两种评价方法在庐江饮用水水质评价中的应用研究

张 千，曹德菊

（安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 230036）

1 前言

目前，饮用水是否符合标准已经受到了社会各界的关注和探讨，饮用水污染招致的饮用水危机正在威胁着人类的生活与进步，确保饮用水的洁净，是维护人类环境权、保护人类安康权的必然要求[1].因此，运用科学的评价方法对饮用水水质状况做出科学的评估显得尤为重要.郭彦英[2]等人使用了层次分析法（AHP）对地表水建立递阶型的综合评价体系，计算出各个指标的权重，利用了层次分析理论，计算一致性并将地表水各个用于评价水质的指标分出层次进行排序，从而确定各指标对水体污染的贡献度.门宝辉[3]采用物元分析法分析评价了松花江位于哈尔滨江段的水质情况，选取关于标准值和实测值等数据的三样参数作为物元，建立分析模型，将抽象的评级转换为具体的定量评价，通过物元分析理论计算得到权系数，最后通过关联度的计算与比较得到结果为此江段的水质处于Ⅲ级.多级模糊评价法被方正等人在研究湖泊水质评价时提出[4].Hamed Gharibi[5]等人研究了一种基于模糊逻辑的新型水质指数，能够用于日常评估水质环境指标的综合人工智能（AI）方法.Yunchao Jiang[6]等人还利用Monte Carlo模拟和人工神经网络的方法进行水质评估.Zou Qiting[7]等人将和声度方程（HDE）引入到水质评价研究中，并提出了协调度方程这一新的水质评价方法.总之，经过各国学者的不懈努力，水质的评价方法种类越来越多，每种方法都各有千秋，评价精确度越来越高.该研究使用了基于熵权的模糊评价法与单因子评价法，对庐江县五家自来水厂水源水中的高锰酸钾盐指数、氨氮、氟化物、砷、锌、铜、六价铬七种因素进行分析评价.

2 评价方法

2.1 基于熵权的模糊评价法

水质变化是连续的,模糊评估法充沛表现水环境中已经存在的模糊性和不确定性,其在水质综合评价中的应用是合理的[8].但熵权模糊评价法的难点在于权重的合理分配,本文的基本思路是:采纳污染物浓度超标法计算监测点的实测值确定初始权重,再利用熵值法修正初始权重从而得到最终权重.将求得的各个目标的权重集与降半梯形散布法所得的隶属度矩阵相乘,从而得出水环境品质熵权模糊评估模型.[9]

第①步：熵值和差异性系数的确定

⑴计算指标值的权重P(xij)

指标值权重是指指标值xij在指标j下的权重.

式中：xij代表第i个评估目标类别在第j项评估指标下的数值.

⑵计算指标j的熵值ej

信息熵HX与熵值ej的表达式为：

式中：k=1/lnm

⑶计算指标值j的差异性因数gj

第②步：熵权的确定

⑴使用污染物浓度超标法确定初始权重，

式中：xj-j指标实测浓度值；

xoj-j指标各标准值的均值.

⑵利用公式4计算指标的差异性系数向量G=(gj)1×n，用差异性系数修正权重wj，计算所需熵权集W'0=w'j1×n=(w'1w'2……w'n)

第③步：建立模糊评价的隶属度矩阵

⑴采纳降半梯形分布函数来计算隶属度,公式如下所示:

⑵建立评价指标与评价等级之间的模糊关系矩阵

第④步：模糊评价模型确定水质标准

水环境质量模糊评价模型为：

式中：B-模糊评判向量；

R-隶属度矩阵.

2.2.2 单因子指数评价法

式中：Ii-单因子指数；

Ci-各因素的实测值；

Lij-各因素的各级标准值.

