基于模糊Borda法的組合評價在林芝水質(zhì)評價中的應(yīng)用

段小龍，宗永臣，2，黃德才，郝凱越，李遠(yuǎn)威

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，西藏 林芝 860000)

林芝地區(qū)位于西藏東南部，雅魯藏布江中下游，有“西藏江南”之美譽(yù)，現(xiàn)為西藏經(jīng)濟(jì)社會最為發(fā)達(dá)的區(qū)域。由于特殊的地理與氣候原因，林芝市擁有豐富的水資源；同時，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水源易受到污染[1-2]；水資源是支撐當(dāng)?shù)卣麄€生態(tài)系統(tǒng)十分重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，一旦遭受污染，其經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展必然受到制約。因此，亟需開展飲用水源水質(zhì)評價，為水源保護(hù)和水質(zhì)安全提供依據(jù)。水質(zhì)評價的實質(zhì)是選取一些水質(zhì)影響因子，運用數(shù)學(xué)模型對水質(zhì)現(xiàn)狀的優(yōu)劣進(jìn)行定性或定量地評價[3-5]。國內(nèi)外在水質(zhì)評價領(lǐng)域的研究成果較多。其中，具有代表性的方法有：模糊綜合評價法、主成分分析法、綜合污染指數(shù)、內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)等[6-11]。學(xué)者們對西藏地區(qū)水質(zhì)評價展開了富有成果的研究：Qu等通過分析西藏的11條河流水質(zhì)現(xiàn)狀，結(jié)果表明由于自然過程和采礦作業(yè)等人為活動，一些地區(qū)水體中的As、Cd等幾種重金屬元素含量高于世界衛(wèi)生組織的飲用水指南[12]；Zhang等對藏東北的水質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明所有采樣點的水質(zhì)均為Ⅰ級，氨氮是主要污染物[13]；Zong對林芝市農(nóng)村地區(qū)飲用水源質(zhì)量進(jìn)行的評估結(jié)果表明，9個村的水質(zhì)均滿足飲用水要求[14]。上述水質(zhì)研究成果對開展林芝市水源地水質(zhì)評價研究提供了參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

林芝市平均海拔3 100 m，處于北緯26°52～30°40′N，東經(jīng)92°09′～98°47′E之間，以有世界上最深的大峽谷著稱于世；并有世界上落差最大的垂直地貌分布，典型的高山峽谷地貌，有異常豐富的野生動植物資源。該地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，降水充沛，大部分地區(qū)年平均降水量500～1 000 mm；陽光充足，年平均溫度8.7℃。全境水網(wǎng)密集，有冰川、冰湖及多條河流，城鎮(zhèn)供水基本來自山脈峽谷的河流。轄有林芝、米林、工布江達(dá)等7個縣55個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，約有23.1萬人口。

1.2 水樣采集與測定

本次研究從林芝市7個縣級以上水源地采集水樣(分別是S1市區(qū)、S2工布江達(dá)縣、S3米林縣、S4朗縣、S5波密縣、S6墨脫縣、S7察隅縣)，監(jiān)測頻率為2019年雨季旱季各1次，分析數(shù)值為采樣點各水質(zhì)指標(biāo)實測平均值。根據(jù)林芝市往年水質(zhì)數(shù)據(jù)和研究需要，選取檢測項目有：化學(xué)需氧量、總磷、總氮、銅、鎘等11項指標(biāo)。水樣采集和保存依照有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行[15-16]。常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)現(xiàn)場使用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀檢測；其他指標(biāo)在實驗室按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[17]中的方法進(jìn)行檢測分析。為保證數(shù)據(jù)可靠性，采集過程中設(shè)置空白樣和平行樣；實驗過程中用加標(biāo)回收等措施來控制實驗質(zhì)量，且數(shù)據(jù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏和加標(biāo)回收率均在合理范圍內(nèi)。

1.3 水質(zhì)評價方法

由于水體多種污染因子之間關(guān)系復(fù)雜，并有明顯的隨機(jī)性和模糊性，用單一的方法進(jìn)行評價很難解決各污染因子與水質(zhì)等級間的復(fù)雜關(guān)系[18]。鑒此，本文選取用基于主成分分析法和綜合污染指數(shù)法相組合的模糊Borda法對林芝市水源水質(zhì)進(jìn)行評價。

