北票市農村飲水安全評價

高麗偉

(北票市西官營水利服務站，遼寧 北票 122125)

0 引 言

方法和參評指標的合理選取為飲水安全評價的主要內容，當前模糊物元法、AHP法、熵權法等為比較常用的方法，但大部分研究僅僅考慮某幾項或從某個方面對農村飲水現狀給予評價，綜合考慮各方面因素的系統研究較少，將GIS技術應用于飲水安全評價的研究還鮮有報道。鑒于此，本文從供水、水質和水量3個方面選取供水工程通村率、水資源保證率不達標、飲用苦咸水超標的人口比等12項因子參與評價，將基于各因子值獲取客觀權重的熵權法加以改進，結合主觀性較強的層次分析法更加科學、準確的計算各因子權重。然后結合GIS地理信息系統和模糊綜合評價理論，綜合評價了北票市10個鄉鎮的農村飲水安全現狀，旨在為解決北票市農村飲水安全問題和飲水安全評價提供科學的指導[1-5]。

1 模糊綜合評價模型

1.1 AHP法確定權重

AHP法可將復雜的系統性問題依據一定的原則進行分解，通過對評價樣本各要素的分析監理相應的層次結構，邀請領域內的專家對各要素重要程度給予定量的賦值，由此監理模糊數學模型計算各指標權重，最終實現多因素、多層次復雜問題的定量化處理，對于復雜的模糊性問題具有較強的適用性。

1.2 改進熵權法計算權重

步驟一：構造判斷矩陣。設農村飲水安全評價共m個樣本，參評指標數有n個，依據專家意見和標度準則構造判斷矩陣為：

R=(rki)m×n

(1)

式中：rki為第評價指標i關于評價樣本k的數值。

步驟二：歸一化處理判斷矩陣。采用歸一化處理公式將各指標數據處理至0-1范圍，由此得到標準化判斷矩陣，即：

B=(bki)m×n

(2)

式中：bki為歸一化處理后的各參數值。

根據各指標內涵特征分為越大越優型與越小越優型兩類指標，對于評價值越大則飲水安全水平越高型指標，其歸一化處理公式如下：

(3)

對于評價值越小則飲水安全水平越高型指標，其歸一化處理公式如下：

(4)

步驟三：各指標熵的確定。根據飲水安全各參數熵值的定義，采用下式計算各評價因子的熵，即：

H=(hi)1×n

(5)

步驟四：各因子熵權的確定。根據以上權重和熵值計算結果，對農村飲水安全各指標熵權利用下式計算，其表達式為：

(6)

步驟五：改進的熵權法。采用以上公式獲取的各元素初始權重相互獨立，對于信息熵所反映的各元素之間的一致性關系無法體現，對此采用模糊互補判斷矩陣加以改進，由此建立新的矩陣D，即：

D=(dijn×n)

(7)

式中：dij為飲水安全評價因子i關于j的優先關系系數，dij值介于0-1之間，且滿足條件dij+dji=1。評價因子i對j的優先關系包括等優、i優于j、i劣于j三種情況，相應的的dij值取0.5、>0.5、<0.5。

為保證評價結果的可靠性和可信度，還需要對互補矩陣D還利用下式進行一致性檢驗，計算式如下：

(8)

若ρ值等于0，則表示互補矩陣各因子值完全滿足一致性要求。然而，由于飲水安全評價系統涉及到的范圍廣、因素較多，各因素之間具有一定的模糊性、隨機性和復雜性，所以在實際應用過程必須檢驗矩陣D的一致性。具體為：設一致性檢驗的某一閾值為ε，在ρ<ε的情況下，認為矩陣D的一致性滿足要求，確定的各因子權重能夠用于評價分析；否則，需要對矩陣進行修正，重復以上步驟直至滿足檢驗要求。

1.3 組合權重的確定

AHP層次分析法是以標度準則和人的主觀判斷為依據構造判斷矩陣，經一致性健全確定各因子權重，所以該方法存在較強的主觀隨意性，個人偏好和知識經驗的不同可能導致賦權結果存在較大偏差；依據各參數具體數值構造判斷矩陣的改進熵拳法，確定的各因子權重存在較強的客觀性。據此，本文考慮將以上兩個方法相耦合，綜合考慮評價對象的客觀性和專家賦權的主觀性確定各因子組合權重，由此提高權重計算的合理性、準確性。將改進的熵權法和AHP法確定的各因子權重值進行乘積運算，通過歸一化處理獲取各因子組合權重，即：W=(wi)1×n。

