汪 晶

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

大連市在近些年來通過排污口治理、河道生態(tài)治理以及生態(tài)修復(fù)等工程措施，在對河道進行防洪能力、輸水能力提升的同時，也使河流水生態(tài)環(huán)境狀況得到一定程度的改善[1-3]。但是河流生態(tài)環(huán)境形勢還未得到明顯好轉(zhuǎn)，部分區(qū)域河流水環(huán)境狀況較差，水功能區(qū)水質(zhì)很難達到標(biāo)準(zhǔn)要求，水體凈化功能受到不同程度的影響，水質(zhì)污染狀況時有發(fā)生。河道擠占、河湖四亂現(xiàn)象還需要加大治理措施[4-5]。隨著近些年來大連地區(qū)城市用水資源量的不斷提高，水資源開發(fā)程度不斷加劇，且受到區(qū)域氣候和生態(tài)環(huán)境影響區(qū)域用水量呈逐步遞減的變化趨勢，大連地區(qū)的水資源供需很難得到有效平衡，開展大連市水環(huán)境質(zhì)量綜合評價對全市水環(huán)境系統(tǒng)的恢復(fù)具有重要意義[6-8]。近些年來，層次分析方法在許多區(qū)域水環(huán)境綜合評價中得到應(yīng)用[9-15]，該方法成果對河流水質(zhì)綜合評價中權(quán)重設(shè)置過于主觀、水質(zhì)目標(biāo)相對較為單一以及不能考慮各水質(zhì)指標(biāo)影響因素的局限。但是傳統(tǒng)層次分析方法采用九標(biāo)度法對指標(biāo)判定矩陣進行設(shè)置，也存在主觀程度過高的問題，使得一些評價結(jié)果很難滿足一致性檢驗的要求，若指標(biāo)判定矩陣不能通過一致性檢驗，則需要對判定矩陣進行重新構(gòu)建和計算，計算工作量較大。為有效避免此類局限，本文結(jié)合實測水質(zhì)指標(biāo)濃度以及對應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建各評價指標(biāo)的判定矩陣，再將各評價因子濃度及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級濃度之間的差值的倒數(shù)作為標(biāo)識度構(gòu)建判定矩陣，從而對傳統(tǒng)層次分析方法進行改進，將改進的層次分析方法用于大連地區(qū)大沙河流域的水質(zhì)綜合評價，分析改進前后評價效果，研究成果對于區(qū)域水質(zhì)綜合評價方法具有參考意義。

1 改進層次分析方法計算步驟

(1)首先確定區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量作為綜合評價的目標(biāo)層(A)，各水質(zhì)指標(biāo)作為準(zhǔn)則(Bi)，方案層(Ci)為各類水質(zhì)等級，建立模型評價的層次結(jié)構(gòu)。

(2)計算評定均值各指標(biāo)的特征值。對不同指標(biāo)之間和要素之間的映射關(guān)系進行分析，可以基于該標(biāo)準(zhǔn)對不同類別指標(biāo)進行判定矩陣的構(gòu)建。假定不同指標(biāo)間的判定矩陣為(aij)n×n>0，構(gòu)建的判定矩陣特征值采用近似方法進行計算，計算主要方法為：

計算矩陣各行各元素乘積：

(1)

對特征方根進行計算：

(2)

(3)

對兩兩指標(biāo)判定矩陣特征最大值λmax進行計算：

(4)

(3)對各指標(biāo)判定均值進行一致性檢驗特征值進行計算：

(5)

當(dāng)計算指標(biāo)低于2個時，判定矩陣具有一致性；當(dāng)計算指標(biāo)高于2個時，矩陣存在一定的隨機程度。當(dāng)指標(biāo)通過一致性檢驗時，兩兩指標(biāo)判定矩陣一致程度越低該值越大。當(dāng)CR值低于0.10時，矩陣不能通過一致性檢驗，需要對模型按照隨機一致性指標(biāo)RI(見表1)進行修正。

表1 判定矩陣一致性修正指標(biāo)值

(4)評價排序。計算層級相比于上一個層次的權(quán)重相對值即為指標(biāo)評價排序。在評價過程中從高到低逐步進行計算排序。各指標(biāo)在目標(biāo)層的排序分別為為a1，a2，…，am，則按照表2中排序方法對準(zhǔn)則層各指標(biāo)要素進行權(quán)重值的排序計算。在水質(zhì)綜合評價中，不同水質(zhì)等級下對各水質(zhì)指標(biāo)相比于整體流域水質(zhì)狀況進行排序，采用一致性檢驗方法對最終排序結(jié)果進行檢驗。

