遼東丘陵地區水質綜合評價

汪 晶

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

大連市在近些年來通過排污口治理、河道生態治理以及生態修復等工程措施，在對河道進行防洪能力、輸水能力提升的同時，也使河流水生態環境狀況得到一定程度的改善[1-3]。但是河流生態環境形勢還未得到明顯好轉，部分區域河流水環境狀況較差，水功能區水質很難達到標準要求，水體凈化功能受到不同程度的影響，水質污染狀況時有發生。河道擠占、河湖四亂現象還需要加大治理措施[4-5]。隨著近些年來大連地區城市用水資源量的不斷提高，水資源開發程度不斷加劇，且受到區域氣候和生態環境影響區域用水量呈逐步遞減的變化趨勢，大連地區的水資源供需很難得到有效平衡，開展大連市水環境質量綜合評價對全市水環境系統的恢復具有重要意義[6-8]。近些年來，層次分析方法在許多區域水環境綜合評價中得到應用[9-15]，該方法成果對河流水質綜合評價中權重設置過于主觀、水質目標相對較為單一以及不能考慮各水質指標影響因素的局限。但是傳統層次分析方法采用九標度法對指標判定矩陣進行設置，也存在主觀程度過高的問題，使得一些評價結果很難滿足一致性檢驗的要求，若指標判定矩陣不能通過一致性檢驗，則需要對判定矩陣進行重新構建和計算，計算工作量較大。為有效避免此類局限，本文結合實測水質指標濃度以及對應水質標準構建各評價指標的判定矩陣，再將各評價因子濃度及水質標準等級濃度之間的差值的倒數作為標識度構建判定矩陣，從而對傳統層次分析方法進行改進，將改進的層次分析方法用于大連地區大沙河流域的水質綜合評價，分析改進前后評價效果，研究成果對于區域水質綜合評價方法具有參考意義。

1 改進層次分析方法計算步驟

(1)首先確定區域水環境質量作為綜合評價的目標層(A)，各水質指標作為準則(Bi)，方案層(Ci)為各類水質等級，建立模型評價的層次結構。

(2)計算評定均值各指標的特征值。對不同指標之間和要素之間的映射關系進行分析，可以基于該標準對不同類別指標進行判定矩陣的構建。假定不同指標間的判定矩陣為(aij)n×n>0，構建的判定矩陣特征值采用近似方法進行計算，計算主要方法為：

計算矩陣各行各元素乘積：

(1)

對特征方根進行計算：

(2)

(3)

對兩兩指標判定矩陣特征最大值λmax進行計算：

(4)

(3)對各指標判定均值進行一致性檢驗特征值進行計算：

(5)

當計算指標低于2個時，判定矩陣具有一致性；當計算指標高于2個時，矩陣存在一定的隨機程度。當指標通過一致性檢驗時，兩兩指標判定矩陣一致程度越低該值越大。當CR值低于0.10時，矩陣不能通過一致性檢驗，需要對模型按照隨機一致性指標RI(見表1)進行修正。

表1 判定矩陣一致性修正指標值

(4)評價排序。計算層級相比于上一個層次的權重相對值即為指標評價排序。在評價過程中從高到低逐步進行計算排序。各指標在目標層的排序分別為為a1，a2，…，am，則按照表2中排序方法對準則層各指標要素進行權重值的排序計算。在水質綜合評價中，不同水質等級下對各水質指標相比于整體流域水質狀況進行排序，采用一致性檢驗方法對最終排序結果進行檢驗。

表2 不同準則層水質指標排序方式

2 研究實例

2.1 區域概況

以大連市大沙河為例，將層次分析法應用于大沙河流域地表水環境質量評價。大沙河為大連地區主要入境河流之一，大沙河主要分布5個水質監測點，各監測點位置如圖1所示。

圖1 大沙河流域5個監測斷面地理位置信息

研究流域內3個功能區主要情況見表3。

表3 大連市大沙河流域水功能區基本情況

選擇各水功能區監測斷面常規監測指標、富營養化以及氟化物指標作為評價水質指標，各監測點枯水期水質監測指標濃度見表4。

表4 大連市大沙河流域各控制斷面枯水期水質監測數據 單位：mg/L

2.2 評價模型構建

模型評價的目標層次(A)為水環境質量，常規監測水質指標作為模型評價指標的準則層(Bi)，方案層(Ci)為不同水質等級。按照目標層、準則層、方案層結合改進的層次分析方法建立大沙河流域水質綜合評價模型。本文將麥家鐵路水質監測數據作為計算示例，將GB 3838—2002《地表水環境質量標準》水環境質量作為指標標準濃度限值，對斷面各污染指標進行計算，結合斷面各監測指標的實測濃度進行兩兩對比得到模型判定矩陣的各指數，從而確定模型評價各指標層的判定矩陣，計算結果見表5。

表5 判斷矩陣指標重要度計算結果

當判定均值的特征根高于2次時，則一致性檢驗指標的計算方法為CR=CI/RI。當一致性檢驗指標計算值低于0.10時，則計算得到的各水質監測指標兩兩對比的判定矩陣通過一致性檢驗，若一致性檢驗指標計算值高于0.10時，則需要修正判定矩陣的對應指標值。通過檢驗判定矩陣(A-B)的一致性程度后，對判定矩陣的特征最大值進行計算，得到判定矩陣特征最大值進行計算其檢驗指標CI值為0。通過表1可以對隨機一致性指標的均值比例(RI)進行查算，則麥家鐵路水質評價判定均值的隨機一致性指標均值的比例通過一致性檢驗。