1.4 模糊綜合評價法

對各評價指標標準化值利用半梯形分布函數計算，結合各項參數內涵分為越大越優和越小越優型兩大類。經標準化處理構成農村飲水安全模糊評價矩陣，表達式為：

X=(xij)n×g

(9)

式中：n、g為分別為飲水安全評價的指標個數和評價等級數。

采用模糊綜合計算公式，確定研究區飲水安全等級及其所處的狀態，結果為：

CV=(wi)1×n(xij)n×g(Gj)g×1

(10)

式中：Gj為不同評價等級下所對應的量化評語集。

根據各評價等級標準和綜合指標值計算結果，即可獲取研究區飲水安全所處的狀態及其對應的評語集。

2 實例應用

2.1 區域概況

北票市位于亞沿海地區，介于N41°20′和42°30′，E120°16′-121°20′之間，下轄7個街道和7個城鎮，總面積4469km2。地勢特征為中間低、四周高，地形以低山丘陵為主，有“七山一水二分田”之稱。該區域為大陸性季風氣候，年均氣溫8.6℃，年均降水量509mm，境內多季節性河流，有牤牛河、大凌河、西官營河、黑城子河、馬友營河、柳河等支流，各支流與主流程近似直交或直交格網水系，與次一級構造平衡[6]。

據統計，截止2019年末，北票市農村地區約18%的人口處于不安全狀態，其中，大部分飲水工程修建時間較長，一直以來供水設備老化、供水管網腐蝕、周邊環境污染等問題突出，加之農村消毒、過濾、凈化等設備的缺乏，飲用水供給能力和水質狀況不斷下降，非常有必要綜合評價北票市農村飲水狀況[7-8]。目前北票市氟超標和苦咸水占總人口的比例分別為39%、12%，嚴重污染地表水與地下水的飲用人口比例為42%、9%，水量不達標人口比例7%，水源保證率不達標人口比例為44%，現狀集中供水工程人均供水量60L/d，飲水方便程度不達標人口比例4%。截止到目前為止，共建成農村飲水工程868處，解決了30個鄉鎮241個村981個村組的20.86萬人的飲水不安全問題，集中供水受益人口占總人口比例2%。其中，解決了20所學校飲水不安全問題，受益師生0.3208萬人；將7處供水工程分別配套了7套消毒設備，受益人口0.7698萬人。工程的水源類型為地下水，自來水普及率達到54.9%，各級資金累計投入21072.6萬元。20m3/d

2.2 農村飲水安全評價體系

評價指標的選取遵循層次性、可操作性、代表性和科學性等原則，考慮北票市農村飲用水實際情況及衛生部、水利部制定的相關標準，從供水、水量與水質3個方面選擇典型的12項制約因子，從而構建以農村飲水安全為目標的綜合評價體系如表1所示。

表1 北票市農村飲水安全評價體系

根據北票市飲水安全標準和已有相關研究資料，將安全評價等級劃分為5個級別，Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級，所對應的評語為不安全、較不安全、基本安全、較安全和安全，相應的綜合評價值為[0,40)、[40,60)、[60,80)、[80,90)、[90,100)。

2.3 AHP法計算權重

步驟一：判斷矩陣的構造。AHP法計算權重的關鍵是準確、合理的建立判斷矩陣，結合專家意見和1-9標度準則比較分析各要素間的相對重要性，由此構建各評價因子的判斷矩陣。綜合評價體系中各層級之間的判斷矩陣如下：

步驟二：單排序、總排序及一致性檢驗。根據各要素之間的重要性判別結果確定p8-p12對準則層C3、p5-p7對準則層C2、p1-p4對準則層C1、準則層C對目標層A的權重，結果如下：

WCT=(0.32,0.20,0.48)；

WPC1=(0.32,0.32,0.21,0.15)

WPC2=(0.30,0.20,0.50)；

WPC3=(0.13,0.18,0.25,0.12,0.32)

