基于层次分析法(AHP)的小城镇地下水饮水安全评价

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摘要:文章建立了小城镇地下水饮水安全评价的指标体系,提出了层次分析法确定指标体系中各因子权重的具体方法,并应用于典型小城镇石河子市的饮水安全评价。

关键词:地下水;饮水水源;层次分析法;饮水安全评价

中图分类号:X505文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)21-0051-03

地下水具有水质清澈、水温稳定、分布面广、不易污染、取水条件及取水构筑物构造简单、便于施工和运行管理、水质处理工艺较地表水简单、处理构筑物投资和运行费用低等优点,是小城镇饮水工程中广泛采取的水源形式。然而,近年来随着我国小城镇化进程的加快,需水量与日俱增,许多小城镇盲目地增加地下水开采率来应对缺水危机,由此频频引发江河干涸、地下水位下降和水质变差等长期难以解决的生态问题。目前,用于指导小城镇地下水饮水安全的评价体系还很不完善,迫切需要建立一种科学而简易的小城镇地下水饮水安全评价方法来指导小城镇地下水饮水的安全供给和保障,这将为我国众多小城镇饮水安全开发及优化管理决策提供科学参考,对我国小城镇的可持续发展具有很强的现实意义。

1小城镇饮水水安全评价指标体系构建与计算

1.1评价指标体系和安全标准

小城镇地下水饮水安全评价是一个复杂的系统工程,不能简单用一两个指标反映其全部内容。为此,须对小城镇水资源的供需状况和供给结构等进行全面分析,综合评价城市供水安全开发和利用状况。本文根据代表性、独立性、量化原则和系统性等指标选取的原则,充分考虑了城小镇供水特点,选择水质安全状况、水量安全状况和供水管网安全状况3大类共9项指标,体现了整个供水安全系统最根本和最主要的特征和状况。评价指标构成体系见表1。

1.2供水安全评价各指标计算方法

1.2.1水质综合指数C1水质综合指数C1=0.2×(感官性状和一般化学污染物及微生物污染指数)+0.5×有毒污染物指数+0.3×(水质非常规污染物指数),计算结果保留整数。其中:感官性状和一般化学污染物及微生物污染指数、有毒污染物指数和水质非常规污染物指数采用单项指数的几何平均值计算,即:

(1)

式中:I――各单项评价指数的均值;Imax――各单项评价指数的最大值。

确定评价等级:

当0

当1

当2

当3

当4

1.2.2其它指标计算方法

C2:供需比:衡量城市供水能力能否满足社会需要的指标,即:城镇供水能力(含自备水源)与城市最高日需水量之比;

C3:地下水开采率:已开采地下水总水量占开采极限的比例;

C4:地下水水位下降速度:地下水静水位逐年稳定持续下降的平均幅度;

C5:供水管网覆盖率:供水管网的覆盖面积占城市面积的比例;

C6:自来水普及率:城镇用水的非农业人口数(不包括临时人口和流动人口)与城镇非农业人口总数之比;

C7:人均日供水量:城镇日供水能力与城镇非农业人口数的比值;

C8:管网漏失量:管网跑、冒、滴、漏等漏失水量占供水总量的百分比;

C9:节水器具普及率:用水器具中节水型器具量与用水器具总量的比值。

2饮水安全的评价方法

本课题主要应用层次分析法(AHP)对饮水安全性进行评价,AHP法确定因子权重的步骤是:

(1)确立所评价的层次结构模型从上到下为目标层A、对象层B和指标层C。

(2)对B层、C层的要素,分别以各自的上一级层次的要素为准则进行相对重要性的两两比较,此处建立B层的判断矩阵为B={bij|i,j=1～n}n×n,元素bij表示从判断准则A角度考虑要素Bi对要素Bj的相对重要性。同时对应于B层要素Bk的C层的判断矩阵为{ckij|i,j=1～m;k=1～n}mxm。

(3)构成比较判断矩阵:建立递阶层次结构之后,假定上一层次的元素Bk作为准则,且对下一层次的元素C1,C2,C3,Cn有支配关系,针对BK两个元素Ci和Cj哪一个重要,重要程度以数量表示出来。这里取9/9、9/7、9/5、9/3、9/1,含意是9/9表示Ci同Cj一样重要;9/7表示Ci比Cj稍微重要;9/5表示Ci比Cj重要;9/3表示Ci比Cj重要得多;9/1表示Ci比Cj特别重要。9/8、9/6、9/4、9/2为上述相邻判断的中值。反之,Cj比Ci的判断数为Ci比Cj的判断数的倒数。由这些数值作为矩阵中的元素,而构成两两元素比较差别矩阵,其中Cij表示对Bk而言,Ci比Cj相对重要性的程度数值。由此可知:Cii=1,Cij>0,Cij=1/Cji。

