撫順市農(nóng)村飲水安全評價

徐赫峰

(撫順海峰水利工程有限公司，遼寧 撫順 113300)

1 研究方法

1.1 層次分析法

層次分析法是一種能夠定量化人的主觀判斷的數(shù)學(xué)方法，可以實(shí)現(xiàn)多層次、多要素復(fù)雜問題的定量化處理。該方法通過數(shù)值化各參評要素間的差異，有效地解決模糊性復(fù)雜的系統(tǒng)問題，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水庫大壩、水文水資源等領(lǐng)域的安全評價。

1.2 改進(jìn)熵權(quán)法

利用模糊互補(bǔ)判斷矩陣改進(jìn)傳統(tǒng)的熵權(quán)法，建立新的矩陣如式(1)所示：

D={dij}n×n

(1)

式中：dij為飲水安全評價因子i對j的優(yōu)先系數(shù)，dij的取值區(qū)間為0～1，且符合條件dij+dji=1。其中，dij值等于0.5、大于0.5和小于0.5時，依次代表評價因子i與j等優(yōu)秀、i優(yōu)于j、i劣于j的三種關(guān)系。為保證權(quán)重計(jì)算合理性必須檢驗(yàn)矩陣D的一致性，如式(2)所示：

(2)

若ρ值為0，則代表模糊互補(bǔ)矩陣完全符合一致性要求。考慮到飲水安全評價存在顯著的模糊性和復(fù)雜性特征，評價過程應(yīng)盡可能使得矩陣D符合檢驗(yàn)要求，可以設(shè)定某一閾值ε，若ρ<ε則認(rèn)為D的一致性符合要求，該條件下獲取的權(quán)重可用于評價分析；否則，應(yīng)重新調(diào)整矩陣，重復(fù)以上流程直至符合檢驗(yàn)要求。

1.3 組合權(quán)重的確定

采用層次分析法求解指標(biāo)權(quán)重的基本依據(jù)為人的主觀決策構(gòu)造的判斷矩陣，經(jīng)一致性檢驗(yàn)獲取相應(yīng)的權(quán)重，所以該方法存在較強(qiáng)的主觀隨意性，因決策者個人偏好和知識經(jīng)驗(yàn)的不同會產(chǎn)生較大偏差；而考慮各項(xiàng)參評因子具體數(shù)值獲取相應(yīng)權(quán)重的改進(jìn)熵權(quán)法，在具體計(jì)算時存在較強(qiáng)的客觀性[1]。因此，本文綜合考慮待評價對象的客觀性和評判專家的主觀性，將主觀、客觀兩種方法相結(jié)合更加科學(xué)、合理的確定指標(biāo)權(quán)重。針對農(nóng)村飲水安全各評判因子權(quán)重利用改進(jìn)熵權(quán)法和層次分析法求解，經(jīng)乘積運(yùn)算和標(biāo)準(zhǔn)化處理確定最終的組合權(quán)重為W={wi}1×n。

1.4 模糊綜合評價模型

針對各項(xiàng)評判因子的數(shù)據(jù)值利用半梯形分布函數(shù)處理，按照農(nóng)村飲水安全評價越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型因子作標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)模糊評判矩陣如式(3)所示：

X={xij}n×g

(3)

式中：n、g為農(nóng)村飲水安全評價的指標(biāo)數(shù)和等級數(shù)。將組合權(quán)重運(yùn)算結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)化因子值輸入模糊數(shù)學(xué)模型，從而確定各參評樣本的飲水安全水平，模型表達(dá)如式(4)所示：

CV={wi}1×n{xij}n×g{Gj}g×1

(4)

式中：Gj為量化評語集所對應(yīng)的評判等級，按照綜合評價值隸屬的區(qū)間確定相應(yīng)的安全等級。

2 實(shí)例分析

2.1 區(qū)域概況

撫順市區(qū)位于渾河沖積平原上，東與吉林省接壤、南與本溪相望、西距沈陽市45 km、北與鐵嶺毗鄰，其地理位置為東經(jīng)123°55′，北緯41°52′，總面積1.12萬km2，下轄四區(qū)三縣。該區(qū)域?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫5～7 ℃，降水量為750～850 mm，無霜期1345天，四季分明，溫差較大，冬春兩季多風(fēng)少雨，夏秋兩季降雨集中，受季風(fēng)氣候和地形地貌影響，降水量時空分布極不均衡，其中65%以上降水集中于7—9月。撫順地區(qū)屬于長白山系龍崗山脈，平均海拔高度為400～500 m，地勢總體呈西南、東北走向，土地結(jié)構(gòu)有“八山一水一分田”之稱。研究區(qū)域水資源儲量充足，降水量豐富，境內(nèi)有大中型水庫74座，主要有柴河、清河、渾河、柳河、太子河、富爾江河等12條河流。全市可利用水域面積6667 hm2，水資源總量39.82億m3，人均占有量1530 m3，在遼寧省僅次于丹東和本溪地區(qū)[2-5]。

