抚顺市农村饮水安全评价

徐赫峰

(抚顺海峰水利工程有限公司，辽宁 抚顺 113300)

1 研究方法

1.1 层次分析法

层次分析法是一种能够定量化人的主观判断的数学方法，可以实现多层次、多要素复杂问题的定量化处理。该方法通过数值化各参评要素间的差异，有效地解决模糊性复杂的系统问题，现已广泛应用于水库大坝、水文水资源等领域的安全评价。

1.2 改进熵权法

利用模糊互补判断矩阵改进传统的熵权法，建立新的矩阵如式(1)所示：

D={dij}n×n

(1)

式中：dij为饮水安全评价因子i对j的优先系数，dij的取值区间为0～1，且符合条件dij+dji=1。其中，dij值等于0.5、大于0.5和小于0.5时，依次代表评价因子i与j等优秀、i优于j、i劣于j的三种关系。为保证权重计算合理性必须检验矩阵D的一致性，如式(2)所示：

(2)

若ρ值为0，则代表模糊互补矩阵完全符合一致性要求。考虑到饮水安全评价存在显著的模糊性和复杂性特征，评价过程应尽可能使得矩阵D符合检验要求，可以设定某一阈值ε，若ρ<ε则认为D的一致性符合要求，该条件下获取的权重可用于评价分析；否则，应重新调整矩阵，重复以上流程直至符合检验要求。

1.3 组合权重的确定

采用层次分析法求解指标权重的基本依据为人的主观决策构造的判断矩阵，经一致性检验获取相应的权重，所以该方法存在较强的主观随意性，因决策者个人偏好和知识经验的不同会产生较大偏差；而考虑各项参评因子具体数值获取相应权重的改进熵权法，在具体计算时存在较强的客观性[1]。因此，本文综合考虑待评价对象的客观性和评判专家的主观性，将主观、客观两种方法相结合更加科学、合理的确定指标权重。针对农村饮水安全各评判因子权重利用改进熵权法和层次分析法求解，经乘积运算和标准化处理确定最终的组合权重为W={wi}1×n。

1.4 模糊综合评价模型

针对各项评判因子的数据值利用半梯形分布函数处理，按照农村饮水安全评价越大越优型和越小越优型因子作标准化处理，从而构造标准模糊评判矩阵如式(3)所示：

X={xij}n×g

(3)

式中：n、g为农村饮水安全评价的指标数和等级数。将组合权重运算结果和标准化因子值输入模糊数学模型，从而确定各参评样本的饮水安全水平，模型表达如式(4)所示：

CV={wi}1×n{xij}n×g{Gj}g×1

(4)

式中：Gj为量化评语集所对应的评判等级，按照综合评价值隶属的区间确定相应的安全等级。

2 实例分析

2.1 区域概况

抚顺市区位于浑河冲积平原上，东与吉林省接壤、南与本溪相望、西距沈阳市45 km、北与铁岭毗邻，其地理位置为东经123°55′，北纬41°52′，总面积1.12万km2，下辖四区三县。该区域为大陆性季风气候，年均气温5～7 ℃，降水量为750～850 mm，无霜期1345天，四季分明，温差较大，冬春两季多风少雨，夏秋两季降雨集中，受季风气候和地形地貌影响，降水量时空分布极不均衡，其中65%以上降水集中于7—9月。抚顺地区属于长白山系龙岗山脉，平均海拔高度为400～500 m，地势总体呈西南、东北走向，土地结构有“八山一水一分田”之称。研究区域水资源储量充足，降水量丰富，境内有大中型水库74座，主要有柴河、清河、浑河、柳河、太子河、富尔江河等12条河流。全市可利用水域面积6667 hm2，水资源总量39.82亿m3，人均占有量1530 m3，在辽宁省仅次于丹东和本溪地区[2-5]。

近年来，抚顺市依托其独特的地理优势和优越的环境条件大力发展社会经济，与之同时各行业用水量和污废水排放量也急剧增加，尤其是农村地区水体污染和供给矛盾日趋突出，加之农村供水管网腐蚀、供水设备老化、消毒、过滤和净化设施缺乏等，使得该地区饮用水水质和供水能力不断下降，所以非常有必要科学评价和分析抚顺市农村饮水安全状况。

2.2 农村饮水安全评价体系

为确保农村饮水安全评价的准确性和可靠性，各评价因子的选取应遵循层次性、系统性、可获取性、科学性和代表性等原则[6-8]。本文结合抚顺地区农村饮水实际状况和有关部门制定的饮水安全卫生评价体系，按照梯阶层次结构构建包含指标层、准则层和目标层的农村饮水安全评价体系，如表1。其中，指标层共涉及12个评判因子，准则层覆盖水质、水量和供水3大方面，评价目标设定为饮水安全状况。

表1 抚顺市农村饮水安全评价体系

充分考虑抚顺地区农村饮水卫生有关要求和地表水水质等级标准，将这些指标划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级5个标准，所对应的评价指数取值区间为90～100、80～90、60～80、40～60、0～40，评语为安全、较安全、基本安全、较不安全和不安全。

2.3 组合权重的确定

2.3.1 主观权重

步骤一：判断矩阵的构造。采用层次分析法确定因子权重的关键为构造合适的判断矩阵，结合专家意见和1～9标度准则两两比较不同元素间的相对重要度，经适当调整构造评价体系中各层次的判断矩阵，为保证评判结果准确性必须检验矩阵一致性。目标层A及其下属因子B1～B3、准则层B1及其下属因子C1～C4、准则层B2及其下属因子C5～C7、准则层B3及其下属因子C8～C12的判断矩阵分别如式(5)～式(8)：

