基于層次分析法的地下水水質(zhì)評價(jià)

王冬至 梁建輝

摘要基于層次分析法（AHP）建立了阿克蘇市地下水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)模型，以阿克蘇市16個(gè)水位監(jiān)測井的水樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對地下水環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)結(jié)果表明，水樣中達(dá)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的占81.25%，其中優(yōu)良和良好的水質(zhì)占43.75%，而極差和較差的水質(zhì)有18.75%。通過與F值評分法結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，層次分析法由于采用了變化的權(quán)重對評價(jià)因子進(jìn)行處理，同時(shí)綜合考慮了全部評價(jià)因子對水質(zhì)的貢獻(xiàn)與因子間的相互聯(lián)系，因而能更全面有效地利用水樣的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使評價(jià)結(jié)果比較符合實(shí)際的水質(zhì)狀況，為使評價(jià)結(jié)果更科學(xué)客觀地反映出水體的實(shí)際情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測數(shù)據(jù)與評價(jià)目的合理地選擇評價(jià)方法。

關(guān)鍵詞地下水；水質(zhì)；層次分析法；F值評分法

中圖分類號X824文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2019）08-0080-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.08.021

AbstractBased on the analytic hierarchy process （AHP），the groundwater environmental quality evaluation model of Aksu City was established.Based on the data of 16 water level monitoring wells in Aksu City，the groundwater environmental quality evaluation results showed that 81.25% of the groundwater samples reached Class III water quality standard，among which 43.75% were good.And poor water quality was 18.75%. By comparing with the results of Fvalue scoring method，it was found that the AHP can make more comprehensive and effective use of the monitoring data of water samples and make the evaluation results more realistic because it adopted variable weights to deal with the evaluation factors and took into account the contribution of all the evaluation factors to water quality and the relationship between the factors.In order to reflect the actual situation of water body more scientifically and objectively，the evaluation method should be selected reasonably according to the actual monitoring data and the purpose of evaluation.

Key wordsGroundwater；Water quality；Analytic hierarchy process；F score method

地下水作為水循環(huán)系統(tǒng)中的重要構(gòu)成成分，通常是水質(zhì)較好、水源穩(wěn)定的供水水源[1]，因此地下水的合理開發(fā)與利用是灌溉水資源的重要來源，更是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，而水資源可持續(xù)開發(fā)利用的前提是水環(huán)境質(zhì)量的定量化客觀評價(jià)，這也是環(huán)境管理與決策的依據(jù)。目前，在水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價(jià)中應(yīng)用較多的主要有單因子評價(jià)法[2]、F值評價(jià)法[3]、層次分析法[4]、模糊綜合評價(jià)法[5]、灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)法[6]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]及綜合污染標(biāo)識指數(shù)法[8]等。其中，層次分析法，簡稱AHP法，該方法的特點(diǎn)是通過把問題進(jìn)行層次化分解，首先將問題分解成若干子系統(tǒng)，按目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層建立一個(gè)層次結(jié)構(gòu)模型，然后通過判斷矩陣的建立與一致性檢驗(yàn)得到各層的權(quán)重，再根據(jù)權(quán)重值確定最終排序，該方法與其他評價(jià)方法相比具有較好的邏輯性、系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性[4，9-10]。筆者采用層次分析法對阿克蘇市16個(gè)觀測井的地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，并通過與普遍采用的F 值評分法評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比，分析不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為該市地下水資源合理開發(fā)與利用提供參考。

1層次分析法

層次分析法是一種層次化與系統(tǒng)化相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，該方法基本思路為先按評價(jià)目的和問題的性質(zhì)將各因素分解成階梯狀層次結(jié)構(gòu)，對各層不同因素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出判斷矩陣和一致性檢驗(yàn)，再計(jì)算各層元素對目標(biāo)的合成權(quán)重，最后進(jìn)行總排序，確定最下層中的各元素在總目標(biāo)中的重要程度[11]。

