华北农村地区水环境评价指标体系与评价方法

2016-09-24武中强王佰梅王小军

海河水利 2016年4期

耿　直，武中强，王佰梅，王小军

耿直1，武中强2，王佰梅3，王小军4

（1.水利部水资源管理中心，北京100053；2.沧州市水利科学研究所，河北沧州061000；
3.海河流域水资源保护局，天津300170，4.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏南京210029）

华北农村地区水环境的安全问题正严重地危害着广大农村居民的身心健康，极大制约了农民生活质量的改善和农村经济社会的发展。针对目前国家对实施最严格水资源管理制度工作的高度重视以及农村地区在水环境安全评价方面的不足，进行农村地区水环境安全评价指标体系以及评价方法的研究，对开展华北地区农村水环境保护、防治农村水污染、保障农村居民身心健康具有重要意义，同时还是分析和控制农村各种污染、改善生态环境的必要手段。

农村；水环境；评价指标体系；评价方法；华北

1　概述

我国水环境评价起步于20世纪后半叶，主要以水质评价为主要内容。随着水环境研究工作的深入开展，国内专家学者开始探讨一些水质评价方法。1974年，我国提出了第一个综合表示水质污染情况的综合污染指数法。进入80年代后，计算机技术的快速发展使现代数学理论应用于水环境评价，复杂的数理统计方法得以实现。近年来，模糊数学、随机模型、灰色系统和人工智能等理论方法与计算机技术相结合应用于水环境评价研究较多。许多学者开始研究层次分析法、模糊综合指数法、灰色聚类法、人工神经网络法、物元分析法等综合评价方法，并进行了大量水质评价方法的科学合理性分析和比对论证。目前，水环境评价方法一般是结合特定区域进行2种或数种水质评价方法的比较研究，具有全面性、通用性借鉴意义的研究较为少见。

2　农村水环境定义

曾畅云等（2004）将水环境安全定义为：水体保持足够的水量、安全的水质条件以维护其正常的生态系统和生态功能，保障水中生物的有效生存，周围环境处于良好状态，使水环境系统功能可持续正常发挥，同时能较大限度地满足人类生产和生活需要，使人类自身和人类群际关系处于不受威胁的状态。此定义基本涵盖了农村水环境的全部组成因素，从水量、水质、水安全、水资源条件和开发利用等方面给出了明确的定义，具有较好的代表性，也是本文所使用的农村水环境安全的定义。

3　华北农村地区水环境安全评价指标体系

根据华北农村地区的水资源条件和特点，结合调研的实际情况，将华北地区农村水环境安全评价指标体系归结为5个大的方面，它们分别反映了华北农村地区水环境的水质安全状况（包括点源污染防治和面源污染防治状况）、水量安全状况、生态环境安全状况、社会安全状况和与其息息相关的生产力水平，详见表1。

3.1指标体系检验

（1）评价指标的标准化处理。由于评价指标的量纲不同，需要先进行无量纲化处理，以减少评价指标不同量纲对分析结果的影响。标准化计算公式为：式中：Xi为样本观察值；为样本均值；Sk为样本标准差。

表1　华北农村地区水环境安全评价指标体系

（2）计算相似评价指标间的相关系数r。相关系数r计算公式为：

式中：Xi、Yi为指标样本观察值；Xˉ、Yˉ为指标样本均值。

（3）选取临界值M（0〈M〈l）。如r〉M，说明两指标紧密相关，应根据实际情况删除次要指标；如果r〈M，说明两指标间相关性较小，则2个指标均保留。

在农村水环境和水源地安全评价中，通常选0.9作为临界值M。通过计算，农村水环境评价指标体系中所选指标的相关性较小，不需要删减。

3.2指标权重确定

（1）构造判断矩阵。判断矩阵是表示本层所有因素针对上一层某个因素的相对重要性的比较。假设某一评价目标v，其有n个影响要素（指标）为｛A1，A2，…，An｝，aij表示Ai相对于Aj的重要程度判断值。为使矩阵中各要素的重要性能够进行定量显示，引进了矩阵判断标度，见表2。

如，对于要比较的因子而言，认为一样重要就是1∶1，强烈重要就是9∶1，也可以取中间数值6∶1等等。若指标Ai与指标Aj的重要性之比为aij，那么指标Aj与指标Ai的重要性之比为aji=1/aij。对指标进行两两比较，即可得到判断矩阵A。

