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饮用水水源安全评价体系研究与应用 * 傅金祥王文冬马兴冠黄殿男杨颖显 沈阳建筑大学市政与环境工程学院， 沈阳 110168 摘要 以建立一套适用于饮用水水源安全评价的评价体系为目的， 构建了综合目标层、 准则层以及指标层三个层次的 饮用水水源安全评价指标体系; 同时建立了 “层次分析法与 G1 赋权法耦合进行权重划分、 模糊综合评价法进行安全 等级确定” 的安全评价体系， 并应用该评价体系对某饮用水水源的安全进行评价， 评价结果表明 该饮用水水源的模 糊综合评价指数 FCI 为 2. 7939， 安全等级为 III 级， 运行状况基本安全。 关键词 饮用水水源; 指标体系; 层次分析法; G1 赋权法; 模糊综合评判法 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408026 THE APPLICATION ＲESEAＲCH ON SAFETY ASSESSMENT SYSTEM IN DＲINKING WATEＲ ＲESOUＲCES Fu JinxiangWang WendongMa XingguanHuang DiannanYang Yingxian School of Municipal and Environmental Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang 110168，China AbstractBased on the purpose of setting up a safety assessment system fitting to the water resources，a water resource safety assessment system with the target，the norm and the index was built． Moreover，the safety assessment system with the way to dividing weight in AHP and G1 weight ，the way to making safety ranks in fuzzy comprehensive uation was also built． Furthermore，the safety assessment system was used for the drinking water resources safety assessment． The result showed that the FCI value of the drinking water resources was 2. 7939，and the safety rank was III;this water resource ran basically safely． Keywordswater resources;index system;AHP;G1 weight ;fuzzy comprehensive uation * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2012ZX07505- 003- 01 。 收稿日期 2013 －10 －23 0引言 国内外有关饮用水水源安全的研究， 目前多集中 于饮用水安全的内涵、 保障策略以及饮水水质安全等 方面 ［1 ］。然而， 针对饮用水水源安全评价体系展开 的研究工作相对较少， 现行的评价体系大多存在如下 问题 1 缺乏客观全面的评价指标体系; 2 现行评价 方法难以对水质安全现状做出准确评价。上述问题 使得有关饮用水水源安全评价体系在实际应用中缺 乏准确性、 整体性和系统性， 在实际应用中通常无法 准确客观反应饮用水实际安全现状。为此， 在现行评 价体系的基础上丰富评价指标体系， 通过多种评价方 法耦合的方式， 构建一个更为完善的饮用水水源安全 评价体系已迫在眉睫 ［2 ］。 针对上述问题国内外学者开展了相关研究工作。 崔艳强等 ［3 ］采用层次分析法 AHP 对云南省城市饮 用水安全进行评价; 傅金祥等 ［4 ］基于模糊综合评判 原理， 对模糊综合评价法进行改良， 建立了一套分辨 率高、 简便有效的水质量评价模型， 并将其应用于辽 河流域的水质评价中。本文基于模糊综合评价法理 论， 对饮用水水源安全进行定性评价， 并量化确定安 全评价等级， 旨在为饮用水水源环境管理工作提供可 靠的评价方法和科学参考。 1饮用水水源安全指标体系构建 1. 