高麗偉

(北票市西官營(yíng)水利服務(wù)站，遼寧 北票 122125)

0 引 言

方法和參評(píng)指標(biāo)的合理選取為飲水安全評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容，當(dāng)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?jī)H僅考慮某幾項(xiàng)或從某個(gè)方面對(duì)農(nóng)村飲水現(xiàn)狀給予評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)的研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，本文從供水、水質(zhì)和水量3個(gè)方面選取供水工程通村率、水資源保證率不達(dá)標(biāo)、飲用苦咸水超標(biāo)的人口比等12項(xiàng)因子參與評(píng)價(jià)，將基于各因子值獲取客觀權(quán)重的熵權(quán)法加以改進(jìn)，結(jié)合主觀性較強(qiáng)的層次分析法更加科學(xué)、準(zhǔn)確的計(jì)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(píng)價(jià)理論，綜合評(píng)價(jià)了北票市10個(gè)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(wèn)題和飲水安全評(píng)價(jià)提供科學(xué)的指導(dǎo)[1-5]。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

1.1 AHP法確定權(quán)重

AHP法可將復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題依據(jù)一定的原則進(jìn)行分解，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)樣本各要素的分析監(jiān)理相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，邀請(qǐng)領(lǐng)域內(nèi)的專家對(duì)各要素重要程度給予定量的賦值，由此監(jiān)理模糊數(shù)學(xué)模型計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，最終實(shí)現(xiàn)多因素、多層次復(fù)雜問(wèn)題的定量化處理，對(duì)于復(fù)雜的模糊性問(wèn)題具有較強(qiáng)的適用性。

1.2 改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重

步驟一：構(gòu)造判斷矩陣。設(shè)農(nóng)村飲水安全評(píng)價(jià)共m個(gè)樣本，參評(píng)指標(biāo)數(shù)有n個(gè)，依據(jù)專家意見和標(biāo)度準(zhǔn)則構(gòu)造判斷矩陣為：

R=(rki)m×n

(1)

式中：rki為第評(píng)價(jià)指標(biāo)i關(guān)于評(píng)價(jià)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(biāo)數(shù)據(jù)處理至0-1范圍，由此得到標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)內(nèi)涵特征分為越大越優(yōu)型與越小越優(yōu)型兩類指標(biāo)，對(duì)于評(píng)價(jià)值越大則飲水安全水平越高型指標(biāo)，其歸一化處理公式如下：

(3)

對(duì)于評(píng)價(jià)值越小則飲水安全水平越高型指標(biāo)，其歸一化處理公式如下：

(4)

步驟三：各指標(biāo)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(jì)算各評(píng)價(jià)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(jì)算結(jié)果，對(duì)農(nóng)村飲水安全各指標(biāo)熵權(quán)利用下式計(jì)算，其表達(dá)式為：

(6)

步驟五：改進(jìn)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(dú)立，對(duì)于信息熵所反映的各元素之間的一致性關(guān)系無(wú)法體現(xiàn)，對(duì)此采用模糊互補(bǔ)判斷矩陣加以改進(jìn)，由此建立新的矩陣D，即：

D=(dijn×n)

(7)

式中：dij為飲水安全評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)因子i對(duì)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(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和可信度，還需要對(duì)互補(bǔ)矩陣D還利用下式進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算式如下：

(8)

若ρ值等于0，則表示互補(bǔ)矩陣各因子值完全滿足一致性要求。然而，由于飲水安全評(píng)價(jià)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(jī)性和復(fù)雜性，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程必須檢驗(yàn)矩陣D的一致性。具體為：設(shè)一致性檢驗(yàn)的某一閾值為ε，在ρ<ε的情況下，認(rèn)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(píng)價(jià)分析；否則，需要對(duì)矩陣進(jìn)行修正，重復(fù)以上步驟直至滿足檢驗(yàn)要求。

