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摘要基于层次分析法（AHP）建立了阿克苏市地下水环境质量评价模型，以阿克苏市16个水位监测井的水样数据为基础，对地下水环境质量的评价结果表明，水样中达Ⅲ类水质标准的占81.25%，其中优良和良好的水质占43.75%，而极差和较差的水质有18.75%。通过与F值评分法结果对比发现，层次分析法由于采用了变化的权重对评价因子进行处理，同时综合考虑了全部评价因子对水质的贡献与因子间的相互联系，因而能更全面有效地利用水样的监测数据，使评价结果比较符合实际的水质状况，为使评价结果更科学客观地反映出水体的实际情况，应根据实际的监测数据与评价目的合理地选择评价方法。
关键词地下水；水质；层次分析法；F值评分法
中图分类号X824文献标识码A
文章编号0517-6611（2019）08-0080-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.08.021
AbstractBased on the analytic hierarchy process （AHP），the groundwater environmental quality evaluation model of Aksu City was established.Based on the data of 16 water level monitoring wells in Aksu City，the groundwater environmental quality evaluation results showed that 81.25% of the groundwater samples reached Class III water quality standard，among which 43.75% were good.And poor water quality was 18.75%. By comparing with the results of Fvalue scoring method，it was found that the AHP can make more comprehensive and effective use of the monitoring data of water samples and make the evaluation results more realistic because it adopted variable weights to deal with the evaluation factors and took into account the contribution of all the evaluation factors to water quality and the relationship between the factors.In order to reflect the actual situation of water body more scientifically and objectively，the evaluation method should be selected reasonably according to the actual monitoring data and the purpose of evaluation.
Key wordsGroundwater；Water quality；Analytic hierarchy process；F score method
地下水作为水循环系统中的重要构成成分，通常是水质较好、水源稳定的供水水源[1]，因此地下水的合理开发与利用是灌溉水资源的重要来源，更是现代农业可持续发展的重要保障，而水资源可持续开发利用的前提是水环境质量的定量化客观评价，这也是环境管理与决策的依据。目前，在水环境质量的综合评价中应用较多的主要有单因子评价法[2]、F值评价法[3]、层次分析法[4]、模糊综合评价法[5]、灰色关联评价法[6]和人工神经网络法[7]及综合污染标识指数法[8]等。其中，层次分析法，简称AHP法，该方法的特点是通过把问题进行层次化分解，首先将问题分解成若干子系统，按目标层、准则层和方案层建立一个层次结构模型，然后通过判断矩阵的建立与一致性检验得到各层的权重，再根据权重值确定最终排序，该方法与其他评价方法相比具有较好的逻辑性、系统性和准确性[4，9-10]。笔者采用层次分析法对阿克苏市16個观测井的地下水水质进行评价，并通过与普遍采用的F 值评分法评价结果进行对比，分析不同方法的优缺点，以期为该市地下水资源合理开发与利用提供参考。
