基于層次分析法的汾河河津段水質評價

■顧金馬保罡王煜琳古德章

(1成都理工大學四川成都610059；2北京大學無錫基地江蘇無錫214125）

基于層次分析法的汾河河津段水質評價

■顧金1馬保罡1王煜琳2古德章1

(1成都理工大學四川成都610059；2北京大學無錫基地江蘇無錫214125）

根據層次分析法的基本原理，對汾河河津段2015年第一周到十一周其中的五周水質數據進行分析評價，并由模型得出汾河水質主要污染指標為氨氮和高錳酸鹽指數以及第九周水質最差，十一周次之，第四周水質最好的結論。

層次分析法汾河水質評價

1 引言

水是人類不可或缺的資源，而水質的好壞往往影響著人們的生產生活。如果地表水受到了污染，也會通過下滲污染地下水系統，最終也會影響人們的飲用水來源。汾河是黃河第二大支流，是山西境內最長的河流，全長716km。汾河是山西的母親河，流域GDP占全省GDP的65%，是全省經濟和社會發展的核心區域[1]。然而，長期以來，由于汾河流域的開發建設沒能很好地處理經濟發展與環境保護的關系，流域生態環境遭受了嚴重破壞。本文就是通過層次分析法評價汾河流域2015年第一周到十一周中的五周水質數據，得出汾河流域水質污染的主要指標為氨氮和高錳酸鹽指數以及第九周水質最差，十一周次之，第四周最好的結論。

2 評價方法及步驟

層次分析法，是指將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標（或準則、約束）的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序（權數）和總排序，以作為目標（多指標）、多方案優化決策的系統方法[2]。杜鵬程，楊智（2011）利用層次分析法對新沂市尾水導流工程地表水質現狀進行評價并得出不同污染物重要性和超標情況的綜合性結論[3]。姚榮，張娜，唐德善（2004）等人對浦東新區川揚河等九條河流進行評價排序[4]。蘇德林，武斌，沈晉（1997）應用層次分析法對松花江哈兒濱江段水體水環境質量進行評價，得到了滿意的結果[5]。

2.1 評價步驟

在運用AHP方法進行評價或決策時，大體可分為以下四個步驟[6]：`

（1）分析評價系統中各基本要素之間的關系，建立系統的遞階層次結構。

（2）對同一層次的各元素關于上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，構造兩兩比較判斷矩陣[7]，并進行一致性檢驗。`

計算一致性檢驗；查找相應的平均隨機一致性指標R.I.當判斷矩陣的CR<0.1時或λmax=n，CI=0時，認為其具有滿意的一致性，否則需調整判斷矩陣中的元素以使其具有滿意的一致性[8]。

（3）由判斷矩陣計算比較要素對于該準則的相對權重。

本文采用求和法（算術平均法）計算要素相對權重或重要度向量W[9、10]。

（4）計算各層要素對系統目的（總目標）的合成（總）權重，并對各備選方案排序[11]。

2.2 評價方法應用

監測對象為汾河，點位為運城河津大橋，晉—晉、陜省界（入黃前）斷面，數據來源為中國環境監測總站水質周報。其中監測指標有pH，DO,CODMn，NH3-N。本文選擇汾河枯水期（2015年1月到2月）和平水期（2015年3月）作為研究對象，以2014年12月29日到2015年1月4日為第一周，以1月19日到1月25日為第四周，以2月9日到15日為第七周，以2月23日到3月1日為第九周，以3月9日到15日為第十一周這五周數據變化比較明顯的作為研究數據。

2.2.1 指標及數據

表1 斷面水質數據

表2 地表水環境質量標準單位：mg·L-1

2.2.2 層次結構圖

圖1 層次結構圖

2.2.3 兩兩比較判斷矩陣

該斷面執行地表水環境質量標準GB3838-2002 V類標準[12]，其中pH標準值取為9，對表1數據求平均值及超標比,由于DO即溶解氧指標為正向指標，即DO值越大水質越好，因此為了方便統一處理數據，我們人為將其超標比做倒數處理，使之與其他指標一致[13]，得表3。

