改进层次分析法在地表水质评价中的应用.pdf

第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2023-02-07作者简介 曹阳阳(1992-),女,河北秦皇岛人,工程师,研究方向为水质研究与化验.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.008改进层次分析法在地表水质评价中的应用曹阳阳(河北省秦皇岛水文勘测研究中心,河北 秦皇岛 066000)摘 要为加强河道水质管理,研究城市水环境状况,采用改进层次分析法和模糊综合评价法,根据国家地表水水质自动监测站(戴河口断面)2022 年 1-12 月监测数据,对秦皇岛市戴河口水质情况进行分析评价。结果显示,秦皇岛市戴河口断面 2022 年 1-9 月及 12 月份地表水水质综合评价为类,10-11 月份地表水水质综合评价为 类,所得结论与国家地表水水质自动监测站成果基本一致。经过近几年实施的戴河治理工程,戴河水质有明显的改善,建议加强对河道主要断面水质的监测管理,定期实施河道清淤治理工程,进一步改善流域生态环境。关键词地表水水质;改进层次分析法;模糊综合评价中图分类号 TV213.4;X171 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0041-06水作为一种重要的战略资源,对我国经济社会持续健康发展具有重大意义。我国水资源时空分布极不均衡,人均占有量仅为世界平均水平的四分之一。为保护好有限的水资源,要坚决落实以水定城、以水定地、以水定人、以水定产,走好水安全有效保障、水资源高效利用、水生态明显改善的集约节约发展之路。因此,本文引入改进层次分析法和模糊综合评价法,对秦皇岛市戴河口水质进行定量评价。1 地表水水质主要评价指标地表水评价主要依据地表水环境质量标准(GB 3838-2002),依据地表水水域环境功能和保护目标,按功能高低依次划分为 5 类:类水主要适用于源头水、国家自然保护区;类水主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等;类水主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区及游泳区;类水主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区;类水主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。见表 1。表 1 地表水水质主要评价指标序号主要评价指标类类类类类1水温/人为造成的环境水温变化应限制在:周平均最大温升1,周平均最大温降22pH 值(无量纲)693溶解氧7.565324高锰酸钾指数24610155化学需氧量(COD)15152030406五日生化需氧量(BOD5)3346107氨氮(NH3-N)0.150.51.01.52.08总磷(以 P 计)0.020.10.20.30.49总氮(湖、库,以 N 计)0.20.51.01.52.014第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023续表 1序号主要评价指标类类类类类10铜0.011.01.01.01.011锌0.051.01.02.02.012氟化物(F-)1.01.01.01.51.513硒0.010.010.010.020.0214砷0.050.050.050.10.115汞0.000 050.000 050.00010.0010.00116镉0.0010.0050.0050.0050.0117铬(六价)0.010.050.050.050.118铅0.010.010.050.050.119氰化物0.0050.050.20.20.220挥发酚0.0020.0020.0050.010.121石油类0.050.050.050.51.022阴离子表面活性剂0.20.20.20.30.323硫化物0.050.10.20.5124粪大肠杆菌2002 00010 00020 00040 0002地表水水质模糊综合评价模型构建2.1 指标权重确定层次分析法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂提出的一种层次权重决策分析方法。目前,层次分析多采用传统的九标度法,即用 1-9之间的 9 个数(及其倒数)作为评价元素,标度各功能之间的相对重要性大小,形成判断矩阵。