北票市农村饮水安全评价

高丽伟

(北票市西官营水利服务站，辽宁 北票 122125)

0 引 言

方法和参评指标的合理选取为饮水安全评价的主要内容，当前模糊物元法、AHP法、熵权法等为比较常用的方法，但大部分研究仅仅考虑某几项或从某个方面对农村饮水现状给予评价，综合考虑各方面因素的系统研究较少，将GIS技术应用于饮水安全评价的研究还鲜有报道。鉴于此，本文从供水、水质和水量3个方面选取供水工程通村率、水资源保证率不达标、饮用苦咸水超标的人口比等12项因子参与评价，将基于各因子值获取客观权重的熵权法加以改进，结合主观性较强的层次分析法更加科学、准确的计算各因子权重。然后结合GIS地理信息系统和模糊综合评价理论，综合评价了北票市10个乡镇的农村饮水安全现状，旨在为解决北票市农村饮水安全问题和饮水安全评价提供科学的指导[1-5]。

1 模糊综合评价模型

1.1 AHP法确定权重

AHP法可将复杂的系统性问题依据一定的原则进行分解，通过对评价样本各要素的分析监理相应的层次结构，邀请领域内的专家对各要素重要程度给予定量的赋值，由此监理模糊数学模型计算各指标权重，最终实现多因素、多层次复杂问题的定量化处理，对于复杂的模糊性问题具有较强的适用性。

1.2 改进熵权法计算权重

步骤一：构造判断矩阵。设农村饮水安全评价共m个样本，参评指标数有n个，依据专家意见和标度准则构造判断矩阵为：

R=(rki)m×n

(1)

式中：rki为第评价指标i关于评价样本k的数值。

步骤二：归一化处理判断矩阵。采用归一化处理公式将各指标数据处理至0-1范围，由此得到标准化判断矩阵，即：

B=(bki)m×n

(2)

式中：bki为归一化处理后的各参数值。

根据各指标内涵特征分为越大越优型与越小越优型两类指标，对于评价值越大则饮水安全水平越高型指标，其归一化处理公式如下：

(3)

对于评价值越小则饮水安全水平越高型指标，其归一化处理公式如下：

(4)

步骤三：各指标熵的确定。根据饮水安全各参数熵值的定义，采用下式计算各评价因子的熵，即：

H=(hi)1×n

(5)

步骤四：各因子熵权的确定。根据以上权重和熵值计算结果，对农村饮水安全各指标熵权利用下式计算，其表达式为：

(6)

步骤五：改进的熵权法。采用以上公式获取的各元素初始权重相互独立，对于信息熵所反映的各元素之间的一致性关系无法体现，对此采用模糊互补判断矩阵加以改进，由此建立新的矩阵D，即：

D=(dijn×n)

(7)

式中：dij为饮水安全评价因子i关于j的优先关系系数，dij值介于0-1之间，且满足条件dij+dji=1。评价因子i对j的优先关系包括等优、i优于j、i劣于j三种情况，相应的的dij值取0.5、>0.5、<0.5。

为保证评价结果的可靠性和可信度，还需要对互补矩阵D还利用下式进行一致性检验，计算式如下：

(8)

若ρ值等于0，则表示互补矩阵各因子值完全满足一致性要求。然而，由于饮水安全评价系统涉及到的范围广、因素较多，各因素之间具有一定的模糊性、随机性和复杂性，所以在实际应用过程必须检验矩阵D的一致性。具体为：设一致性检验的某一阈值为ε，在ρ<ε的情况下，认为矩阵D的一致性满足要求，确定的各因子权重能够用于评价分析；否则，需要对矩阵进行修正，重复以上步骤直至满足检验要求。

1.3 组合权重的确定

AHP层次分析法是以标度准则和人的主观判断为依据构造判断矩阵，经一致性健全确定各因子权重，所以该方法存在较强的主观随意性，个人偏好和知识经验的不同可能导致赋权结果存在较大偏差；依据各参数具体数值构造判断矩阵的改进熵拳法，确定的各因子权重存在较强的客观性。据此，本文考虑将以上两个方法相耦合，综合考虑评价对象的客观性和专家赋权的主观性确定各因子组合权重，由此提高权重计算的合理性、准确性。将改进的熵权法和AHP法确定的各因子权重值进行乘积运算，通过归一化处理获取各因子组合权重，即：W=(wi)1×n。

