基于模糊综合评价法和层次分析法的张掖市黑河湿地水质评价

董楠楠++王有乐

摘要：张掖市黑河湿地在维系黑河流域经济社会可持续发展和生态安全等方面有极其重要的作用。为了解黑河湿地的水质状况，分别在2011年6月和2012年6月采集了水样并对5项水质污染因子进行评价。同时，为克服层次分析法中人的主观性对水质评价的影响，用AHP模糊综合评价法来分析黑河湿地的水质情况。结果表明，黑河湿地的水质状况较差，属于地表水Ⅴ类水质，总氮是导致水质超标的主要污染物。

关键词：模糊综合评价法；层次分析法（AHP）；水质评价；黑河湿地

中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5535-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.023

Evaluation of Heihe Wetland Water Quality in Zhangye Based on AHP and Fuzzy Comprehensive Method

DONG Nan-nan，WANG You-le

（College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730000，China）

Abstract： The Heihe wetland in Zhangye plays an important role to maintain social and economic sustainable development and ecological security. In order to get the information about its water quality，we collected water samples in June，2011 and 2012 respectively，and analyzed five water pollution factors. The analytic hierarchy process（AHP） were used to analyze water quality to avoid the subjective effect by fuzzy comprehensive evaluation. The results indicated that the quality of Heihe wetland was worse and it belonged to the level of Ⅴ. The element of N was the major reason to cause the wetland deterioration.

Key words： fuzzy comprehensive evaluation method；analytic hierarchy process（AHP）；water quality evaluation；Heihe wetland

湿地是水陆交界处的特殊自然综合体，也是生物多样性的摇篮，被誉为“地球之肾”，与森林、海洋并称世界三大生态系统。它不仅资源丰富，而且还有着环境调节功能和生态净化作用，在维持生态平衡中起着极为重要的作用。

水是湿地形成、发育、演替、消亡与再生的主导因素[1]。湿地的自然环境变化主要影响因素由水质和水量组成，所以对湿地的水资源进行监测和评价至关重要。湿地环境的水质评价结果的真实水平不仅取决于监测数据的精确性，还依靠于评价方式的科学性。现阶段常用的水质评价方法非常多，但这些评价方法都有自己的优缺点。单因子污染指数是用所评价的水质中污染最严重的那个评价因子所属的类型去判断水质的综合类别，但这种方法只能说明单个污染物对水环境的污染水平，并不能完全反映真实的水质综合情况；综合污染指数法不能确定整体水质的类别，仅能表示水环境污染的程度。灰色评价法虽然能够满足复杂系统的评价要求，但用此方法评价水质的结果往往趋于均化，水质评价的级别和选取污染物的数量有一定联系，水质的综合类别不能确定；神经网络法来评价水质，对于协同性不好的样本，评价结果往往会出现同质化的现象。水环境质量综合评价中，把模糊评价法和层次分析法（AHP）相结合的模糊层次分析法得到了广泛的应用[2]，模糊理论能很好地反映水环境质量级别的模糊性与连续性，层次分析法能够将评价者对复杂系统的定性分析进行定量化处理[3]，用模糊数学来构造矩阵，避免了主观性对水质评价结果的影响，使评价结果更符合实际。

本研究选用AHP模糊綜合评价方法，即传统的层次分析法与模糊数学相结合，利用层次分析法确定评价指标的权重，然后用模糊综合评价法对水质进行评价。

1 建立水质模糊综合评价数学模型[4，5]

模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清楚，不易定量的因素定量化，进行综合评价的一种方法[6]。水环境质量的综合评价中，常出现许多模糊的现象和一些模糊的概念，评价过程中还会大量涉及到一些复杂的情况和各种因素的相互作用，所以，在综合评价时可以用模糊综合评价法来处理这些模糊不清的情况，这样就可以评价出水环境的真实水平。

1.1 建立评价因素集、评价集

根据对水质的影响程度选取一些关键的指标作为评价因素，建立因素集，由污染因子的现实监测值所组成，即u={u1，u2，u3，…，un}。

评价集就是与因素集的评价指标相对应的环境质量标准的级别，即V={V1，V2，V3，…，Vm}。

1.2 建立隶属函数

各水质评价因子是模糊综合评价的重要基础，然而隶属函数又是各水质评价因子评价的重要根据，所以明确各个评价因子所对应等级的隶属函数非常重要。确定隶属函数的方法有多种，常见的隶属函数主要为矩形分布、梯形分布、k次抛物形分布、Γ-型分布、正态分布、柯西分布和岭形分布[7]7种类型。本研究选用较为成熟的降半梯形分布确定各元素的隶属函数[8]：

