改進(jìn)的TOPSIS模型在污水灌溉安全性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

1、第27卷第8期長(zhǎng) 江 科 學(xué) 院 院 報(bào)V o.l 27 N o .82010年8月Journal of Yangtze R i ver Scientific Research I nstituteAug .2010收稿日期:2009 11 20基金項(xiàng)目:水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200801015作者簡(jiǎn)介:朱明潤(rùn)(1985 ,男,河南鄭州人,碩士研究生,主要從事水資源環(huán)境方面的研究,(電話151*(電子信箱q i ao .yezi 163.co m 。文章編號(hào):1001-5485(201008-0025-04改進(jìn)的TOPSI S 模型在污水灌溉安全性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用朱明潤(rùn),喬明葉,梁士奎

2、,王學(xué)超(華北水利水電學(xué)院,鄭州 450011摘要:選擇開封市惠濟(jì)河水作為污灌引水點(diǎn)的樣本水體,采用標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)灌溉水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析?？紤]到TOPS IS 法在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)的不足之處,提出了運(yùn)用垂直距離代替歐氏距離進(jìn)行評(píng)價(jià),通過建立改進(jìn)的TO PSIS 模型,對(duì)污水灌溉安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究。結(jié)果表明,開封市惠濟(jì)河水質(zhì)低于國(guó)家灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),直接用來灌溉或進(jìn)行其他用途是不安全的,且重金屬污染較嚴(yán)重。研究成果為水體的科學(xué)管理和污染防治提供決策依據(jù),在水資源可持續(xù)開發(fā)利用中具有重要意義。關(guān) 鍵 詞:改進(jìn)的TOPS IS 模型;污水灌溉;安全性評(píng)價(jià)中圖分類號(hào):TV93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A隨著工業(yè)的發(fā)展和城市

3、人口的增加,污水的排放量逐年增多,全國(guó)目前已有381個(gè)大中城市面臨水污染問題。處理和利用污水,使之轉(zhuǎn)害為利,對(duì)減輕環(huán)境污染和緩解水資源不足具有十分重要的意義。污水灌溉利用工業(yè)廢水和生活污水灌溉農(nóng)田,將廢水開辟為第二水源,實(shí)現(xiàn)了污水的資源化。污水灌溉安全性評(píng)價(jià)是在綜合分析水體功能和水質(zhì)影響因素的基礎(chǔ)上,通過建立適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)模型將不同時(shí)段的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,判斷研究時(shí)段水質(zhì)的安全等級(jí)1。通過安全性評(píng)價(jià),可以了解水質(zhì)變化的趨勢(shì)和水體的主要污染源,為水體的科學(xué)管理和污染防治提供決策依據(jù),在水資源可持續(xù)開發(fā)利用中具有重要意義。1 TOPSIS 模型1.1 傳統(tǒng)的TOPSI S 模型TO

4、PS I S 法(Techn i q ue for Order Pre ference by S i m ilarity to an Ideal So l u ti o n 是HWANG C L 和YOON K 于1981年首次提出,該方法以其概念清晰、方法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小的特點(diǎn),近年來被廣泛用于污染治理方案優(yōu)選、環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)2等工作中,取得了較為滿意的結(jié)果。其建模步驟如下:(1設(shè)某一決策問題,其決策矩陣為A 。由A 可以構(gòu)成規(guī)化決策矩陣Z ,其元素為z ij ,且有z ij =f ij /mj=1f 2ij ,i =1, ,n 。(1上式中f ij 由決策矩陣A 給出:A =f 11f 1

5、2 f 1m f 21f 22 f 2m f n 1f n 2f n m。(2(2構(gòu)造規(guī)范化的加權(quán)決策矩陣Z ,其元素z ij =w j z ij 。(3 其中i =1, ,n;j =1, ,m;w j 為第j 個(gè)目標(biāo)的權(quán)3。(3確定正理想解和負(fù)理想解。從每個(gè)指標(biāo)中找出最大值構(gòu)成正理想解,從每個(gè)指標(biāo)中找出最小值構(gòu)成負(fù)理想解4Z +=z +1,z +2, ,z +m ; Z -=z -1,z -2, ,z -m 。(4其中z +j=m ax z 1j ,z 2j , ,z nj 與z -j=m i n z 1j ,z 2j , ,z nj 分別為矩陣A 中的第j 列的最大值和最小值,j =1,2

6、, m 。(4采用歐式距離計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解和負(fù)理想解間的距離,其中:S+i=mj=1(z ij-z +j 2,(5為各評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解的距離;S-i=mj=1(zij-z -j 2,(6為各評(píng)價(jià)對(duì)象與負(fù)理想解的距離。(5依接近程度對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序。長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào) 2010年TOPS I S 指數(shù)C i +是衡量各評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解的相對(duì)接近程度:C i+=S -iS -i +S +i,i =1,2, ,n 。(7C i +在0與1之間,越接近1,表示該評(píng)價(jià)對(duì)象越接近最優(yōu)水平,按C i +的大小排序,C i +越大,排序的位置越靠前,表明綜合結(jié)果越好5。1.2 改進(jìn)的的TOPSIS

