基于主成分和模糊數學的蘭州市城市飲用水安全綜合評價

楊凱凱，王曉嬌，齊 鵬，徐海鵬，朱葡莉，王 玲

（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州 730070）

基于主成分和模糊數學的蘭州市城市飲用水安全綜合評價

楊凱凱1，王曉嬌1，齊 鵬1，徐海鵬2，朱葡莉1，王 玲1

（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州 730070）

以甘肅蘭州市為例，運用主成分分析和模糊綜合評價法對其飲用水安全進行了評價。結果表明：蘭州市城市飲用水安全綜合評價等級為“一般”，飲用水水質主要以氟化物、硝酸鹽氮、渾濁度為主要污染指標，屬于有機污染。根據評價結果，從加強城市飲用水水源地的保護、完善安全供水措施和建立“三位一體”城市飲用水安全應急機制等方面提出了城市飲用水安全的保障措施。

飲用水安全；主成分分析；模糊綜合評價；對策；蘭州

城市飲用水是城市生存環境的基礎和命脈，故飲用水安全問題成為21世紀中國最突出的問題[1]。飲用水使用之前需經多個環節處理，而水源地無污染是確保城市供水安全的首要環節。加強對水源地生態安全保護，對經濟發展和人民健康生活均具有重要意義。

從20世紀60年代開始，世界各國就根據本國的實際情況利用數學模型展開了一系列關于飲用水的綜合評價[2]。目前，國內外學者的研究主要集中在水質評價、水源適宜性評價等方面[3]，但是在飲用水水源地生態安全方面的研究還處于起步階段[4-6]，主要是對飲用水水源地的水質和水量進行一些基本評價，對水源地的水質安全并沒有提出較為系統的評價方法和手段，因此對城市飲用水安全評價方法體系的研究仍然是飲用水安全評價的重點。焦士興等[7]以河南省安陽市為例，從水量、水質、管理水平和環境狀況等方面，構建了基于三角模糊函數的城市飲用水水源地安全評價模型，為飲用水的評價提供了一種行之有效的方法。筆者以蘭州市城市飲用水資料為基礎，通過主成分分析確定蘭州城市飲用水的主要污染指標，然后利用模糊綜合評價法對蘭州市城市飲用水進行評價和定級，并根據分析結果提出了提高城市飲用水質量的建議，為保障城市飲用水安全提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

1.1.1 蘭州飲用水水源地概況 蘭州市位于我國西北內陸地區，地處青藏高原的東北邊緣、黃土高原的西部，黃河穿城而過[8]。蘭州市的城市供水源主要由黃河水和地下水2個供水系統構成，其取水口位于西固區的西柳溝黃河段。在這兩大供水系統中，黃河的供水量占當地總供水量的95%，而地下水僅占5%[9]。

1.1.2 城市供水 蘭州城市供水主要依靠蘭州威立雅水務（集團）有限責任公司，供水范圍不僅包括七里河區、城關區、安寧區以及西固區等4大建成區，還包括榆中縣的和平開發區，每天的平均供水量達到138萬m3，供水的普及率高達93%。近年來隨著城市的發展和人口數量的增多，城市的需水量也不斷提高。蘭州市城市用水具有用水量增長較快，居民對水質要求高，水量浪費嚴重等特點。蘭州市城市用水的種類包括地表水源和地下水源，以地下水作為水源時，由于水質較好，通常不需多余處理，僅經消毒即可，工藝簡單。

1.2 數據來源

采用主成分分析和模糊綜合評價相結合的研究方法，選取蘭州市城市飲用水進行安全評價，水質數據來源于2015年1～8月蘭州威立雅水務（集團）有限責任公司官網的水質公告（表1）。采用SPSS 19.0軟件進行主成分分析，采用MATLAB軟件求模糊綜合評價的評判矩陣、最大特征值以及最大特征值對應的特征向量。

表1 蘭州市威立雅水務公司1～8月水質監測結果

1.3 主成分分析法

主成分分析方法是一種將多維因子納入同一系統中進行定量化研究的多元統計方法[10]。查閱大量資料，結合調查結果，咨詢相關專家，對影響蘭州市城市飲用水質量的主要指標進行篩選[11-13]，最終選擇氟化物（X1）、硝酸鹽氮（X2）、渾濁度（X3）、pH值（X4）、氯化物（X5）、硫酸鹽（X6）、溶解性總固體（X7）、總硬度（X8）、耗氧量（X9）、總氯（X10）為主要影響因子。