对于Ⅰ级水质（j=1）隶属函数为：

uij= 1 （xi

（aij

0 （xi≥ai（j+1）） （1）

对于Ⅱ-（m-1）级水质（j=2，…，m-1），隶属函数为：

uij=

（ai（j-1）≤xi≤aij）

（aij

0 （xi≥ai（j+1）或xi≤ai（j-1）） （2）

对于Ⅴ级水质（j=m），隶属函数为：

uij= 0 （xi≤ai（j-1））

（ai（j-1）

1 （xi≥aij） （3）

式中，xi为评价因子的实际监测值，aij为评价因子的第j级评价标准，（j=1，2，3，4，5）分别为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级水质标准浓度值。溶解氧的指标与其他评价因子相反，浓度越高则表示水质越好，所以隶属函数要做一定的调整。把评价因子的实际监测值代入到相对应的隶属函数中去，计算出各评价因子对于每一个评价等级的隶属度，就可以获得U和V之间的模糊关系矩阵R，记作：U [R] V，R称为模糊矩阵，R=（rij）n×m。

1.3 用AHP模型确定各指标的权重矩阵

水质指标的权重在模糊综合评价中有着非常重要的作用，主要用来衡量各个污染因子对水环境影响程度的大小，所以它的准确性将会直接关系到评价结果的准确性。目前权重的确定方法主要有加权统计法、层次分析法、德尔菲法、回归分析法、熵值法等。污染物浓度超标加权法是目前应用较为广泛的一种客观赋权法[9]。该方法简单方便，但是很容易受到极值特征数据的影响，评价结果不能反映水质的真实情况。AHP法是定量和定性相结合的多属决策方法，对各评价因子的相对重要性给予定量表示[10]，能够很好地避免评价过程中的主观性。本研究选用层次分析法来确定各水质因子的权重。基本步骤如下：

1）建立层次结构模型；首先要将所包含的因素分组，每一组作为一个层次，一般模型如图1所示。

2）构造两两比较矩阵。在已经确定的层次结构模型中明确各层元素之间的关系、上下两层的从属关系，就可以根据上下层的准则构成比较矩阵。为了使评价因子更方便比较、评价结果更有意义，本研究用单因子评价法进行了处理。计算公式为ai=ci /coi，其中ai是因子的标度值，ci为因子的实测值，coi为各级水质标准的均值。对于溶解氧的计算刚好是相反的。coi通常有两种取值方法，一种是采用国家Ⅲ类水质标准[11]，另一种是取5类标准值的平均值。但这两种方法都没有考虑不同污染物在相同水质级别之间标准值的不同变化幅度[12]，因此不是很合理。隶属函数的各取值区间是各级标准值之差，所以本研究利用加权平均法确定coi[13]。例如，污染因子xi，水质级别区间为（a1，a2]，（a2，a3]，（a3，a4]，（a4，a5]，（a5，a6]。根据式（4）可得各评价因子coi的结果（表1），构造标度为ai的水环境评价指标相对重要性判断矩阵D。

D= 1

1

1

1

1

3）评价因子权重计算及一致性检验。求出判断矩阵D的最大特征根λmax以及其对应的特征向量A，并归一化，计算公式如下：

Mi=aij （i=1，2，…，n） （5）

= （i=1，2，…，n） （6）

对进行归一化，可得：

ωi= /∑ （i=1，2，…，n） （7）

A=（ω1，ω2，…，ωn）即所求得特征向量，也就是各个元素的权重值。如果判断矩阵满足条件aij=aik/ajk（i，j，k=1，2，…，n），则称判断矩阵为一致性矩阵，因为客观事物的复杂性和主观推断的不确定性，所以难以把统一标准的事物区别度量得非常准确。一般情况下，判断矩阵D不具有一致性。所以，要对判断误差程度实行一致性检验。首先要计算判断矩阵D的最大特征根λmax：

λmax= （8）

C.I.= （9）

C.R.= （10）

式中，R.I.为重复计算1 000次的平均随机一致性指标[14]（表2）。当C.R.<0.1时，判断矩阵D的一致性是能够允许的，否则需要对判断矩阵进行一定的调整。

1.4 综合评价

在确定了权重集和模糊评价矩阵之后进行运算，就可以获得AHP模糊综合评价子集，并根據评价子集得到水环境的最终综合评价结果，即B=A×R。常用的运算因子有4种，取大取小法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法[15]。本研究采用相乘相加法，用最大隶属度原则去确定评价结果。

