基于熵權的屬性識別模型在農村飲用水水質評價中的應用研究

張千

摘 要：選取合肥市兆河水系八家自來水廠的水源水，采用基于熵權的屬性識別模型對兆河水系農村飲用水水質進行評價，得出結論：兆河水系的八家自來水廠的水質均為Ⅰ類，水質優良。再通過評分準則，得出各水廠水質的具體評分，依次為：龍王、盛橋、白湖、楊柳、清源、樂橋、萬年、桂元。桂元自來水廠的水源水的評分分值最高，水質最優。研究結果表明，該模型可高效精準地識別巢湖流域水源水水質。

關鍵詞：熵權法;屬性識別模型;水質評價

中圖分類號：X824 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）05-0052-03

人類在農業與工業上的生產活動會導致地表水受到污染，影響到農村地區的飲用水安全，危害人類健康。所以對于農村地區的飲用水，加強其水質監控與評價就顯得極為重要。1997年北京大學程乾生[1]教授提出了屬性識別準則，建立了屬性識別模型，并討論了模型在環境質量評價中的應用，為后來屬性識別模型的拓展應用奠定了理論基礎。郭彥英[2]等使用了層次分析法（AHP）對地表水建立遞階型的綜合評價體系，計算出各個指標的權重，利用了層次分析理論，計算一致性并將地表水各個用于評價水質的指標分出層次進行排序，從而確定各指標對水體污染的貢獻度。門寶輝[3]采用物元分析法分析評價了松花江位于哈爾濱江段的水質情況，選取關于標準值和實測值等數據的三樣參數作為物元，建立分析模型，將抽象的評級轉換為具體的定量評價。Ali Karnib[4]等利用一種基于模糊推理系統提出的服務質量指數評價方法（QSI）對黎巴嫩的供水水質進行了評價。張長等[5]在洛陽市大氣環境評價中使用屬性識別理論模型，得出了“在大氣環境評價中使用屬性識別模型是合理可信的”結論。張霞等[6]將模糊綜合評價法、單因子評價法、改進密切值法、屬性識別模型等方法的優缺點進行比較，然后指出屬性識別模型是四種方法中優異性及可靠性最高的首選方法。基于此，文中采用的是熵權法與屬性識別模型相結合的水質評價方法，選取合肥市兆河水系經過的八家自來水水廠的水源水樣進行評價，為巢湖流域農村地區水資源的開發利用和規劃管理提供科學依據，并為科學評估該區域的水源水質提供高效精確的方法。

1 檢測方法與評價方法

1.1 檢測方法與評價標準

檢測方法與評價標準見表1、表2。

1.2 評價方法

1.2.1 屬性測度的處理過程

對各樣品的各項指標進行屬性測度，計算方法如下[8]：設aij為各指標的標準值，xij為各樣品中各指標的實測值，當xij≤ajl時取表3中公式（1）結果，當xij≥ajl時，取表3中公式（2）結果，當ajl≤xij≤ajl+1時，按表3中公式（3）進行計算，這樣可以得到各指標的屬性測度μijk。

1.2.2 熵權屬性識別模型

熵權屬性識別模型法的計算步驟如下[9]：

第一步：由于樣本的各個評價指標各有不同，因此，需要對矩陣A進行歸一化處理，得到歸一化矩陣H=（hij）m*n（i=1，2，…，m;j=1，2，…，n），歸一化方式見表4公式（4）。

第二步：計算第j個評價指標的熵ej，再通過熵ej算出熵權Wj，熵的計算使用表4公式（5），熵權的計算使用表4公式（5），即得熵權值Wj。

第三步：在計算出熵權之后，利用表4中的公式（9）將熵權值與屬性測度矩陣復合，算出綜合屬性測度μik，其置信度K判別方式利用表4中的公式（10），最后可知各個水廠水源水類別。

1.2.3 水質屬性級別分數的確定

該法不僅可以將樣本水質分類，還可以進一步對這幾個樣本的污染嚴重程度做出比較，具體評分方法如下[10]：

2 評價與分析

2.1 基于熵權法的屬性測度分析評價

從表5可以看出8家自來水廠水質均為Ⅰ類水，在8家自來水廠中龍王、盛橋、白湖自來水的綜合屬性測度值相較于其他水廠較低，這可能與水中的某些因子有關，如高錳酸鹽指數、氨氮。在計算過程中發現龍王水廠的高錳酸鹽指數相較于其他水廠的高錳酸鹽指數的含量較高。雖然楊柳自來水廠的高錳酸鹽指數也很高，但氨氮含量較少，k1值為0.8912。所以可以認為綜合屬性測度值的高低與高錳酸鹽指數和氨氮兩個因子有關。

2.2 水質屬性級別評分分析

通過綜合屬性測度表（表5），運用公式11得出各水廠分數如下表表6所示。

從表6中的結果來看，在這8個水廠中水質最差的是龍王水廠，排名第八。其次依次為：盛橋、白湖、楊柳、清源、樂橋、萬年、桂元。水質最優的是桂元自來水廠的水源，排名第一。在屬性識別模型中這8個水廠均為Ⅰ類水，但通過評分準則的計算與比較后，可以在同類水中進一步細化，從而進一步比較出各自來水廠水源水水質的優劣程度。

3 結論

水質評價的方法多種多樣，文中僅選取了屬性識別模型這一方法，并結合信息熵權重法對合肥市兆河水系的八家自來水廠的水源水質進行了評價。該模型頗具特色，可高效精準的識別巢湖流域水源水質。（1）由于熵值權重的定義，使其強調了實測值的極值作用，并且運用到全部實測數據來確定權重，在評價時更能表現出較強的客觀性。（2）該方法運用屬性測度模型對于各自來水廠的水源水質進行屬性測度，并且與熵權值進行復合，得到各水廠水質的綜合屬性測度。（3）通過評分準則的計算與比較，可以對各水源水質優劣進行精確的排序，能夠進一步證明信息熵權重下的屬性識別模型法的評價結果是科學的、精準的。

參考文獻：

〔1〕程乾生.屬性識別理論模型及其應用[J].北京大學學報（自然科學版），1997，33（01）：12-20.

〔2〕郭彥英，鄧云峰，任珺.AHP法在地表水水質綜合評價指標權重確定中的應用[J].蘭州交通大學學報（自然科學版），2006，25（03）：70-72.

〔3〕門寶輝，梁川.水質量評價的物元分析法[J].哈爾濱工業大學學報，2003，35（03）：358-361.

〔4〕Ali Karnib. Evaluation of the quality of service of the water supply delivery in Lebanon[J]. Water Sanit Hyg De ，2015，（5）：17-27.

〔5〕張長，張江山，李小梅.應用屬性識別模型評價洛陽市大氣環境質量[J].環境科學與管理，2011，36（08）：156-158.

〔6〕張霞，李衛紅，吳榮.4種水質綜合評價方法的比較[J].新疆農業大學學報，2009，32（06）：60-64.

〔7〕奚旦立.環境監測（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2019.

〔8〕門寶輝，梁川.基于變異系數權重的水質評價屬性識別模型[J].哈爾濱工業大學學報，2005（10）：258-261.

〔9〕孫瑜輝，岳春芳.熵權屬性識別模型綜合評價灌溉管理模式[J].節水灌溉，2019，32（05）：99-103.

〔10〕吳榮，張霞.屬性識別模型在艾比湖水質評價中的應用[J].干旱區地理，2009，32（04）：571-576.