基于層次分析法的汾河河津段水質(zhì)評(píng)價(jià)

■顧金馬保罡王煜琳古德章

(1成都理工大學(xué)四川成都610059；2北京大學(xué)無錫基地江蘇無錫214125）

基于層次分析法的汾河河津段水質(zhì)評(píng)價(jià)

■顧金1馬保罡1王煜琳2古德章1

(1成都理工大學(xué)四川成都610059；2北京大學(xué)無錫基地江蘇無錫214125）

根據(jù)層次分析法的基本原理，對(duì)汾河河津段2015年第一周到十一周其中的五周水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并由模型得出汾河水質(zhì)主要污染指標(biāo)為氨氮和高錳酸鹽指數(shù)以及第九周水質(zhì)最差，十一周次之，第四周水質(zhì)最好的結(jié)論。

層次分析法汾河水質(zhì)評(píng)價(jià)

1 引言

水是人類不可或缺的資源，而水質(zhì)的好壞往往影響著人們的生產(chǎn)生活。如果地表水受到了污染，也會(huì)通過下滲污染地下水系統(tǒng)，最終也會(huì)影響人們的飲用水來源。汾河是黃河第二大支流，是山西境內(nèi)最長的河流，全長716km。汾河是山西的母親河，流域GDP占全省GDP的65%，是全省經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的核心區(qū)域[1]。然而，長期以來，由于汾河流域的開發(fā)建設(shè)沒能很好地處理經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，流域生態(tài)環(huán)境遭受了嚴(yán)重破壞。本文就是通過層次分析法評(píng)價(jià)汾河流域2015年第一周到十一周中的五周水質(zhì)數(shù)據(jù)，得出汾河流域水質(zhì)污染的主要指標(biāo)為氨氮和高錳酸鹽指數(shù)以及第九周水質(zhì)最差，十一周次之，第四周最好的結(jié)論。

2 評(píng)價(jià)方法及步驟

層次分析法，是指將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個(gè)系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則，進(jìn)而分解為多指標(biāo)（或準(zhǔn)則、約束）的若干層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序（權(quán)數(shù)）和總排序，以作為目標(biāo)（多指標(biāo)）、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法[2]。杜鵬程，楊智（2011）利用層次分析法對(duì)新沂市尾水導(dǎo)流工程地表水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)并得出不同污染物重要性和超標(biāo)情況的綜合性結(jié)論[3]。姚榮，張娜，唐德善（2004）等人對(duì)浦東新區(qū)川揚(yáng)河等九條河流進(jìn)行評(píng)價(jià)排序[4]。蘇德林，武斌，沈晉（1997）應(yīng)用層次分析法對(duì)松花江哈兒濱江段水體水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到了滿意的結(jié)果[5]。

2.1 評(píng)價(jià)步驟

在運(yùn)用AHP方法進(jìn)行評(píng)價(jià)或決策時(shí)，大體可分為以下四個(gè)步驟[6]：`

（1）分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各基本要素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)。

（2）對(duì)同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣[7]，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。`

計(jì)算一致性檢驗(yàn)；查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.當(dāng)判斷矩陣的CR<0.1時(shí)或λmax=n，CI=0時(shí)，認(rèn)為其具有滿意的一致性，否則需調(diào)整判斷矩陣中的元素以使其具有滿意的一致性[8]。

（3）由判斷矩陣計(jì)算比較要素對(duì)于該準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重。