1层次分析法
层次分析法是一种层次化与系统化相结合的多目标决策分析方法，该方法基本思路为先按评价目的和问题的性质将各因素分解成阶梯状层次结构，对各层不同因素进行两两比较，构造出判断矩阵和一致性检验，再计算各层元素对目标的合成权重，最后进行总排序，确定最下层中的各元素在总目标中的重要程度[11]。
1.1构建层次结构模型将地下水水质作为层次分析的目标层（A），将水质类别（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类）作为准则层（Bi），将水样监测指标pH、总硬度、总溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸盐、氨氮和高锰酸盐指数作为方案层（Ci），根据这3个层次建立阿克苏市地下水水质层次结构模型（图1）。
1.2构造判断矩阵判断矩阵构造之前，应先明确各个参评因子的标度，标度的确认顺序是从层次结构模型图的最底层由下至上[12]，即在递阶层次结构模型建立之后，假定以上一层次的元素Bi作为准则，而且对下一层次的元素C1，C2，…，Cn有支配关系，则对于Bi的2个元素Ci和Cj哪个更重要，重要程度则以数量表示出来，然后由这些数值作为矩阵中的元素，最后构成两两元素判别矩阵。 1.3判断矩阵一致性检验检验判断矩阵的一致性，是为能够反映出判断矩阵构造的合理性，首先要计算出判断矩阵的特征值与特征向量，然后再对判断矩阵进行一致性检验，计算公式为[9]：
CI=λmax-nn-1（1）
式中，CI为一致性检验指标；λmax为判断矩阵的最大特征值；n为判断矩阵的阶数。
检验随机一致性比率计算公式为：
CR=CIRI（2）
式中，CR为随机一致性比率，当CR<0.10时，则认为判断矩阵满足一致性，否则应对判断矩阵进行修正，直到满足一致性要求；RI为平均随机一致性指标。
2结果与分析
根据阿克苏市16个观测井的水样数据，选取pH、总硬度、总溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸盐、氨氮和高锰酸盐指数共8项评价指标，采用层次分析法和F值法对地下水水质进行评价，各观测点实测数据如表1所示。
2.1构造判断矩阵与一致性检验
2.1.1构造（A-B）判断矩阵与一致性检验。以1号观测井为例，通过采用指数标度方法进行两两比较，确定各影响因子的相对重要性并赋于标度值[12]，构造水质与水质类别的判断矩阵A-Bi（目标层-准则层），如表2所示。
经计算判断矩阵A-B的最大特征值λmax=5.049 8，由公式（1）计算可得CI=（5.049 8-5）/（5-1）=0.012 45，由公式（2）计算得到CR=0.012 45/1.26=0.011 1，CR<0.10，因此矩阵A-B满足一致性要求。
2.1.2构造（Bi-C）判断矩阵与一致性检验。用评价因子水质类别与其对应的各个指标因子构造各水质类别的两两比较判断矩阵（Bi-C），如表3～7所示。
经计算，各矩阵随机一致性比率CR均小于0.10，具有满意的一致性。
2.2确定水质类别总排序先对计算出的每一个评价因子相对于总目标水质评价的权重值进行层次总排序，再计算各层次所有因子对总目标相对重要性的层次权值，其1号观测井水质指标的总排序结果见表8。
同理可得到2～16号观测井的各监测指标相对于水质的权值和总排序，具体结果见表9。从表中可以看出，在2～16号水质指标层次总排序中，前6项水质指标的排序均相同，权值从大到小分别为pH、总硬度、总溶解性固形物、高锰酸盐指数、氨氮和硫酸盐，而水质指标氟化物和氯化物的权值在所有水样中均排第7或第8位。从各水质指标权值上看，指标权值越大表明此指标对水质的影响越大，在所有水样的指标权值中，pH、总硬度和总溶解性固形物的权值明显大于其他指标权值，说明在所有采样点中，pH、总硬度和总溶解性固形物含量对水质的影响最大，需优先控制该指标。
