基于主成分和模糊数学的兰州市城市饮用水安全综合评价

杨凯凯，王晓娇，齐 鹏，徐海鹏，朱葡莉，王 玲

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070）

基于主成分和模糊数学的兰州市城市饮用水安全综合评价

杨凯凯1，王晓娇1，齐 鹏1，徐海鹏2，朱葡莉1，王 玲1

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070）

以甘肃兰州市为例，运用主成分分析和模糊综合评价法对其饮用水安全进行了评价。结果表明：兰州市城市饮用水安全综合评价等级为“一般”，饮用水水质主要以氟化物、硝酸盐氮、浑浊度为主要污染指标，属于有机污染。根据评价结果，从加强城市饮用水水源地的保护、完善安全供水措施和建立“三位一体”城市饮用水安全应急机制等方面提出了城市饮用水安全的保障措施。

饮用水安全；主成分分析；模糊综合评价；对策；兰州

城市饮用水是城市生存环境的基础和命脉，故饮用水安全问题成为21世纪中国最突出的问题[1]。饮用水使用之前需经多个环节处理，而水源地无污染是确保城市供水安全的首要环节。加强对水源地生态安全保护，对经济发展和人民健康生活均具有重要意义。

从20世纪60年代开始，世界各国就根据本国的实际情况利用数学模型展开了一系列关于饮用水的综合评价[2]。目前，国内外学者的研究主要集中在水质评价、水源适宜性评价等方面[3]，但是在饮用水水源地生态安全方面的研究还处于起步阶段[4-6]，主要是对饮用水水源地的水质和水量进行一些基本评价，对水源地的水质安全并没有提出较为系统的评价方法和手段，因此对城市饮用水安全评价方法体系的研究仍然是饮用水安全评价的重点。焦士兴等[7]以河南省安阳市为例，从水量、水质、管理水平和环境状况等方面，构建了基于三角模糊函数的城市饮用水水源地安全评价模型，为饮用水的评价提供了一种行之有效的方法。笔者以兰州市城市饮用水资料为基础，通过主成分分析确定兰州城市饮用水的主要污染指标，然后利用模糊综合评价法对兰州市城市饮用水进行评价和定级，并根据分析结果提出了提高城市饮用水质量的建议，为保障城市饮用水安全提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.1.1 兰州饮用水水源地概况 兰州市位于我国西北内陆地区，地处青藏高原的东北边缘、黄土高原的西部，黄河穿城而过[8]。兰州市的城市供水源主要由黄河水和地下水2个供水系统构成，其取水口位于西固区的西柳沟黄河段。在这两大供水系统中，黄河的供水量占当地总供水量的95%，而地下水仅占5%[9]。

1.1.2 城市供水 兰州城市供水主要依靠兰州威立雅水务（集团）有限责任公司，供水范围不仅包括七里河区、城关区、安宁区以及西固区等4大建成区，还包括榆中县的和平开发区，每天的平均供水量达到138万m3，供水的普及率高达93%。近年来随着城市的发展和人口数量的增多，城市的需水量也不断提高。兰州市城市用水具有用水量增长较快，居民对水质要求高，水量浪费严重等特点。兰州市城市用水的种类包括地表水源和地下水源，以地下水作为水源时，由于水质较好，通常不需多余处理，仅经消毒即可，工艺简单。

1.2 数据来源

采用主成分分析和模糊综合评价相结合的研究方法，选取兰州市城市饮用水进行安全评价，水质数据来源于2015年1～8月兰州威立雅水务（集团）有限责任公司官网的水质公告（表1）。采用SPSS 19.0软件进行主成分分析，采用MATLAB软件求模糊综合评价的评判矩阵、最大特征值以及最大特征值对应的特征向量。

表1 兰州市威立雅水务公司1～8月水质监测结果

1.3 主成分分析法

主成分分析方法是一种将多维因子纳入同一系统中进行定量化研究的多元统计方法[10]。查阅大量资料，结合调查结果，咨询相关专家，对影响兰州市城市饮用水质量的主要指标进行筛选[11-13]，最终选择氟化物（X1）、硝酸盐氮（X2）、浑浊度（X3）、pH值（X4）、氯化物（X5）、硫酸盐（X6）、溶解性总固体（X7）、总硬度（X8）、耗氧量（X9）、总氯（X10）为主要影响因子。