本文采用求和法（算術(shù)平均法）計(jì)算要素相對(duì)權(quán)重或重要度向量W[9、10]。

（4）計(jì)算各層要素對(duì)系統(tǒng)目的（總目標(biāo)）的合成（總）權(quán)重，并對(duì)各備選方案排序[11]。

2.2 評(píng)價(jià)方法應(yīng)用

監(jiān)測(cè)對(duì)象為汾河，點(diǎn)位為運(yùn)城河津大橋，晉—晉、陜省界（入黃前）斷面，數(shù)據(jù)來源為中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站水質(zhì)周報(bào)。其中監(jiān)測(cè)指標(biāo)有pH，DO,CODMn，NH3-N。本文選擇汾河枯水期（2015年1月到2月）和平水期（2015年3月）作為研究對(duì)象，以2014年12月29日到2015年1月4日為第一周，以1月19日到1月25日為第四周，以2月9日到15日為第七周，以2月23日到3月1日為第九周，以3月9日到15日為第十一周這五周數(shù)據(jù)變化比較明顯的作為研究數(shù)據(jù)。

2.2.1 指標(biāo)及數(shù)據(jù)

表1 斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)單位：mg·L-1

2.2.2 層次結(jié)構(gòu)圖

圖1 層次結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 兩兩比較判斷矩陣

該斷面執(zhí)行地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002 V類標(biāo)準(zhǔn)[12]，其中pH標(biāo)準(zhǔn)值取為9，對(duì)表1數(shù)據(jù)求平均值及超標(biāo)比,由于DO即溶解氧指標(biāo)為正向指標(biāo)，即DO值越大水質(zhì)越好，因此為了方便統(tǒng)一處理數(shù)據(jù)，我們?nèi)藶閷⑵涑瑯?biāo)比做倒數(shù)處理，使之與其他指標(biāo)一致[13]，得表3。

表3 河津段面水質(zhì)平均值，標(biāo)準(zhǔn)值，超標(biāo)比

表4 河津段面水質(zhì)超標(biāo)比

（1）層次單排序及一致性檢驗(yàn)從表3得到A-B判斷矩陣：

表5 斷面水質(zhì)判斷矩陣

一致性檢驗(yàn)：λmax=4.000，C.I.=0，R.I.=0.89，C.R.=0<0.1，具有滿意的一致性。

從中可以看出各指標(biāo)污染嚴(yán)重性為NH3-N>CODMn>pH> DO，且氨氮的嚴(yán)重性遠(yuǎn)大于其他各指標(biāo)，而氨氮來源于生活污水中含氮有機(jī)物在微生物作用下的分解產(chǎn)物和焦化、合成氨等工業(yè)廢水，以及農(nóng)田排水等[14]，說明兩岸排入過多有機(jī)廢水。

由表2-4計(jì)算B-C判斷矩陣得到權(quán)重值如下：

表6 B-C判斷矩陣權(quán)重匯總表

經(jīng)過一致性檢驗(yàn)，λmax=5.000，C.I.=0，R.I.=1.12，C.R.=0<0.1，具有滿意的一致性。

（2）層次總排序

表7 層次總排序

層次總排序的一致性檢驗(yàn)：C.I.總=0，R.I.總=1.12，C.R.總=0<0.1，具有滿意的一致性。

排序（由優(yōu)到劣）：第四周>第七周>第一周>第十一周>第九周

由模型可得：第九周水質(zhì)最差，十一周次之，第四周最好。從第九周的數(shù)據(jù)可以看出pH適宜，溶解氧存在過飽和現(xiàn)象，高錳酸鹽指數(shù)和氨氮均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其水質(zhì)最差，而考慮到季節(jié)因素，可能與2月23日到3月1日為冬季有關(guān)，冬季是枯水期，水量少，流動(dòng)性差，導(dǎo)致水體自凈能力減弱，進(jìn)入水體的污染物難以擴(kuò)散稀釋與分解。而第四周1月19到1月25日的高錳酸鹽指數(shù)與氨氮均遠(yuǎn)低于第九周，雖然同為枯水期，但因這兩項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)比低，可能是檢測(cè)之前該斷面所在地下過雪，相對(duì)來說水質(zhì)為最好。第十一周為3月9日到15日，為平水期，水量、流動(dòng)情況及生物量均大于冬季，然而其高錳酸鹽指數(shù)、氨氮超標(biāo)比均較高，考慮到NH3-N除水量原因之外還與不同季節(jié)溫度影響有關(guān)，較高的溫度有利于水中的氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽或硝酸鹽[15]，所以氨氮值相對(duì)低一些，而高錳酸鹽指數(shù)卻很大，導(dǎo)致其水質(zhì)較差。

