基于層次分析法的河流型飲用水水源地選址評價

杜大仲，孟憲林，馬 放，張建琪

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，mafang@hit.edu.cn; 2.Department of Civil and Environmental Engineering，University of Maryland，21042 Baltimore County，USA)

近年來，飲用水水源地保護問題已成為關系國計民生的重大問題.據國家環境保護部統計，2009年監測的397個重點城市集中式飲用水源地中，達標水量為158.8億t，占73.0%;不達標水量為58.8億t，占27.0%［1］.中國飲用水水源地污染已相當突出，尤其是河流型飲用水水源地因其供水量最大，水質達標率最差，污染成因復雜而成為重點關注問題［2］.目前，國內外學者對飲用水水源地的污染防治研究多集中在污染物削減和風險預警方面，對河流型飲用水水源地選址的科學性和合理性卻鮮有研究.本文從河流型飲用水水源地健康、安全角度出發，對法律制約、環境質量、水資源保障和環境風險影響因素進行統籌考慮，利用層次分析法結合定量與定性分析，建立河流型飲用水水源地選址的評價體系，實現多源影響因子量化評估，為保障飲用水安全提供技術支持.

1 層次分析法概述

1.1 基本原理

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)［3］適用于對一些較為復雜、模糊及難以完全定量分析的問題的決策.層次分析法是把復雜問題分解成各個組成因素，將這些因素按支配關系分組形成遞階層次結構，并通過兩兩比較的方式確定各個因素相對重要性，然后綜合決策者的判斷.它能夠合理地把定性與定量的決策結合起來，按照思維和心理的規律把決策過程層次化、數量化，因其具有系統性、靈活性和實用性等特點現已被廣泛地應用于環境、社會、經濟等系統的決策分析之中［4－5］.

1.2 模型建立的步驟

運用層次分析法進行系統分析、設計、決策時可分為4個步驟進行;

1)分析系統中各因素之間的關系，建立系統的遞階層次結構.應用AHP分析決策問題時，首先要把問題條理化、層次化，構造出一個有層次的結構模型.在這個模型下，復雜問題被分解為元素的組成部分.這些元素又按其屬性及關系形成若干層次.上一層次的元素作為準則對下一層次有關元素起支配作用.

2)對同一層次的各元素關于上一層中某一準則的重要性進行兩兩比較，構造兩兩比較的判斷矩陣

同層次元素的重要程度如何，通常按1～9比例標度對重要性程度賦值，表1中列出了1～9標度的含義.其中aij就是元素ai和aj相對于準則層的重要性的比例標度.判斷矩陣A具有下列性質: aij＞0，aij=1/aji，aii=1.

表1 判斷矩陣的比例標度及含義

3)由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權重.判斷矩陣A對應于最大特征λmax的特征向量W，經歸一化后即為同一層次相應因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權值，這一過程稱為層次單排序.

式中，λmax為A的最大特征根，W為相應的特征向量，所得到的W經歸一化后就可作為權重向量.

4)一致性檢驗.

①計算一致性指標

②查找相應的平均隨機一致性指標RI，表2所示為形成若干層次.上一層次的元素作為準則對下一層次有關元素起支配作用.

表2 平均隨機一致性指標

當CR＜0.10時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應對判斷矩陣作適當修正.

③計算一致性比例

2 構建評價體系

2.1 法律制約(B1)

在飲用水水源的管理與保護過程中，法律是環境保護行為的準則和依據，是實施評價的基礎.《中華人民共和國水污染防治法》分別在五十七條、五十八條和五十九條中對水源地保護區內的項目和活動做出了相關規定.因此，在水源地選址時應首先考慮擬建水源地對區域內現存項目和活動的影響，以免給后續的環境執法與管理工作帶來隱患.水源地保護區劃分目的是減少一定區域內的污染物排放和減少水源的環境風險以保障飲用水源的飲用水衛生與安全，保護區可分為一級保護區(C1)和二級保護區(C2).

一級保護區內主要是保證飲用水衛生的要求;二級保護區主要是在正常情況下滿足水質要求，在出現污染飲用水源的突發情況下，保證有足夠的采取緊急措施的時間和緩沖地帶.依據相關法律，一級保護區的評價因子為排污口(D1)、與供水設施和保護水源無關的建設項目(D2)、網箱養殖區(D3)和旅游區(D4);二級保護區的評價因子為排污口(D5)、排放污染物的建設項目(D6)、網箱養殖區(D7)、旅游區(D8).

當擬建水源地的保護區存在上述評價因子且不可消除時，評價因子將轉換成為否決因子，對飲用水水源地選址方案進行直接否定.

2.2 環境質量(B2)

飲用水水源地的最終目標是向社會提供有“質量”保障的飲用水，其中環境類指標反映的是飲用水源的“質”.在環境類指標體系中一般污染性指標(C3)反應的是水體總體的環境質量，毒性指標(C4)則反應的是水質對人體健康的影響.

一般污染性指標體系中，日常監測的代表性評價因子為高錳酸鹽指數(D9)、氨氮(D10)、總磷(D11)和糞大腸菌群(D12).毒理性指標是依據《地表水環境質量標準》［6］和《生活飲用水衛生標準》［7］中污染物的篩選，以砷(D13)、鎘(D14)、鉻(6價)(D15)、鉛(D16)、汞(D17)作為評價因子.

