基于層次分析法的大連市地下水環境質量評價

孫大明

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

基于層次分析法的大連市地下水環境質量評價

孫大明

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

本文基于層次分析法(AHP)，建立了大連市地下水環境質量評價模型，并應用其對大連市8個地下水水質監測斷面進行評價。評價結果表明，地下水質量與實際情況基本符合。層次分析法引入權重處理評價因子，綜合考慮了各個評價因子對水環境質量的貢獻，評價結果能全面反映水體污染的綜合情況，具有較好的實用性，可以為環境決策提供比較有效的輔助決策信息，對于水環境保護和實現可持續發展具有重要意義。

層次分析法(AHP)； 地下水； 評價

1 引 言

中國北方很多地區，地下水一直被作為飲用水水源。然而隨著工業的快速發展和城市化進程的加快，工業廢水、生活廢污水、廢棄物等日益增多以及處置不夠合理，致使地下水污染日趨嚴重。因此，需要進行地下水環境質量評價，及時掌握城市發展、地下水開發利用帶來的地下水水質變化，為控制地下水污染、制定城市水資源政策提供科學依據。本文基于大連市地下水水質監測數據，采用層次分析法，對大連市地下水環境質量進行了綜合評價。

2 層次分析法簡述

層次分析法(AHP- analysis hierarchy process)是由美國匹茨堡大學教授薩蒂在1977年第一屆國際數學建模會議上首次提出的一種定性分析和定量分析相結合的解決問題的方法[1]。其特點是通過把復雜問題層次化分解，建立一個具有相互內在聯系以及隸屬關系的層次結構模型，最終把問題歸結為最下層(方案層)相對于最上層(目標層)的權重值確定及排序問題。層次分析法是一種定性和定量相結合的評價方法，與其他評價方法相比具有較強的邏輯性、實用性、系統性和準確性。

層次分析法一般分為三個步驟：建立一個多層次的遞階結構模型；構造兩兩比較的判斷矩陣，并進行一致性檢驗；計算各層元素對系統目標的合成權重，進行總排序，以確定遞階結構圖中最下層各個元素在總目標中的重要程度。

3 水環境質量評價中層次分析法的應用

選取總硬度、溶解性總固體、氯化物、鐵、硝酸鹽氮、氨氮作為評價指標，應用層次分析法對大連市地下水水質的污染狀況進行評價，各個斷面監測數據詳見表1。

表1 大連市地下水2015年水質監測數據

注 各評價因子濃度單位，mg/L

3.1 建立層次結構模型

將地下水環境質量作為層次分析的目標層(A )，評價指標總硬度(以CaCO3計)、溶解性總固體、氯化物、鐵、硝酸鹽氮、氨氮等作為準則層(Bi)，水質類別作為方案層(Ci) ，根據這三個層次建立大連市地下水環境質量層次結構模型(見圖1)。

圖1 大連市地下水環境質量評價層次分析結構

3.2 構造判斷矩陣及一致性檢驗

3.2.1 構造判斷矩陣(A-B)及一致性檢驗

以二十里監測斷面為例，用所選斷面各污染物評價指標的單因子指數兩兩比值[2]作為判斷矩陣的元素，即可得到二十里控制斷面(A)及評價指標(Bi)的判斷矩陣(A-B)，見表2。

表2 構造A-B層重要度判斷矩陣

經計算(A-B)矩陣的最大特征值λmax=6。

表3 平均隨即一致性指標(RI)

3.2.2 構造(Bi-C)矩陣及一致性檢驗

用評價因子濃度與其對應的各個水環境質量級別的標準值的差值的倒數作為標度[3]，構造各評價級別的相對重要性的兩兩比較判斷矩陣(Bi-C)，見表4～表9。

表4 構造總硬度(B1-C)權重判斷矩陣

表5 構造溶解性總固體(B2-C)權重判斷矩陣

表6 構造氯化物(B3-C)權重判斷矩陣

表7 構造鐵(B4-C)權重判斷矩陣

表8 構造硝酸鹽氮(B5-C)權重判斷矩陣

表9 構造氨氮(B6-C)權重判斷矩陣

經計算得，表4～表9的矩陣隨機一致性比例CR均小于0.10，都具有滿意的一致性。

3.3 水環境質量級別總排序的確定

二十里監測斷面地下水環境質量層次總排序結果見表10。由表10可知總排序1號對應的水質類別為Ⅲ類(C3)，所以二十里監測斷面的水質類別為Ⅲ類，滿足地下水環境質量要求的適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水。