3 結(jié)論

層次分析法解決了許多傳統(tǒng)最優(yōu)技術(shù)無法著手的問題，把研究對(duì)象作為一個(gè)系統(tǒng)，將定性方法與定量方法有機(jī)結(jié)合起來，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進(jìn)行決策。不僅計(jì)算簡單而且充分體現(xiàn)了其分解、判斷、綜合的特點(diǎn)。

利用層次分析法評(píng)價(jià)模型進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，既可以反映不同監(jiān)測(cè)時(shí)間水質(zhì)優(yōu)劣的排序，又能確定主要的污染物和主要污染類型，這對(duì)于汾河流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及污染防治措施的落實(shí)都具有一定的指導(dǎo)性，也為地方政府制定發(fā)展規(guī)劃提供了必要的科學(xué)依據(jù)。

[1]梁新陽.山西汾河30年水質(zhì)狀況淺析 [A].發(fā)展民生水利，保障飲水安全論文集[C].湖北：湖北省水利學(xué)會(huì)，2009.64-67.

[2]慕金波.層次分析法在評(píng)定最優(yōu)環(huán)境工程方案中的應(yīng)用 [J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展,2007,13 (5):167-170.

[3]杜鵬程，楊智.層次分析法在地表水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 [J].水質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià),2011.

[4]姚榮，張娜，唐德善等.基于模糊AHP法的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型及應(yīng)用 [J].水電能源科學(xué),2004,22（4）:24-26.

[5]蘇德林，武斌，沈晉.水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的層次分析法 [J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1997,29（5）:105-134.

[6]孫偉.層次分析法應(yīng)用研究 [J].市場(chǎng)研究,2008,12:55-58.

[7]儲(chǔ)敏.層次分析法中判斷矩陣的構(gòu)造問題 [D].江蘇：南京理工大學(xué)，2005.

[8]QIAN Yu.Integrated Assessment of Environmental and Economic Performance of Chemical Products Using Analytic Hierarchy Process Approach[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2007，5(1):78-82.

[9]常建娥，蔣太立.層次分析法確定權(quán)重的研究 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,27（1）：153-156.

[10]鄧雪,李家銘,曾浩健.層次分析法權(quán)重計(jì)算方法分析及其應(yīng)用研究 [J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí),2012,42(7):93-100.

[11]汪應(yīng)洛.系統(tǒng)工程 [M].第四版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.120-122.

[12]奚旦立，孫裕生.環(huán)境監(jiān)測(cè) [M].第四版.北京：高等教育出版社，2010.14-15.

[13]盧文喜，李迪，張蕾等.基于層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉,2011,3:43-46.

[14]李娟英,趙慶祥.低濃度氨氮硝化過程中影響因素的研究 [J].環(huán)境污染與防治, 2006,28(1):11-14.

[15]陳涵貞.閩江流域地表水質(zhì)季節(jié)性變化特征研究 [J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2010,26(5): 267-271.

Evaluation of Water Quality of Hejin Section of Fenhe River Based on Analytic Hierarchy Process

Gu Jin1，Ma Bao-gang1，Wang Yu-lin2，Gu De-zhang1
1.Chengdu University of Technology,Chengdu 610059 2.Wuxi base of Peking University,Wuxi 214125

According to the basic principle of the Analytic Hierarchy Process.evaluating five weeks water quality data of the first week to the eleven week in 2015 through Analytic hierarchy method,educe that the major pollution indicators of Fen river water quality are ammonia nitrogen and potassium permanganate index,And arrival at a conclusion that the worst water quality is ninth week,eleventh week,the best water quality is fourth week.

AHP（Analytic Hierarchy Process）；Fen River；Water quality assessment

TU9[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-400-2

顧金，男，成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院。