表2　判断矩阵标度含义

（2）层次单排序。层次单排序的目的是对于上层次中的某元素而言，确定本层次与之有联系的元素重要性的次序。它是本层次所有元素对上一层次而言的重要性排序的基础。

首先，将A的每一列向量进行归一化处理，得到矩阵Q，其计算公式为：

其次，对矩阵Q按行求和得向量α，其计算公式为：

再次，对向量α进行归一化处理，得到权重向量W=（w1，w2，…，wn）T，其计算公式为：

式中：wi为Ai指标的权重值。

最后，计算最大特征值，其计算公式为：

（3）一致性检验。由于客观事物的复杂性，会使人们的判断带有主观性和片面性，因此判断矩阵一般不可能满足完全一致条件。为了检验一致性如何，需要计算判断矩阵的一致性指标CI。其计算公式为：

CI=0时，判断矩阵具有完全一致性；反之，CI越大，判断矩阵的一致性越差。为了检验判断矩阵是否具有令人满意的一致性，则需要将CI与平均随机一致性指标RI进行比较。一般而言，1或2阶判断矩阵总是具有完全一致性的。对于2阶以上的判断矩阵，其一致性指标CI与同阶的平均随机一致性指标RI之比，称为判断矩阵的随机一致性比例，记为CR。其计算公式为：

当CR〈0.10时，认为判断矩阵具有满意的一致性，否则就需要重新调整矩阵，直到CR〈0.10为止。平均随机一致性指标RI值可查表3得到。

表3　平均随机一致性指标RI值

经过比较各种权重计算方法的优缺点及适用性，结合农村地区水环境安全状况的特性，采用层次分析法对华北农村水环境指标进行赋权。

4　评价方法

通过筛选比较，选用层次分析法对华北地区农村水环境进行评价。层次分析法具体步骤包括两个大的方面，即指标数据处理和赋权。在选取评价指标后，进行原始数据整理。将评价指标的实际值与指标值做对比，并进行子安全度计算，然后对评价指标进行分层次逐级赋权，最后将各指标参数的子安全度值和相应的权重进行联合计算，得到各级评价指数。如此逐层进行，最终得到综合评价指数E。然后将综合评价指数E按一定标准划分为几个等级。

水环境安全状态分级可以分为3、4或5个级别。考虑到分级太少则安全状态分级过于笼统，而分级太多又显得复杂、繁琐，因此将华北农村地区水环境安全状态分为4级。分级标准，见表4。

表4　农村地区水环境安全状态分级标准

4.1准则层指标数值计算

准则层指标数值是根据其所包含的指标层指标数值及其相应权重的乘积加权计算而得。准则层安全度的计算采用模型为：

式中：EB为准则层安全度；W（Ci）为指标层第i个指标的权重；E（Ci）为指标层第i个指标的子安全度值；m为指标数目。

4.2准则层安全度计算

准则层安全度是采用各准则层元素安全度值与相应权重相乘后进行加权计算而得的。其模型公式如下：

式中：EA为农村水环境安全度；W（Bi）为准则层第i个元素的权重；E（Bi）为准则层第i个元素的安全度值；n为准则层个数。

4.3评价指标子安全度计算

采用数学模型计算各指标子安全度及目标安全度。根据实际情况定义子安全度介于0～1，即不管是越大越好的指标还是越小越好的指标，其所对应的子安全度均在0～1，且为单调函数。每个指标都存在1个最差值和1个最优值。取最差值或比最差值小的指标对应的子安全度为0，取最优值或比最优值高的指标对应的子安全度为1。同时，根据实际情况确定各指标对准则层安全度的贡献大小，即各指标分别占有不同的权重。符合要求的数学模型函数有对数函数、指数小于1的幂函数等。根据区域特点选取对数函数作为指标无量纲化的函数模型，其计算模型公式为：

式中：a和b为拟合系数。

根据式（6）和实际数据，计算出华北农村地区水环境安全评价指标体系指标标准值，见表5。

根据标准化公式及表5标准值，计算出华北农村地区水环境安全评价指标的子安全度计算函数，见表6。

5　结论

经过对已有评价方法的比较研究，采用层次分析法定权的综合指数法来对华北地区农村水环境进行评价研究是适合的。通过该方法对河北省农村地区进行了区域性的水环境安全评价，结果表明，水环境评价结果与实际情况基本相符，指标体系可以较全面地反映华北地区农村水环境的现实状况。在对各影响水环境因素的分析研究中，层次分析法的赋权和计算均合理可行，证明该评价方法适用于华北地区农村水环境的安全评价工作，可以作为一种实用的评价方法在该地区进行应用。同时，该方法的应用也可为华北地区农村水环境的改善提供技术支持。