2.3 水資源保障(B3)

水資源類指標反映的是飲用水源的“量”，在水資源指標體系中水量保障(C5)反映的是目前水資源可利用的水量，取水工程對環境影響(C6)反映的是水資源可持續利用的水量.

根據《建設項目水資源論證導則》［8］水量保障指標體系中地表取水指標進行篩選，以水資源狀況(D18)、水域開發利用程度(D19)、生活取水量(D20)作為評價因子.在環境影響中以對第三者取水影響(D21)、對生態水量產生影響(D22)、對水文變化有潛在影響(D23)作為評價因子.

2.4 環境風險(B4)

環境風險具有突發性和不可預測性的特點，因河流具有污染物的遷移速度快、污染團難于截留等特點，根據水源地環境風險事故產生的類別，環境風險源可分為固定源(C7)和移動源(C8).依據近年來水源地污染事件的統計［9］，環境風險固定源選擇擬建水源地上游的發酵企業(D24)、化工企業(D25)、造紙企業(D26)作為評價因子，移動源選擇擬建水源地保護區陸域范圍內高速公路(D27)和水域范圍內航運通道(D28)作為評價因子.

2.5 評價體系構建

依據層次分析法的原理，結合法律制約、環境質量、水資源保障和環境風險影響因素構建的河流型飲用水水源地選址評價體系見圖1.

圖1 河流型飲用水水源地選址評價體系

3 評價模型

3.1 判斷矩陣與權重

采用文獻分析［10］和專家問卷調查相結合的方法，分析各層的影響因子對應上一層準則層指標的影響程度建立判斷矩陣，按照AHP建模步驟確定每層各影響因素的權重W，并檢驗是否具有可接受的一致性，計算結果如表3～15所示.

表3 準則層B對目標A的判斷矩陣與權重

表4 指標層對準則B1的判斷矩陣與權重

表5 指標層對準則B2的判斷矩陣與權重

表6 指標層對準則B3的判斷矩陣與權重

表7 指標層對準則B4的判斷矩陣與權重

表8 評價層對指標C1的判斷矩陣與權重

表9 評價層對指標C2的判斷矩陣與權重

表10 評價層對指標C3的判斷矩陣與權重

表11 評價層對指標C4的判斷矩陣與權重

表12 評價層對指標C5的判斷矩陣與權重

表13 評價層對指標C6的判斷矩陣與權重

表14 評價層對指標C7的判斷矩陣與權重

表15 評價層對指標C8的判斷矩陣與權重

依據表3～15的計算結果，自上而下地將單準則下的權重進行歸一合成(A－D)，并逐層進行總的判斷一致性檢驗，對系統目標的合成權重見表16，由表16中數據計算所得CR=0.024＜ 0.1，說明合成權重具有良好的一致性.

3.2 評價標準

在評價過程中，將評價因子的評分等級劃分為極不適宜、不適宜、適宜、比較適宜和極適宜5個等級，分別賦予0、40、60、80、100相應分值.各評價因子依據現行法律法規、技術標準的相關等級要求，對應的分值如表17所示.通過評分標準與權重的計算，水源地選址方案將得到最終分值.60分以下的選址方案應予放棄，60分以上的選址方案可作為考慮方案，分值越高方案的合理性越強.

表16 目標層至評價層的合成權重(A－D)

表17 評價因子的評分標準

4 結語

應用層次分析方法基本原理建立河流型飲用水水源地選址評價體系與模型，較好地保證了權重系數的客觀性和準確性，并用此模型對水源地選址進行科學評價，其結果可作為水源地選址參考依據;進行科學評價的重要前提是確定合理評價因子和評分標準，但目前評價指標仍沒有統一的劃分標準，還需經實證比較并在實踐中完善.

［1］國家環保部.2009年中國環境狀況公報［EB/OL］.http://jcs.mep.gov.cn/hjzl/zkgb/2009hjzkgb.2010－06－03.

［2］鄭丙輝，付青，劉琰.中國城市飲用水源地環境問題與對策［J］.環境保護，2007，371(10):59－61.

［3］許樹柏.層次分析法原理［M］.天津:天津大學出版社，1988.

［4］SIMON U，BRUGGEMANN R，PUDENZ S.Aspects of decision support in water management－example Berlin and Potsdam(Germany)Spatially differentiated evaluation［J］.Water Research，2004，38(7):1809－1816.

［5］CAROLINE S K，SUZANNE J M H H，TEUNIS L.Comparing uncertain alternatives for a possible airport island location in the North Sea［J］.Ocean＆Coastal Management，2003，46(11/12):1031－1047.

［6］GB3838－2002.地表水環境質量標準［S］.北京:國家環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局，2002.

［7］GB5749－2006.生活飲用水衛生標準［S］.北京:國家衛生部，2006.

［8］SL/Z322－2005.建設項目水資源論證導則［S］.北京:國家水利部，2005.

［9］張勇，王東宇，楊凱.1985－2005年中國城市水源地突發污染事件不完全統計分析［J］.安全與環境學報，2006，6(2):79－84.

［10］王秋蓮，張震，劉偉.天津市飲用水源地水環境健康風險評價［J］.環境科學與技術，2009，32(5):187－190.