1.4 模糊综合评价

设饮用水水质评价因子集合：

U={U=U1，U2，…，Um}，其中，U1，U2，…，Um为参评的m个评价因子。

设其对应的评价等级集合为：

V={V=V1，V2，…，Vn}，其中，V1，V2，…，Vn为n个评价等级。

1.5 确定模糊综合评判矩阵

模糊向量U和模糊关系矩阵V得到后，将U和V进行复合运算可以得到综合评价模糊子集B，进而确定城市应用水安全综合评价结果。

即：B=U°V（“°”称为合成算子）

1.6 评价定量分级

根据地表水环境质量标准中的水域功能和保护目标，结合隶属函数，用语义学标度分为5个测量等级：好、良好、中等、一般、差。为了便于计算，将主观评价的语义学标度进行量化，并依次赋值为5、4、3、2和1。主观测量是用五级语义学标度[14-15]。所设计的评价定量标准见表2。

表2 评价定量分级标准

2 结果与分析

2.1 城市饮用水水质主成分分析

对兰州市城市饮用水10个指标进行标准化处理，根据标准化数据，计算变量的相关系数矩阵V，相关系数列表见表3，并计算相关系数矩阵V的特征值以及累计贡献百分率如表4。由表3可以看出，第一主成分氟化物与硝酸盐氮、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度、总氯的相关系数较高，除了与浑浊度和pH值呈现负相关外，与其他变量均呈现正相关。第二主成分硝酸盐氮与浑浊度、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度、耗氧量的相关系数较高，除与pH值呈现负相关外，与其他指标均呈现正相关。这说明兰州城市饮用水污染物中主要以有机污染物为主。从表4可以看出，前3个特征值的累计贡献率已达到93.026%，说明在兰州城市饮用水主要以氟化物、硝酸盐氮、浑浊度为主要污染指标。

2.2 水质模糊综合评价

2.2.1 进行单因素评价，建立模糊关系矩阵 由于水质污染程度和水质分级标准都是模糊的，所以利用前面建立的隶属函数来描述分级界限，在饮用水水质综合评价时，由于pH值没有明确分 级，所以去除pH值这一指标。根据《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）和《生活饮用水卫生标准》（GB5749—85）确定各指标的5级标准，分别求得隶属度，建立单因素评价矩阵V如下。

表3 水质指标间的相关矩阵

表4 特征值及主成分百分率

2.2.2 用层次分析法确定评价因素的权向量 权重是模糊综合评价中一个重要的因素。利用层次分析法确定权重，结合模糊综合评价，可使饮用水的评价更加客观和准确。由于各评价因子对于城市饮用水的影响不同，所以对于各指标赋予不同的权重。利用层次分析法，构造判断矩阵，标准化得到如下矩阵。

应用MATLAB软件通过计算机编程求得各判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量：

U=（0.430 0.706 0.128 0.323 0.276 0.086 0.274 0.084 0.180）T

2.2.3 评价结果 计算结果显示，兰州市城市饮用水综合评价结果Y为1.909。根据表3的分级标准可知，处于E4级，属于“一般”水平，定量评价结果与定性评级结果基本一致，说明评价结果具有一定的合理性，可以作为参考。

B=U°V=（0.126，0.102，0.201，0.134）

Y=5×0.126+4×0.102+3×0.201+2×0.134=1.909

3 结 论

调查分析显示：（1）兰州市城市饮用水水质主要以氟化物、硝酸盐氮、浑浊度为主要污染指标，以有机污染源为主；（2）兰州市城市饮用水安全数据定量模糊综合评价结果为“一般”，基本符合当地的实际情况；（3）兰州市城市饮用水水源地排污严重，自来水存在安全隐患，不容乐观。