7、模型傳統(tǒng)TOPSIS 法以距正理想解與負(fù)理想解的歐氏距離為基礎(chǔ)來判斷方案與正理想解的貼近度,但可能出現(xiàn)與正理想解歐式距離小的方案與負(fù)理想解的歐式距離也小的問題,因此,按歐氏距離對(duì)方案進(jìn)行決策的結(jié)果有時(shí)并不能完全反映出各方案的優(yōu)劣性6。!垂直距離是指在正理想解與負(fù)理想解之間,分別過這兩點(diǎn)作以正理想解與負(fù)理想解連線為法向量的平面間的距離,這樣就可以解決歐氏距離存在的問題,因此可以用!垂直距離來代替歐氏距離。以三維空間為例,如圖1所示,A,B 分別為有限決策方案中的正理想解和負(fù)理想解。兩點(diǎn)X,Y 的!垂直距離可描述為:經(jīng)過X 點(diǎn)以直線AB 為法向量的平面與經(jīng)過Y 點(diǎn)以直線AB 為法向量的平面之間的距

8、離,即平行平面X 1X 2X 3X 4與Y 1Y 2Y 3Y 4的距離7。 圖1 垂直距離示意圖F i g .1 Sche m atic diagra m of the ver tical d istance設(shè)P,Q,X,Y 所對(duì)應(yīng)的向量分別為p,q ,x,y,則X,Y 的!垂直距離為|(p -q *(x -y |/#p -q #。(8其中:*為內(nèi)積,|為絕對(duì)值,#為范數(shù)。為簡(jiǎn)化計(jì)算,可以將坐標(biāo)原點(diǎn)平移到正理想點(diǎn),則正理想解變?yōu)?0,0, 0,計(jì)算平移后加權(quán)決策矩陣T =(t ij n m,t ij =r ij -Z +,i =1,2, n;j =1,2, m,則負(fù)理想解S j -=t k j

9、 ,且t kj 滿足|t kj |%|t ij |,1&k &n,i =1,2, n;j =1,2, m 。計(jì)算各方案與理想解的!垂直距離d i ,由于正理想解與負(fù)理想解之間的范數(shù)對(duì)各方案來說為常數(shù),故只需計(jì)算|(p -q *(x -y |8,所以:d i =|S j -*T i |=mjSj-t ij ,i =1,2, ,n 。(92 污水灌溉安全性評(píng)價(jià)本文選擇開封市惠濟(jì)河水作為污灌引水點(diǎn)的樣本水體,采用標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)灌溉水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。2.1 采樣區(qū)概況開封市地處淮河流域渦河水系上游,污灌面積31.94萬hm 2,占全市灌溉面積的88%,是典型的以種植旱作物為主的農(nóng)業(yè)大市,惠

10、濟(jì)河是開封市轄區(qū)內(nèi)污染較嚴(yán)重的河流,年均接納工業(yè)廢水2233萬m 3,惠濟(jì)河兩側(cè)污水灌溉歷史約有40年。污水灌溉實(shí)驗(yàn)在河南省開封市興隆鄉(xiāng)太平崗大隊(duì)污灌區(qū)進(jìn)行。采樣區(qū)地理位置處于北緯34.78度,東經(jīng)114.51度,海拔高程68.05m,多年平均地下水埋深3.40m 。污灌區(qū)冬春季多風(fēng)少雨,氣候干燥;蒸發(fā)量1225.41316mm,全年中3-8月為相對(duì)集中蒸發(fā)期,蒸發(fā)量占年蒸發(fā)量的69%,年平均日照時(shí)數(shù)為2267.6h 。自然條件在河南省平原地區(qū)具有一定的代表性。灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析由河南省科學(xué)院化工實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)完成。2.2 灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)灌溉水質(zhì)(6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析9,采樣區(qū)引水點(diǎn)

11、惠濟(jì)河水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。表1 樣本污水成分表(2004T ab le 1 Co m position of sewage sa m p l esin 2004m g /L采樣時(shí)間COD 總氮總磷汞砷鉛3月25日21582.02.540.00030.120.0124月15日61169.41.430.00030.110.0154月28日18475.92.710.00030.230.0155月20日34561.84.190.00030.130.3002.3 灌溉水質(zhì)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB5084-2005作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)10,該標(biāo)準(zhǔn)適用于水作、旱作和蔬菜等灌溉用水。根據(jù)本采樣區(qū)

12、的資料,開封市主要以種植旱作物為主,旱作農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表2。表2 旱作灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)T ab le 2 W ater quality standard s of dryirrigationm g /L COD總氮總磷汞砷鉛26第8期朱明潤(rùn)等 改進(jìn)的TOPS IS 模型在污水灌溉安全性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用2.4 污水灌溉安全性評(píng)價(jià)結(jié)果要建立TOPSI S 模型,首先對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行無量綱處理,由于監(jiān)測(cè)指標(biāo)值越大,水質(zhì)越差,也就是說越小越優(yōu)11。這些指標(biāo)統(tǒng)一按照下式進(jìn)行處理:r ij =r m in (ijr ij+。(10灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值和監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)指標(biāo)值經(jīng)以上處理后得到TOPSI S 模型中