从2种评价方法的结果中可发现，层次分析法结果中极差与较差的3处正好对应于F值评分法结果中的3处Ⅲ类水质，对这3处水样的水质指标进一步分析发现，该3处水样中的总硬度、总溶解性固形物和硫酸盐明显高于其他水样，而且在层次分析法中，在确定权值时突出了pH、总硬度及总溶解性固形物对水质评价的贡献，而弱化了其他评价因子的影响，同时，在进行地下水质量评价的分析过程中，将专家打分法与层次分析法相结合，将人为主观判定与理性约束相结合，可使得地下水评价结果更符合水质实际情况，因此，层次分析法结果中含有Ⅳ类和Ⅴ类水质，而F值评价法尽管利用综合评分值，按单项指标所对应的分级标准确定水质类别，评价结果可以反映出水质整体状况，但此方法由于在单项指标上级别分类分明的局限，导致在评价结果中更加凸显了超标污染指标的级别，而且评价结果不连续，如表9中所示，F值评分法评价结果只有Ⅱ类和Ⅲ类，而缺少Ⅰ类、Ⅳ类和Ⅴ类。
3结论
利用阿克苏市16处监测井的水样数据，采用层次分析法对该市地下水水质进行评价，结果表明，水样中达Ⅲ类水质标准的占81.25%，其中优良和良好的水质占43.75%，而极差和较差的水质有18.75%，超过了国家地下水质量标准的Ⅲ类水标准[16]，将层次分析法评价结果与F值评分法评价结果进行比较发现，层次分析法结果中水质类别超标的3处正好与F值评分法评价结果中水质类别最高的3处（Ⅲ类）相对应，而且F值评分法结果中所有水样均满足国家地下水质量标准的Ⅲ类水标准，这主要是因为该方法按单项指标所对应的分级标准，利用综合评分值确定水质类别，但评价结果不连续，缺少Ⅰ类、Ⅳ类和Ⅴ类水质，而层次分析法因为利用专家打分与层次分析相结合的方法，采用了变化的权重对评价因子进行处理，同时综合考虑了全部评价因子对水质的贡献与因子间的相互联系，因此能比较全面地反映出水环境质量的综合状况，使评价结果与实际更为符合，更具实用性。
参考文献
[1]张琳琳.新疆阿克苏某区域地下水水质评价及污染状况研究[J].地下水，2018，40（3）：82-83.
[2] 张小君，徐中民，宋晓谕，等.几种水环境质量评价方法在青海湖入湖河流中的应用[J].环境工程，2013，31（1）：117-121.
[3] 张新钰，辛宝东，刘文臣，等.三种地下水水质评价方法的对比分析[J].水资源与水工程学报，2011，22（3）：113-118.
[4] 魏炜，岳丹丹，潘俊.基于层次分析的模糊综合评价法在水质评价中的应用[J].供水技术，2015，9（5）：8-12.
[5] ZOU Q，ZHOU J Z，ZHOU C，et al.Comprehensive flood risk assessment based on set pair analysisvariable fuzzy sets model and fuzzy AHP[J].Stochastic environmental research and risk assessment，2013，27（2）：525-546.
[6] 杨永鹏，曾维特，王晓林，等.地下水质量综合评价方法研究：以海口市为例[J].地下水，2017，39（6）：1-6.
[7] 郭劲松.基于人工神经网络（ANN）的水质评价与水质模拟研究[D].重庆：重庆大学，2002.
[8] 周淼，李维刚，易灵.四种水质评价方法的特点分析与比较研究[J].环境科学与管理，2016，41（12）：173-177.
[9] 高宗军，董红志，许传杰，等.层次分析法在地下水质量评价中的应用[J].地下水，2014，36（3）：49-50.
[10] 鄭兰香，杨程，李春光.基于层次分析法的抽水型水库水质评价[J].人民黄河，2014，36（10）：81-83，88.
[11] 孙大明.基于层次分析法的大连市地下水环境质量评价[J].水资源开发与管理，2017（2）：75-78，56.
[12] 孙乃泉，孙丽，杨咏梅.层次分析法在大庆市地质环境质量评价中的应用[J].地下水，2013，35（3）：142-143.
[13] 陈辉，顾建辉，李治源.不同水质评价方法在城市河道水质评价中的应用比较[J].苏州科技大学学报（工程技术版），2017，30（1）：42-46.
[14] 张亚丽，周扬，程真，等.不同水质评价方法在丹江口流域水质评价中应用比较[J].中国环境监测，2015，31（3）：58-61.
[15] 文冬光，林良俊，孙继朝，等.地下水水质标准：DZ/T 0290—2015[S].北京：中国地质大学出版社，2015.
[16] 文冬光，孙继朝，何江涛，等.地下水质量标准：GB/T 14848—2017[S].北京：中国标准出版社，2017.