1.1構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型將地下水水質(zhì)作為層次分析的目標(biāo)層（A），將水質(zhì)類別（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類）作為準(zhǔn)則層（Bi），將水樣監(jiān)測指標(biāo)pH、總硬度、總?cè)芙庑怨绦挝铩⒙然铩⒎铩⒘蛩猁}、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)作為方案層（Ci），根據(jù)這3個(gè)層次建立阿克蘇市地下水水質(zhì)層次結(jié)構(gòu)模型（圖1）。

1.2構(gòu)造判斷矩陣判斷矩陣構(gòu)造之前，應(yīng)先明確各個(gè)參評因子的標(biāo)度，標(biāo)度的確認(rèn)順序是從層次結(jié)構(gòu)模型圖的最底層由下至上[12]，即在遞階層次結(jié)構(gòu)模型建立之后，假定以上一層次的元素Bi作為準(zhǔn)則，而且對下一層次的元素C1，C2，…，Cn有支配關(guān)系，則對于Bi的2個(gè)元素Ci和Cj哪個(gè)更重要，重要程度則以數(shù)量表示出來，然后由這些數(shù)值作為矩陣中的元素，最后構(gòu)成兩兩元素判別矩陣。

1.3判斷矩陣一致性檢驗(yàn)檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性，是為能夠反映出判斷矩陣構(gòu)造的合理性，首先要計(jì)算出判斷矩陣的特征值與特征向量，然后再對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算公式為[9]：

CI=λmax-nn-1（1）

式中，CI為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為判斷矩陣的階數(shù)。

檢驗(yàn)隨機(jī)一致性比率計(jì)算公式為：

CR=CIRI（2）

式中，CR為隨機(jī)一致性比率，當(dāng)CR<0.10時(shí)，則認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性，否則應(yīng)對判斷矩陣進(jìn)行修正，直到滿足一致性要求；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

2結(jié)果與分析

根據(jù)阿克蘇市16個(gè)觀測井的水樣數(shù)據(jù)，選取pH、總硬度、總?cè)芙庑怨绦挝铩⒙然铩⒎铩⒘蛩猁}、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)共8項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法和F值法對地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，各觀測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。

2.1構(gòu)造判斷矩陣與一致性檢驗(yàn)

2.1.1構(gòu)造（A-B）判斷矩陣與一致性檢驗(yàn)。以1號觀測井為例，通過采用指數(shù)標(biāo)度方法進(jìn)行兩兩比較，確定各影響因子的相對重要性并賦于標(biāo)度值[12]，構(gòu)造水質(zhì)與水質(zhì)類別的判斷矩陣A-Bi（目標(biāo)層-準(zhǔn)則層），如表2所示。

經(jīng)計(jì)算判斷矩陣A-B的最大特征值λmax=5.049 8，由公式（1）計(jì)算可得CI=（5.049 8-5）/（5-1）=0.012 45，由公式（2）計(jì)算得到CR=0.012 45/1.26=0.011 1，CR<0.10，因此矩陣A-B滿足一致性要求。

2.1.2構(gòu)造（Bi-C）判斷矩陣與一致性檢驗(yàn)。用評價(jià)因子水質(zhì)類別與其對應(yīng)的各個(gè)指標(biāo)因子構(gòu)造各水質(zhì)類別的兩兩比較判斷矩陣（Bi-C），如表3～7所示。

經(jīng)計(jì)算，各矩陣隨機(jī)一致性比率CR均小于0.10，具有滿意的一致性。

2.2確定水質(zhì)類別總排序先對計(jì)算出的每一個(gè)評價(jià)因子相對于總目標(biāo)水質(zhì)評價(jià)的權(quán)重值進(jìn)行層次總排序，再計(jì)算各層次所有因子對總目標(biāo)相對重要性的層次權(quán)值，其1號觀測井水質(zhì)指標(biāo)的總排序結(jié)果見表8。