1指标体系的构建原则 指标体系， 首先是所有指标的集合体; 另外， 指标 体系还强调各指标之间的相互关系， 基本结构主要有 多指标结构、 树型结构、 丛型结构以及矩阵结构 4 种 形式 ［5- 6 ］。在饮用水水源安全评价指标体系的构建应 901 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 遵循以下原则 1 科学合理性原则 应做到既层次分明、 结构合 理， 又简单易懂、 符合实际 ［7 ］; 2 客观独立性原则 尽 可能用较少的指标实现对饮用水水源安全准确而又 全面的描述 ［8 ］; 3 定量分析与定性分析相结合原则 尽量以可量化的指标为参考， 对于难以定量化的指标 可进行半定量化或定性分析 ［9 ］; 4 数据驱动型与评 价可操作性相结合原则 努力做到各评价指标的可理 解性、 可获取性以及可度量性［8 ］。 1. 2饮用水水源安全评价指标体系 本研究基于饮用水水源安全评价指标体系的构 建原则， 遵从科学合理性、 客观独立性以及代表性与 整体性相结合为原则， 结合饮用水水源安全内涵及其 相关影响因素， 确定了以饮用水水源安全为目标层; 饮用水水源水量安全、 饮用水水源水质安全、 饮用水 水源管理安全以及饮用水水源职业健康安全 4 方面 为准则层; 饮用水水源水质等级评价、 饮用饮水水源 富营养化等级评价、 饮用水水源水量来供比评价以及 饮用水水源水资源开采率等 8 个方面为指标层的饮 用水水源安全评价指标体系， 如图 1 所示。 图 1饮用水水源安全评价指标体系 Fig．1The index system for uating drinking water resource security 2饮用水水源安全评价体系 本研究基于目标层、 准则层以及指标层三个层次 的饮用水水源安全评价指标体系， 结合饮用水水源安 全评价工作的自身特性， 建立了“层次分析法与 G1 赋权法耦合的方法进行权重划分， 模糊综合评价法进 行安全等级确定” 的饮用水水源安全评价方法体系。 2. 1层次分析法 层次分析法 AHP ， 是一种运用数学方法将决 策问题进行目标层、 准则层以及指标层等的层次分 解， 并在此基础上实现对决策目标的定性与定量分析 的决策方法 ［10- 12 ］。 层次分析法的操作步骤如下［13 ］ 1 建立阶梯层次结构模型。对决策目标进行层 次化、 条理化分析， 从上往下形成一个具有目标层、 准 则层以及指标层的多层次结构模型。 2 构建各层的两两比较判断矩阵。通过1 ～9 及 其倒数的标度方法， 对各要素的相对重要性进行打 分， 得出阶梯层次结构模型的两两比较判断矩阵 A， 如式 1 所示 A a11a1n   am1a             mn 1 式中 ai， j即为元素 mi相比较于元素 mj 相对于准则 A 的重要性比例标度; aij＞0， aij 1 aji ， aii1。 3 权值的确定。权值为判断矩阵 A 最大特征值 λmax所对应的特征向量 w ， 求解过程如式 2 所示。 A w λmax w 2 4 判断矩阵的一致性检验。计算判断矩阵 A 的 随机一致性比例 CＲ， 如果 CＲ ＜ 0. 10， 则该判断矩阵 A 具有一致性; 否则， 应对判断矩阵 A 进行重新调整。 应用层次分析法对饮用水水源评价指标进行权 重划分， 虽然具有一定的客观性和有效性等优点， 但 是存在着标度工作量大以及一致性讨论复杂等缺 点 ［14 ］。因此本研究在饮用水水源安全评价体系的构 建过程中采用和 G1 赋权法相耦合的方式， 规避层次 分析法单独应用中存在的缺点。 2. 2G1 赋权法 郭亚军于1997 年提出了 G1 赋权法， 该方法在层 次分析法的基础上， 进行了改进， 避开了层次分析法 的弊端， 无需构造判断矩阵， 减小了权重求解过程的 计算量 ［15 ］; 同时， G1 赋权法所确定的序关系出自评 价专家， 所得结果具有较高的可信度。 G1 赋权法的操作步骤如下［16 ］ 1 确定各元素的序关系。Xi≥Xj≥≥Xn表示 X1X2， ， Xn按照“≥” 顺序确定了序关系。本研究 即以此确定影响饮用水水源安全各元素的序关系。 2 确定序关系中相邻两个指标之间的相对重要 程度。相邻两个指标相对于某一评价准则的重要程 度判断过程， 如式 3 所示 011 环境工程 Environmental Engineering rk wk－1 wk 3 3 权值的计算。指标 Xn的权重 wn计算过程， 如 式 4 所示 wn 1 Σ n k 2 ∏ n i k r i －1 4 指标 Xk －1的权重 wk －1计算过程， 如式 5 所示 wk－1 rkwk 5 通过权值的计算获取影响饮用水安全准则层各 评价指标的权重值。 2. 