关键词地下水；水质；层次分析法；F值评分法
中图分类号X824文献标识码A
文章编号0517-6611（2019）08-0080-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.08.021
AbstractBased on the analytic hierarchy process （AHP），the groundwater environmental quality evaluation model of Aksu City was established.Based on the data of 16 water level monitoring wells in Aksu City，the groundwater environmental quality evaluation results showed that 81.25% of the groundwater samples reached Class III water quality standard，among which 43.75% were good.And poor water quality was 18.75%. By comparing with the results of Fvalue scoring method，it was found that the AHP can make more comprehensive and effective use of the monitoring data of water samples and make the evaluation results more realistic because it adopted variable weights to deal with the evaluation factors and took into account the contribution of all the evaluation factors to water quality and the relationship between the factors.In order to reflect the actual situation of water body more scientifically and objectively，the evaluation method should be selected reasonably according to the actual monitoring data and the purpose of evaluation.
Key wordsGroundwater；Water quality；Analytic hierarchy process；F score method
地下水作为水循环系统中的重要构成成分，通常是水质较好、水源稳定的供水水源[1]，因此地下水的合理开发与利用是灌溉水资源的重要来源，更是现代农业可持续发展的重要保障，而水资源可持续开发利用的前提是水环境质量的定量化客观评价，这也是环境管理与决策的依据。目前，在水环境质量的综合评价中应用较多的主要有单因子评价法[2]、F值评价法[3]、层次分析法[4]、模糊综合评价法[5]、灰色关联评价法[6]和人工神经网络法[7]及综合污染标识指数法[8]等。其中，层次分析法，简称AHP法，该方法的特点是通过把问题进行层次化分解，首先将问题分解成若干子系统，按目标层、准则层和方案层建立一个层次结构模型，然后通过判断矩阵的建立与一致性检验得到各层的权重，再根据权重值确定最终排序，该方法与其他评价方法相比具有较好的逻辑性、系统性和准确性[4，9-10]。笔者采用层次分析法对阿克苏市16個观测井的地下水水质进行评价，并通过与普遍采用的F 值评分法评价结果进行对比，分析不同方法的优缺点，以期为该市地下水资源合理开发与利用提供参考。
1层次分析法
层次分析法是一种层次化与系统化相结合的多目标决策分析方法，该方法基本思路为先按评价目的和问题的性质将各因素分解成阶梯状层次结构，对各层不同因素进行两两比较，构造出判断矩阵和一致性检验，再计算各层元素对目标的合成权重，最后进行总排序，确定最下层中的各元素在总目标中的重要程度[11]。
1.1构建层次结构模型将地下水水质作为层次分析的目标层（A），将水质类别（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类）作为准则层（Bi），将水样监测指标pH、总硬度、总溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸盐、氨氮和高锰酸盐指数作为方案层（Ci），根据这3个层次建立阿克苏市地下水水质层次结构模型（图1）。
