基于多层次灰色理论的水污染物总量控制探究

(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)

我国环境保护体系中主要污染物总量控制作为一项重要措施发挥着不可替代的作用，并取得了理想的成效，2010年COD排放量比2005年降低了约12.45%。然而，目前通常以削弱任务完成情况作为总量控制水平定论，而对于总量控制制度执行的综合状况还无法给出客观、全面的结论，由此对于决策者政策的制定以及问题分析的指导作用并不明显[1-4]。总量控制制度的有效实施不仅与污染物排放量削弱程度相关，而且还与环境质量的改善、环境监管水平的提升以及区域污染治理投入的增加等因素相关。用于水污染总量控制的评价方法较多，较为常用的有BP网络法、模糊综合指数法以及污染指数法等，然而这些方法均不能较好地反映总量控制的程度和水平，从而无法准确判定水体功能是否达到目标要求。

辽宁省气候环境具有明显的季节性变化特征，各区域河流径流、降水量、气温等参数随季节性变化显著，并且水环境质量影响因素较多，通过监测年内污染指标均值通常无法准确反映各地区水环境季节性变化规律，对于总量控制通常存在较大的困难[5-8]。针对总量控制可量化性低、指标值获取困难以及影响因素复杂等特点，本文运用灰色关联法选择了总量控制关键因素，在此基础上构建了多层次灰色综合水污染物总量控制评价方法。

1 多层次灰色理论分析

1.1 灰色关联度

灰色关联度分析是一种描述多因素之间大小、强弱与次序的分析方法，联系的紧密程度可通过各序列间的关联度确定，因此，各对比序列相对于参考序列的“优劣关系”可根据关联度的大小次序描述[9]。该方法不仅可避免单一方法对指标赋权存在的缺陷，而且可提高评价结果的可靠性与合理性，更加系统、全面地反映水污染总量控制的实际状况，同时，也为提出针对性的防控措施提供一定的决策依据和参考。灰色关联度分析主要流程如下。

1.1.1 无量纲化处理

1.1.2 确定灰色关联系数

对于参考指标x0(k)与比较指标xi(k)之间灰关联系数的计算可采用下述方法，其表达式为

(1)

式中：ξi(k)为研究区域内第k个分区中第i项指标与参考指标的关联系数；ξ为能够减少极值影响的分辨率，ξ取值区间为0～1，本文参考相关文献确定为0.5。

1.1.3 关联度计算

对于研究区域内关联系数不便于直接比较，且信息过于分散的各分区，可通过关联度的计算将其处理成某一数值，本文利用平均值法确定该数值，其计算公式为

(2)

式中：ri为参考指标与比较指标i之间的关联度，据此可根据ri值的大小确定各比较序列相对于参考序列的“优劣”程度。

1.2 灰色综合评价法

一般情况下研究多对象的排序问题即为事物的综合评价，即通过一定的方法确定评价对象的优劣次序，因此基于灰色理论的综合评价模型为

R=EW

(3)

式中：W=(w1,w2,…,wn),wj反映了在整体评价体系中单因素的贡献率大小，在一定程度上也可说明该因素对总量控制的评定能力；R=(r1,r2,…,rm),0≤rm≤1,ri反映了综合评定所得的评价结果，总量控制各评判矩阵E可表示为

(4)

2 水污染物总量控制综合评价

2.1 构建评价体系

对辽宁省2016年14个省辖市的主要水污染物总量控制状况进行系统的分析评价。

对水污染物总量控制中两因素之间的关联程度可通过灰色关联法确定，为了对区域总量控制制度实施水平进行更加综合、全面、客观的评价，本文基于已有研究成果和上述分析构建了多层次评价模型。主要技术路线为：根据相关资料和区域水污染实际状况，分别从产出效益、监管水平、治污能力以及治污投资4个方面建立多层次评价体系，然后运用灰色关联计算公式确定各指标权重及综合次序。

