В последнее время в результате интенсивного освоения региона происходит усиление антропогенной нагрузки на естественный водный режим, что приводит к значительному ухудшению качественного состояния малых рек. Это требует разработки и составления схем рационального использования и охраны водных ресурсов, создания постоянно действующей системы контроля загрязненности, учета и расходования водных ресурсов с целью оперативного управления водными объектами.
Цель исследования
Разработать методику экспертного оценивания объектов с максимальным уровнем загрязнения для принятия управленческих решений в сфере водопользования на загрязненных водных объектах, основанную на методе анализа иерархий.
Водные объекты оценивались по комплексу физических, химических и гидробиологических показателей с использованием методов системного анализа, поддержки принятия решений.
Для оценки загрязненности поверхностных вод используют результаты наблюдений по совокупности загрязняющих веществ. Расчет показателей проводится по результатам регулярных наблюдений за состоянием воды рек.
Оценка уровня загрязнения поверхностных вод проводится по комплексу показателей качества воды.
В расчёте используются только нормируемые ингредиенты. В качестве норматива используются предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ для воды рыбохозяйственных, водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования – наиболее жёсткие (минимальные) значения из списков, рекомендуемых для подготовки информационных документов по качеству поверхностных вод. Для веществ, на которые нормативными документами предусмотрено их полное отсутствие в воде, в качестве ПДК условно принимается 0,01 мкг/дм3.
В рамках создаваемой интеллектуальной системы управления процессом мониторинга и оповещения о загрязненности малых рек для оценки состояния водных объектов разработана методика экспертного оценивания объектов с максимальным уровнем загрязнения при отсутствии информации об источнике поступления загрязняющих веществ, основанная на методе анализа иерархий [2, 4, 5].
Метод анализа иерархий (МАИ) – математический инструмент системного подхода к сложным проблемам принятия решений, использующий метод парных сравнений в сочетании с методом последовательных сравнений. МАИ не предписывает лицу, принимающему решение, какого-либо «правильного» решения, а позволяет ему в интерактивном режиме найти такой вариант, который наилучшим образом согласуется с его пониманием сути проблемы и требованиями к ее решению.
МАИ применяется для моделирования многокритериальных задач принятия решения. Идея метода состоит в структуризации задач принятия решения путем построения многоуровневой иерархии, объединяющей все компоненты задачи, которые сравниваются между собой с помощью специально разработанных процедур. В результате становится возможным получение численных оценок интенсивности взаимовлияния элементов иерархии, на основе которых оцениваются степени предпочтительности альтернатив относительно главной цели [3].
Оптимальное решение вопросов использования водных ресурсов возможно лишь при наличии объективной информации о состоянии качества воды водных объектов. При возникновении угрозы экстремально высокого загрязнения необходимо произвести контрольный отбор проб и провести анализы качества воды в водотоке. В примере рассматриваются объекты 4–5 класса загрязненности.
Оперативная оценка пригодности водного объекта к определенному виду водопользования должна происходить по следующей схеме. Накладываются ограничения видов водопользования, далее выявляются источники загрязнения и альтернативы по очистке водных объектов.
На рис. 1 представлена иерархия принятия решения о выявлении объектов с экстремальным уровнем загрязнения для последующего снятия ограничений видов водопользования, где в качестве альтернатив выступают виды водопользования.
Рис. 1. МАИ: Оценка качества речной воды
Реализация метода анализа иерархий состоит в следующем:
1. Определение цели. Целью является оценка пригодности водного объекта для конкретного вида водопользования.
2. Определение критериев. В качестве критериев используются физические, химические и гидробиологические показатели.
К физическим показателям относятся:
– покрытие пленкой поверхности ВО на площади 2 и более кв. км при его площади более 6 кв. км;
– появление запаха интенсивностью более 4 баллов;
– покрытие пленкой более 1/3 поверхности ВО при его площади до 6 кв. км.
К химическим показателям относятся:
– превышение ПДК в 5 раз и более для веществ 1–2 класса загрязненности;
– превышение ПДК в 50 раз и более для веществ 3–4 класса загрязненности;
– снижение содержания растворимого кислорода до 2 мг/л и менее;
– увеличение БПК свыше 40 мг О2 /л.
Химические показатели являются наиболее значимыми при оценке качества водных объектов, в особенности превышения ПДК для веществ различных классов загрязненности.
К гидробиологическим показателям относят массовую гибель гидробионтов. Данный показатель является наименее значимым.
3. Определение альтернатив. В качестве альтернатив выступают виды водопользования. Различают пять видов водопользования: хозяйственно-питьевое, промышленность, рыбное хозяйство, купание, спорт, транспорт.
Для каждого уровня необходимо построить матрицы парных сравнений – по одной матрице для каждого элемента, примыкающего сверху уровня. Этот элемент называют направляемым по отношению к элементу, находящемуся на нижнем уровне, так как этот элемент нижнего уровня влияет на расположенный выше элемент. Элементы любого уровня сравниваются друг с другом относительно их воздействия на направляемый элемент. Попарные сравнения проводят в терминах доминирования одного из элементов над другим, затем эти суждения выражаются в целых числах.
