基于层次分析法的汾河河津段水质评价

■顾金马保罡王煜琳古德章

(1成都理工大学四川成都610059；2北京大学无锡基地江苏无锡214125）

基于层次分析法的汾河河津段水质评价

■顾金1马保罡1王煜琳2古德章1

(1成都理工大学四川成都610059；2北京大学无锡基地江苏无锡214125）

根据层次分析法的基本原理，对汾河河津段2015年第一周到十一周其中的五周水质数据进行分析评价，并由模型得出汾河水质主要污染指标为氨氮和高锰酸盐指数以及第九周水质最差，十一周次之，第四周水质最好的结论。

层次分析法汾河水质评价

1 引言

水是人类不可或缺的资源，而水质的好坏往往影响着人们的生产生活。如果地表水受到了污染，也会通过下渗污染地下水系统，最终也会影响人们的饮用水来源。汾河是黄河第二大支流，是山西境内最长的河流，全长716km。汾河是山西的母亲河，流域GDP占全省GDP的65%，是全省经济和社会发展的核心区域[1]。然而，长期以来，由于汾河流域的开发建设没能很好地处理经济发展与环境保护的关系，流域生态环境遭受了严重破坏。本文就是通过层次分析法评价汾河流域2015年第一周到十一周中的五周水质数据，得出汾河流域水质污染的主要指标为氨氮和高锰酸盐指数以及第九周水质最差，十一周次之，第四周最好的结论。

2 评价方法及步骤

层次分析法，是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法[2]。杜鹏程，杨智（2011）利用层次分析法对新沂市尾水导流工程地表水质现状进行评价并得出不同污染物重要性和超标情况的综合性结论[3]。姚荣，张娜，唐德善（2004）等人对浦东新区川扬河等九条河流进行评价排序[4]。苏德林，武斌，沈晋（1997）应用层次分析法对松花江哈儿滨江段水体水环境质量进行评价，得到了满意的结果[5]。

2.1 评价步骤

在运用AHP方法进行评价或决策时，大体可分为以下四个步骤[6]：`

（1）分析评价系统中各基本要素之间的关系，建立系统的递阶层次结构。

（2）对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较判断矩阵[7]，并进行一致性检验。`

计算一致性检验；查找相应的平均随机一致性指标R.I.当判断矩阵的CR<0.1时或λmax=n，CI=0时，认为其具有满意的一致性，否则需调整判断矩阵中的元素以使其具有满意的一致性[8]。

（3）由判断矩阵计算比较要素对于该准则的相对权重。

本文采用求和法（算术平均法）计算要素相对权重或重要度向量W[9、10]。

（4）计算各层要素对系统目的（总目标）的合成（总）权重，并对各备选方案排序[11]。

2.2 评价方法应用

监测对象为汾河，点位为运城河津大桥，晋—晋、陕省界（入黄前）断面，数据来源为中国环境监测总站水质周报。其中监测指标有pH，DO,CODMn，NH3-N。本文选择汾河枯水期（2015年1月到2月）和平水期（2015年3月）作为研究对象，以2014年12月29日到2015年1月4日为第一周，以1月19日到1月25日为第四周，以2月9日到15日为第七周，以2月23日到3月1日为第九周，以3月9日到15日为第十一周这五周数据变化比较明显的作为研究数据。

2.2.1 指标及数据

表1 断面水质数据

表2 地表水环境质量标准单位：mg·L-1

2.2.2 层次结构图

图1 层次结构图

2.2.3 两两比较判断矩阵

该断面执行地表水环境质量标准GB3838-2002 V类标准[12]，其中pH标准值取为9，对表1数据求平均值及超标比,由于DO即溶解氧指标为正向指标，即DO值越大水质越好，因此为了方便统一处理数据，我们人为将其超标比做倒数处理，使之与其他指标一致[13]，得表3。