1.3 組合權(quán)重的確定

AHP層次分析法是以標(biāo)度準(zhǔn)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(qiáng)的主觀隨意性，個(gè)人偏好和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的不同可能導(dǎo)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(jìn)熵拳法，確定的各因子權(quán)重存在較強(qiáng)的客觀性。據(jù)此，本文考慮將以上兩個(gè)方法相耦合，綜合考慮評(píng)價(jià)對(duì)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(jì)算的合理性、準(zhǔn)確性。將改進(jìn)的熵權(quán)法和AHP法確定的各因子權(quán)重值進(jìn)行乘積運(yùn)算，通過(guò)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(píng)價(jià)法

對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值利用半梯形分布函數(shù)計(jì)算，結(jié)合各項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)化處理構(gòu)成農(nóng)村飲水安全模糊評(píng)價(jià)矩陣，表達(dá)式為：

X=(xij)n×g

(9)

式中：n、g為分別為飲水安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)個(gè)數(shù)和評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)。

采用模糊綜合計(jì)算公式，確定研究區(qū)飲水安全等級(jí)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(píng)價(jià)等級(jí)下所對(duì)應(yīng)的量化評(píng)語(yǔ)集。

根據(jù)各評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和綜合指標(biāo)值計(jì)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(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)集。

2 實(shí)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(gè)街道和7個(gè)城鎮(zhèn)，總面積4469km2。地勢(shì)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?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)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(yíng)河、黑城子河、馬友營(yíng)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(jí)構(gòu)造平衡[6]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(shí)間較長(zhǎng)，一直以來(lái)供水設(shè)備老化、供水管網(wǎng)腐蝕、周邊環(huán)境污染等問(wèn)題突出，加之農(nóng)村消毒、過(guò)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(píng)價(jià)北票市農(nóng)村飲水狀況[7-8]。目前北票市氟超標(biāo)和苦咸水占總?cè)丝诘谋壤謩e為39%、12%，嚴(yán)重污染地表水與地下水的飲用人口比例為42%、9%，水量不達(dá)標(biāo)人口比例7%，水源保證率不達(dá)標(biāo)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(dá)標(biāo)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)241個(gè)村981個(gè)村組的20.86萬(wàn)人的飲水不安全問(wèn)題，集中供水受益人口占總?cè)丝诒壤?%。其中，解決了20所學(xué)校飲水不安全問(wèn)題，受益師生0.3208萬(wàn)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(wàn)人。工程的水源類型為地下水，自來(lái)水普及率達(dá)到54.9%，各級(jí)資金累計(jì)投入21072.6萬(wàn)元。20m3/d

2.2 農(nóng)村飲水安全評(píng)價(jià)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取遵循層次性、可操作性、代表性和科學(xué)性等原則，考慮北票市農(nóng)村飲用水實(shí)際情況及衛(wèi)生部、水利部制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從供水、水量與水質(zhì)3個(gè)方面選擇典型的12項(xiàng)制約因子，從而構(gòu)建以農(nóng)村飲水安全為目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)體系如表1所示。

表1 北票市農(nóng)村飲水安全評(píng)價(jià)體系

根據(jù)北票市飲水安全標(biāo)準(zhǔn)和已有相關(guān)研究資料，將安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為5個(gè)級(jí)別，Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅰ級(jí)，所對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)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(píng)價(jià)值為[0,40)、[40,60)、[60,80)、[80,90)、[90,100)。

2.3 AHP法計(jì)算權(quán)重

步驟一：判斷矩陣的構(gòu)造。AHP法計(jì)算權(quán)重的關(guān)鍵是準(zhǔn)確、合理的建立判斷矩陣，結(jié)合專家意見和1-9標(biāo)度準(zhǔn)則比較分析各要素間的相對(duì)重要性，由此構(gòu)建各評(píng)價(jià)因子的判斷矩陣。綜合評(píng)價(jià)體系中各層級(jí)之間的判斷矩陣如下：