为了有效改善水体环境质量并降低污染物排放总量，应从增强监管水平、提高治污能力、增加治污投资等方面综合控制水体污染。指标的选择不仅要考虑到相关数据的可操作性与准确性，而且要客观、全面地体现各要素层的基本特征。本文参考有关研究并结合辽宁省水体污染治理状况，在遵循科学性、可行性、代表性、合理性原则的基础上选择了9项典型指标并建立评价体系[10]。水污染物总量控制水平与各指标权重的大小密切相关，权重值越大则对控制水平的影响程度越大，反之则越小。目前，数理统计法以及经验法为获取指标权重的主要方法，主要有AHP法、主成分法以及专家咨询法等，由于评价结果受权重值的影响较大，为使得评价结果更加客观、合理，可根据实际状况适当调整权重值。本文运用专家咨询法确定总量控制各因素权重，评价指标及其权重值见表1。

表1 水污染物总量控制评价指标及其权重值

2.2 指标层关联系数计算

运用多层次灰色关联法综合评价辽宁省2016年14个省辖市的主要水污染物总量控制状况，主要计算流程如下：

根据诸多方案中各参数最优值构成最优方案，即形成参考序列，若参数值属于效益型指标应取各方案中最大值，若参数值属于成本型指标应取各方案中最小值。结合各参数具体内涵确定参考数列C0k，各参数取值如下：

C0k=(3.2,88.6,23.1,0.88,58.2,100.0,1.0,186.5,74.2)

表2 辽宁省各地区水污染总量控制评价指标灰色关联系数

2.3 多层次结构关联度合成

不同指标对总量控制水平评价的重要程度存在差异，因此采用加权平均合成法确定评价体系中各要素的关联度，利用式(3)对权重矩阵与关联系数矩阵进行乘积运算，最终得到合成关联度，见表3。

表3 辽宁省14个地区总量控制各指标关联系数

2.4 结果分析

最佳参考序列与辽宁省各地区总量控制水平之间的关联度即为WA值，其值越大则代表趋近最佳序列的程度越高，相应的水污染总量控制水平越高，反之则较低。根据表3中WA值计算结果可以看出，辽宁省14个地区的水污染总量控制由高到低的次序依次为阜新、大连、沈阳、辽阳、营口、朝阳、盘锦等地区，其中控制水平较差的区域主要有丹东、铁岭、鞍山、锦州等地区。

根据多层次灰色综合模型计算得到的关联度WA，能够客观、真实地反映辽宁省各地区水污染总量控制在9项典型指标的综合水平。由此表明，沈阳、大连、阜新以及辽阳等综合评价较高的区域其治污投资、监管、产出效益以及治污能力等均处于中上水平。同理，锦州、丹东、铁岭等综合评价较低的区域其单项指标值处于较低水平。另外，综合评价水平受各指标权重的大小影响显著，权值越大则综合影响程度越高，要素层中权重较大的参数贴近综合评价WA值较好，权值越小的参数离散综合评价WA的程度越大。

水污染物总量控制涉及水资源、经济社会、生态环境等多个方面，并且各参数信息具有不确切、不完备等特征，运用灰色系统理论对区域总量控制水平进行综合评价能够显著提升其可行性与准确性。

3 结 论

本文以辽宁省为例运用多层次灰色关联法对各地区主要水污染物总量控制进行综合评价，不仅提高了评价结果的准确性与可靠性，而且扩大了评价体系的因素范畴及其整合效果，对于区域水体治理与环境保护具有重要的积极作用。辽宁省14个地区的水污染总量控制由高到低的次序依次为阜新、大连、沈阳、辽阳、营口、朝阳、盘锦等地区，其中控制水平较差的区域主要有丹东、铁岭、鞍山、锦州等地区；沈阳、大连、阜新以及辽阳等综合评价较高的区域其治污投资、监管、产出效益以及治污能力等均处于中上水平，锦州、丹东、铁岭等综合评价较低的区域其单项指标值处于较低水平。

总量控制水平评价结果受指标权重与评价体系的影响，而各地区水环境与水资源实际情况直接决定着各指标及其权重取值，具有一定的不确定性和模糊性特征。因此，运用灰色关联综合评价法时应综合考虑当地实际情况，不断调整指标权重和评价体系。