1.4 模糊綜合評價

設飲用水水質評價因子集合：

U={U=U1，U2，…，Um}，其中，U1，U2，…，Um為參評的m個評價因子。

設其對應的評價等級集合為：

V={V=V1，V2，…，Vn}，其中，V1，V2，…，Vn為n個評價等級。

1.5 確定模糊綜合評判矩陣

模糊向量U和模糊關系矩陣V得到后，將U和V進行復合運算可以得到綜合評價模糊子集B，進而確定城市應用水安全綜合評價結果。

即：B=U°V（“°”稱為合成算子）

1.6 評價定量分級

根據地表水環境質量標準中的水域功能和保護目標，結合隸屬函數，用語義學標度分為5個測量等級：好、良好、中等、一般、差。為了便于計算，將主觀評價的語義學標度進行量化，并依次賦值為5、4、3、2和1。主觀測量是用五級語義學標度[14-15]。所設計的評價定量標準見表2。

表2 評價定量分級標準

2 結果與分析

2.1 城市飲用水水質主成分分析

對蘭州市城市飲用水10個指標進行標準化處理，根據標準化數據，計算變量的相關系數矩陣V，相關系數列表見表3，并計算相關系數矩陣V的特征值以及累計貢獻百分率如表4。由表3可以看出，第一主成分氟化物與硝酸鹽氮、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體、總硬度、總氯的相關系數較高，除了與渾濁度和pH值呈現負相關外，與其他變量均呈現正相關。第二主成分硝酸鹽氮與渾濁度、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體、總硬度、耗氧量的相關系數較高，除與pH值呈現負相關外，與其他指標均呈現正相關。這說明蘭州城市飲用水污染物中主要以有機污染物為主。從表4可以看出，前3個特征值的累計貢獻率已達到93.026%，說明在蘭州城市飲用水主要以氟化物、硝酸鹽氮、渾濁度為主要污染指標。

2.2 水質模糊綜合評價

2.2.1 進行單因素評價，建立模糊關系矩陣 由于水質污染程度和水質分級標準都是模糊的，所以利用前面建立的隸屬函數來描述分級界限，在飲用水水質綜合評價時，由于pH值沒有明確分 級，所以去除pH值這一指標。根據《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）和《生活飲用水衛生標準》（GB5749—85）確定各指標的5級標準，分別求得隸屬度，建立單因素評價矩陣V如下。

表3 水質指標間的相關矩陣

表4 特征值及主成分百分率

2.2.2 用層次分析法確定評價因素的權向量 權重是模糊綜合評價中一個重要的因素。利用層次分析法確定權重，結合模糊綜合評價，可使飲用水的評價更加客觀和準確。由于各評價因子對于城市飲用水的影響不同，所以對于各指標賦予不同的權重。利用層次分析法，構造判斷矩陣，標準化得到如下矩陣。

應用MATLAB軟件通過計算機編程求得各判斷矩陣的最大特征值及其對應的特征向量：

U=（0.430 0.706 0.128 0.323 0.276 0.086 0.274 0.084 0.180）T

2.2.3 評價結果 計算結果顯示，蘭州市城市飲用水綜合評價結果Y為1.909。根據表3的分級標準可知，處于E4級，屬于“一般”水平，定量評價結果與定性評級結果基本一致，說明評價結果具有一定的合理性，可以作為參考。

B=U°V=（0.126，0.102，0.201，0.134）

Y=5×0.126+4×0.102+3×0.201+2×0.134=1.909

3 結 論

調查分析顯示：（1）蘭州市城市飲用水水質主要以氟化物、硝酸鹽氮、渾濁度為主要污染指標，以有機污染源為主；（2）蘭州市城市飲用水安全數據定量模糊綜合評價結果為“一般”，基本符合當地的實際情況；（3）蘭州市城市飲用水水源地排污嚴重，自來水存在安全隱患，不容樂觀。

