兩種評價方法在廬江飲用水水質評價中的應用研究

張 千，曹德菊

（安徽農業大學 資源與環境學院，安徽 合肥 230036）

1 前言

目前，飲用水是否符合標準已經受到了社會各界的關注和探討，飲用水污染招致的飲用水危機正在威脅著人類的生活與進步，確保飲用水的潔凈，是維護人類環境權、保護人類安康權的必然要求[1].因此，運用科學的評價方法對飲用水水質狀況做出科學的評估顯得尤為重要.郭彥英[2]等人使用了層次分析法（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，通過物元分析理論計算得到權系數，最后通過關聯度的計算與比較得到結果為此江段的水質處于Ⅲ級.多級模糊評價法被方正等人在研究湖泊水質評價時提出[4].Hamed Gharibi[5]等人研究了一種基于模糊邏輯的新型水質指數，能夠用于日常評估水質環境指標的綜合人工智能（AI）方法.Yunchao Jiang[6]等人還利用Monte Carlo模擬和人工神經網絡的方法進行水質評估.Zou Qiting[7]等人將和聲度方程（HDE）引入到水質評價研究中，并提出了協調度方程這一新的水質評價方法.總之，經過各國學者的不懈努力，水質的評價方法種類越來越多，每種方法都各有千秋，評價精確度越來越高.該研究使用了基于熵權的模糊評價法與單因子評價法，對廬江縣五家自來水廠水源水中的高錳酸鉀鹽指數、氨氮、氟化物、砷、鋅、銅、六價鉻七種因素進行分析評價.

2 評價方法

2.1 基于熵權的模糊評價法

水質變化是連續的,模糊評估法充沛表現水環境中已經存在的模糊性和不確定性,其在水質綜合評價中的應用是合理的[8].但熵權模糊評價法的難點在于權重的合理分配,本文的基本思路是:采納污染物濃度超標法計算監測點的實測值確定初始權重,再利用熵值法修正初始權重從而得到最終權重.將求得的各個目標的權重集與降半梯形散布法所得的隸屬度矩陣相乘,從而得出水環境品質熵權模糊評估模型.[9]

第①步：熵值和差異性系數的確定

⑴計算指標值的權重P(xij)

指標值權重是指指標值xij在指標j下的權重.

式中：xij代表第i個評估目標類別在第j項評估指標下的數值.

⑵計算指標j的熵值ej

信息熵HX與熵值ej的表達式為：

式中：k=1/lnm

⑶計算指標值j的差異性因數gj

第②步：熵權的確定

⑴使用污染物濃度超標法確定初始權重，

式中：xj-j指標實測濃度值；

xoj-j指標各標準值的均值.

⑵利用公式4計算指標的差異性系數向量G=(gj)1×n，用差異性系數修正權重wj，計算所需熵權集W'0=w'j1×n=(w'1w'2……w'n)

第③步：建立模糊評價的隸屬度矩陣

⑴采納降半梯形分布函數來計算隸屬度,公式如下所示:

⑵建立評價指標與評價等級之間的模糊關系矩陣

第④步：模糊評價模型確定水質標準

水環境質量模糊評價模型為：

式中：B-模糊評判向量；

R-隸屬度矩陣.

2.2.2 單因子指數評價法

式中：Ii-單因子指數；

Ci-各因素的實測值；

Lij-各因素的各級標準值.

3 基于熵權的模糊評價法與單因子指數評價法在廬江縣金牛水廠水源水的水質評價中的示例研究

3.1 基于熵權的模糊評價法在泥河水系金牛水廠水源水中的示例研究

①根據公式1計算七項因素的標準值權重p（xij），結果制成下表1：

表1七項因子的五類標準各標準值權重值p（xij）表

根據公式3和公式4，計算指標j的熵值ej和差異性因數gj，得到結果如下表2：

表2七項因素的權重值（ej）和熵權值（gj）表

②計算權重使用污染物濃度超標法，制成下表3：

表3 七項因素的權重值和熵權值表

③計算隸屬度，根據公式8可得矩陣R：

④根據公式10，計算出熵權綜合評價模型：B=W'0R

根據上述步驟計算后得出的廬江縣金牛水廠水源水的熵權綜合評價模型可以看出，其I類水的隸屬度為0.7857，遠高于II類水的隸屬度0.0997，并且III類水、IV類水和V類水的隸屬度均為0，因此用基于熵權的模糊評價法評價得出金牛水廠水源水的水質為I類水.

3.2 單因子指數評價法在廬江縣金牛水廠水源水中的示例研究

利用單因子指數評估法，步驟上較為簡單，主要方法是測定各項因素的實測值與評價標準值的比值，結果如下表4.

根據表4，由單因子指數評估法能夠得出，金牛水廠水源水的水質最差類別為II類水，因此金牛水廠水源水的水質為II類水.

4 廬江縣五家自來水廠水源水的實驗數據處理結果與分析

表4 單因子指數評價法在金牛水廠水源水中的評價結果

4.1 基于熵權的模糊評價法在五家自來水廠水源水的水質評價與分析

將廬江縣剩余四家自來水廠水源水的各項因子實測濃度值帶入基于熵權的模糊評價法，能夠得出其余水廠水源水的水質評估結論，將結果制成下表5.

表5 五家自來水廠水源水依據基于熵權的模糊評價法的水質評價結果

根據表5可以看出，基于熵權的模糊評價法得出的結果是五家自來水廠水源水均只有I類水和II類水的隸屬度值，并且各家水廠水源水的I類水隸屬度都遠高于II類水，因此廬江縣的飲用水水質符合居民用水需求.而同春水廠水源水的I類水隸屬度值最高，故同春水廠水質最優.

4.2 單因子指數評價法在五家自來水廠水源水的水質評價與分析

根據單因子指數評價法在金牛水廠水源水的應用示例，對剩余的四家自來水廠水源水也進行相同的評測，得到的結果如下表6.

表6 單因子指數評價法得出的五家水廠水源水的水質評價結果

根據表6所示結果，可以看出使用單因子指數評價法時，五家水廠水源水的水質評價結果均為II類水，這與基于熵權的模糊評價法得出的結果有很大的差異.造成這種差異的主要原因為單因子指數評價法的評價要求過于嚴苛，往往會不能夠全面綜合的分析水質情況，沒有熵權法經濟適用.其中，同春水廠水源水與天井水廠水源水相比較其余三家水廠水源水而言都只有一個因子被評價為II類水，因此在單因子指數評價法中同春水廠水源水和天井水廠水源水的水質最好.

5 結論

本文主要研究基于熵權的模糊評價法在廬江縣五家自來水廠水源水的水質評價中的應用，最終的結果為五家自來水廠均為I類水，而經過與單因子指數評估法的相比后，最后的結果為五家自來水廠水源水的水質均為II類水.經過分析可以看出，單因子指數評價使用時要求過于苛刻，有一定的片面性，無法綜合各方面因素分析評價水質，但是在運算上較為簡單、方便，相對來說更適用于評價因子中有個別參數嚴重超標，對水質有了較為嚴重的影響時，使用一票否決權.熵權法避免了單因子法的片面性，更加全面和綜合地對水質進行評價，能夠細化指標所造成的影響，將所有數據所帶來的信息進行周密的整合，給出一個完善的、可靠性高的結論，在需要對水體進行治理以及評價水質時，基于熵權的模糊評價法更加經濟適用[10].因此為了綜合全面地對水質進行評價分析，充分了解各個因子對水質狀況的綜合影響，基于熵權的模糊評價法比單因子評價法更適用.