(4)层次单排序根据以下方法计算各指标的权重值:

第一步:计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi:

Mi=bij(i=1,2,…,n) (4)

第二步:计算Mi的n次方根:

(i=1,2,…,n) (5)

第三步:权重计算。对向量归一化,即可得到其权重值:

(i=1,2,…,n) (6)

则W=(W1,W2,…Wn)为所求的特征向量;

第四步:计算判断矩阵的最大特征根:,其中(FW)i表示向量BW的第i个元素;

第五步:一致性检验。判断矩阵的偏差一致性指标CI:CI=(λmax-n)/(n-1);

第六步:利用CR=CI/RI进行整个层次的一致性检验,其中RI的值可由表3查出。若CR

表3随机性指标RI值

矩阵阶数n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

RI 0 0 0.58 0.90 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49

得到每一个要素相对于上一层次对应要素的权重值后,通过层次总排序计算出每一个评价指标相对于总目标的权重值,进而可计算各层次所有元素对总目标相对重要性的排序权值。

3饮水安全评价应用

根据以上建立的小城镇地下水饮水安全评价体系,选取以地下水为主要饮水水源的石河子市作为评价区域进行评价,评价过程和结果如下:

3.1确立评价的层次结构模型

根据建立的城镇供水安全评价指标构成体系,建立评价的层次结构模型,模型结构如图1所示:

3.2层次排序各指标的权重值

根据供水安全综合评价层次结构,采用层次分析法(AHP)进行评价,指标层各指标权重排序详见图2指标层各指标的权重条形图。

3.3评价分析

根据建立的评价层次结构模型,进行层次分析计算,由计算结果表4可以看出:对象层中的供水水质安全状况、供水水量安全状况和供水管网安全状况的权重分别为0.3400,0.5072和0.1528,供水水量安全状况权重占到50%以上,突出的反映了石河子市水量严重不足的现状。供水水质安全状况、供水水量安全状况和供水管网安全状况下水质综合指数、供需比、地下水开采率、地下水水位下降速度、供水管网覆盖率、自来水普及率、人均日供水量、管网漏失率及节水器具普及率等九大指标中,权重最高者为人均日供水量,其次为地下水开采率和水质综合指数。评价结果表明:AHP对石河子地下水饮水安全评价指标权重的确定结果基本符合石河子市地区实际,分析的结果与石河子市地区实际情况也基本一致,证明该评价体系是正确的,可操作的,可以为解决石河子市地区供水安全评价中分配各个评价因子的权重提供行之有效的技术方法,同时为供水安全综合评价和推广提供一种有效的判断依据。根据指标体系中各指标的相对权重及排序结果,适当调整人均日供水量、地下水开采率和水质状况,是石河子地区提高供水安全的重中之重。

4总结与展望

构建科学的小城镇地下水饮水安全评价体系对于以地下水尤其是恶劣地下水为水源的小城镇地区的饮水安全有十分重要的指导意义。本文基于AHP建立的饮水安全评价方法用定量化指标更客观、合理和全面的表达饮水安全状况,所建立的评价指标标准具有通用性,所建立的评价方法计算简单,操作性好,通过计算机编程可大大减少判断和计算工作量,有较好的推广价值。

作为一个探索性的课题,本文在饮水安全评价方面作了初步的研究。但由于饮水安全是一个庞大的概念,围绕饮水安全的很多研究和工作,如深化饮水安全概念体系、指标体系和评价方法的选取、建立有效的饮水安全保障体系等尚需要进一步的改进和完善。另一方面,随着概念、方法、思路的继承和创新、多学科的交叉研究,饮水安全的内涵将越来越明晰,将得到不断的丰富和扩展,最终为解决饮水安全问题提供有效的思路。

参考文献

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作者简介:刘生宝(1981-),男,甘肃金塔人,石河子大学水利建筑工程学院给水排水工程系讲师,硕士,研究方向:给水排水工程。