表3 河津段面水質平均值，標準值，超標比

表4 河津段面水質超標比

（1）層次單排序及一致性檢驗從表3得到A-B判斷矩陣：

表5 斷面水質判斷矩陣

一致性檢驗：λmax=4.000，C.I.=0，R.I.=0.89，C.R.=0<0.1，具有滿意的一致性。

從中可以看出各指標污染嚴重性為NH3-N>CODMn>pH> DO，且氨氮的嚴重性遠大于其他各指標，而氨氮來源于生活污水中含氮有機物在微生物作用下的分解產物和焦化、合成氨等工業廢水，以及農田排水等[14]，說明兩岸排入過多有機廢水。

由表2-4計算B-C判斷矩陣得到權重值如下：

表6 B-C判斷矩陣權重匯總表

經過一致性檢驗，λmax=5.000，C.I.=0，R.I.=1.12，C.R.=0<0.1，具有滿意的一致性。

（2）層次總排序

表7 層次總排序

層次總排序的一致性檢驗：C.I.總=0，R.I.總=1.12，C.R.總=0<0.1，具有滿意的一致性。

排序（由優到劣）：第四周>第七周>第一周>第十一周>第九周

由模型可得：第九周水質最差，十一周次之，第四周最好。從第九周的數據可以看出pH適宜，溶解氧存在過飽和現象，高錳酸鹽指數和氨氮均遠遠大于Ⅴ類標準，導致其水質最差，而考慮到季節因素，可能與2月23日到3月1日為冬季有關，冬季是枯水期，水量少，流動性差，導致水體自凈能力減弱，進入水體的污染物難以擴散稀釋與分解。而第四周1月19到1月25日的高錳酸鹽指數與氨氮均遠低于第九周，雖然同為枯水期，但因這兩項指標超標比低，可能是檢測之前該斷面所在地下過雪，相對來說水質為最好。第十一周為3月9日到15日，為平水期，水量、流動情況及生物量均大于冬季，然而其高錳酸鹽指數、氨氮超標比均較高，考慮到NH3-N除水量原因之外還與不同季節溫度影響有關，較高的溫度有利于水中的氨轉化為亞硝酸鹽或硝酸鹽[15]，所以氨氮值相對低一些，而高錳酸鹽指數卻很大，導致其水質較差。

3 結論

層次分析法解決了許多傳統最優技術無法著手的問題，把研究對象作為一個系統，將定性方法與定量方法有機結合起來，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進行決策。不僅計算簡單而且充分體現了其分解、判斷、綜合的特點。

利用層次分析法評價模型進行水環境質量評價，既可以反映不同監測時間水質優劣的排序，又能確定主要的污染物和主要污染類型，這對于汾河流域經濟的發展以及污染防治措施的落實都具有一定的指導性，也為地方政府制定發展規劃提供了必要的科學依據。

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Evaluation of Water Quality of Hejin Section of Fenhe River Based on Analytic Hierarchy Process

Gu Jin1，Ma Bao-gang1，Wang Yu-lin2，Gu De-zhang1
1.Chengdu University of Technology,Chengdu 610059 2.Wuxi base of Peking University,Wuxi 214125

According to the basic principle of the Analytic Hierarchy Process.evaluating five weeks water quality data of the first week to the eleven week in 2015 through Analytic hierarchy method,educe that the major pollution indicators of Fen river water quality are ammonia nitrogen and potassium permanganate index,And arrival at a conclusion that the worst water quality is ninth week,eleventh week,the best water quality is fourth week.

AHP（Analytic Hierarchy Process）；Fen River；Water quality assessment

TU9[文獻碼]B

1000-405X（2016）-6-400-2

顧金，男，成都理工大學環境與土木工程學院。