2 张掖市黑河湿地水质现状的综合评价

张掖市黑河湿地处于黑河中游，由祁连山洪积扇前缘和黑河古河道及泛滥平原的潜水溢出地带所形成，湿地的生态系统复杂、种类繁多。黑河湿地不仅由天然湿地、河流、草本沼泽、湿草甸等组成，还由人工湿地、人工湖、池塘、沟渠等构成。

黑河湿地能够涵养水源、调节气候、净化水质、防风固沙、有效防止巴丹吉林沙漠向南侵入等，尤其在保持黑河流域的经济社会可持续发展、阻止京津地区西路沙尘、保证达到国务院明确的下游年份水指标、保护地域生态安全等方面有非常关键的作用。所以张掖市黑河湿地有着不可取代的利用价值，也是西北地区奇特而珍贵的自然资源。但是，城市建设开发造成湿地的严重破坏。没有规划地任意开荒、周边牧民过度放牧、为了经济发展随意填湖建房、埋池建筑公路等行为不仅使湿地的地下径流遭到严重阻塞，还使得地表的各种植被遭到人为大肆毁坏。再加上黑河流域跨省调水政策，抽调了中游的大量用水，减少了生态用水的水量，湿地水源补给严重不足，进而使张掖市黑河湿地面积大幅度收缩，生物多样性逐年骤减。本研究基于模糊评价及AHP方法，以湿地2011年和2012年4个断面的5项污染因子的监测值为分析对象展开评价研究。

2.1 建立因子集

水样布点和采集依据《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T91-2002）进行，根据张掖市黑河湿地河道分布情况、功能区划、目前政策现状以及今后发展规划等共布置4个采样点，分别为庚名渠、人工湿地、4号坝、滨河新区北湖。

根据黑河湿地的实际情况，本研究选取了5项具有代表性的污染物作为评价因子为u={DO，CODMn，HN3-N，N，P}，其中溶解氧的评价指标是以数值大为最优，其他以数值小为最优。各断面的监测项目和数据见表3。

2.2 建立评价集

根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），评价等级由5个级别组成评价等级集合V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}，各等级标准见表4。

2.3 求出各评价因子的隶属度

计算出各评价因子的隶属函数后对单因素进行评估，建立模糊关系矩阵R。根据隶属函数（1）-（3）可计算出各监测断面2011年和2012年的模糊矩阵R。2011年的模糊矩阵分别表示为：庚名渠R1；人工湿地R2；4号坝R3；滨河新区北湖R4。2012年的模糊矩阵分别表示为：庚名渠R1′；人工湿地R2′；4号坝R3′；滨河新区北湖R4′。

R1= 0 0.310 0.690 0 0

0 0.235 0.765 0 0

0.657 0.343 0 0 0

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

R1′= 0 0.920 0.080 0 0

0 0.415 0.585 0 0

0.857 0.143 0 0 0

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

R2 = 0.333 0.667 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0 1

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

R2′=0.480 0.520 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0.220 0.780

0 0 0 0 1

0.988 0.012 0 0 0

R3 = 0 0.820 0.180 0 0

0.080 0.920 0 0 0

0 0 0 0 1

0 0 0 0 1

0.075 0.925 0 0 0

R3′=0.013 0.987 0 0 0

0.235 0.765 0 0 0

0 0 0 0 1

0 0 0 0 1

0.438 0.562 0 0 0

R4 = 0.453 0.547 0 0 0

0.645 0.355 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

R4′=0.507 0.493 0 0 0

0.775 0.225 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0 1

1 0 0 0 0

2.4 建立權重集

1）建立层次结构模型。

2）构造2011年2012年标度为ai的水环境评价指标相对重要性判断矩阵D。2011年的模糊矩阵分别表示为：庚名渠D1；人工湿地D2；4号坝D3；滨河新区北湖D4。2012年的模糊矩阵分别表示为：庚名渠D1′；人工湿地D2′；4号坝D3′；滨河新区北湖D4′。