1.3.1綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是對各種污染物的相對污染指數(shù)進(jìn)行歸納和統(tǒng)計得到一個代表水質(zhì)的綜合污染指數(shù)[19]。該方法能對水質(zhì)做定量分析，可以反映水體的污染程度和主要污染因子；同時，在進(jìn)行水質(zhì)綜合評價時，可以將各水源地的污染程度排序[20]。結(jié)合相關(guān)的研究，綜合污染指數(shù)與水質(zhì)污染程度對應(yīng)見表1[21]。本論文中采用該方法中算術(shù)平均法對水質(zhì)進(jìn)行綜合評價，其表達(dá)式為

(1)

pi=ci/si

(2)

式中，P為綜合污染指數(shù)；Pi為第i種污染因子的單因子指數(shù)；n為污染因子總數(shù)；Ci為污染因子實測濃度；si為第i種污染因子的評價標(biāo)準(zhǔn)值，參見GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的III類水標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.2主成分分析法

主成分分析法是一種多維因子納入同一個系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究的分析方法。其將較多影響因子轉(zhuǎn)化為獨立且關(guān)鍵的綜合因子，并利用方差較大的綜合因子反映原多個因子所包含的主要信息[22]。若前幾個主成分包含的信息量足夠分析所需時，可以忽略后面的主成分，從而使得水質(zhì)評價中各種數(shù)據(jù)的分析效率得以提高。主成分分析法基本分析步驟如下：①對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以消除量綱的影響；②利用標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)系數(shù)矩陣對林芝市水源地水質(zhì)影響因子進(jìn)行主成分分析，得到特征值、累計貢獻(xiàn)率；③進(jìn)一步求出主成分表達(dá)式，選取主成分；④根據(jù)新得出的主成分，綜合評價評價。

1.3.3基于模糊 Borda法的組合評價方法

模糊Barda法可以綜合多種評價方法的不同結(jié)果，該方法既考慮不同方法下排序名次的差異，又考慮相應(yīng)評價方法下各項目的得分值，能更好地利用已有的評價信息，從而使得評價結(jié)果具有較高的合理性和優(yōu)越性[23]。組合評價法的基本步驟如下。

(1)用綜合污染指數(shù)法和主成分分析法分別對7個水源地進(jìn)行評價。

(2)采用Spearman等級相關(guān)系數(shù)對上述評價的結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗，具體計算為

(3)

式中，di為評價結(jié)果排序的等級差；n為指標(biāo)數(shù)量；r取值區(qū)間為[0，1]，且當(dāng)取值越接近于1，其相關(guān)性越好。

(3)運用基于模糊 Borda的組合評價方法進(jìn)行二次評價，組合計算過程詳見文獻(xiàn)[23]。

(4)最后采用Kendall一致性系數(shù)對組合評價結(jié)果與單一評價結(jié)果的密切性進(jìn)行檢驗，具體計算如下

W=s/[(1/12)k2(N3-N)]

(4)

(5)

式中，W為一致性系數(shù)；K為方法數(shù)量；N為采樣點數(shù)量；s為每個被評對象的離差平方和；Ri每個采樣點的等級之和。W取值區(qū)間為[0，1]，取值越接近于1，其相關(guān)性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果

根據(jù)各水源地實測的水質(zhì)指標(biāo)濃度，利用綜合污染指數(shù)法對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，對林芝水源地水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行評價，計算結(jié)果見表1。

