矿井水是煤矿生产的主要污染排放之一, 我国的矿井水大多未经处理就直接排放, 污染了附近的土壤、植被和水体。在煤矿开采过程中产生的煤矸石、粉煤灰等常为露天堆放, 也对地表水体造成污染。矿区地下水环境质量评价是煤矿建设与生产的重要内容, 对矿区地下水环境的客观评价, 能够为合理规划与利用地下水环境提供依据, 具有重要的实践意义。
环境影响评价是对环境素质优劣的定量及定性描述, 其核心是评价模型的建立与对评价方法的选择与运行。目前, 用于地下水质量评价的理论方法有专家评价法、概率统计、模糊数学、人工神经网络、灰色方法等[1,2]。本文研究了评价指标权重的赋权方法, 应用多属性模糊评价法对矿区地下水环境质量进行评价, 并通过实例进行了评价结果的合理性。
1 矿区地下水环境影响评价研究方法
1.1 熵权法原理
熵是系统状态不确定性的一种度量, 可以用来反映数据中有效信息量。某项指标的值变异度越大, 信息熵越小, 则该指标提供的信息量越大, 其对应的权重也越大[3]。因此应用熵确定指标权重, 可以尽量消除在设置指标权重时的主观因素, 从而获得更客观的评价结果。
对一系统的m种状态, 每种状态出现的概率为p1 (i=1, 2, …, m) 时, 系统的熵定义为:
对有m个评价对象, n个评价指标的问题, 有初始评价矩阵:
将评价矩阵归一化处理, 得归一化判断矩阵R:R= (rij) m×n
对于指标j的熵:
则指标j的客观权重由下式计算
1.2 评价指标权重的确定
水质量评价中, 各评价指标对水质量的影响是不同的, 对环境的综合污染不是各污染因素的简单相加, 即必须在评价中对各种污染指标设置合适的指标权重, 反映了地下水中物理化学成份或污染物等评价指标在地下水水质评价中相对重要程度。指标权重的确定是直接影响评价结果的重要因素之一, 涉及到生物化学特性、多种指标间的相关性分析等, 需要生理学、环境学、水文地质学等多学科共同参与[4]。确定指标权重的方法一般包括首尾比率法、聚类权法等客观赋权法和专家打分、经验近似计算法等主观赋权法。主观赋权法主要是在实验的基础上, 通过专家经验对各种污染因素的影响效果进行分析评价, 不能适用于水环境发生较大变化的情况;客观赋权法如超标法和聚类法, 其评价结果比较客观, 目前应用较多。但也有部分计算不太合理, 导致评价结果与实际有较大出入。有学者提出在聚类权法的基础上进行主观赋值的修正, 其理由是不同的污染物对人体健康影响的程度不同。但本文认为, 国家地下水标准的制定也是考虑了这一因素的。首尾法、聚类权法等客观赋值法在计算指标权重时均是基于地下水质量标准的数值进行的, 对其计算结果人为的进行赋权修正没有必要。综合了以上因素, 本方采用基于熵的赋权法对评价指标确定权重。
1.3 模糊评价矩阵的确定
对评价对象选取k个主要污染物作为评价指标, 确定各评价指标对应水质量等级的隶属函数和隶属度同。根据地下水质量标准, 采用中值法确定各评价因子对应5种水质级别的隶属函数如下。
属于等级1的隶属程度由下式确定:
属于等级2, 3, 4的隶属程度由下式确定:
属于等级5的隶属程度由下式确定:
其中x为采样点某评价因子测试浓度值, Si (i=1, …, 5) 为对应地下水国家标准I-V类的标准值。
根据上术模糊关系表达式, 计算得评价对象的k个评价因子隶属度, 可得模糊关系矩阵为R5×k。
1.4 模糊综合评价
确定了评价因子模糊关系矩阵和指标权重矩阵, 进行矩阵积运算, 即可得到评价对象属于各水质等级的判别矩阵B:
其中Bi反映了评价对象隶属与水质等级的程度, 最大值对应的等级即为该评价对象的评价结论。
2 实例分析
本文以安徽省淮南地区的某矿区16个浅层地下水水质样本为例, 采用上述模糊评价法做水环境综合评价, 并与其它2种指标赋权方法进行比较。评价标准采用国家地下水质量标准GB/T 14848-93。对水样本进行水质分析, 根据该地区矿井水特征选取其中8种主要污染因子为评价指标。8种污染物分别为总硬度、溶解性总固体 (TDS) 、硝酸盐 (N0-2) 、亚硝酸盐 (N0-2) 、氨氮 (NH4) 、铁盐 (Fe2+) 、氯化物 (CI-) 、氟化物 (F-) , 其中总硬度和溶解性总固体为综合性指标。表1是16个样本中6个样本的实测水质数据, 表2为国家地下水分级标准。
运用多属性模糊综合评价法, 分别应用熵权法、聚类权法、修正聚类权法确定指标权重, 用实际评级进行验证。评价结果见表3所示。
经分析比较认为:在水质级别分类和污染程度排序上, 除修正的聚类权法有所不同外, 熵权法、聚类权法与实际评级基本一致, 说明了基于熵权法的模糊综合评价法在矿区地下水环境评价中的有效性。
3 结语
利用实测数据与国家地下水分级标准数值中的信息, 采用熵权法确定评价指标权重, 具有充分的理论依据, 可避免人为主观因素在评价过程中的干扰。通过实例运行的评价结果证明了该评价方法的有效性与可行性。
摘要：对于矿井水环境综合评价中存在的问题, 运用系统分析的思想, 采用理论分析和实验的方法, 将熵权法方法用于矿区水环境质量评价的指标权重确定中, 并通过模糊数学模型对矿区地下水样本进行综合评价。通过实例计算表明, 该评价方法在矿区地下水环境质量评价中是合理的。
关键词：模糊评价,熵,地下水,环境质量评价
参考文献
[1] 桂和荣.工业城市浅层地下水资源研究[M].北京:煤炭工业出版社, 2001.
[2] 邱宛华.管理决策与应用熵学[M.]北京:机械工业出版社, 2002.
[3] 邹志红, 孙靖南, 任广平.模糊评价因子的熵权法赋权及其在水质评价中的应用[J].环境科学学报, 2005, 25 (4) :552～556.
[4] 吴东杰, 王金生, 丁爱中.地下水质量评价中两种确定指标权重方法的比较[J].工程勘察, 2006, 7:17～22.