1.4 模糊综合评价法

对各评价指标标准化值利用半梯形分布函数计算，结合各项参数内涵分为越大越优和越小越优型两大类。经标准化处理构成农村饮水安全模糊评价矩阵，表达式为：

X=(xij)n×g

(9)

式中：n、g为分别为饮水安全评价的指标个数和评价等级数。

采用模糊综合计算公式，确定研究区饮水安全等级及其所处的状态，结果为：

CV=(wi)1×n(xij)n×g(Gj)g×1

(10)

式中：Gj为不同评价等级下所对应的量化评语集。

根据各评价等级标准和综合指标值计算结果，即可获取研究区饮水安全所处的状态及其对应的评语集。

2 实例应用

2.1 区域概况

北票市位于亚沿海地区，介于N41°20′和42°30′，E120°16′-121°20′之间，下辖7个街道和7个城镇，总面积4469km2。地势特征为中间低、四周高，地形以低山丘陵为主，有“七山一水二分田”之称。该区域为大陆性季风气候，年均气温8.6℃，年均降水量509mm，境内多季节性河流，有牤牛河、大凌河、西官营河、黑城子河、马友营河、柳河等支流，各支流与主流程近似直交或直交格网水系，与次一级构造平衡[6]。

据统计，截止2019年末，北票市农村地区约18%的人口处于不安全状态，其中，大部分饮水工程修建时间较长，一直以来供水设备老化、供水管网腐蚀、周边环境污染等问题突出，加之农村消毒、过滤、净化等设备的缺乏，饮用水供给能力和水质状况不断下降，非常有必要综合评价北票市农村饮水状况[7-8]。目前北票市氟超标和苦咸水占总人口的比例分别为39%、12%，严重污染地表水与地下水的饮用人口比例为42%、9%，水量不达标人口比例7%，水源保证率不达标人口比例为44%，现状集中供水工程人均供水量60L/d，饮水方便程度不达标人口比例4%。截止到目前为止，共建成农村饮水工程868处，解决了30个乡镇241个村981个村组的20.86万人的饮水不安全问题，集中供水受益人口占总人口比例2%。其中，解决了20所学校饮水不安全问题，受益师生0.3208万人；将7处供水工程分别配套了7套消毒设备，受益人口0.7698万人。工程的水源类型为地下水，自来水普及率达到54.9%，各级资金累计投入21072.6万元。20m3/d

2.2 农村饮水安全评价体系

评价指标的选取遵循层次性、可操作性、代表性和科学性等原则，考虑北票市农村饮用水实际情况及卫生部、水利部制定的相关标准，从供水、水量与水质3个方面选择典型的12项制约因子，从而构建以农村饮水安全为目标的综合评价体系如表1所示。

表1 北票市农村饮水安全评价体系

根据北票市饮水安全标准和已有相关研究资料，将安全评价等级划分为5个级别，Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级，所对应的评语为不安全、较不安全、基本安全、较安全和安全，相应的综合评价值为[0,40)、[40,60)、[60,80)、[80,90)、[90,100)。

2.3 AHP法计算权重

步骤一：判断矩阵的构造。AHP法计算权重的关键是准确、合理的建立判断矩阵，结合专家意见和1-9标度准则比较分析各要素间的相对重要性，由此构建各评价因子的判断矩阵。综合评价体系中各层级之间的判断矩阵如下：

步骤二：单排序、总排序及一致性检验。根据各要素之间的重要性判别结果确定p8-p12对准则层C3、p5-p7对准则层C2、p1-p4对准则层C1、准则层C对目标层A的权重，结果如下：

WCT=(0.32,0.20,0.48)；

WPC1=(0.32,0.32,0.21,0.15)

WPC2=(0.30,0.20,0.50)；

WPC3=(0.13,0.18,0.25,0.12,0.32)