1.2构造判断矩阵判断矩阵构造之前，应先明确各个参评因子的标度，标度的确认顺序是从层次结构模型图的最底层由下至上[12]，即在递阶层次结构模型建立之后，假定以上一层次的元素Bi作为准则，而且对下一层次的元素C1，C2，…，Cn有支配关系，则对于Bi的2个元素Ci和Cj哪个更重要，重要程度则以数量表示出来，然后由这些数值作为矩阵中的元素，最后构成两两元素判别矩阵。 1.3判断矩阵一致性检验检验判断矩阵的一致性，是为能够反映出判断矩阵构造的合理性，首先要计算出判断矩阵的特征值与特征向量，然后再对判断矩阵进行一致性检验，计算公式为[9]：
CI=λmax-nn-1（1）
式中，CI为一致性检验指标；λmax为判断矩阵的最大特征值；n为判断矩阵的阶数。
检验随机一致性比率计算公式为：
CR=CIRI（2）
式中，CR为随机一致性比率，当CR<0.10时，则认为判断矩阵满足一致性，否则应对判断矩阵进行修正，直到满足一致性要求；RI为平均随机一致性指标。
2结果与分析
根据阿克苏市16个观测井的水样数据，选取pH、总硬度、总溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸盐、氨氮和高锰酸盐指数共8项评价指标，采用层次分析法和F值法对地下水水质进行评价，各观测点实测数据如表1所示。
2.1构造判断矩阵与一致性检验
2.1.1构造（A-B）判断矩阵与一致性检验。以1号观测井为例，通过采用指数标度方法进行两两比较，确定各影响因子的相对重要性并赋于标度值[12]，构造水质与水质类别的判断矩阵A-Bi（目标层-准则层），如表2所示。
经计算判断矩阵A-B的最大特征值λmax=5.049 8，由公式（1）计算可得CI=（5.049 8-5）/（5-1）=0.012 45，由公式（2）计算得到CR=0.012 45/1.26=0.011 1，CR<0.10，因此矩阵A-B满足一致性要求。
2.1.2构造（Bi-C）判断矩阵与一致性检验。用评价因子水质类别与其对应的各个指标因子构造各水质类别的两两比较判断矩阵（Bi-C），如表3～7所示。
经计算，各矩阵随机一致性比率CR均小于0.10，具有满意的一致性。
2.2确定水质类别总排序先对计算出的每一个评价因子相对于总目标水质评价的权重值进行层次总排序，再计算各层次所有因子对总目标相对重要性的层次权值，其1号观测井水质指标的总排序结果见表8。
同理可得到2～16号观测井的各监测指标相对于水质的权值和总排序，具体结果见表9。从表中可以看出，在2～16号水质指标层次总排序中，前6项水质指标的排序均相同，权值从大到小分别为pH、总硬度、总溶解性固形物、高锰酸盐指数、氨氮和硫酸盐，而水质指标氟化物和氯化物的权值在所有水样中均排第7或第8位。从各水质指标权值上看，指标权值越大表明此指标对水质的影响越大，在所有水样的指标权值中，pH、总硬度和总溶解性固形物的权值明显大于其他指标权值，说明在所有采样点中，pH、总硬度和总溶解性固形物含量对水质的影响最大，需优先控制该指标。
从2种评价方法的结果中可发现，层次分析法结果中极差与较差的3处正好对应于F值评分法结果中的3处Ⅲ类水质，对这3处水样的水质指标进一步分析发现，该3处水样中的总硬度、总溶解性固形物和硫酸盐明显高于其他水样，而且在层次分析法中，在确定权值时突出了pH、总硬度及总溶解性固形物对水质评价的贡献，而弱化了其他评价因子的影响，同时，在进行地下水质量评价的分析过程中，将专家打分法与层次分析法相结合，将人为主观判定与理性约束相结合，可使得地下水评价结果更符合水质实际情况，因此，层次分析法结果中含有Ⅳ类和Ⅴ类水质，而F值评价法尽管利用综合评分值，按单项指标所对应的分级标准确定水质类别，评价结果可以反映出水质整体状况，但此方法由于在单项指标上级别分类分明的局限，导致在评价结果中更加凸显了超标污染指标的级别，而且评价结果不连续，如表9中所示，F值评分法评价结果只有Ⅱ类和Ⅲ类，而缺少Ⅰ类、Ⅳ类和Ⅴ类。
3结论
利用阿克苏市16处监测井的水样数据，采用层次分析法对该市地下水水质进行评价，结果表明，水样中达Ⅲ类水质标准的占81.25%，其中优良和良好的水质占43.75%，而极差和较差的水质有18.75%，超过了国家地下水质量标准的Ⅲ类水标准[16]，将层次分析法评价结果与F值评分法评价结果进行比较发现，层次分析法结果中水质类别超标的3处正好与F值评分法评价结果中水质类别最高的3处（Ⅲ类）相对应，而且F值评分法结果中所有水样均满足国家地下水质量标准的Ⅲ类水标准，这主要是因为该方法按单项指标所对应的分级标准，利用综合评分值确定水质类别，但评价结果不连续，缺少Ⅰ类、Ⅳ类和Ⅴ类水质，而层次分析法因为利用专家打分与层次分析相结合的方法，采用了变化的权重对评价因子进行处理，同时综合考虑了全部评价因子对水质的贡献与因子间的相互联系，因此能比较全面地反映出水环境质量的综合状况，使评价结果与实际更为符合，更具实用性。
参考文献
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