湖南省优质饮用水水源地模糊综合评价研究

Study on Fuzzy Comprehensive Evaluation of High-Quality Drinking Water Sources in Hunan Province

摘要: 为保障居民饮水安全，不断满足人民群众喝好水的迫切需要。以湖南省全省125个重要饮用水水源地为研究对象，综合考虑水源地的水质稳定性、水量大小以及开发利用难易程度，并据此采用设计供水人口、设计供水能力、年保持II类以上水质的月数、水源地位置、水源地实际供水量和设计供水能力的比值、水源地可利用水量分级共6个指标构建优质水源地评价指标体系。运用层次分析法计算各指标权重。采用模糊综合评价法对湖南省重要饮用水水源地进行评价。评价结果显示湖南省优质饮用水水源地(评价等级为V1和V2)共有43个，占全部重要饮用水水源地的34.4%。

Abstract: To ensure the safety of drinking water for residents, and constantly meet the urgent needs of the people to drink good water. Taking 125 important drinking water sources in Hunan Province as the research objects, a evaluation index system of high-quality water source is constructed by comprehensively considering the water quality stability, water volume and difficulty of development and utilization of the water sources. This evaluation index system includes a total of 6 indicators: the design water supply population, design water supply capacity, and the number of months to maintain water quality above class II, the location of the water source, the ratio of the actual water supply volume, the grading of the available water volume of the water source. The weight of each indicator is calculated using the analytic hierarchy process. The fuzzy comprehensive evaluation method is used to evaluate the important drinking water sources in Hunan Province. The evaluation results show that there are 43 high-quality drinking water sources (the evaluation level is V1 and V2), accounting for 34.4% of all important drinking water sources.

1. 引言

党的十九大报告做出我国社会主要矛盾已经转化的重大政治论断，提出了到2035年基本实现社会主要现代化的宏伟目标。社会主要矛盾的转化，在饮水安全方面集中体现为人民群众对喝好水的新需求和新期待。《湖南省水安全战略规划》(2020~2035年)提出“依托大水源、布局大水厂、建设大管网”的饮水格局，不断满足人民群众喝好水的迫切需要。然而湖南省水资源时空分布不均，尤其是优质水资源分布不均衡，部分水生态环境保护较好的城市，如永州、湘西等地水源水质较好，农田灌溉用水都是采用I类或II类优质原水，而湘江中下游局部以及洞庭湖区城市，水源水质整体较差，生活饮用水都是采用III类或者IV类水质原水，优质水源分配不均，出现了高质低配和低质高配的现象。为保障居民饮水安全，不断满足人民群众喝好水的迫切需要，需开展湖南省优质饮用水水源评价，为湖南省水资源优化配置及“大水网”建设提供技术支撑。

湖南省位于长江中游，省境绝大部分在洞庭湖以南，故称湖南；湘江贯穿省境南北，故简称湘 [1]。属亚热带季风湿润气候，年平均气温16℃~18℃。全省多年平均降水量1450 mm，降雨时空分布不均，汛期(4~9月)降雨占全年70%以上，空间分布呈“三高二低”，东、西、南部山地较丰，中部丘陵、北部平原相对贫乏，衡邵娄与洞庭湖北部等局部地区季节性、水质性缺水较严重。全省多年平均地表水资源量1682亿m³，地下水资源量393.6亿m³，非重复计算量7.1亿m³，多年平均水资源总量1689亿m³，多年平均入境水量954亿m³ (其中长江三口入流500亿m³)；人均水资源量2440 m³，略高于全国人均2100 m³的水平。

2. 评价方法

2.1. 评价指标体系构建

优质饮用水水源地评价指标体系是优质饮用水水源地评价的依据。目前，国内外相关研究成果对优质水资源没有明确的定义，本研究根据划分的评价等级论域(见表1)，将饮用水水源地评价结果为V1和V2等级的重要水源地定义为优质饮用水源地，优质饮用水源地水质能够较长时间保持在II类以上，水量较多，开发利用潜力较大。按照系统性、科学性和实用性的原则，结合湖南省水源地的供水能力、水质情况、开发难易程度等，建立了一个能够反映湖南省水源地的综合情况的评价指标体系，见表2。

Table 1. Evaluation hierarchy domain

表1. 评价等级论域

湖南省优质饮用水水源地评价指标体系构建包括3个层次：目标层、要素层、指标层。目标层为水源地水资源，要素层分为供水能力、水质、开发难易程度三个要素，指标层由设计供水人口、设计供水能力、年保持II类以上水质的月数、水源地位置、水源地实际供水量和设计供水能力的比值、水源地可利用水量分级组成。

Table 2. Evaluation index system of high-quality drinking water source

表2. 优质饮用水水源地评价指标体系

2.2. 评价标准

优质水源地评价过程中，评价指标分级标准的确定是必不可少的一个步骤。根据指标评价标准才能确定优质水源地评价等级，从而对水源地水资源进行定性定量分析。本次研究将水源地评价结果分为5个等级：(V1)表示该水源地水资源长时间稳定保持在II类以上水质，且水量多，开发利用的潜力大；(V2)表示该水源地水质较长时间保持在II类以上水质，水量较多，开发利用潜力较大；(V3)表示该水源地水质较稳定的保持在II类以上水质，已进行了一定规模的开发，但还有开发利用潜力；(V4)表示该水源地水质不太稳定，水质较长时间均在II类以下，水量较小，进一步开发利用空间较小；(V5)表示该水源地水质极不稳定，水质长时间在II类以下，水量较小，进一步开发利用难度大。