关于同一评价因子不同专家的赋分难免会存在差异，为确保饮水安全评价的可靠性必须对检验判断矩阵的一致性。采用随机一致性比率检验矩阵的一致性，比率值为0.045、0.025、0.047、0.042，均小于0.1，由此表明所构造的矩阵能够满足一致性要求。对各参数相对于目标层的权重进行计算，最终获取各因子的权重为：WA=(0.10,0.10,0.07,0.05,0.05,0.04,0.10,0.07，0.08,0.12,0.06,0.15)，采用随机一致性比率对层次总排序进行检验，其值为0.036<0.1，由此表明确定的各因子权重能够用于饮水安全评价。

2.4 改进熵权法计算权重

选取北票市10个乡镇的饮水安全现状为评价样本，由此可构建包含10个评价样本和12项评价因子的判断矩阵R10×12，采用归一化公式获取标准矩阵B10×12。

然后对各评价因子客观权重利用公式(5)、(6)计算，结果为：WE=(0.08,0.05,0.090.07，0.11,0.05,0.06,0.06,0.15,0.13,0.08,0.10)。为判断向量WE能否被接受，需要检验各因子一致性。采用文中所述方法建立饮水安全评价模糊互补矩阵为：

对矩阵D的一致性ρ值利用公式(7)求解，其值为0.005远远小于设定的阈值0.1，因此矩阵D满足一致性要求，由此确定的各评价因子权重能够满足科学合理性要求，可用于饮水安全评价。

2.5 组合权重

将改进熵权法和AHP法计算获取的各评价因子权值进行乘积运算，经归一化处理获取各参数最终的组合权重W=(0.10,0.07,0.05,0.03,0.08,0.02,0.07,0.05,0.14,0.17,0.06,0.15)，同理可确定准则层各因子权重为：

W1=(0.41,0.27,0.22,0.10);W2=(0.48,0.10,0.42);W3=(0.07,0.25,0.32,0.08,0.27)

2.6 饮水安全评价分析

根据北票市政府工作报告、水资源公报、农村饮水调查统计等相关资料，结合农村饮水现状获取待评价样本各因子初始值，结果见表2。

表2 北票市农村饮水安全评价初始数据

然后将模糊评价矩阵利用公式(9)确定，然后对各样本综合评价值，并利用公式(10)计算，依据评价等级和评语集区间确定北票市农村饮水安全状态。标记1、2、3分别为改进熵权法模糊物元、AHP法模糊数学法和组合权重综合评价模型计算确定的评价结果，如表3所示。

表3 北票市农村饮水安全评价结果

从表2可知：北票市农村饮水状况整体处于不安全水平，水质、水量分别处于不安全和安全状态，该区域饮水安全综合评价和供水达到基本安全状态，水质子系统中p1因子最差，其次为p2因子，均处于Ⅳ级；水量和供水子系统中p5、p8因子最差，分别达到Ⅳ级和Ⅳ级，p2参数也处于较差水平。根据农村地区饮水现状，北票市大部分地区不存在显著污染地下水的因子，且该区域并非大工业和化工等高污染企业集中地，地下水为该地区饮水水源，水污染较轻但存在苦咸水、高盐水及原生性高氟水等质量问题；同时，由于污水处理不到表和取水方式落后等条件限制，较其他地区北票市农村饮水水质相对较差。全市范围内广泛存在浅层水井，取水容易且埋深交钱，相对而言水量比较丰富。综上分析，本文评价结果能够较为客观、真实的反映北票市农村饮水现状[9]。

地区饮水不安全状态和不安全因素差异性具有较好的一致性，供水、水量和水质3项因素在饮水安全评价中存在较大的差异，尤其是供水和水质状况整体存在较差状态，相对来说水量短缺问题不明显[10]。参评的乡镇中，东部区域的供水和水质处于不安全状态，而南部地区的水量和水质基本达到安全水平，其他地区的水质和供水总体处于较不安全和不安全水平。

3 结 论

1) 将基于各因子值获取权重的传统熵权法加以改进，结合主观性较强的AHP法更加科学、准确的计算各因子权重。对北票市农村饮水安全状况利用模糊综合评价模型和各因子组合权重进行科学评价，并验证了该模型的可靠性和精度。

2) 实例表明，北票市农村饮水安全整体处于Ⅲ级不安全水平，在水质、水量、供水和综合评价的层面，该区域饮水安全处于不安全、安全、基本安全和基本安全状态，该模型具有结果可靠、简便实用等优点，可为区域饮水安全评价和水污染治理规划提供一定指导作用。