表2 不同準(zhǔn)則層水質(zhì)指標(biāo)排序方式

2 研究實例

2.1 區(qū)域概況

以大連市大沙河為例，將層次分析法應(yīng)用于大沙河流域地表水環(huán)境質(zhì)量評價。大沙河為大連地區(qū)主要入境河流之一，大沙河主要分布5個水質(zhì)監(jiān)測點，各監(jiān)測點位置如圖1所示。

圖1 大沙河流域5個監(jiān)測斷面地理位置信息

研究流域內(nèi)3個功能區(qū)主要情況見表3。

表3 大連市大沙河流域水功能區(qū)基本情況

選擇各水功能區(qū)監(jiān)測斷面常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)、富營養(yǎng)化以及氟化物指標(biāo)作為評價水質(zhì)指標(biāo)，各監(jiān)測點枯水期水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)濃度見表4。

表4 大連市大沙河流域各控制斷面枯水期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：mg/L

2.2 評價模型構(gòu)建

模型評價的目標(biāo)層次(A)為水環(huán)境質(zhì)量，常規(guī)監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)作為模型評價指標(biāo)的準(zhǔn)則層(Bi)，方案層(Ci)為不同水質(zhì)等級。按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層結(jié)合改進的層次分析方法建立大沙河流域水質(zhì)綜合評價模型。本文將麥家鐵路水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為計算示例，將GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》水環(huán)境質(zhì)量作為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，對斷面各污染指標(biāo)進行計算，結(jié)合斷面各監(jiān)測指標(biāo)的實測濃度進行兩兩對比得到模型判定矩陣的各指數(shù)，從而確定模型評價各指標(biāo)層的判定矩陣，計算結(jié)果見表5。

表5 判斷矩陣指標(biāo)重要度計算結(jié)果

當(dāng)判定均值的特征根高于2次時，則一致性檢驗指標(biāo)的計算方法為CR=CI/RI。當(dāng)一致性檢驗指標(biāo)計算值低于0.10時，則計算得到的各水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)兩兩對比的判定矩陣通過一致性檢驗，若一致性檢驗指標(biāo)計算值高于0.10時，則需要修正判定矩陣的對應(yīng)指標(biāo)值。通過檢驗判定矩陣(A-B)的一致性程度后，對判定矩陣的特征最大值進行計算，得到判定矩陣特征最大值進行計算其檢驗指標(biāo)CI值為0。通過表1可以對隨機一致性指標(biāo)的均值比例(RI)進行查算，則麥家鐵路水質(zhì)評價判定均值的隨機一致性指標(biāo)均值的比例通過一致性檢驗。

2.3 模型檢驗

考慮到傳統(tǒng)層次分析方法在進行判定矩陣計算量較大的局限，本文以各水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)水功能區(qū)水環(huán)境目標(biāo)下的標(biāo)準(zhǔn)濃度與監(jiān)測濃度的差值的倒數(shù)作為判定矩陣的標(biāo)度進行各指標(biāo)相對重要性對比矩陣，計算結(jié)果見表6。通過計算兩兩對比矩陣(B1-C)也可通過一致性檢驗。

表6 高錳酸鹽指數(shù)兩兩對比矩陣相對權(quán)重計算結(jié)果

按照上述計算步驟對其他檢測指標(biāo)的權(quán)重判定矩陣進行計算，各指標(biāo)對應(yīng)不同水質(zhì)等級下的權(quán)重值計算如下：

WB2-C=(0.072，0.072，0.093，0.211，0.552)T

WB3-C=(0.126，0.126，0.163，0.409，0.176)T

WB4-C=(0.162，0.175，0.193，0.214，0.256)T

WB5-C=(0.169，0.174，0.192，0.218，0.247)T

WB6-C=(0.235，0.235，0.235，0.143，0.152)T

通過計算各指標(biāo)權(quán)重判定矩陣(Bi-C)的一致性檢驗值CR<0.1，通過一致性檢驗。

2.4 目標(biāo)層次排序分析

對麥家鐵路橋監(jiān)測斷面的各目標(biāo)層進行排序計算，計算結(jié)果見表7。

從表7排序結(jié)果可看出，大沙河流域麥家鐵路監(jiān)測點Ⅳ類(C4)的排序最高，因此該監(jiān)測點水質(zhì)綜合評價結(jié)果未Ⅳ類。采用相同計算步驟對大沙河流域其他4個監(jiān)測點的水質(zhì)綜合評價目標(biāo)層進行排序分析，分析結(jié)果見表8。

表7 麥家鐵路橋監(jiān)測斷面水環(huán)境質(zhì)量層次總排序

表8 大沙河流域各水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測斷面水環(huán)境質(zhì)量層次總排序