關于同一評價因子不同專家的賦分難免會存在差異，為確保飲水安全評價的可靠性必須對檢驗判斷矩陣的一致性。采用隨機一致性比率檢驗矩陣的一致性，比率值為0.045、0.025、0.047、0.042，均小于0.1，由此表明所構造的矩陣能夠滿足一致性要求。對各參數相對于目標層的權重進行計算，最終獲取各因子的權重為：WA=(0.10,0.10,0.07,0.05,0.05,0.04,0.10,0.07，0.08,0.12,0.06,0.15)，采用隨機一致性比率對層次總排序進行檢驗，其值為0.036<0.1，由此表明確定的各因子權重能夠用于飲水安全評價。

2.4 改進熵權法計算權重

選取北票市10個鄉鎮的飲水安全現狀為評價樣本，由此可構建包含10個評價樣本和12項評價因子的判斷矩陣R10×12，采用歸一化公式獲取標準矩陣B10×12。

然后對各評價因子客觀權重利用公式(5)、(6)計算，結果為：WE=(0.08,0.05,0.090.07，0.11,0.05,0.06,0.06,0.15,0.13,0.08,0.10)。為判斷向量WE能否被接受，需要檢驗各因子一致性。采用文中所述方法建立飲水安全評價模糊互補矩陣為：

對矩陣D的一致性ρ值利用公式(7)求解，其值為0.005遠遠小于設定的閾值0.1，因此矩陣D滿足一致性要求，由此確定的各評價因子權重能夠滿足科學合理性要求，可用于飲水安全評價。

2.5 組合權重

將改進熵權法和AHP法計算獲取的各評價因子權值進行乘積運算，經歸一化處理獲取各參數最終的組合權重W=(0.10,0.07,0.05,0.03,0.08,0.02,0.07,0.05,0.14,0.17,0.06,0.15)，同理可確定準則層各因子權重為：

W1=(0.41,0.27,0.22,0.10);W2=(0.48,0.10,0.42);W3=(0.07,0.25,0.32,0.08,0.27)

2.6 飲水安全評價分析

根據北票市政府工作報告、水資源公報、農村飲水調查統計等相關資料，結合農村飲水現狀獲取待評價樣本各因子初始值，結果見表2。

表2 北票市農村飲水安全評價初始數據

然后將模糊評價矩陣利用公式(9)確定，然后對各樣本綜合評價值，并利用公式(10)計算，依據評價等級和評語集區間確定北票市農村飲水安全狀態。標記1、2、3分別為改進熵權法模糊物元、AHP法模糊數學法和組合權重綜合評價模型計算確定的評價結果，如表3所示。

表3 北票市農村飲水安全評價結果

從表2可知：北票市農村飲水狀況整體處于不安全水平，水質、水量分別處于不安全和安全狀態，該區域飲水安全綜合評價和供水達到基本安全狀態，水質子系統中p1因子最差，其次為p2因子，均處于Ⅳ級；水量和供水子系統中p5、p8因子最差，分別達到Ⅳ級和Ⅳ級，p2參數也處于較差水平。根據農村地區飲水現狀，北票市大部分地區不存在顯著污染地下水的因子，且該區域并非大工業和化工等高污染企業集中地，地下水為該地區飲水水源，水污染較輕但存在苦咸水、高鹽水及原生性高氟水等質量問題；同時，由于污水處理不到表和取水方式落后等條件限制，較其他地區北票市農村飲水水質相對較差。全市范圍內廣泛存在淺層水井，取水容易且埋深交錢，相對而言水量比較豐富。綜上分析，本文評價結果能夠較為客觀、真實的反映北票市農村飲水現狀[9]。

地區飲水不安全狀態和不安全因素差異性具有較好的一致性，供水、水量和水質3項因素在飲水安全評價中存在較大的差異，尤其是供水和水質狀況整體存在較差狀態，相對來說水量短缺問題不明顯[10]。參評的鄉鎮中，東部區域的供水和水質處于不安全狀態，而南部地區的水量和水質基本達到安全水平，其他地區的水質和供水總體處于較不安全和不安全水平。

3 結 論

1) 將基于各因子值獲取權重的傳統熵權法加以改進，結合主觀性較強的AHP法更加科學、準確的計算各因子權重。對北票市農村飲水安全狀況利用模糊綜合評價模型和各因子組合權重進行科學評價，并驗證了該模型的可靠性和精度。

2) 實例表明，北票市農村飲水安全整體處于Ⅲ級不安全水平，在水質、水量、供水和綜合評價的層面，該區域飲水安全處于不安全、安全、基本安全和基本安全狀態，該模型具有結果可靠、簡便實用等優點，可為區域飲水安全評價和水污染治理規劃提供一定指導作用。