根据湖南省重要饮用水水源地实际情况，参考国内外相关水资源评价指标及标准，建立湖南省优质饮用水水源地评价指标分级标准，见表3。

Table 3. Evaluation index classification standard for high-quality drinking water sources in Hunan Province

表3. 湖南省优质饮用水水源地评价指标分级标准

2.3. 模糊综合评价法

水源地综合评价方法众多，例如常规趋势法 [2]、系统动力学法 [3]，优化模型法 [4]、模糊评价法 [5]、主成分法 [6]、神经网络法 [7] 等。论文采用模糊综合评价法对湖南省优质饮用水水源地进行评价。评判步骤如下 [8]：

a) 建立评价因素集 $U=\left\{u1,u2,\cdots ,u6\right\}$ 和评价集 $V=\left\{v1,v2,\cdots ,v5\right\}$ ；

b) 确定评价指标的权重向量集 $W=\left\{w1,w2,\cdots ,w6\right\}$，论文采用层次分析法计算指标权重 [9]；

c) 综合3位水资源行业专家根据表3确定各指标隶属度，建立模糊关系矩阵R，通过合适的合成算子进行模糊运算得到模糊综合评价结果B；

d) 为了更加直观地评价优质饮用水水源地，采用公式(1)计算各年份优质饮用水水源地的综合评分值：

$A=\frac{{\displaystyle \underset{v=1}{\overset{5}{\sum }}{u}_v\cdot a_v}}{{\displaystyle \underset{v=1}{\overset{5}{\sum }}{u}_v}}$ (1)

式中：A为优质饮用水水源地综合评分值；u为模糊综合评价法的隶属度；v为优质饮用水水源地等级；a为各个等级的影响系数。

评价结果根据综合评分划分评价等级论域(见表1)，按5个等级划分，取4个临界值，即A ≥ 8.5时，优质饮用水水源地为I级，8.5 < A ≤ 7.5时，优质饮用水水源地为II级；7.5 < A ≤ 6时，优质饮用水水源地为III级，6 < A ≤ 3时，优质饮用水水源地为IV级；A < 3时，优质饮用水水源地为V级。

3. 结果分析

3.1. 指标权重计算

利用层次分析法计算各指标权重如图1。

3.2. 评价结果

根据2.3的模糊评价综合法的计算步骤以及各指标评价标准，对全省125个重要饮用水源地进行评价，其中有11个饮用水源地因为关停、重金属超标等原因直接一票否决，不再进行分项指标评价。其余114个水源地评价结果见表4。

Figure 1. Hierarchical weight graph

图1. 分层权重图

Table 4. Statistical of high-quality and important drinking water sources in the province

表4. 全省优质重要饮用水水源地统计表

参与评价的114个全省重要饮用水水源地，评价结果为V1的有9个，占全省重要饮用水水源地的7.2%，分别为郴州市苏仙区山河水库水源地、资兴市东江水库水源地、郴州市桂东县沤菜水库水源地、郴州市永兴县龙潭水库水源地、郴州市宜章县黄岑水库水源地、邵阳市城步县白云水库水源地、邵阳市新宁县夫夷水水源地、岳阳市铁山水库水源地、长沙市株树桥水库水源地；评价结果为V2的有34个，占全省重要饮用水水源地的27.2%；评价结果为V3的有43个，占全省重要饮用水水源地的35.2%；评价结果为V4的有28个，占全省重要饮用水水源地的22.4%；参与评价的114个重要饮用水水源地中评价结果没有V5的水源地。全省优质重要饮用水水源地主要分布在湘、资、沅、澧四水的上游地区，且以大中型水库和河流为主。

根据评价结果可知，参与评价的114个重要饮用水源地中，评价结果为优质饮用水水源地(即评价等级为V1和V2的重要水源地)共有43个，占全省重要饮用水源地的34.4%，其中湘西州4个，郴州市10个，衡阳市1个，怀化市5个，娄底市1个，邵阳市6个，永州市5个，岳阳市4个，张家界市3个，长沙市1个，株洲市1个，常德市2个。见图2。

Figure 2. Distribution of high-quality and important drinking water sources in each city

图2. 各市州优质重要饮用水水源地分布情况

3.3. 评价结果合理性分析

本次对于重要饮用水水源地的评价采用了设计供水人口、设计供水能力、年保持II类以上水质的月数、水源地位置、水源地实际供水量和设计供水能力的比值、水源地可利用水量分级共6个指标，综合考虑了水源地的水质稳定性、水量大小以及开发利用难易程度三个因素，由于国内对于优质水资源的研究还处于起步阶段，尚无可参考的指标选取及指标分级，因此，本次指标分级是根据本研究优质重要饮用水水源地的定义及全省125个重要饮用水水源地的每一项指标的取值区间划分的。同时，将评价结果与实地调研情况进行对比，评价结果与实际情况基本相符。

4. 结语

本文选取适当指标首次构建优质水源地评价指标体系，采用模糊综合评价法对湖南省125个重要饮用水源地进行评价，将评价结果与实地调研情况进行比对，评价结果与实际情况基本相符，说明本文构建的优质水源地评价指标体系较为合理。结论可以得出湖南省优质水源地分布情况，为湖南省优质水资源供给配给提供参考，有助于湖南省建立智能化的优质水资源供水水网系统。

基金项目

湖南水利科技重大项目(XSKJ2021000-10, XSKJ2019081-08)；湖南水利科技项目(XSKJ2019081-24, XSKJ 2019081-21)。