从实践结果来看,该方法用于权重决策是可行的,但其缺点主要在于计算过程复杂,迭代收敛速度较慢,在操作中需要丰富的经验进行收敛判断。为克服这一难题,李永1等对传统九标度法进行了改进,并率先提出改进的三标度法,其主要思路是在指标重要性判定中采用改进的三标度来代替传统的九标度,这不仅大大降低了计算量,同时大幅提高了判断矩阵的迭代收敛速度,在实际应用中取得较好的效果。本文在权重计算中采用改进的层次分析法,具体步骤如下:2.1.1 三标度法构建判断矩阵采用三标度法,需根据评价指标对准则层的重要性进行排序,并根据指标重要性判断结果,构建互补性判断矩阵 F=(fij)nn,公式如下:fij=0,C(i)C(j)(1)式中:fij为指标 C(i)、C(j)的相对重要性判断结果。将互补性判断矩阵 F=(fij)nn调整为一致性判断矩阵 R=(Rij)nn,转换公式如下:ri=nj=1fij(2)rij=ri-rj2n+0.5(3)2.1.2 指标权重1)初始权重向量计算。在得到一致性判断矩阵后,采用行和归一法计算指标初始权重向量,即对一致性判断矩阵计算行和并进行归一化处理,具体公式如下:W(0)=(w1,w2,wn)T=nj=1r1jni=1nj=1rij,nj=1r2jni=1nj=1rij,nj=1rnjni=1nj=1rij()T(4)2)构建互反型矩阵。将一致性判断矩阵 R=(Rij)nn变为互反型矩阵 P=(Pij)nn,转换公式如下:Pij=rijrji(5)3)求解更高精度的权重向量。以初始权重向量 W(0)作为初始迭代值 W0,计算公式如下:Wk+1=PWk(6)当Wk+1-Wk(10-3)时,此24曹阳阳:改进层次分析法在地表水质评价中的应用第 9 期时计算的Wk+1即为最大特征值,将此时得到的 Wk+1进行归一化处理,即得到最终权重向量,迭代结束。2.2 建立地表水水质评价的模糊关系矩阵地表水水质评价是一项复杂的多目标决策问题。而模糊综合评价法是一种基于模糊数学理论的综合评价方法,它具有结果清晰、系统性强的特点,能较好地解决模糊的、难以量化的问题,适合各种非确定性问题的解决2-4。本文中的地表水水质评价问题与模糊综合评价方法特征相符,因此采用模糊综合评价法评判地表水水质是较为合理的,具体过程如下:2.2.1 建立水质评价对象因素集及评价等级水质评价对象因素集是由评价指标构成,总的因素集 U=x1、x2、x3、x4xn,依次代表 n项评价指标。评价等级依据地表水环境质量标准(GB 3838-2002),确定为 -类,即 V=、。2.2.2 隶属度确定在各评价指标中,部分指标表现为越小越优,而另一部分指标则为越大越好,在确定指标隶属度时,两者采用的方法是不相同的。对随等级升高而因子标准数值增大的偏小型分布指标,一般采用降半梯形分布来描述,对降半梯形分布,各水质类别隶属度 rij的解析式见式(7)-式(9);而对偏大型分布则相反。第 i 项指标对级水质的隶属度函数为:ri1=1,cisi1si2-cisi2-si1,si1cisi2 0,cisi1(7)第 i 项指标对 j 级水质的隶属度函数为:rij=ci-sij-1sij-sij-1,sij-1cisijsij+1-cisij+1-sij,sijcisij+1 0,cisij+1,cisij-1(8)第 i 项指标对 n 级水质的隶属度函数为:rin=0,cisin-1ci-sin-1sin-sin-1,sin-1cisin 1,cisin(9)式中:ci为第 i 项指标的实测值;sij为第 i 项指标对 j 级水质的标准值;rij为第 i 项指标对 j 级水质的隶属度。2.2.3 计算模糊评价结果对权向量合集 T 与模糊关系矩阵 S 作矩阵乘法,即可得到评价对象的模糊综合评价向量V=TS=(w1,w2wm)s11s1nsm1smn=(v1,v2vn),其中vi为评价对象从整体上看对sj等级模糊子集的隶属度。按照模糊数学理论,一般根据最大隶属度原则对模糊评价结果进行决策,从而得到评价结论。3 实例应用3.1 研究区概况戴河位于河北省秦皇岛市北戴河区的西部,是冀东沿海独流入海河流之一。戴河发源于抚宁县,东源为沙河,发源于抚宁县蚂蚁沟村西北青石岭清河塔寺;西源主流为西戴河,发源于抚宁县北车厂;西源支流名为渝河,发源于抚宁县聂口北。另一源为高家店米河。戴河像一条银色的玉带由北往南缓缓流淌,在北戴河区海滨镇的河东寨村西南注入渤海,河床宽度约 200m,戴河流域北宽南窄,形如纺锤,除上游属山区外,80%为丘陵区,主河道比降 8.68。流经北戴河区 13km,北戴河境内流域面积 32km2。围绕水质保障目标,近年来秦皇岛市先后实施了戴河水系治理一期、二期及戴河下游生态修复工程,累计完成投资 18 000 万元。