基于多層次灰色理論的水污染物總量控制探究

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

我國環境保護體系中主要污染物總量控制作為一項重要措施發揮著不可替代的作用，并取得了理想的成效，2010年COD排放量比2005年降低了約12.45%。然而，目前通常以削弱任務完成情況作為總量控制水平定論，而對于總量控制制度執行的綜合狀況還無法給出客觀、全面的結論，由此對于決策者政策的制定以及問題分析的指導作用并不明顯[1-4]。總量控制制度的有效實施不僅與污染物排放量削弱程度相關，而且還與環境質量的改善、環境監管水平的提升以及區域污染治理投入的增加等因素相關。用于水污染總量控制的評價方法較多，較為常用的有BP網絡法、模糊綜合指數法以及污染指數法等，然而這些方法均不能較好地反映總量控制的程度和水平，從而無法準確判定水體功能是否達到目標要求。

遼寧省氣候環境具有明顯的季節性變化特征，各區域河流徑流、降水量、氣溫等參數隨季節性變化顯著，并且水環境質量影響因素較多，通過監測年內污染指標均值通常無法準確反映各地區水環境季節性變化規律，對于總量控制通常存在較大的困難[5-8]。針對總量控制可量化性低、指標值獲取困難以及影響因素復雜等特點，本文運用灰色關聯法選擇了總量控制關鍵因素，在此基礎上構建了多層次灰色綜合水污染物總量控制評價方法。

1 多層次灰色理論分析

1.1 灰色關聯度

灰色關聯度分析是一種描述多因素之間大小、強弱與次序的分析方法，聯系的緊密程度可通過各序列間的關聯度確定，因此，各對比序列相對于參考序列的“優劣關系”可根據關聯度的大小次序描述[9]。該方法不僅可避免單一方法對指標賦權存在的缺陷，而且可提高評價結果的可靠性與合理性，更加系統、全面地反映水污染總量控制的實際狀況，同時，也為提出針對性的防控措施提供一定的決策依據和參考。灰色關聯度分析主要流程如下。

1.1.1 無量綱化處理

1.1.2 確定灰色關聯系數

對于參考指標x0(k)與比較指標xi(k)之間灰關聯系數的計算可采用下述方法，其表達式為

(1)

式中：ξi(k)為研究區域內第k個分區中第i項指標與參考指標的關聯系數；ξ為能夠減少極值影響的分辨率，ξ取值區間為0～1，本文參考相關文獻確定為0.5。

1.1.3 關聯度計算

對于研究區域內關聯系數不便于直接比較，且信息過于分散的各分區，可通過關聯度的計算將其處理成某一數值，本文利用平均值法確定該數值，其計算公式為

(2)

式中：ri為參考指標與比較指標i之間的關聯度，據此可根據ri值的大小確定各比較序列相對于參考序列的“優劣”程度。

1.2 灰色綜合評價法

一般情況下研究多對象的排序問題即為事物的綜合評價，即通過一定的方法確定評價對象的優劣次序，因此基于灰色理論的綜合評價模型為

R=EW

(3)

式中：W=(w1,w2,…,wn),wj反映了在整體評價體系中單因素的貢獻率大小，在一定程度上也可說明該因素對總量控制的評定能力；R=(r1,r2,…,rm),0≤rm≤1,ri反映了綜合評定所得的評價結果，總量控制各評判矩陣E可表示為

(4)

2 水污染物總量控制綜合評價

2.1 構建評價體系

對遼寧省2016年14個省轄市的主要水污染物總量控制狀況進行系統的分析評價。

對水污染物總量控制中兩因素之間的關聯程度可通過灰色關聯法確定，為了對區域總量控制制度實施水平進行更加綜合、全面、客觀的評價，本文基于已有研究成果和上述分析構建了多層次評價模型。主要技術路線為：根據相關資料和區域水污染實際狀況，分別從產出效益、監管水平、治污能力以及治污投資4個方面建立多層次評價體系，然后運用灰色關聯計算公式確定各指標權重及綜合次序。