步驟二：?jiǎn)闻判?、總排序及一致性檢驗(yàn)。根據(jù)各要素之間的重要性判別結(jié)果確定p8-p12對(duì)準(zhǔn)則層C3、p5-p7對(duì)準(zhǔn)則層C2、p1-p4對(duì)準(zhǔn)則層C1、準(zhǔn)則層C對(duì)目標(biāo)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(píng)價(jià)因子不同專家的賦分難免會(huì)存在差異，為確保飲水安全評(píng)價(jià)的可靠性必須對(duì)檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性。采用隨機(jī)一致性比率檢驗(yàn)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(duì)各參數(shù)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重進(jìn)行計(jì)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(jī)一致性比率對(duì)層次總排序進(jìn)行檢驗(yàn)，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(píng)價(jià)。

2.4 改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重

選取北票市10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的飲水安全現(xiàn)狀為評(píng)價(jià)樣本，由此可構(gòu)建包含10個(gè)評(píng)價(jià)樣本和12項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的判斷矩陣R10×12，采用歸一化公式獲取標(biāo)準(zhǔn)矩陣B10×12。

然后對(duì)各評(píng)價(jià)因子客觀權(quán)重利用公式(5)、(6)計(jì)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(yàn)各因子一致性。采用文中所述方法建立飲水安全評(píng)價(jià)模糊互補(bǔ)矩陣為：

對(duì)矩陣D的一致性ρ值利用公式(7)求解，其值為0.005遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(píng)價(jià)因子權(quán)重能夠滿足科學(xué)合理性要求，可用于飲水安全評(píng)價(jià)。

2.5 組合權(quán)重

將改進(jìn)熵權(quán)法和AHP法計(jì)算獲取的各評(píng)價(jià)因子權(quán)值進(jìn)行乘積運(yùn)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(zhǔn)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(píng)價(jià)分析

根據(jù)北票市政府工作報(bào)告、水資源公報(bào)、農(nóng)村飲水調(diào)查統(tǒng)計(jì)等相關(guān)資料，結(jié)合農(nóng)村飲水現(xiàn)狀獲取待評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)初始數(shù)據(jù)

然后將模糊評(píng)價(jià)矩陣?yán)霉?9)確定，然后對(duì)各樣本綜合評(píng)價(jià)值，并利用公式(10)計(jì)算，依據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)和評(píng)語(yǔ)集區(qū)間確定北票市農(nóng)村飲水安全狀態(tài)。標(biāo)記1、2、3分別為改進(jìn)熵權(quán)法模糊物元、AHP法模糊數(shù)學(xué)法和組合權(quán)重綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算確定的評(píng)價(jià)結(jié)果，如表3所示。

表3 北票市農(nóng)村飲水安全評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)和供水達(dá)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(jí)；水量和供水子系統(tǒng)中p5、p8因子最差，分別達(dá)到Ⅳ級(jí)和Ⅳ級(jí)，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(wèn)題；同時(shí)，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(duì)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(duì)而言水量比較豐富。綜上分析，本文評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較為客觀、真實(shí)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(xiàng)因素在飲水安全評(píng)價(jià)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(duì)來(lái)說(shuō)水量短缺問(wèn)題不明顯[10]。參評(píng)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(dá)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(jìn)，結(jié)合主觀性較強(qiáng)的AHP法更加科學(xué)、準(zhǔn)確的計(jì)算各因子權(quán)重。對(duì)北票市農(nóng)村飲水安全狀況利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型和各因子組合權(quán)重進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，并驗(yàn)證了該模型的可靠性和精度。

2) 實(shí)例表明，北票市農(nóng)村飲水安全整體處于Ⅲ級(jí)不安全水平，在水質(zhì)、水量、供水和綜合評(píng)價(jià)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(jiǎn)便實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，可為區(qū)域飲水安全評(píng)價(jià)和水污染治理規(guī)劃提供一定指導(dǎo)作用。