3 基于熵权的模糊评价法与单因子指数评价法在庐江县金牛水厂水源水的水质评价中的示例研究

3.1 基于熵权的模糊评价法在泥河水系金牛水厂水源水中的示例研究

①根据公式1计算七项因素的标准值权重p（xij），结果制成下表1：

表1七项因子的五类标准各标准值权重值p（xij）表

根据公式3和公式4，计算指标j的熵值ej和差异性因数gj，得到结果如下表2：

表2七项因素的权重值（ej）和熵权值（gj）表

②计算权重使用污染物浓度超标法，制成下表3：

表3 七项因素的权重值和熵权值表

③计算隶属度，根据公式8可得矩阵R：

④根据公式10，计算出熵权综合评价模型：B=W'0R

根据上述步骤计算后得出的庐江县金牛水厂水源水的熵权综合评价模型可以看出，其I类水的隶属度为0.7857，远高于II类水的隶属度0.0997，并且III类水、IV类水和V类水的隶属度均为0，因此用基于熵权的模糊评价法评价得出金牛水厂水源水的水质为I类水.

3.2 单因子指数评价法在庐江县金牛水厂水源水中的示例研究

利用单因子指数评估法，步骤上较为简单，主要方法是测定各项因素的实测值与评价标准值的比值，结果如下表4.

根据表4，由单因子指数评估法能够得出，金牛水厂水源水的水质最差类别为II类水，因此金牛水厂水源水的水质为II类水.

4 庐江县五家自来水厂水源水的实验数据处理结果与分析

表4 单因子指数评价法在金牛水厂水源水中的评价结果

4.1 基于熵权的模糊评价法在五家自来水厂水源水的水质评价与分析

将庐江县剩余四家自来水厂水源水的各项因子实测浓度值带入基于熵权的模糊评价法，能够得出其余水厂水源水的水质评估结论，将结果制成下表5.

表5 五家自来水厂水源水依据基于熵权的模糊评价法的水质评价结果

根据表5可以看出，基于熵权的模糊评价法得出的结果是五家自来水厂水源水均只有I类水和II类水的隶属度值，并且各家水厂水源水的I类水隶属度都远高于II类水，因此庐江县的饮用水水质符合居民用水需求.而同春水厂水源水的I类水隶属度值最高，故同春水厂水质最优.

4.2 单因子指数评价法在五家自来水厂水源水的水质评价与分析

根据单因子指数评价法在金牛水厂水源水的应用示例，对剩余的四家自来水厂水源水也进行相同的评测，得到的结果如下表6.

表6 单因子指数评价法得出的五家水厂水源水的水质评价结果

根据表6所示结果，可以看出使用单因子指数评价法时，五家水厂水源水的水质评价结果均为II类水，这与基于熵权的模糊评价法得出的结果有很大的差异.造成这种差异的主要原因为单因子指数评价法的评价要求过于严苛，往往会不能够全面综合的分析水质情况，没有熵权法经济适用.其中，同春水厂水源水与天井水厂水源水相比较其余三家水厂水源水而言都只有一个因子被评价为II类水，因此在单因子指数评价法中同春水厂水源水和天井水厂水源水的水质最好.

5 结论

本文主要研究基于熵权的模糊评价法在庐江县五家自来水厂水源水的水质评价中的应用，最终的结果为五家自来水厂均为I类水，而经过与单因子指数评估法的相比后，最后的结果为五家自来水厂水源水的水质均为II类水.经过分析可以看出，单因子指数评价使用时要求过于苛刻，有一定的片面性，无法综合各方面因素分析评价水质，但是在运算上较为简单、方便，相对来说更适用于评价因子中有个别参数严重超标，对水质有了较为严重的影响时，使用一票否决权.熵权法避免了单因子法的片面性，更加全面和综合地对水质进行评价，能够细化指标所造成的影响，将所有数据所带来的信息进行周密的整合，给出一个完善的、可靠性高的结论，在需要对水体进行治理以及评价水质时，基于熵权的模糊评价法更加经济适用[10].因此为了综合全面地对水质进行评价分析，充分了解各个因子对水质状况的综合影响，基于熵权的模糊评价法比单因子评价法更适用.