表3 河津段面水质平均值，标准值，超标比

表4 河津段面水质超标比

（1）层次单排序及一致性检验从表3得到A-B判断矩阵：

表5 断面水质判断矩阵

一致性检验：λmax=4.000，C.I.=0，R.I.=0.89，C.R.=0<0.1，具有满意的一致性。

从中可以看出各指标污染严重性为NH3-N>CODMn>pH> DO，且氨氮的严重性远大于其他各指标，而氨氮来源于生活污水中含氮有机物在微生物作用下的分解产物和焦化、合成氨等工业废水，以及农田排水等[14]，说明两岸排入过多有机废水。

由表2-4计算B-C判断矩阵得到权重值如下：

表6 B-C判断矩阵权重汇总表

经过一致性检验，λmax=5.000，C.I.=0，R.I.=1.12，C.R.=0<0.1，具有满意的一致性。

（2）层次总排序

表7 层次总排序

层次总排序的一致性检验：C.I.总=0，R.I.总=1.12，C.R.总=0<0.1，具有满意的一致性。

排序（由优到劣）：第四周>第七周>第一周>第十一周>第九周

由模型可得：第九周水质最差，十一周次之，第四周最好。从第九周的数据可以看出pH适宜，溶解氧存在过饱和现象，高锰酸盐指数和氨氮均远远大于Ⅴ类标准，导致其水质最差，而考虑到季节因素，可能与2月23日到3月1日为冬季有关，冬季是枯水期，水量少，流动性差，导致水体自净能力减弱，进入水体的污染物难以扩散稀释与分解。而第四周1月19到1月25日的高锰酸盐指数与氨氮均远低于第九周，虽然同为枯水期，但因这两项指标超标比低，可能是检测之前该断面所在地下过雪，相对来说水质为最好。第十一周为3月9日到15日，为平水期，水量、流动情况及生物量均大于冬季，然而其高锰酸盐指数、氨氮超标比均较高，考虑到NH3-N除水量原因之外还与不同季节温度影响有关，较高的温度有利于水中的氨转化为亚硝酸盐或硝酸盐[15]，所以氨氮值相对低一些，而高锰酸盐指数却很大，导致其水质较差。

3 结论

层次分析法解决了许多传统最优技术无法着手的问题，把研究对象作为一个系统，将定性方法与定量方法有机结合起来，按照分解、比较判断、综合的思维方式进行决策。不仅计算简单而且充分体现了其分解、判断、综合的特点。

利用层次分析法评价模型进行水环境质量评价，既可以反映不同监测时间水质优劣的排序，又能确定主要的污染物和主要污染类型，这对于汾河流域经济的发展以及污染防治措施的落实都具有一定的指导性，也为地方政府制定发展规划提供了必要的科学依据。

[1]梁新阳.山西汾河30年水质状况浅析 [A].发展民生水利，保障饮水安全论文集[C].湖北：湖北省水利学会，2009.64-67.

[2]慕金波.层次分析法在评定最优环境工程方案中的应用 [J].环境科学进展,2007,13 (5):167-170.

[3]杜鹏程，杨智.层次分析法在地表水质评价中的应用 [J].水质调查与评价,2011.

[4]姚荣，张娜，唐德善等.基于模糊AHP法的水质评价模型及应用 [J].水电能源科学,2004,22（4）:24-26.

[5]苏德林，武斌，沈晋.水环境质量评价中的层次分析法 [J].哈尔滨工业大学学报, 1997,29（5）:105-134.

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[11]汪应洛.系统工程 [M].第四版.北京：机械工业出版社，2008.120-122.

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Evaluation of Water Quality of Hejin Section of Fenhe River Based on Analytic Hierarchy Process

Gu Jin1，Ma Bao-gang1，Wang Yu-lin2，Gu De-zhang1
1.Chengdu University of Technology,Chengdu 610059 2.Wuxi base of Peking University,Wuxi 214125

According to the basic principle of the Analytic Hierarchy Process.evaluating five weeks water quality data of the first week to the eleven week in 2015 through Analytic hierarchy method,educe that the major pollution indicators of Fen river water quality are ammonia nitrogen and potassium permanganate index,And arrival at a conclusion that the worst water quality is ninth week,eleventh week,the best water quality is fourth week.

AHP（Analytic Hierarchy Process）；Fen River；Water quality assessment

TU9[文献码]B

1000-405X（2016）-6-400-2

顾金，男，成都理工大学环境与土木工程学院。