2.3 模型檢驗

考慮到傳統層次分析方法在進行判定矩陣計算量較大的局限，本文以各水質指標對應水功能區水環境目標下的標準濃度與監測濃度的差值的倒數作為判定矩陣的標度進行各指標相對重要性對比矩陣，計算結果見表6。通過計算兩兩對比矩陣(B1-C)也可通過一致性檢驗。

表6 高錳酸鹽指數兩兩對比矩陣相對權重計算結果

按照上述計算步驟對其他檢測指標的權重判定矩陣進行計算，各指標對應不同水質等級下的權重值計算如下：

WB2-C=(0.072，0.072，0.093，0.211，0.552)T

WB3-C=(0.126，0.126，0.163，0.409，0.176)T

WB4-C=(0.162，0.175，0.193，0.214，0.256)T

WB5-C=(0.169，0.174，0.192，0.218，0.247)T

WB6-C=(0.235，0.235，0.235，0.143，0.152)T

通過計算各指標權重判定矩陣(Bi-C)的一致性檢驗值CR<0.1，通過一致性檢驗。

2.4 目標層次排序分析

對麥家鐵路橋監測斷面的各目標層進行排序計算，計算結果見表7。

從表7排序結果可看出，大沙河流域麥家鐵路監測點Ⅳ類(C4)的排序最高，因此該監測點水質綜合評價結果未Ⅳ類。采用相同計算步驟對大沙河流域其他4個監測點的水質綜合評價目標層進行排序分析，分析結果見表8。

表7 麥家鐵路橋監測斷面水環境質量層次總排序

表8 大沙河流域各水功能區水質監測斷面水環境質量層次總排序

從大沙河流域各水功能區水質監測斷面水環境質量層次總排序表中可看出，劉大水庫入口水質綜合評價為Ⅰ類，劉大水庫和洼子店閘水質水質綜合評價為Ⅱ類，而元臺大橋水質綜合評價為Ⅴ類。

2.5 評價結果與實際各監測斷面水質的對比

將改進的層次分析法的評價結果與實際水質相比較，結果見表9。

表9 改進的層次分析法評價結果與實際各監測斷面水質的對比結果

從綜合評價和實測結果對比分析可看出，采用改進的層次分析方法大沙河流域麥家鐵路橋以及元臺大橋水質綜合評價結果和實際結果吻合度較高，元臺大橋總磷超標7.3倍，其總磷計算相對權重也較高，而麥家鐵路橋氨氮超標較大，超過標準限值的倍數為15.3倍，其計算相對權重在各指標中也最高。綜合分析采用改進的層次分析方法綜合水質評價結果較為客觀、合理。

2.6 不同方法綜合評價結果對比

用傳統單因子評價法對大沙河流域各斷面水環境質量進行評價，并與改進的層次分析法進行比較，結果見表10。

從對比結果可看出，采用改進方法的水質綜合評價結果較為直觀地反映區域水質的分類等級，該方法對相同層次下不同指標進行兩兩對比，并考慮不同指標之間的相對重要程度，對指標間的相對程度進行量化后，可綜合考慮不同指標之間的關聯度，對不同層次之間的指標相對權重進行兩兩對比。從表10可以得出，改進的層次分析法評價結果相對于單因子評價法，水質類別等級有一些改變，其中與單因子法完全吻合的水質斷面所占比例為20%；評價等級好于單因子評價方法1個等級的斷面比例為60%；有20%的斷面評價結果相差2個等級，主要集中在單因子評價結果為Ⅴ類水以上的水質監測斷面。

表10 不同方法水質綜合評價結果對比

水體中各個污染物之間是存在一定的內在聯系的，DO、氨氮、鉛按照GB3838—2002等級存在線性關聯，BOD5和石油類存在二次函數關聯，揮發酚和汞指標存在逆函數關聯。而傳統水質綜合評價方法不能考慮不同層次指標之間的關聯度，對權重進行100%的賦值計算，而不能得出全部指標對水質綜合評價結果的影響程度，不同指標之間為獨立計算，不能對水質情況進行綜合評價。傳統單因子方法對水質指標要求標準較高，因此評價結果往往和實際情況有所不符，呈現出過高的評價標準，而一旦出現過低甚至負值評價結果，則對水質綜合評價影響程度較高。比較2種評價方法之后發現，改進的層次分析法獲得的評價結果更加準確和客觀。

3 研究結論

(1)改進方法可通過隨機一致性指標RI對判斷矩陣進行修正，使其滿足一致性要求，相比于傳統水質評價方法可顯著降低計算量。

(2)在采用改進層次分析方法構建水質指標判斷矩陣時，為綜合考慮各評價指標之間的關聯度建議根據其水質監測結果，按照水質類別對應的標準值，對各指標進行單因子計算后，再對同一層次之間各指標進行兩兩對比確定各指標的相對權重

(3)判斷矩陣的階數對其評價效率影響程度較高，在后續研究中還應該對其評價最優階數進行分許，從而提高改進層次分析方法的計算效率。