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华北农村地区水环境评价指标体系与评价方法.pdf

  • 上传人:first2
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  • 上传时间:2021-09-08
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    华北 农村 地区 水环境 评价 指标体系 方法
    资源描述:
    水生态 海河水利2 0 1 6 N o 4 D O I :1 0 3 9 6 9 6 i s s n 1 0 0 4 7 3 2 8 2 0 1 6 0 4 0 0 4 华北农村地区水环境评价指标体系与评价方法 耿直1 ,武中强2 ,王佰梅3 ,王小军4 ( 1 水利部水资源管理中心,北京1 0 0 0 5 3 ;2 沦州市水利科学研究所,河北沧州0 6 1 0 0 0 ; 3 海河流域水资源保护局,天津3 0 0 1 7 0 ,4 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程国家重点实验室, 江苏南京2 1 0 0 2 9 ) 摘要:华北农村地区水环境的安全问题正严重地危害着广大农村居民的身心健康,极大制约了农民生活质量的 改善和农村经济社会的发展。针对目前国家对实施最严格水资源管理制度工作的高度重视以及农村地区在水 环境安全评价方面的不足,进行农村地区水环境安全评价指标体系以及评价方法的研究,对开展华北地区农村 水环境保护、防治农村水污染、保障农村居民身心健康具有重要意义,同时还是分析和控制农村各种污染、改善 生态环境的必要手段。 关键词:农村;水环境;评价指标体系;评价方法;华北 中图分类号:X 8 2 1文献标识码:A 文章编号:1 0 0 4 7 3 2 8 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 0 1 4 0 4 1 概述 我国水环境评价起步于2 0 世纪后半叶,主要以 水质评价为主要内容。随着水环境研究工作的深人 开展,国内专家学者开始探讨一些水质评价方法。 1 9 7 4 年,我国提出了第一个综合表示水质污染情况 的综合污染指数法。进入8 0 年代后,计算机技术的 快速发展使现代数学理论应用于水环境评价,复杂 的数理统计方法得以实现。近年来,模糊数学、随机 模型、灰色系统和人工智能等理论方法与计算机技 术相结合应用于水环境评价研究较多。许多学者开 始研究层次分析法、模糊综合指数法、灰色聚类法、 人工神经网络法、物元分析法等综合评价方法,并进 行了大量水质评价方法的科学合理性分析和比对论 证。目前,水环境评价方法一般是结合特定区域进 行2 种或数种水质评价方法的比较研究,具有全面 性、通用性借鉴意义的研究较为少见。 2 农村水环境定义 曾畅云等( 2 0 0 4 ) 将水环境安全定义为:水体保 持足够的水量、安全的水质条件以维护其正常的生 收稿日期:2 0 1 6 - _ 0 4 - _ 0 2 作者简介:耿直( 1 9 8 3 一) ,男,工程师,主要从事水资源管理与保护 工作。 态系统和生态功能,保障水中生物的有效生存,周围 环境处于良好状态,使水环境系统功能可持续正常 发挥,同时能较大限度地满足人类生产和生活需要, 使人类自身和人类群际关系处于不受威胁的状态。 此定义基本涵盖了农村水环境的全部组成因素,从 水量、水质、水安全、水资源条件和开发利用等方面 给出了明确的定义,具有较好的代表| 生,也是本文所 使用的农村水环境安全的定义。 3 华北农村地区水环境安全评价指标体系 根据华北农村地区的水资源条件和特点,结合 调研的实际情况,将华北地区农村水环境安全评价 指标体系归结为5 个大的方面,它们分别反映了华 北农村地区水环境的水质安全状况( 包括点源污染 防治和面源污染防治状况) 、水量安全状况、生态环 境安全状况、社会安全状况和与其息息相关的生产 力水平,详见表1 。 