(5)

(6)

(7)

(8)

步骤二：农村饮水安全评价单排序及总排序。采用文中所述有关公式求解准则层B1～B3对目标层A、参评因子C1～C4对准则层B1、C5～C7对准则层B2、C8～C12对准则层B3的主观权重如式(9)：

WB-A=[0.33 0.20 0.47]

WC-B1=[0.31 0.31 0.22 0.16]

WC-B2=[0.30 0.22 0.48]

WC-B3=[0.16 0.18 0.24 0.12 0.30]

(9)

对于同一参评因子不同专家的主观判断上存在分歧，为确保权重计算的合理性须检验矩阵的一致性。采用随机一致性比例公式求解以上判断矩阵的比率为0.045、0.021、0.045、0.042，具体运算流程。所求得的比率值均符合小于0.1的要求，可见构造的判断矩阵符合科学合理性要求，然后利用相同的方法可获取指标层对目标层的权重为WA=(0.10,0.10,0.06,0.04,0.06,0.04,0.10,0.07, 0.09,0.12,0.06,0.15)，其一致性比率为0.032符合小于0.1的要求，所以认为该权值可以用于饮水安全评价。

2.3.2 改进熵权法确定客观权重

以抚顺市及其下辖的4区3县为研究对象，可构造包含12个指标、8个待评样本的判断矩阵R8×12，利用归一化公式对各参数值处理构造标准矩阵B8×12。将每个评价指标的客观权重求解，由此确定客观权重为WE=(0.09,0.06,0.08,0.06, 0.10,0.05,0.06,0.06,0.14, 0.14,0.08,0.09)。为进一步评判权重WE能否被接受，仍要检验各个因子的一致性，利用公式(1)构造农村饮水安全评价的模糊互补矩阵。

模糊互补矩阵D的一致性指标ρ利用公式(2)求解，ρ等于0.005，远远小于0.1的阈值，由此可见改进熵权法构造的互补矩阵也符合一致性要求，按照该方法确定的权重WE能够被用于饮水安全评价。

2.3.3 综合法求解组合权重

针对改进熵权法和层次分析法求解的每个指标的主、客观权重，经乘积运算和标准化处理获取相应的组合权重为W=(0.10,0.07,0.06,0.03,0.07,0.02,0.06,0.05,0.15,0.17,0.06,0.15)，按照相同的流程和方法获取准则层因子权重为：W1=(0.38,0.29,0.21,0.12);W2=(0.46,0.12,0.42);W3=(0.08,0.26,0.32,0.07,0.26)。

2.4 评价结果与分析

抚顺市及其下辖的4区3县农村饮水安全各评价因子初始数据，主要来源于抚顺市水资源公报、社会经济调查报告和农村饮水安全统计资料等，以人口比例为基准提取相应的数值如表2。

表2 抚顺市农村饮水安全评价初始数值

根据文中所述公式(3)构造农村饮水安全模糊评价矩阵，对各评价样本综合值利用公式(4)求解，按照评语集范围和综合指标值即可确定所对应的安全等级。采用改进熵权法、层次分析法、层次分析耦合改进熵权法求解的各指标权重如表3。

从表3可以看出：①抚顺市农村饮水状况总体达到基本安全水平，其中准则层供水、水量、水质达到安全、不安全和基本安全水平；水质子系统下属的C1因子最差，其次为C2，饮水安全均达到Ⅳ级；而供水和水量子系统下属的C5、C8因子最差，均达到Ⅳ级，且C10因子也处于较差水平。结合抚顺地区经济社会发展和水资源利用现状，该地区不存在较大的地下水污染因素和高污染企业，地下水为农村地区主要饮水水源，水体污染较轻但存在高盐水、苦咸水和高氟水等水质问题；另外，该地区取水方式落后且水质处理不达标问题突出，较其它地区而言其农村饮水水质较差；因地下水埋深浅，浅层水井广泛分布于农村地区，所以相对来说该地区取水容易，不存在严重的缺水问题。总而言之，该评价结果可以比较系统、全面的反映抚顺地区的农村饮水现状。②地区饮水不安全状态与不安全因素的差异性存在良好一致性，研究区的供水、水量、水质存在较大的差异，其中明显较差的为水质和供水，而水量问题并不显著。根据饮水安全评价结果，东部地区的供水和水质达到相对不安全水平，而水量处于安全水平；东南部地区的供水现状达到不安全水平，而南部水量和水质处于基本安全水平；北部和西部的水质达到较不安全水平，而供水和水量处于相对安全水平，可见自西北向东南方向农村饮水安全程度呈下降趋势。

3 结 论

(1)针对每个指标权重利用改进熵权法和层次分析法求解，通过乘积运算确定最终的组合权重，对抚顺市及其下辖的各区县农村饮水安全现状利用模糊综合法进行评价。

(2)实例分析表明，抚顺市农村饮水状况总体达到基本安全水平，其中准则层供水、水量、水质分别达到安全、不安全和基本安全状态；利用模糊综合评价模型可以系统、全面的反映区域饮水安全状况，该方法具有简单适用、结果可靠等优点，可为区域水污染治理和饮水安全评价提供数据支撑。