表10 二十里監測斷面地下水環境質量層次總排序

用同樣的計算過程得到興民、付家、黃旗、蘇家、尹家、南鴉鸕嘴、小黑石7個監測斷面的地下水環境質量層次總排序，見表11。

表11 大連市地下水其他各監測斷面水環境質量層次總排序

由表11可知，層次分析評價法得到興民監測斷面水質類別為Ⅲ類；付家水質類別為Ⅲ類；黃旗監測斷面水質為Ⅰ類；蘇家斷面水質為Ⅳ類，總硬度和硝酸鹽氮超標；尹家監測斷面水質類別為Ⅱ類；南鴉鸕嘴斷面為Ⅲ類水；小黑石監測斷面水質類別為Ⅲ類。

4 基于內梅羅指數法的大連市地下水環境質量評價

用內梅羅指數法對大連市地下水各監測斷面水環境質量進行評價結果見表12。從表12中可以看出，運用內梅羅指數法得到的興民和尹家監測斷面水質較好(Ⅲ類)，付家、二十里、南鴉鸕嘴和小黑石4個監測斷面水質較差(Ⅳ類)，蘇家監測斷面水質極差(Ⅴ類)，黃旗監測斷面水質良好(Ⅱ類)。

基于內梅羅指數法的綜合評價，數學運算過程方便簡潔，物理概念清晰。但該方法存在兩點不足：一是最大污染因子的作用過分突出。計算公式中引入最大污染因子(Fmax)，導致參與評價的污染因子中，即使只有一項指標偏高，而其余各項指標均值較低，也會使綜合評分值偏高。二是沒有考慮權重的影響。計算過程

表12 基于內梅羅指數法的大連市地下水環境質量評價結果

僅采用算術平均值，將各污染因子對水質評價的貢獻同等對待，而事實上如果考慮不同評價因子對環境的毒理性、降解難易程度以及去除性難易等因素，那么同處一個質量級別的不同污染因子的Fi值應區別對待[4]。

從圖2可以看出，基于層次分析法獲得的大連市地下水各監測斷面綜合水質評價結果相對于內梅羅指數評價法，水質類別整體提高，其中蘇家監測斷面水質類別由Ⅴ類提升至Ⅳ類；興民、付家、二十里、南鴉鸕嘴和小黑石水質類別由Ⅳ類提升至Ⅲ類；尹家監測斷面從Ⅲ類水提升至Ⅱ類水；黃旗監測斷面由Ⅱ類水提升至Ⅰ類水標準。用層次分析法評價的8個地下水監測斷面，只有蘇家監測斷面水質沒有達到地下水環境質量標準中的Ⅲ類水標準，超標污染因子是總硬度和硝酸鹽氮，其余7個斷面水環境質量均達到飲用水標準。

圖2 不同水質評價方法的評價結果

5 結 論

本文研究了層次分析法在大連市地下水環境質量評價中的應用，評價結果表明：蘇家監測斷面水質類為Ⅳ類；興民、付家、二十里、南鴉鸕嘴和小黑石水質類別為Ⅲ類；尹家監測斷面水質類別為Ⅱ類水；黃旗監測斷面為Ⅰ類水。除蘇家外，其余7個監測斷面水質均未超過地下水環境質量標準中的Ⅲ類水標準。將該評價結果同內梅羅指數綜合評價法進行比較，發現層次分析評價法采用變化的權重來處理評價因子，考慮了全部評價因子對水環境質量的貢獻，各個評價參數之間相互聯系，因而能全面反映水體污染的綜合情況。

[1] 朱波,張輝.層次分析法在水利水電工程后評價工作中的應用[J].水利建設與管理,2009(1):9-11.

[2] 朱國宇,黃川友,華國春.層次分析法在水環境規劃中的應用[J].東北水利水電,2003,21(4):1-2.

[3] 蘇德林,武斌,沈晉.水環境質量評價中的層次分析法[J].哈爾濱工業大學學報,1997,29(5):105-107.

[4] 劉石.地下水質量評價方法的探討[D].北京:中國地質大學,2006.

Evaluation of groundwater environmental quality in Dalian based on analytic hierarchy process

SUN Daming

(LiaoningDalianHydrologyBureau,Dalian116023,China)

In the paper, Dalian groundwater environmental quality evaluation model is established based on the analytic hierarchy process (AHP). The model is applied for evaluating eight groundwater quality monitoring sections in Dalian. Evaluation results show that groundwater quality conforms to the actual situation basically. Weight processing evaluation factor is introduced in analytic hierarchy process (AHP). The contribution of all evaluation factors on water environment quality is considered comprehensively. The evaluation results can reflect overall situation of water pollution comprehensively with better practicability. More efficient auxiliary decision-making information can be provided for environment decision-making. The paper has important significance for protecting water environment and realizing sustainable development.

analytic hierarchy process (AHP); groundwater; evaluation

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.02.021

TV221

A

2096-0131(2017)02- 0075- 04