D1= 1 0.889 2.427 0.218 7.282

1.125 1 2.731 0.245 8.193

0.412 0.366 1 0.090 3.000

4.593 4.082 11.148 1 33.444

0.137 0.122 0.333 0.030 1

D1′= 1 0.853 2.939 0.216 8.398

1.173 1 3.447 0.253 9.848

0.340 0.290 1 0.074 2.857

4.627 3.946 13.600 1 38.857

0.119 0.102 0.350 0.026 1

D2= 1 2.281 0.204 0.050 6.692

0.438 1 0.089 0.022 2.933

4.912 11.207 1 0.246 32.875

19.986 45.597 4.068 1 133.750

0.149 0.341 0.030 0.007 1

D2′= 1 2.383 0.274 0.067 4.932

0.420 1 0.115 0.028 2.070

3.650 8.696 1 0.243 18.000

15.023 35.798 4.116 1 74.095

0.203 0.483 0.056 0.013 1

D3= 1 1.168 0.063 0.046 1.272

0.856 1 0.054 0.039 1.089

15.988 18.672 1 0.730 20.340

21.909 25.586 1.370 1 27.872

0.786 0.918 0.049 0.036 1

D3′= 1 1.228 0.131 0.058 1.779

0.814 1 0.106 0.047 1.448

7.646 9.391 1 0.445 13.600

17.178 21.098 2.247 1 30.554

0.562 0.691 0.074 0.033 1

D4= 1 1.442 5.542 0.264 6.129

0.694 1 3.844 0.183 4.251

0.180 0.260 1 0.048 1.106

3.781 5.452 20.657 1 23.176

0.163 0.235 0.904 0.043 1

D4′= 1 1.576 6.686 0.318 7.354

0.635 1 4.242 0.202 4.667

0.150 0.236 1 0.048 1.100

3.147 4.959 21.039 1 23.143

0.136 0.214 0.909 0.043 1

3）根据公式（5）-（8）计算各断面2011年和2012年的特征向量和最大特征根，并对判断矩阵进行一致性检验。2011年庚名渠A=（0.137 6， 0.154 8， 0.056 7， 0.632 0， 0.018 9），λmax=5.000，C.I.=0，C.R.=0<0.1。2012年庚名渠A=（0.137 8， 0.161 5， 0.046 9， 0.637 4， 0.016 4）， λmax=5.012， C.I.=0.003， C.R.= 0.002 7<0.1。2011年人工湿地，A=（0.037 8，0.161 5， 0.185 5，0.764 6，0.005 6），C.I.=0.000 3，C.R.=0.000 3<0.1。2012年人工湿地A=（0.049 3，0.020 7， 0.179 8， 0.740 2， 0.010 0）， λmax=5.000， C.I.=0， C.R.=0<0.1。2011年4号坝A=（0.024 7，0.021 1，0.394 4，0.540 4， 0.019 4），λmax=5.013，C.I.=0.003 3，C.R.=0.002 9<0.1。2012年4号坝A=（0.036 8，0.029 9，0.281 1，0.631 5， 0.020 7），λmax=5.120，C.I.=0.03，C.R.=0.026 8<0.1。2011年滨河新区北湖A=（0.171 9， 0.119 2， 0.031 0， 0.649 9， 0.028 0）， λmax=5.008， C.I.=0.002 0， C.R.=0.001 8<0.1。2012年滨河新区北湖A=（0.197 4， 0.125 2， 0.029 5， 0.621 1， 0.026 8）， λmax=5.012， C.I=0.003 0，C.R.=0.002 7<0.1。以上C.R.均小于0.1，所以判斷矩阵D有满意的一致性。

2.5 水质综合评价

将评价因子权重A和模糊关系矩阵R进行模糊关系合成，即得到模糊综合评价矩阵B，并根据最大隶属度原则判断各监测断面水质级别，评价结果见表5。

3 小结与讨论

1）本研究采用层次分析方法与模糊综合评价法相结合对张掖市黑河湿地水环境现状进行了评价分析，利用将两种模型相互结合的评价方法，使水质的评价结果更为准确和合理，并成功地避开了层次分析法中由于人的主观因素对水质评价带来的影响。

2）黑河湿地的水质监测结果表明，2012年黑河湿地水质总体状况比2011年稍有好转。利用AHP模糊综合评价法对张掖市黑河湿地水环境质量进行综合评价，结果表明庚名渠、人工湿地、4号坝和滨河新区北湖的水质均为Ⅴ类，各断面水质严重超标。4个监测断面都是以氮污染为主，分析其污染的主要原因：黑河湿地农业区域过度使用农药和化肥，还有部分群众从事养殖业，而工业园区以农产品加工为主，工业生产产生的废水和生活污水直接排入湿地，这些因素都是导致湿地水体氮含量增大，超标严重的主要原因。因此对湿地水源区进行长期的生态监测、强化管理和规划，提高水质是十分必要的。

3）传统模糊综合评价中评价因子的权重与其实测浓度值与各级水质标准的均值直接相关。各级水质标准的均值一般采用国家Ⅲ类水质标准或5类标准值的平均值，但这两种方法都没有考虑不同污染物在相同水质级别之间标准值的不同变化幅度，本研究采用的是加权评价法确定各级水质标准的均值。

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