3模糊综合评判法 模糊综合评判法是一种基于模糊数学的综合评 判方法， 该方法能够综合所有要素对一个具有多重属 性的事物做出一个合理的总体评判。同时能够根据 隶属度理论， 实现评价过程的由定性向定量转化， 具 有结果清晰、 系统性强等显著特点 ［17 ］。本研究即应 用模糊综合评判法的由定性向定量转化这一特点， 对 饮用水水源安全等级进行评价， 采用量化的方法确定 饮用水安全等级。 模糊综合评判法的操作步骤如下［18- 19 ］ 1 建立决策目标的因素集和评价集， 将决策目标 进行分解， 并在此基础上构建决策目标的因素集 U { u1， u2， ， un} 和评价集 V { v1， v2， ， vm} 。 2 构建模糊评判矩阵。对因素集 U 中的任一元 素 ui进行单因素评判， 确定其对评价集 V 中 v j的隶属 度 rij ， 形成因素集 U 对应的模糊综合评判矩阵 Ｒ， 如 式 6 所示 Ｒ r11r1n  rm1r         mn 6 3 确定评价模型。将权向量与模糊评判矩阵进 行模糊运算， 得出模糊综合评判模型 B， 如式 7 式 8 所示 B w Ｒ w1， w2， ， wn r11r1n  rn1r           nn 7 bjΣ n i 1 wiγij 8 4 确定模糊综合指数 FCI， 划定决策目标的评价 等级。将模糊综合评判模型 B 与评价标准向量集 S 进行模糊运算， 确定模糊综合指数 FCI， 并以此为基 础， 对决策目标进行评价等级的划定， 其计算过程， 如 式 9 所示 FCI B S b1， b2， ， bn 1 2              n 9 3饮用水水源安全评价体系应用研究 3. 1各指标权重的确定 1 G1 赋权法确定准则层权重。本研究以某饮用 水水源实际安全状况为例， 根据水量安全、 水质安全、 水源管理安全以及水源职业健康安全的实际重要程 度， 确定该饮用水水源安全的序关系为{ 水量安全 X1 ≥水质安全 X2≥管理安全 X3≥职业健康安全 X4} ， 对应的重要程度向量为{ 1. 0， 1. 6， 1. 2， 1} ， 职业健康 安全的权值 w4的计算过程为 w4 1 Σ 4 k 2 ∏ 4 i k r i －1 1 1. 6 1. 2 1. 0 1. 2 1. 0 1. 0 －1 0. 1953 管理安全的权值 w3的计算过程为 w3 r4w4 1. 0 0. 1953 0． 1953 以此类推， 可求得准则层的指标权重， 如表 1 所示。 表 1准则层指标权重统计 Table 1The weights statistics in norms 水量安全 w1水质安全 w2 管理安全 w3职业健康安全 w4 0. 37500. 23440. 19530. 1952 2 层次分析法确定指标层权重。采用层次分析 法对所选的 8 个指标进行权重分析。该法主要是将 指标层各元素进行两两比较， 并通过 1 ～ 9 及其倒数 的标度方法， 对各要素的相对重要性进行打分， 得出 阶梯层次结构模型的两两比较判断矩阵。 B1 17 1/ [] 71 ; B2 11/5 [] 51 ; B3 11/3 [] 31 ; B4 11/2 [] 21 各指标层相对于准则层的权重， 如表 2 所示。 3. 2各指标隶属度的确定 根据饮用水水源安全评价指标体系的层次结构 及实际运行状况， 最终确定的各指标隶属度， 如表 3 所示。 3. 3饮用水水源评价等级的确定 1 构建准则层的模糊评判模型。应用模糊综合 111 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 表 2指标体系权重汇总 Table 2The weights statistics in indicator system 目标层 A 准则层 B 准则层权值 w 指标层 指标层权值 w 饮用水水 水量安全 B1 0. 3750开采率 C10. 8752 源安全来供比 C20. 1248 水质安全 B2 0. 2344水质等级 C30. 1673 富营养化 C4 0. 8327 管理安全 B3 0. 1953管理水平 C50. 2500 运行设施 C6 0. 7500 职业安全 B4 0. 1952应急能力 C70. 3333 防护措施 C8 0. 6667 表 3指标层隶属度汇总 Table 3The subordinations statistics in indicator system 指标层 评价等级及隶属度 I 级 II 级 III 级 IV 级 V 级 开采率 C1 0. 00240. 38910. 39830. 14340. 0668 来供比 C2 0. 05410. 19990. 39450. 22180. 1297 水质等级 C3 0. 