為了有效改善水體環境質量并降低污染物排放總量，應從增強監管水平、提高治污能力、增加治污投資等方面綜合控制水體污染。指標的選擇不僅要考慮到相關數據的可操作性與準確性，而且要客觀、全面地體現各要素層的基本特征。本文參考有關研究并結合遼寧省水體污染治理狀況，在遵循科學性、可行性、代表性、合理性原則的基礎上選擇了9項典型指標并建立評價體系[10]。水污染物總量控制水平與各指標權重的大小密切相關，權重值越大則對控制水平的影響程度越大，反之則越小。目前，數理統計法以及經驗法為獲取指標權重的主要方法，主要有AHP法、主成分法以及專家咨詢法等，由于評價結果受權重值的影響較大，為使得評價結果更加客觀、合理，可根據實際狀況適當調整權重值。本文運用專家咨詢法確定總量控制各因素權重，評價指標及其權重值見表1。

表1 水污染物總量控制評價指標及其權重值

2.2 指標層關聯系數計算

運用多層次灰色關聯法綜合評價遼寧省2016年14個省轄市的主要水污染物總量控制狀況，主要計算流程如下：

根據諸多方案中各參數最優值構成最優方案，即形成參考序列，若參數值屬于效益型指標應取各方案中最大值，若參數值屬于成本型指標應取各方案中最小值。結合各參數具體內涵確定參考數列C0k，各參數取值如下：

C0k=(3.2,88.6,23.1,0.88,58.2,100.0,1.0,186.5,74.2)

表2 遼寧省各地區水污染總量控制評價指標灰色關聯系數

2.3 多層次結構關聯度合成

不同指標對總量控制水平評價的重要程度存在差異，因此采用加權平均合成法確定評價體系中各要素的關聯度，利用式(3)對權重矩陣與關聯系數矩陣進行乘積運算，最終得到合成關聯度，見表3。

表3 遼寧省14個地區總量控制各指標關聯系數

2.4 結果分析

最佳參考序列與遼寧省各地區總量控制水平之間的關聯度即為WA值，其值越大則代表趨近最佳序列的程度越高，相應的水污染總量控制水平越高，反之則較低。根據表3中WA值計算結果可以看出，遼寧省14個地區的水污染總量控制由高到低的次序依次為阜新、大連、沈陽、遼陽、營口、朝陽、盤錦等地區，其中控制水平較差的區域主要有丹東、鐵嶺、鞍山、錦州等地區。

根據多層次灰色綜合模型計算得到的關聯度WA，能夠客觀、真實地反映遼寧省各地區水污染總量控制在9項典型指標的綜合水平。由此表明，沈陽、大連、阜新以及遼陽等綜合評價較高的區域其治污投資、監管、產出效益以及治污能力等均處于中上水平。同理，錦州、丹東、鐵嶺等綜合評價較低的區域其單項指標值處于較低水平。另外，綜合評價水平受各指標權重的大小影響顯著，權值越大則綜合影響程度越高，要素層中權重較大的參數貼近綜合評價WA值較好，權值越小的參數離散綜合評價WA的程度越大。

水污染物總量控制涉及水資源、經濟社會、生態環境等多個方面，并且各參數信息具有不確切、不完備等特征，運用灰色系統理論對區域總量控制水平進行綜合評價能夠顯著提升其可行性與準確性。

3 結 論

本文以遼寧省為例運用多層次灰色關聯法對各地區主要水污染物總量控制進行綜合評價，不僅提高了評價結果的準確性與可靠性，而且擴大了評價體系的因素范疇及其整合效果，對于區域水體治理與環境保護具有重要的積極作用。遼寧省14個地區的水污染總量控制由高到低的次序依次為阜新、大連、沈陽、遼陽、營口、朝陽、盤錦等地區，其中控制水平較差的區域主要有丹東、鐵嶺、鞍山、錦州等地區；沈陽、大連、阜新以及遼陽等綜合評價較高的區域其治污投資、監管、產出效益以及治污能力等均處于中上水平，錦州、丹東、鐵嶺等綜合評價較低的區域其單項指標值處于較低水平。

總量控制水平評價結果受指標權重與評價體系的影響，而各地區水環境與水資源實際情況直接決定著各指標及其權重取值，具有一定的不確定性和模糊性特征。因此，運用灰色關聯綜合評價法時應綜合考慮當地實際情況，不斷調整指標權重和評價體系。