4 改善兰州市城市饮用水质量的建议

4.1 加强城市饮用水水源地的保护

（1）合理规划城市饮用水水源地，制定行之有效的保护措施。对水源地附近排污较严重的企业进行整治，或者将其搬迁到下风带地区，其次要将污水集中处理，建立污水处理厂，将周围居民的生活污水集中收集，实现资源可持续利用。（2）加强对城市饮用水水源地的水质监测，建立健全水源地水质预警系统。及时检测污染源（比如：土壤以及水体中的农药、化肥和重金属等），并将检测结果向城市居民公布，做到公开和透明。（3）制定城市饮用水安全应急预案。对于水质突发事件应做到有备无患，并建设应急水源地，为加强应急管理措施和后备饮用水供给提供保障。（4）建立城市饮用水生态补偿机制。既满足当地居民的发展需求，又达到保护饮用水水源地的目的，同时充分调动当地居民对水源地保护的积极性，使饮用水安全的保护得到人民大众的支持，提高饮用水安全的保护力度，实现水源保护和家庭使用的双赢。（5）建立健全城市饮用水水源地法律保护体系。根据兰州市饮用水源地的实际情况，政府相关部门应颁布相应的水源地保护法规，对水资源的开发利用以及水源地的一系列生产活动进行规范，提高对饮用水水源地的法制化管理。

4.2 完善安全供水措施

根据兰州市城市饮用水水源地的现状以及当地在较长时间内的供水需求，为保证城市居民的正常供水，同时保护饮用水水源地环境，可采取如下措施：（1）在现有的供水系统基础上进一步优化配置，确保居民能够饮用到优质的水；（2）通过如对河道清淤、疏浚和水源地取水设施的扩建等工程建设，对具有来水量的现有工程进行改善，提高水源地的供水能力；（3）根据水源地的实际情况可以在水质符合饮用水安全要求，并且能够与相关的水利工程相衔接的地方新建一些水源地以增加供水量，保证城市居民的用水。

4.3 建立“三位一体”城市饮用水安全应急机制

目前，我国饮用水安全事件处理一般是由环保、水务、卫生等职能部门协调配合，临时建立应急机制[16]。这种应急机制虽然经济、易行，但存在着权责不明、信息不畅、决策混乱等缺点。而“三位一体”应急机制可以较好地弥补上述不足。“三位一体”应急机制即上级政府、水务卫生部门、居民共同保护城市饮用水的措施。政府部门是政策法规和城市饮用水应急制度的制定者，全面负责，统一指挥；水务卫生部门是城市饮用水水质安全的检测者和实施者，使决策和建议反馈更加快速、全面、准确；居民是城市饮用水安全的监督者和受益者。建立“三位一体”应急机制应该切实做好上级政府、水务卫生部门以及城市居民的协调合作，相互监督，以保证城市饮用水的清洁和环保，达到经济效益和社会效益的综合。

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（责任编辑：成 平）

Comprehensive Evaluation on the Safety of Drinking Water in Lanzhou City Based on Principal Component and Fuzzy Mathematics

YANG Kai-kai1，WANG Xiao-jiao1，QI Peng1，XU Hai-peng2，ZHU Pu-li1，WANG Ling1
（1. College of Environment and Resources, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, PRC; 2. College of Prataculture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, PRC）

Taking Lanzhou city of Gansu Province as an example, using the principal component analysis and fuzzy comprehensive evaluation method to the safety of drinking water is evaluated respectively. The Results showed that Lanzhou City drinking water safety comprehensive evaluation level as the “general”, drinking water mainly, nitrate nitrogen, fluoride, turbidity as the main pollution index, and belongs to organic pollution. According to the evaluation results targeted urban drinking water safety guarantee measures are put forward, such as strengthen the protection of urban drinking water source, improve the safety measures of water supply, and establish the trinity urban drinking water safety emergency response mechanism.

the safety of drinking water; principal component analysis; fuzzy comprehensive evaluation; countermeasures; Lanzhou

X824

：A

：1006-060X（2017）02-0053-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.002.015

2016-10-11

甘肃省哲学社会科学规划项目（14YB053）

杨凯凯（1994-），男，甘肃定西市人，本科生，专业：土地资源管理。

王晓娇