3 1 指标体系检验 ( 1 ) 评价指标的标准化处理。由于评价指标的 量纲不同,需要先进行无量纲化处理,以减少评价指 标不同量纲对分析结果的影响。标准化计算公式为: 妊= 等 ( 1 ) 万方数据 耿直,武中强,王佰梅,等:华北农村地区水环境评价指标体系与评价方法1 5 表1 华北农村地区水环境安全评价指标体系 式中:置为样本观察值;夏为样本均值;& 为样本 标准差。 ( 2 ) 计算相似评价指标间的相关系数,。相关 系数,计算公式为: :C 置一朋( K y ) ,嘁一面2 僻一而2 ” 式中:x 、为指标样本观察值;j 、罗为指标样本 均值。 ( 3 ) 选取临界值M ( 0 M M ,说明两指 标紧密相关,应根据实际情况删除次要指标;如果 , M ,说明两指标问相关性较小,则2 个指标均保留。 在农村水环境和水源地安全评价中,通常选0 9 作为临界值M 。通过计算,农村水环境评价指标体 系中所选指标的相关性较小,不需要删减。 3 2 指标权重确定 ( 1 ) 构造判断矩阵。判断矩阵是表示本层所有 因素针对上一层某个因素的相对重要性的比较。假 设某一评价目标秽,其有n 个影响要素( 指标) 为l A 。, A :,A 。l 舳;表示A 。相对于A ,的重要程度判断值。 为使矩阵中各要素的重要性能够进行定量显示,引 进了矩阵判断标度,见表2 。 如,对于要比较的因子而言,认为一样重要就是 1 :1 ,强烈重要就是9 :1 ,也可以取中间数值6 :1 等 表2 判断矩阵标度含义 标度含义( 两个因素相比) 一个因素和另一个因素同样重要 一个因素比另一个因素稍微重要 一个因素比另一个因素比较重要 一个因素比另一个因素十分重要 一个因素比另一个因素绝对重要 上述相邻判断的中间值 等。若指标A ,与指标A j 的重要性之比为,那么指 标A ,与指标A i 的重要性之比为郇= l a 。对指标进行 两两比较,即可得到判断矩阵彳。 f ,口1 1 口1 n 、 A = l ; ;I ( 3 ) L 口。1 口。JL 口 1 口M J ( 2 ) 层次单排序。层次单排序的目的是对于上 层次中的某元素而言,确定本层次与之有联系的元 素重要性的次序。它是本层次所有元素对上一层次 而言的重要性排序的基础。 首先,将A 的每一列向量进行归一化处理,得 到矩阵Q ,其计算公式为: 口打 的5 瓦 ( 4 ) ,、 fg l l g u1 Q = ;l ( 5 ) , q i l 。q i j ) 其次,对矩阵Q 按行求和得向量a ,其计算公 式为: f X i = g g ( 6 ) 再次,对向量仅进行归一化处理,得到权重向量 肚( 埘。,埘:,W 。) 7 ,其计算公式为: 毗2 瓦 式中:W i 为彳,指标的权重值。 最后,计算最大特征值,其计算公式为: A 一= 吉喜等 ( 8 ) ( 3 ) 一致性检验。由于客观事物的复杂性,会使 人们的判断带有主观性和片面性,因此判断矩阵一 般不可能满足完全一致条件。为了检验一致性如 何,需要计算判断矩阵的一致性指标a 。其计算 公式为: 86 3 5 7 9 乱2 万方数据 1 6 海河水利 2 0 1 6 年8 月 C I = A m a x - - _ n 一 ( 9 ) r t l a = 0 时,判断矩阵具有完全一致性;反之,c ,越 大,判断矩阵的一致性越差。为了检验判断矩阵是 否具有令人满意的一致性,则需要将a 与平均随 机一致性指标脚进行比较。一般而言,1 或2 阶判 断矩阵总是具有完全一致性的。对于2 阶以上的判 断矩阵,其一致性指标a 与同阶的平均随机一致 性指标肼之比,称为判断矩阵的随机一致性比例, 记为C R 。其计算公式为: ,1 , C R = 箐( 1 0 ) 刖 当C 尺 0 1 0 时,认为判断矩阵具有满意的一致 性,否则就需要重新调整矩阵,直到C R :形( G ) E 瞩) ( 1 1 ) 两 式中:岛为准则层安全度;心) 为指标层第i 个指 标的权重;E ( C 。) 