建设表流湿地 10hm2,增加水生植物和岸坡绿化 2104m2,河道清淤 6104m3。并对沿河 14 个村庄进行截污纳管,铺设污水管网共 10 950 延长米,建设污水提升泵站 3 座,实现戴河两岸的污水全部进入城市管网。同时,对辖区内 2 个泵站污水管线进行改线分流,有效缓解戴河沿岸污水管线承载力不足问题,避免污水外溢进入河道。各项工程的实施,使流域内 COD 和总氮等污染物得到最大程度的削减,极大地改善了戴河水质状况,使地表水污染得到有效治理,水质稳定达标5-6。3.2 数据来源本文地表水水质监测数据取自国家地表水34第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023水质自动监测站数据,监测断面为河北省秦皇岛市戴河口断面,主要数据指标包括溶解氧、浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮共 6 项指标。指标实测值见表 2。表 2 戴河口断面 2022 年 1-12 月主要数据监测指标采集日期溶解氧/mgL-1浊度/NTU高锰酸盐指数/mgL-1氨氮/mgL-1总磷/mgL-1总氮/mgL-12022 年 1 月24.116.571.990.020.0310.662022 年 2 月16.444.051.690.090.0011.462022 年 3 月18.335.282.350.030.048.922022 年 4 月13.979.002.540.030.046.992022 年 5 月12.926.212.570.030.044.832022 年 6 月8.3011.594.110.090.082.112022 年 7 月15.6218.304.340.020.042.192022 年 8 月12.4715.804.230.020.113.702022 年 9 月8.9018.863.890.030.056.122022 年 10 月9.257.149.820.630.063.962022 年 11 月10.876.4414.580.570.033.292022 年 12 月14.413.3910.260.230.035.853.3 指标权重计算根据表 1 地表水水质主要评价指标,结合国家地表水水质自动监测站数据(监测断面为秦皇岛市戴河口断面),利用 Matlab2014a 软件,按照式(1)-式(6)步骤对各指标的权重进行计算。经过 5 次迭代(计算精度 110-4),得到秦皇岛市戴河口断面地表水水质主要评价指标权重,计算结果见表 3。表 3 秦皇岛市戴河口断面主要监测指标权重表目标层指标层初始权重向量求解更高精度权重向量秦皇岛市戴河口断面地表水主要监测指标溶解氧0.1530.106浊度0.1250.074高锰酸盐指数0.0970.049氨氮0.2360.388总磷0.2080.229总氮0.1810.1533.4 构建模糊关系矩阵 S模糊关系矩阵 S 由各监测指标隶属度值构成。根据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)对地表水水质评价的主要指标要求以及国家地表水水质自动监测站成果资料,按式(7)-式(9)步骤计算各监测指标隶属度值,结果见表 4。表 4 秦皇岛市戴河口断面 2022 年 1-12 月主要监测指标隶属度计算月份评价指标评价指标隶属度类类类类类月份评价指标评价指标隶属度类类类类类1 月溶解氧10000浊度000.490.510高锰酸钾指数10000氨氮10000总磷0.875 0.125000总氮000012 月溶解氧10000浊度000.850.150高锰酸钾指数10000氨氮10000总磷10000总氮0000144曹阳阳:改进层次分析法在地表水质评价中的应用第 9 期续表 4月份评价指标评价指标隶属度类类类类类月份评价指标评价指标隶属度类类类类类3 月溶解氧10000浊度000.670.330高锰酸钾指数0.825 0.175000氨氮10000总磷0.750.25000总氮000014 月溶解氧10000浊度000.140.860高锰酸钾指数0.730.27000氨氮10000总磷0.750.25000总氮000015 月溶解氧10000浊度000.540.460高锰酸钾指数0.715 0.285000氨氮10000总磷0.750.25000总氮000016 月溶解氧10000浊度00001高锰酸钾指数00.945 0.05500氨氮10000总磷0.250.75000总氮000017 