從大沙河流域各水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測斷面水環(huán)境質(zhì)量層次總排序表中可看出，劉大水庫入口水質(zhì)綜合評價為Ⅰ類，劉大水庫和洼子店閘水質(zhì)水質(zhì)綜合評價為Ⅱ類，而元臺大橋水質(zhì)綜合評價為Ⅴ類。

2.5 評價結(jié)果與實際各監(jiān)測斷面水質(zhì)的對比

將改進的層次分析法的評價結(jié)果與實際水質(zhì)相比較，結(jié)果見表9。

表9 改進的層次分析法評價結(jié)果與實際各監(jiān)測斷面水質(zhì)的對比結(jié)果

從綜合評價和實測結(jié)果對比分析可看出，采用改進的層次分析方法大沙河流域麥家鐵路橋以及元臺大橋水質(zhì)綜合評價結(jié)果和實際結(jié)果吻合度較高，元臺大橋總磷超標(biāo)7.3倍，其總磷計算相對權(quán)重也較高，而麥家鐵路橋氨氮超標(biāo)較大，超過標(biāo)準(zhǔn)限值的倍數(shù)為15.3倍，其計算相對權(quán)重在各指標(biāo)中也最高。綜合分析采用改進的層次分析方法綜合水質(zhì)評價結(jié)果較為客觀、合理。

2.6 不同方法綜合評價結(jié)果對比

用傳統(tǒng)單因子評價法對大沙河流域各斷面水環(huán)境質(zhì)量進行評價，并與改進的層次分析法進行比較，結(jié)果見表10。

從對比結(jié)果可看出，采用改進方法的水質(zhì)綜合評價結(jié)果較為直觀地反映區(qū)域水質(zhì)的分類等級，該方法對相同層次下不同指標(biāo)進行兩兩對比，并考慮不同指標(biāo)之間的相對重要程度，對指標(biāo)間的相對程度進行量化后，可綜合考慮不同指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度，對不同層次之間的指標(biāo)相對權(quán)重進行兩兩對比。從表10可以得出，改進的層次分析法評價結(jié)果相對于單因子評價法，水質(zhì)類別等級有一些改變，其中與單因子法完全吻合的水質(zhì)斷面所占比例為20%；評價等級好于單因子評價方法1個等級的斷面比例為60%；有20%的斷面評價結(jié)果相差2個等級，主要集中在單因子評價結(jié)果為Ⅴ類水以上的水質(zhì)監(jiān)測斷面。

表10 不同方法水質(zhì)綜合評價結(jié)果對比

水體中各個污染物之間是存在一定的內(nèi)在聯(lián)系的，DO、氨氮、鉛按照GB3838—2002等級存在線性關(guān)聯(lián)，BOD5和石油類存在二次函數(shù)關(guān)聯(lián)，揮發(fā)酚和汞指標(biāo)存在逆函數(shù)關(guān)聯(lián)。而傳統(tǒng)水質(zhì)綜合評價方法不能考慮不同層次指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度，對權(quán)重進行100%的賦值計算，而不能得出全部指標(biāo)對水質(zhì)綜合評價結(jié)果的影響程度，不同指標(biāo)之間為獨立計算，不能對水質(zhì)情況進行綜合評價。傳統(tǒng)單因子方法對水質(zhì)指標(biāo)要求標(biāo)準(zhǔn)較高，因此評價結(jié)果往往和實際情況有所不符，呈現(xiàn)出過高的評價標(biāo)準(zhǔn)，而一旦出現(xiàn)過低甚至負值評價結(jié)果，則對水質(zhì)綜合評價影響程度較高。比較2種評價方法之后發(fā)現(xiàn)，改進的層次分析法獲得的評價結(jié)果更加準(zhǔn)確和客觀。

3 研究結(jié)論

(1)改進方法可通過隨機一致性指標(biāo)RI對判斷矩陣進行修正，使其滿足一致性要求，相比于傳統(tǒng)水質(zhì)評價方法可顯著降低計算量。

(2)在采用改進層次分析方法構(gòu)建水質(zhì)指標(biāo)判斷矩陣時，為綜合考慮各評價指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度建議根據(jù)其水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，按照水質(zhì)類別對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，對各指標(biāo)進行單因子計算后，再對同一層次之間各指標(biāo)進行兩兩對比確定各指標(biāo)的相對權(quán)重

(3)判斷矩陣的階數(shù)對其評價效率影響程度較高，在后續(xù)研究中還應(yīng)該對其評價最優(yōu)階數(shù)進行分許，從而提高改進層次分析方法的計算效率。