同理可得到2～16號觀測井的各監(jiān)測指標(biāo)相對于水質(zhì)的權(quán)值和總排序，具體結(jié)果見表9。從表中可以看出，在2～16號水質(zhì)指標(biāo)層次總排序中，前6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的排序均相同，權(quán)值從大到小分別為pH、總硬度、總?cè)芙庑怨绦挝铩⒏咤i酸鹽指數(shù)、氨氮和硫酸鹽，而水質(zhì)指標(biāo)氟化物和氯化物的權(quán)值在所有水樣中均排第7或第8位。從各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)值上看，指標(biāo)權(quán)值越大表明此指標(biāo)對水質(zhì)的影響越大，在所有水樣的指標(biāo)權(quán)值中，pH、總硬度和總?cè)芙庑怨绦挝锏臋?quán)值明顯大于其他指標(biāo)權(quán)值，說明在所有采樣點(diǎn)中，pH、總硬度和總?cè)芙庑怨绦挝锖繉λ|(zhì)的影響最大，需優(yōu)先控制該指標(biāo)。

從2種評價(jià)方法的結(jié)果中可發(fā)現(xiàn)，層次分析法結(jié)果中極差與較差的3處正好對應(yīng)于F值評分法結(jié)果中的3處Ⅲ類水質(zhì)，對這3處水樣的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該3處水樣中的總硬度、總?cè)芙庑怨绦挝锖土蛩猁}明顯高于其他水樣，而且在層次分析法中，在確定權(quán)值時(shí)突出了pH、總硬度及總?cè)芙庑怨绦挝飳λ|(zhì)評價(jià)的貢獻(xiàn)，而弱化了其他評價(jià)因子的影響，同時(shí)，在進(jìn)行地下水質(zhì)量評價(jià)的分析過程中，將專家打分法與層次分析法相結(jié)合，將人為主觀判定與理性約束相結(jié)合，可使得地下水評價(jià)結(jié)果更符合水質(zhì)實(shí)際情況，因此，層次分析法結(jié)果中含有Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì)，而F值評價(jià)法盡管利用綜合評分值，按單項(xiàng)指標(biāo)所對應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)確定水質(zhì)類別，評價(jià)結(jié)果可以反映出水質(zhì)整體狀況，但此方法由于在單項(xiàng)指標(biāo)上級別分類分明的局限，導(dǎo)致在評價(jià)結(jié)果中更加凸顯了超標(biāo)污染指標(biāo)的級別，而且評價(jià)結(jié)果不連續(xù)，如表9中所示，F(xiàn)值評分法評價(jià)結(jié)果只有Ⅱ類和Ⅲ類，而缺少Ⅰ類、Ⅳ類和Ⅴ類。

3結(jié)論

利用阿克蘇市16處監(jiān)測井的水樣數(shù)據(jù)，采用層次分析法對該市地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明，水樣中達(dá)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的占81.25%，其中優(yōu)良和良好的水質(zhì)占43.75%，而極差和較差的水質(zhì)有18.75%，超過了國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)[16]，將層次分析法評價(jià)結(jié)果與F值評分法評價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，層次分析法結(jié)果中水質(zhì)類別超標(biāo)的3處正好與F值評分法評價(jià)結(jié)果中水質(zhì)類別最高的3處（Ⅲ類）相對應(yīng)，而且F值評分法結(jié)果中所有水樣均滿足國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，這主要是因?yàn)樵摲椒ò磫雾?xiàng)指標(biāo)所對應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)，利用綜合評分值確定水質(zhì)類別，但評價(jià)結(jié)果不連續(xù)，缺少Ⅰ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì)，而層次分析法因?yàn)槔脤＜掖蚍峙c層次分析相結(jié)合的方法，采用了變化的權(quán)重對評價(jià)因子進(jìn)行處理，同時(shí)綜合考慮了全部評價(jià)因子對水質(zhì)的貢獻(xiàn)與因子間的相互聯(lián)系，因此能比較全面地反映出水環(huán)境質(zhì)量的綜合狀況，使評價(jià)結(jié)果與實(shí)際更為符合，更具實(shí)用性。

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