13、的決策矩陣A :A =0.613310.1430.310.120.85580.36590.563010.833310.30110.4323110.90910.810.39530.527710.43480.80.53330.48540.341310.76920.04由標(biāo)準(zhǔn)制來確定權(quán)重w j ,計(jì)算公式為 (k=+(k nk=1+(k, +(k =c(k s(k 。(11 其中c(k 為待評(píng)價(jià)水體的第k 項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度平均值,s(k 為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中第k 項(xiàng)指標(biāo)的各級(jí)濃度平均值。通過計(jì)算得權(quán)重向量w T=(0.1753 0.3741 0.0422 0.04660.2290 0.1328由式(3得加權(quán)

14、后的規(guī)范化矩陣:Z =0.06820.28580.00460.00690.12600.01050.09520.10460.01800.02300.10500.08760.03350.12360.03210.02300.11460.07010.11120.11300.01690.02300.05480.07010.05930.13880.01090.02300.09690.0035改進(jìn)后的TOPSI S 模型將坐標(biāo)原點(diǎn)移至正理想解處,故需對(duì)構(gòu)成的加權(quán)決策矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換,變換后矩陣T 為:T =-0.04300.0000-0.0275-0.01610.0000-0.0771-0.0160-0.1

15、812-0.01410.0000-0.02100.0000-0.0777-0.1622-0.00000.0000-0.0114-0.01750.0000-0.1728-0.01520.0000-0.0712-0.0175-0.0519-0.1470-0.02120.0000-0.0291-0.0841坐標(biāo)變換后的正理想解Z +=(000000,負(fù)理想解Z-=(-0.0777-0.1812-0.0275-0.0161-0.0712-0.0841,根據(jù)式(8計(jì)算各方案與理想解的!垂直距離d i =(0.0108,0.0360,0.0377,0.0383,0.0404,根據(jù)計(jì)算得出的與離理想解的!垂

16、直距離從小到大排序依次為:國(guó)家灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、3月25日、4月15日、4月28日、5月20日的數(shù)據(jù)。3 結(jié) 論(1開封市惠濟(jì)河水質(zhì)低于國(guó)家灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),直接用來灌溉或進(jìn)行其他用途是不安全的。(2作物生長(zhǎng)需要氮肥,但過多的氮素又會(huì)嚴(yán)重污染水體,這就要求對(duì)富氮污水農(nóng)業(yè)回用時(shí)單獨(dú)進(jìn)行處理?；瘜W(xué)需氧量和總氮超標(biāo)的污水,通常是生活污水。生活污水處理宜采用強(qiáng)化一級(jí)處理,達(dá)到灌溉水質(zhì)要求后才能灌溉農(nóng)田12。(3污水水體含有大量的汞、砷、鉛等重金屬,重金屬污染具有隱蔽性、長(zhǎng)期性、不能被降解、易積累、毒性大等特點(diǎn),建議污灌區(qū)進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,采取以各種經(jīng)濟(jì)型作物、木本植物為主體的生態(tài)工程措施來治理和改造重金屬污染

17、土壤,切斷有毒有害物質(zhì)進(jìn)入人體和家畜的食物鏈,避免了污染物的二次污染。(4利用!垂直距離代替歐式距離消除了傳統(tǒng)TOPSIS 方法的不足,避免距理想解近的方案與負(fù)理想解也近的問題,提高了傳統(tǒng)的TOPS I S 方法的科學(xué)性和合理性,且模型計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。參考文獻(xiàn):1 周振民.污水資源化與污水灌溉技術(shù)研究M .鄭州:黃河水利出版社,2006:146-170.(Z HOU Zhen m i n .R esearch of W aste w ater R euse and Sewage Irri ga ti on T echno logy M .Zheng z hou :Y ell ow R iver

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26、(編輯:曾小漢I mproved TOPSISM odel and Its Applicati on i n SafetyAssess m ent of Se wage IrrigationZ HU M i n g r un,Q I A O M ing ye,LI A NG Shi ku,i WANG Xue chao(North Ch i n a Un i v ersity ofW ater Conservancy And E lectric Po w er,Zheng zhou 450011,Ch i n aAbst ract:F irs,t the w ater ofH uijiR iv

27、er i n K aifeng C ity w as chosen as sa m ple w ater body o f t h e se w age irrigation, and w ater qua lity m on itoring and analysi s w ere conducted using standard m ethods.Consi d eri n g t h e shortco m ings o f TOPS I S m ethod to be used i n carrying out a co m prehensive assess m en,t w e pu t for w ard to m ake use o f the vertica l distance instead of Eucli d ean distance.Through the estab lish m ent o f i m pr oved TOPSIS m ode,l the safety assess m ent o f se w age irri g ati o n w as con