近年來，撫順市依托其獨(dú)特的地理優(yōu)勢和優(yōu)越的環(huán)境條件大力發(fā)展社會經(jīng)濟(jì)，與之同時各行業(yè)用水量和污廢水排放量也急劇增加，尤其是農(nóng)村地區(qū)水體污染和供給矛盾日趨突出，加之農(nóng)村供水管網(wǎng)腐蝕、供水設(shè)備老化、消毒、過濾和凈化設(shè)施缺乏等，使得該地區(qū)飲用水水質(zhì)和供水能力不斷下降，所以非常有必要科學(xué)評價和分析撫順市農(nóng)村飲水安全狀況。

2.2 農(nóng)村飲水安全評價體系

為確保農(nóng)村飲水安全評價的準(zhǔn)確性和可靠性，各評價因子的選取應(yīng)遵循層次性、系統(tǒng)性、可獲取性、科學(xué)性和代表性等原則[6-8]。本文結(jié)合撫順地區(qū)農(nóng)村飲水實(shí)際狀況和有關(guān)部門制定的飲水安全衛(wèi)生評價體系，按照梯階層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建包含指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的農(nóng)村飲水安全評價體系，如表1。其中，指標(biāo)層共涉及12個評判因子，準(zhǔn)則層覆蓋水質(zhì)、水量和供水3大方面，評價目標(biāo)設(shè)定為飲水安全狀況。

表1 撫順市農(nóng)村飲水安全評價體系

充分考慮撫順地區(qū)農(nóng)村飲水衛(wèi)生有關(guān)要求和地表水水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)，將這些指標(biāo)劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級5個標(biāo)準(zhǔn)，所對應(yīng)的評價指數(shù)取值區(qū)間為90～100、80～90、60～80、40～60、0～40，評語為安全、較安全、基本安全、較不安全和不安全。

2.3 組合權(quán)重的確定

2.3.1 主觀權(quán)重

步驟一：判斷矩陣的構(gòu)造。采用層次分析法確定因子權(quán)重的關(guān)鍵為構(gòu)造合適的判斷矩陣，結(jié)合專家意見和1～9標(biāo)度準(zhǔn)則兩兩比較不同元素間的相對重要度，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整構(gòu)造評價體系中各層次的判斷矩陣，為保證評判結(jié)果準(zhǔn)確性必須檢驗(yàn)矩陣一致性。目標(biāo)層A及其下屬因子B1～B3、準(zhǔn)則層B1及其下屬因子C1～C4、準(zhǔn)則層B2及其下屬因子C5～C7、準(zhǔn)則層B3及其下屬因子C8～C12的判斷矩陣分別如式(5)～式(8)：

(5)

(6)

(7)

(8)

步驟二：農(nóng)村飲水安全評價單排序及總排序。采用文中所述有關(guān)公式求解準(zhǔn)則層B1～B3對目標(biāo)層A、參評因子C1～C4對準(zhǔn)則層B1、C5～C7對準(zhǔn)則層B2、C8～C12對準(zhǔn)則層B3的主觀權(quán)重如式(9)：

WB-A=[0.33 0.20 0.47]

WC-B1=[0.31 0.31 0.22 0.16]

WC-B2=[0.30 0.22 0.48]

WC-B3=[0.16 0.18 0.24 0.12 0.30]

(9)

對于同一參評因子不同專家的主觀判斷上存在分歧，為確保權(quán)重計(jì)算的合理性須檢驗(yàn)矩陣的一致性。采用隨機(jī)一致性比例公式求解以上判斷矩陣的比率為0.045、0.021、0.045、0.042，具體運(yùn)算流程。所求得的比率值均符合小于0.1的要求，可見構(gòu)造的判斷矩陣符合科學(xué)合理性要求，然后利用相同的方法可獲取指標(biāo)層對目標(biāo)層的權(quán)重為WA=(0.10,0.10,0.06,0.04,0.06,0.04,0.10,0.07, 0.09,0.12,0.06,0.15)，其一致性比率為0.032符合小于0.1的要求，所以認(rèn)為該權(quán)值可以用于飲水安全評價。

2.3.2 改進(jìn)熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

以撫順市及其下轄的4區(qū)3縣為研究對象，可構(gòu)造包含12個指標(biāo)、8個待評樣本的判斷矩陣R8×12，利用歸一化公式對各參數(shù)值處理構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)矩陣B8×12。將每個評價指標(biāo)的客觀權(quán)重求解，由此確定客觀權(quán)重為WE=(0.09,0.06,0.08,0.06, 0.10,0.05,0.06,0.06,0.14, 0.14,0.08,0.09)。為進(jìn)一步評判權(quán)重WE能否被接受，仍要檢驗(yàn)各個因子的一致性，利用公式(1)構(gòu)造農(nóng)村飲水安全評價的模糊互補(bǔ)矩陣。