4 改善蘭州市城市飲用水質量的建議

4.1 加強城市飲用水水源地的保護

（1）合理規劃城市飲用水水源地，制定行之有效的保護措施。對水源地附近排污較嚴重的企業進行整治，或者將其搬遷到下風帶地區，其次要將污水集中處理，建立污水處理廠，將周圍居民的生活污水集中收集，實現資源可持續利用。（2）加強對城市飲用水水源地的水質監測，建立健全水源地水質預警系統。及時檢測污染源（比如：土壤以及水體中的農藥、化肥和重金屬等），并將檢測結果向城市居民公布，做到公開和透明。（3）制定城市飲用水安全應急預案。對于水質突發事件應做到有備無患，并建設應急水源地，為加強應急管理措施和后備飲用水供給提供保障。（4）建立城市飲用水生態補償機制。既滿足當地居民的發展需求，又達到保護飲用水水源地的目的，同時充分調動當地居民對水源地保護的積極性，使飲用水安全的保護得到人民大眾的支持，提高飲用水安全的保護力度，實現水源保護和家庭使用的雙贏。（5）建立健全城市飲用水水源地法律保護體系。根據蘭州市飲用水源地的實際情況，政府相關部門應頒布相應的水源地保護法規，對水資源的開發利用以及水源地的一系列生產活動進行規范，提高對飲用水水源地的法制化管理。

4.2 完善安全供水措施

根據蘭州市城市飲用水水源地的現狀以及當地在較長時間內的供水需求，為保證城市居民的正常供水，同時保護飲用水水源地環境，可采取如下措施：（1）在現有的供水系統基礎上進一步優化配置，確保居民能夠飲用到優質的水；（2）通過如對河道清淤、疏浚和水源地取水設施的擴建等工程建設，對具有來水量的現有工程進行改善，提高水源地的供水能力；（3）根據水源地的實際情況可以在水質符合飲用水安全要求，并且能夠與相關的水利工程相銜接的地方新建一些水源地以增加供水量，保證城市居民的用水。

4.3 建立“三位一體”城市飲用水安全應急機制

目前，我國飲用水安全事件處理一般是由環保、水務、衛生等職能部門協調配合，臨時建立應急機制[16]。這種應急機制雖然經濟、易行，但存在著權責不明、信息不暢、決策混亂等缺點。而“三位一體”應急機制可以較好地彌補上述不足。“三位一體”應急機制即上級政府、水務衛生部門、居民共同保護城市飲用水的措施。政府部門是政策法規和城市飲用水應急制度的制定者，全面負責，統一指揮；水務衛生部門是城市飲用水水質安全的檢測者和實施者，使決策和建議反饋更加快速、全面、準確；居民是城市飲用水安全的監督者和受益者。建立“三位一體”應急機制應該切實做好上級政府、水務衛生部門以及城市居民的協調合作，相互監督，以保證城市飲用水的清潔和環保，達到經濟效益和社會效益的綜合。

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（責任編輯：成 平）

Comprehensive Evaluation on the Safety of Drinking Water in Lanzhou City Based on Principal Component and Fuzzy Mathematics

YANG Kai-kai1，WANG Xiao-jiao1，QI Peng1，XU Hai-peng2，ZHU Pu-li1，WANG Ling1
（1. College of Environment and Resources, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, PRC; 2. College of Prataculture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, PRC）

Taking Lanzhou city of Gansu Province as an example, using the principal component analysis and fuzzy comprehensive evaluation method to the safety of drinking water is evaluated respectively. The Results showed that Lanzhou City drinking water safety comprehensive evaluation level as the “general”, drinking water mainly, nitrate nitrogen, fluoride, turbidity as the main pollution index, and belongs to organic pollution. According to the evaluation results targeted urban drinking water safety guarantee measures are put forward, such as strengthen the protection of urban drinking water source, improve the safety measures of water supply, and establish the trinity urban drinking water safety emergency response mechanism.

the safety of drinking water; principal component analysis; fuzzy comprehensive evaluation; countermeasures; Lanzhou

X824

：A

：1006-060X（2017）02-0053-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.002.015

2016-10-11

甘肅省哲學社會科學規劃項目（14YB053）

楊凱凱（1994-），男，甘肅定西市人，本科生，專業：土地資源管理。

王曉嬌