表1 綜合污染指數(shù)法分類標(biāo)準(zhǔn)及評價結(jié)果

根據(jù)綜合污染指數(shù)法的評價結(jié)果可知，7個縣級以上水源地水質(zhì)的評價排序(由優(yōu)到劣)：巴宜區(qū)、墨脫縣、波密縣朗縣、工布江達(dá)、察隅縣、米林縣。水源地水質(zhì)均在清潔和尚清潔范圍內(nèi)，綜合污染指數(shù)在0.195～0.257之間。其中，巴宜區(qū)綜合污染指數(shù)最低(0.195)，受污染程度最輕，可能與該地屬市級水源地，市政府對水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)的居民和農(nóng)牧業(yè)等廢水排放管理相對更嚴(yán)格、故水體受到的外來污染以及人們干擾較少有關(guān)；米林縣最高(0.257)，受污染相對最嚴(yán)重，可能是米林縣水源地處在旅游區(qū)且水環(huán)境容量較小導(dǎo)致水體自凈能力較弱，加上生活污水和牧業(yè)廢水等點源和面源污染物不能及時被稀釋，造成水質(zhì)相對最差；巴宜區(qū)、墨脫縣、波密縣水源受到污染很少，多數(shù)項目未檢出，個別項目檢出但在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，水質(zhì)屬于清潔(P<0.2)；朗縣、工布江達(dá)、察隅縣和米林縣水源地水質(zhì)屬于清潔受到污染較少，檢出值在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，個別項目接近超標(biāo)，水質(zhì)尚屬清潔(P=0.2～0.4)?？傮w來說，各水源地的綜合污染指數(shù)為均低于0.4，表明參評指標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況較好，林芝天然飲用水水質(zhì)較為潔凈，可以作為飲用水水源使用。這結(jié)論這與靳會姣[24]和羅丹[25]的研究結(jié)論相吻合。

2.2 主成分分析法評價結(jié)果

利用主成分分析法對林芝7個縣級以上水源地進(jìn)行水質(zhì)評價，具體計算過程在SPSS軟件中進(jìn)行。為了進(jìn)一步明確使每個主成分的所代表意義，通過最大方差法結(jié)合主成分的特征值進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的因子載荷量，見表2。

表2 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷量

從表2的各主成分的貢獻(xiàn)率可知，前4個主成分已經(jīng)能夠反映水質(zhì)狀況，第一主成分到第四主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到92.843%，第一主成分貢獻(xiàn)率32.638%攜帶的水質(zhì)信息最多，說明林芝市縣級以上飲用水源地水質(zhì)主要受第一主成分影響。根據(jù)計算出的載荷因子來看，氨氮、總磷、總氮等指標(biāo)與第一主成分相關(guān)系數(shù)絕對值都在0.75以上，鉛、鎘離子的載荷也達(dá)到了約0.82和0.65，表明林芝市飲用水源地氮、磷營養(yǎng)鹽污染和重金屬離子污染情況較為突出。這可能與大部分水源地保護(hù)區(qū)大多在有農(nóng)牧民生活、耕牧的山谷之中，且部分水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)有民宅、工礦業(yè)有關(guān)。第二、三、四主成分中化學(xué)需氧量和硝態(tài)氮、銅和鋅離子等載荷較高，進(jìn)一步反映了水質(zhì)受到氮、磷營養(yǎng)鹽污染和重金屬污染情況明顯。

根據(jù)上表計算出各水源地4個主成分得分F1～F4(見圖1)，并根據(jù)4個主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重最終得出綜合主成分得分F(見圖2)。如圖1所示，各主成分得分在空間上呈明顯的變化，察隅和米林水源地的F1與F2的值均較高，說明這兩個水源地的水質(zhì)污染物濃度均較高；其原因可能是農(nóng)牧業(yè)面源污染物滲流有有關(guān)。墨脫縣、波密縣和巴宜區(qū)的F1、F2、F3的值都較低，說明這3各水源地水質(zhì)污染物濃度都較低，表明水質(zhì)受污染程度較小。綜合得分越高，說明水樣中污染物濃度越高，水質(zhì)越差。根據(jù)主成分綜合得分可以得出，7個縣級以上水源地水質(zhì)的評價排序(由優(yōu)到劣)：墨脫縣、波密縣、巴宜區(qū)、工布江達(dá)縣、朗縣、察隅縣、米林縣。各水源地得分在-1.32～1.89之間。從綜合得分的數(shù)值特征來看，墨脫縣、巴宜區(qū)、波密縣和工布江達(dá)縣得分值均為負(fù)數(shù)，水質(zhì)狀況較好，然后依次是朗縣、察隅縣和米林縣得分值均為正數(shù)，水質(zhì)狀況相對較差。其中，墨脫水質(zhì)最好，得分為-1.32；而米林縣水質(zhì)狀況相對是相對最差，得分為1.89，二者相差3.21。上述結(jié)論與綜合污染指數(shù)法的結(jié)論基本一致。