模糊互補(bǔ)矩陣D的一致性指標(biāo)ρ利用公式(2)求解，ρ等于0.005，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1的閾值，由此可見改進(jìn)熵權(quán)法構(gòu)造的互補(bǔ)矩陣也符合一致性要求，按照該方法確定的權(quán)重WE能夠被用于飲水安全評價。

2.3.3 綜合法求解組合權(quán)重

針對改進(jìn)熵權(quán)法和層次分析法求解的每個指標(biāo)的主、客觀權(quán)重，經(jīng)乘積運(yùn)算和標(biāo)準(zhǔn)化處理獲取相應(yīng)的組合權(quán)重為W=(0.10,0.07,0.06,0.03,0.07,0.02,0.06,0.05,0.15,0.17,0.06,0.15)，按照相同的流程和方法獲取準(zhǔn)則層因子權(quán)重為：W1=(0.38,0.29,0.21,0.12);W2=(0.46,0.12,0.42);W3=(0.08,0.26,0.32,0.07,0.26)。

2.4 評價結(jié)果與分析

撫順市及其下轄的4區(qū)3縣農(nóng)村飲水安全各評價因子初始數(shù)據(jù)，主要來源于撫順市水資源公報、社會經(jīng)濟(jì)調(diào)查報告和農(nóng)村飲水安全統(tǒng)計(jì)資料等，以人口比例為基準(zhǔn)提取相應(yīng)的數(shù)值如表2。

表2 撫順市農(nóng)村飲水安全評價初始數(shù)值

根據(jù)文中所述公式(3)構(gòu)造農(nóng)村飲水安全模糊評價矩陣，對各評價樣本綜合值利用公式(4)求解，按照評語集范圍和綜合指標(biāo)值即可確定所對應(yīng)的安全等級。采用改進(jìn)熵權(quán)法、層次分析法、層次分析耦合改進(jìn)熵權(quán)法求解的各指標(biāo)權(quán)重如表3。

從表3可以看出：①撫順市農(nóng)村飲水狀況總體達(dá)到基本安全水平，其中準(zhǔn)則層供水、水量、水質(zhì)達(dá)到安全、不安全和基本安全水平；水質(zhì)子系統(tǒng)下屬的C1因子最差，其次為C2，飲水安全均達(dá)到Ⅳ級；而供水和水量子系統(tǒng)下屬的C5、C8因子最差，均達(dá)到Ⅳ級，且C10因子也處于較差水平。結(jié)合撫順地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和水資源利用現(xiàn)狀，該地區(qū)不存在較大的地下水污染因素和高污染企業(yè)，地下水為農(nóng)村地區(qū)主要飲水水源，水體污染較輕但存在高鹽水、苦咸水和高氟水等水質(zhì)問題；另外，該地區(qū)取水方式落后且水質(zhì)處理不達(dá)標(biāo)問題突出，較其它地區(qū)而言其農(nóng)村飲水水質(zhì)較差；因地下水埋深淺，淺層水井廣泛分布于農(nóng)村地區(qū)，所以相對來說該地區(qū)取水容易，不存在嚴(yán)重的缺水問題。總而言之，該評價結(jié)果可以比較系統(tǒng)、全面的反映撫順地區(qū)的農(nóng)村飲水現(xiàn)狀。②地區(qū)飲水不安全狀態(tài)與不安全因素的差異性存在良好一致性，研究區(qū)的供水、水量、水質(zhì)存在較大的差異，其中明顯較差的為水質(zhì)和供水，而水量問題并不顯著。根據(jù)飲水安全評價結(jié)果，東部地區(qū)的供水和水質(zhì)達(dá)到相對不安全水平，而水量處于安全水平；東南部地區(qū)的供水現(xiàn)狀達(dá)到不安全水平，而南部水量和水質(zhì)處于基本安全水平；北部和西部的水質(zhì)達(dá)到較不安全水平，而供水和水量處于相對安全水平，可見自西北向東南方向農(nóng)村飲水安全程度呈下降趨勢。

3 結(jié) 論

(1)針對每個指標(biāo)權(quán)重利用改進(jìn)熵權(quán)法和層次分析法求解，通過乘積運(yùn)算確定最終的組合權(quán)重，對撫順市及其下轄的各區(qū)縣農(nóng)村飲水安全現(xiàn)狀利用模糊綜合法進(jìn)行評價。

(2)實(shí)例分析表明，撫順市農(nóng)村飲水狀況總體達(dá)到基本安全水平，其中準(zhǔn)則層供水、水量、水質(zhì)分別達(dá)到安全、不安全和基本安全狀態(tài)；利用模糊綜合評價模型可以系統(tǒng)、全面的反映區(qū)域飲水安全狀況，該方法具有簡單適用、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，可為區(qū)域水污染治理和飲水安全評價提供數(shù)據(jù)支撐。