为指标层第i 个指标的子安全度值; m 为指标数目。 4 2 准则层安全度计算 准则层安全度是采用各准则层元素安全度值与 相应权重相乘后进行加权计算而得的。其模型公式 如下: 1 1 E A = :i ) E ( B ,)( 1 2 ) 百 式中:易为农村水环境安全度;W ( B r ) 为准则层第i 个元素的权重;E ( B ,) 为准则层第i 个元素的安全度 值;凡为准则层个数。 4 。3 评价指标子安全度计算 采用数学模型计算各指标子安全度及目标安全 度。根据实际情况定义子安全度介于0 1 ,即不管 是越大越好的指标还是越小越好的指标,其所对应 的子安全度均在0 1 ,且为单调函数。每个指标都 存在1 个最差值和1 个最优值。取最差值或比最差 值小的指标对应的子安全度为0 ,取最优值或比最 优值高的指标对应的子安全度为l 。同时,根据实 际情况确定各指标对准则层安全度的贡献大小,即 各指标分别占有不同的权重。符合要求的数学模型 函数有对数函数、指数小于1 的幂函数等。根据区 域特点选取对数函数作为指标无量纲化的函数模 型,其计算模型公式为: y = a + b l g x( 1 3 ) 式中:a 和b 为拟合系数。 根据式( 6 ) 和实际数据,计算出华北农村地区水 环境安全评价指标体系指标标准值,见表5 。 根据标准化公式及表5 标准值,计算出华北农 村地区水环境安全评价指标的子安全度计算函数, 见表6 。 5 结论 经过对已有评价方法的比较研究,采用层次分 析法定权的综合指数法来对华北地区农村水环境进 行评价研究是适合的。通过该方法对河北省农村地 区进行了区域性的水环境安全评价,结果表明,水环 境评价结果与实际情况基本相符,指标体系可以较 全面地反映华北地区农村水环境的现实状况。在 对各影响水环境因素的分析研究中,层次分析法的 赋权和计算均合理可行,证明该评价方法适用于华 北地区农村水环境的安全评价工作,可以作为一种 万方数据 2 0 1 6 N o 4 耿直,武中强,王佰梅,等:华北农村地区水环境评价指标体系与评价方法1 7 地表水质达标率70【7 0 ,1 0 0 ) 1 0 0 乡镇企业废水排放达标率80f 8 0 ,1 0 0 ) 1 0 0 水质单位耕地面积化肥使用量k g h m 2 3 9 0( 2 2 5 ,3 9 0 ) 4 2 2 5 安全 畜禽粪便无害化处理率 30 0 0 ( 15 0 0 ,30 0 0 】 l5 0 0 生活污水处理率 4 5 0 ( 1 0 0 ,4 5 0 】 1 0 0 生产力农田灌溉亩均用水量 m 9 8 0 0 【1 7 5 ,8 0 0 ) 1 7 5 水平 有效灌溉面积比例40【4 0 ,1 0 0 ) 1 0 0 塑生适旦查量型三塑【箜:! ! Q 2三! 垫 表6 华北农村地区水环境安全评价指标子安全度计算函数 实用的评侩方法在该地区进行应用。同时,该方法 的应用也可为华北地区农村水环境的改善提供技术 支持。 参考文献 1 】黄森慰,苏时鹏,连文,等农村水环境问题原因的理论探 析 J 水资源研究,2 0 1l ( 3 ) :1 8 2 0 【2 刘金德,于瀛瀛黑龙江省农村水环境存在的问题及保护 对策【J 黑龙江环境通报,2 0 0 9 ( 3 3 ) :6 5 6 6 【3 】汪绍盛,杨树生,杨世鹏,等加强天津市农村水环境治理 措施的研究【J 】海河水利,2 0 0 9 ( 4 ) :4 7 4 9 【4 】刘成果我国农村水污染成因及防治对策【J 】环境保护, 2 0 0 7 ( 1 0 ) :3 6 3 8 【5 于鲁冀,王莉,赵晴农村水环境质量评价指标体系研究 以许昌县河街乡为例【J 】安徽农业科学,2 0 0 7 ( 3 5 ) :7 2 7 4 ( 6 韩国才,澈丽木格模糊数学法在水环境质量评价中的应 用以滦河迁安段为例 J 南水北调与水利科技,2 0 0 8 ( 5 ) :1 0 1 1 0 4 万方数据
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