30850. 35320. 24100. 08750. 0098 富营养化 C4 0. 00100. 40460. 29880. 17350. 1221 管理水平 C5 00. 30000. 60000. 10000 运行设施 C6 00. 25000. 750000 应急能力 C7 00. 30000. 700000 防护措施 C8 00. 60000. 400000 评判法构建准则层各元素的模糊评判模型。由式 7 式 8 ， 将权向量 w 与隶属度矩阵进行模糊运 算， 得出模糊评判模型 B， 准则层水量安全的模糊评 判模型 B1计算过程为 B1 W1 Ｒ1 0. 8752， 0. 1248 0. 00240. 38910. 39830. 14340. 0668 0. 05410. 19990. 39450. 22180. 1297 B1 0. 00890. 36550. 39780. 15320. 0746 同理， 可依次求得水质安全的模糊评判模型 B2、 管理安全的模糊评判模型 B3、 职业健康安全的模糊 评判模型 B4如下 B2 0. 05240. 39600. 28910. 15910. 1033 B3 00. 26250. 71250. 02500 B4 00. 50000. 500000 2 确定各准则层的模糊综合评价指数。综合考 虑准则层水量安全指标对评价结果的影响， 将模糊评 判模型 B1与评价标准向量集 S{ 1， 2， 3， 4， 5} 进行模 糊运算， 确定水量安全的模糊综合指数 FCIB1， 其计算 过程为 FCIB1 B1 S 0. 0089， 0. 3655， 0. 3978， 0. 1532， 0. 0746               1 2 3 4 5 2. 9191 同理， 可依次求得水质安全的模糊综合评价指数 FCIB2、 管理安全的模糊综合评价指数 FCIB3、 职业健 康安全的模糊综合评价指数 FCIB4， 如表 4 所示。 表 4准则层模糊综合评价指数汇总 Table 4The FCI statistics in norm system 安全等级 准则层 水量安全水质安全管理安全职业健康安全 FCI2. 91912. 86462. 76252. 5000 3 确定饮用水水源安全等级。饮用水水源安全 等级划分标准， 如表 5 所示 ［20 ］。 表 5饮用水水源安全等级划分标准 Table 5The division standard in water resource security 安全等级 划分标准及评价等级 非常安全安全基本安全不安全很不安全 FCII 级II 级III 级IV 级V 级 0 ～11 ～22 ～33 ～44 ～5 对饮用水水源安全进行等级划分， 其计算过程 为 FCI B S 0. 3750， 0. 2344， 0. 1953， 0. 1953 2. 9191 2. 8646 2. 7625             2. 5000 2. 7939 该饮用水水源的模糊综合评价指数 FCI 为 2. 7939， 介于 2 ～3 之间， 故安全等级为 III 级， 该饮用 水水源实际运行状况基本安全。 4结论 以饮用水水源实际安全状况为研究对象， 基于科 学合理性、 简明适用性以及客观公正性为原则， 结合 饮用水水源安全评价工作的自身特性， 开展了饮用水 水源安全评价体系构建的相关研究工作， 得出的主要 结论如下 1 构建了综合目标层、 准则层以及指标层三个 层次的饮用水水源安全评价指标体系。 2 建立了“层次分析法与 G1 赋权法耦合进行权 重划分， 模糊综合评价法进行安全等级确定” 的安全 211 环境工程 Environmental Engineering 评价体系。 3 将该评价体系应用于对某饮用水水源的安全 评价通过模糊综合评判对饮用水安全等级进行量化 分析， 该饮用水水源的模糊综合评价指数 FCI 为 2. 7939， 安全等级为 III 级， 实际运行状况基本安全， 评价结果与该饮用水水源的实际运行现状基本一致。 通过上述结果， 表明本研究构建的饮用水水源安 全评价体系可以较为客观真实的反应饮用水水源实 际运行状况， 对于实际饮用水水源安全评价具备一定 的理论参考依据。 参考文献 ［1］王丽红，王启田，王开章． 城市地下水饮用水水源地安全评价 体系研究［J］． 地下水， 2007， 29 6 99- 102. ［2］王启田， 王丽红，郭象赟． 饮用水水源地安全评价体系及方法研 究 ［ J］ ． 山东农业大学学报．自然科学版， 2008， 39 2 273- 277. 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