因子權(quán)重為：

W1=(0.41,0.27,0.22,0.10);W2=(0.48,0.10,0.42);W3=(0.07,0.25,0.32,0.08,0.27)

2.6 飲水安全評價分析

根據(jù)北票市政府工作報告、水資源公報、農(nóng)村飲水調(diào)查統(tǒng)計等相關(guān)資料，結(jié)合農(nóng)村飲水現(xiàn)狀獲取待評價樣本各因子初始值，結(jié)果見表2。

表2 北票市農(nóng)村飲水安全評價初始數(shù)據(jù)

然后將模糊評價矩陣利用公式(9)確定，然后對各樣本綜合評價值，并利用公式(10)計算，依據(jù)評價等級和評語集區(qū)間確定北票市農(nóng)村飲水安全狀態(tài)。標記1、2、3分別為改進熵權(quán)法模糊物元、AHP法模糊數(shù)學法和組合權(quán)重綜合評價模型計算確定的評價結(jié)果，如表3所示。

表3 北票市農(nóng)村飲水安全評價結(jié)果

從表2可知：北票市農(nóng)村飲水狀況整體處于不安全水平，水質(zhì)、水量分別處于不安全和安全狀態(tài)，該區(qū)域飲水安全綜合評價和供水達到基本安全狀態(tài)，水質(zhì)子系統(tǒng)中p1因子最差，其次為p2因子，均處于Ⅳ級；水量和供水子系統(tǒng)中p5、p8因子最差，分別達到Ⅳ級和Ⅳ級，p2參數(shù)也處于較差水平。根據(jù)農(nóng)村地區(qū)飲水現(xiàn)狀，北票市大部分地區(qū)不存在顯著污染地下水的因子，且該區(qū)域并非大工業(yè)和化工等高污染企業(yè)集中地，地下水為該地區(qū)飲水水源，水污染較輕但存在苦咸水、高鹽水及原生性高氟水等質(zhì)量問題；同時，由于污水處理不到表和取水方式落后等條件限制，較其他地區(qū)北票市農(nóng)村飲水水質(zhì)相對較差。全市范圍內(nèi)廣泛存在淺層水井，取水容易且埋深交錢，相對而言水量比較豐富。綜上分析，本文評價結(jié)果能夠較為客觀、真實的反映北票市農(nóng)村飲水現(xiàn)狀[9]。

地區(qū)飲水不安全狀態(tài)和不安全因素差異性具有較好的一致性，供水、水量和水質(zhì)3項因素在飲水安全評價中存在較大的差異，尤其是供水和水質(zhì)狀況整體存在較差狀態(tài)，相對來說水量短缺問題不明顯[10]。參評的鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，東部區(qū)域的供水和水質(zhì)處于不安全狀態(tài)，而南部地區(qū)的水量和水質(zhì)基本達到安全水平，其他地區(qū)的水質(zhì)和供水總體處于較不安全和不安全水平。

3 結(jié) 論

1) 將基于各因子值獲取權(quán)重的傳統(tǒng)熵權(quán)法加以改進，結(jié)合主觀性較強的AHP法更加科學、準確的計算各因子權(quán)重。對北票市農(nóng)村飲水安全狀況利用模糊綜合評價模型和各因子組合權(quán)重進行科學評價，并驗證了該模型的可靠性和精度。

2) 實例表明，北票市農(nóng)村飲水安全整體處于Ⅲ級不安全水平，在水質(zhì)、水量、供水和綜合評價的層面，該區(qū)域飲水安全處于不安全、安全、基本安全和基本安全狀態(tài)，該模型具有結(jié)果可靠、簡便實用等優(yōu)點，可為區(qū)域飲水安全評價和水污染治理規(guī)劃提供一定指導作用。