月溶解氧10000浊度00001高锰酸钾指数00.830.1700氨氮10000总磷0.750.25000总氮000018 月溶解氧10000浊度00001高锰酸钾指数00.885 0.11500氨氮10000总磷00.90.100总氮000019 月溶解氧10000浊度00001高锰酸钾指数0.055 0.945000氨氮10000总磷0.625 0.375000总氮0000110 月溶解氧10000浊度000.410.590高锰酸钾指数000.045 0.9550氨氮00.740.2600总磷0.50.5000总氮0000111 月溶解氧10000浊度000.510.490高锰酸钾指数0000.084 0.916氨氮00.860.1400总磷0.875 0.125000总氮0000112 月溶解氧10000浊度000.940.060高锰酸钾指数0000.948 0.052氨氮0.770.23000总磷0.875 0.125000总氮00001 根据表 4 中各评价指标隶属度计算结果,可以分别得出 2022 年 1-12 月秦皇岛市戴河口断面主要监测指标隶属度模糊关系矩阵,依次为S1-S12,其中:S1=10000000.490.51010000100000.8750.12500000001S2=10000000.850.15010000100001000000001 54第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023S12=10000000.940.0600000.9480.0520.770.230000.8750.125000000013.5 秦皇岛市戴河口断面地表水水质模糊综合评价根据改进层次分析法计算得到的评价指标权重 Wk+1,分别与相应隶属度矩阵 S1、S2S12进行矩阵乘法;再根据计算结果,依次对秦皇岛市戴河口断面地表水水质进行模糊综合评价,计算结果见表 5。根据模糊评价最大隶属度原则,秦皇岛市戴河口断面2022 年1-9 月及12 月份地表水水质综合评价为类,10-11 月份地表水水质综合评价为类。所得结论与国家地表水水质自动监测站成果基本一致,研究方法可用于地表水水质评价。表 5 秦皇岛市戴河口断面 2022 年 1-12 月地表水水质模糊综合评价月份水质类别 类 类 类 类 类2022 年 1 月0.7430.0290.0360.0380.1532022 年 2 月0.7720.0000.0630.0110.1532022 年 3 月0.7060.0660.0500.0240.1532022 年 4 月0.7020.0700.0100.0640.1532022 年 5 月0.7010.0710.0400.0340.1532022 年 6 月0.5510.2180.0030.0000.2272022 年 7 月0.6660.0980.0080.0000.2272022 年 8 月0.4940.2490.0290.0000.2272022 年 9 月0.6400.1320.0000.0000.2272022 年 10 月0.2210.4020.1330.0900.1532022 年 11 月0.3060.3620.0920.0400.1982022 年 12 月0.6050.1180.0700.0510.1564 结 语本文引入模糊综合评价法用于秦皇岛市戴河口水质评价,并将改进的层次分析法用于主要评价指标权重向量的计算,在此基础上,客观评价了 2022 年 1-12 月戴河口断面地表水水质情况。结果表明,近年来通过实施戴河治理工程,戴河口水质全年处于较好的水平,评价结论与国家地表水水质自动监测站成果基本一致,所述研究方法可用于地表水质评价。建议加强对河道主要断面水质的监测管理,定期实施河道清淤治理工程,从而进一步改善流域生态环境。参考文献1 李永,胡向红,乔箭.改进的模糊层次分析法J.西北大学学报(自然科学版),2005,35(1):11-12,16.2 全玉莲,纪献兵,王丽芸,等.秦皇岛主要入海河口水质分析与评价J.海洋湖沼通报,2016(4):24-28.3 黄毓林,王双银,樊镕鑫,等.宝鸡峡灌区水源地水质综合评价J.水利技术监督,2022(12):152-158.4 付博超.基于内梅罗综合污染指数法的秦皇岛水质评价J.水利科学与寒区工程,2022,5(11):32-34.5 田海兰,程林,刘西汉,等.基于水质标识指数法的秦皇岛市河流水质评价J.中国农村水利水电,2019(9):100-105.6 马灿云.秦皇岛市河流水质评价与防治对策J.中国环境管理干部学院学报,1997(Z1):65-69.64