圖1 主成分得分在水源地的分布

圖2 林芝市各水源地水質(zhì)主成分法綜合評價結(jié)果

2.3 基于模糊 Borda法的組合評價結(jié)果

兩種評價模型的得分值和排序顯示，評價結(jié)果具有一定的差異，各水源地水質(zhì)通過綜合污染指數(shù)法所得分值較為接近，主成分分析法的得分值變化較大；且巴宜區(qū)在兩種評價方法中結(jié)果有明顯不同。所以，需要用Spearman等級相關(guān)系數(shù)進(jìn)行事前檢驗，經(jīng)過計算相關(guān)系數(shù)為0.857。由此說明，這兩種評價方法具有高度正相關(guān)，可以將兩種方法進(jìn)行組合，形成組合評價法。

上面兩種單一評價模型通過了一致性檢驗，但是水源地水質(zhì)排序有一定的差異。為了消除這種差異性同時克服單一評價方法的不足，將兩種評價方法用模糊Borda 法形成一種新的組合評價法，通過上文的分析步驟得到評價得分和排序，為了便于比較分析將三種方法的評價結(jié)果及排序整合在一起，見表4。從組合評價結(jié)果可以看出，墨脫縣、巴宜區(qū)和波密縣的水源地在組合排名結(jié)果靠前，朗縣、工布江達(dá)縣和察隅縣排序較為靠后，而米林縣排名在最后。組合的模糊Borda法結(jié)果排序與兩種單一評價模型結(jié)果排序差別較小(排序上下浮動一名)，但是只從數(shù)據(jù)上無法判斷組合評價結(jié)果是否與原始評價結(jié)果密切相關(guān)，故對組合評價模型的評價結(jié)果進(jìn)行檢驗。

表4 單一評價模型與組合模型的得分及排序

在實際應(yīng)用中，采用組合評價方法需要滿足原始方法的評價結(jié)果和組合方法評價的結(jié)果密切相關(guān)。為滿足上述條件需要采用Kendall一致性系數(shù)進(jìn)行事后檢驗。計算得出一致性系數(shù)為0.94，由此認(rèn)為兩種方法與基于模糊Borda法組合評價法的結(jié)果具有很好的一致性。即，組合評價法有效性較高。通過單一評價模型與組合模型的得分及排序的評價結(jié)果排序?qū)φ漳軌蚩闯觯?種方法的結(jié)果排序基本一致。這說明基于模糊Borda法的組合評價模型在水質(zhì)評價中是可行的。結(jié)合水源地周邊的工礦業(yè)、農(nóng)牧業(yè)及居民區(qū)等污染源的分布看，組合評價結(jié)果與水源地自然環(huán)境現(xiàn)狀相符。該方法汲取了兩種單一評價方法各自的優(yōu)勢，同時考慮了指標(biāo)間的相互關(guān)系和數(shù)據(jù)的離散特征，使得評價結(jié)果更為全面，具有明顯的合理性。

3 結(jié) 論

本文對林芝市7個縣級以上水源地水體的化學(xué)需氧量、氨氮、鎘、鉛等11項指標(biāo)為對象，應(yīng)用基于主成分分析法和綜合污染指數(shù)法的模糊Borda組合評價法對其進(jìn)行了水質(zhì)評價，并通過了事前與事后檢驗，結(jié)果表明：林芝市7個縣級以上水源地全年的綜合污染指數(shù)在0.195～0.257之間，綜合污染指數(shù)得分表明水質(zhì)較好水源地有巴宜區(qū)和墨脫，水質(zhì)較差的為察隅和米林縣，各水源地的各項水質(zhì)檢測值均符合國家地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，總體上林芝水源地水質(zhì)較為潔凈。由主成分分析法篩選出4個因子來看，重金屬離子和氮磷營養(yǎng)鹽在林芝水源地中起主導(dǎo)作用，對水質(zhì)影響最大，如需要應(yīng)加大監(jiān)測頻率和采取相應(yīng)治污措施，保障人們的飲水安全。模糊Borda組合評價法結(jié)果與兩種單一評價法結(jié)果排序基本一致，且評價結(jié)果更為全面，故建議采用多種評價方法相組合的方法來開展水質(zhì)評價工作。