Для указания важности отдельного критерия применяется шкала: от 1 – несущественный фактор, до 9 – абсолютная значимость (табл. 1).
Таблица 1
Шкала отношений
|
Степень значимости |
Определения |
|
1 |
Несущественная значимость |
|
3 |
Некоторое преобладание значимости одного действия над другим (слабая значимость) |
|
5 |
Существенная или сильная значимость |
|
7 |
Очевидная или очень сильная значимость |
|
9 |
Абсолютная значимость |
|
2, 4, 6, 8 |
Промежуточные значения между двумя соседними суждениями |
|
Обратные величины приведенных выше ненулевых величин |
Если действию i (строка матрицы парных сравнений) при сравнении с действием j (столбец матрицы парных сравнений) приписывается одно из определенных выше ненулевых чисел, то действию j при сравнении с действием i приписывается обратное значение |
В табл. 2 приведен пример матрицы парных сравнений приоритетов критериев. Приоритеты критериев устанавливаются экспертным путем с учетом гипотетического уровня загрязненности на условном водном объекте.
Таблица 2
Матрица парных сравнений приоритетов критериев
|
Оценка качества |
Превыш. ПДК в 5 раз |
Превыш. ПДК в 50 раз |
Сниж. содерж. кислорода до 2 мг и менее |
БПК свыше 40 мг |
Покрыт. пленкой 2 и более кв. км |
Появл. запаха |
Покрыт. пленкой 2 1/3 поверх-ти |
Массовая гибель гидробионтов |
|
Превыш. ПДК в 5 раз |
1 |
2 |
5 |
5 |
5 |
4 |
4 |
5 |
|
Превыш. ПДК в 50 раз |
1/2 |
1 |
5 |
7 |
6 |
4 |
5 |
4 |
|
Сниж. содерж. кислорода до 2 мг и менее |
1/5 |
1/5 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
|
БПК свыше 40 мг |
1/5 |
1/7 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
|
Покрыт. пленкой 2 и более кв. км |
1/5 |
1/6 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
Появл. запаха |
1/4 |
1/4 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
Покрыт. пленкой 2 1/3 поверх-ти |
1/4 |
1/5 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
|
Массовая гибель гидробионтов |
1/5 |
1/4 |
1/2 |
1/2 |
1 |
1 |
1/2 |
1 |
Далее заполняются матрицы парных сравнений альтернатив относительно критериев. Для установления относительной важности элементов иерархии используется шкала отношений (табл. 1), которая позволяет ставить в соответствие степеням предпочтения одного сравниваемого объекта перед другим некоторые числа.
В табл. 3 приведен пример матрицы парных сравнений альтернатив для критерия «Превышение ПДК в 50 раз и более для веществ 3–4 класса загрязненности».
Таблица 3
Матрица парных сравнений альтернатив для критерия «Превышение ПДК в 50 раз и более для веществ 3–4 класса загрязненности»
|
Превыш. ПДК в 50 раз |
Промышленность |
Рыбное хоз-во |
Купание, спорт |
Транспорт |
Хоз-питьевое |
|
Промышленность |
1 |
3 |
3 |
2 |
2 |
|
Рыбное хоз-во |
1/3 |
1 |
2 |
3 |
2 |
|
Купание, спорт |
1/3 |
1/2 |
1 |
2 |
1/2 |
|
Транспорт |
1/2 |
1/3 |
1/2 |
1 |
1/4 |
|
Хозпитьевое |
1/2 |
1/2 |
2 |
4 |
1 |
Аналогичным образом заполняются матрицы парных сравнений для остальных критериев.
Для каждой матрицы необходимо рассчитать нормализованный вектор приоритетов W, наибольшее собственное число матрицы парных сравнений λmax и отношение согласованности.
Согласованность суждений по каждому критерию оценивается индексом согласованности (ИС) и отношением согласованности (ОС) в соответствии со следующими выражениями:
ИС = (λmax – n)/(n – 1), (1)
где λmax – наибольшее собственное число матрицы парных сравнений, n – число сравниваемых элементов,
OС = ИС/М(ИС), (2)
где М(ИС) – среднее значение (математическое ожидание) индекса согласованности случайным образом составленной матрицы парных сравнений [4].
В результате расчетов были получены следующие значения согласованности суждений по каждому критерию (табл. 4).
Таблица 4
Согласованность оценок по каждому критерию
|
Критерии |
ОС |
|
Появление запаха интенсивностью более 4 баллов |
0,19 |
|
Покрытие пленкой более 1/3 поверхности ВО при его площади до 6 кв. км |
0,09 |
|
Превышение ПДК в 5 раз и более для веществ 1–2 класса загрязненности |
0,14 |
|
Превышение ПДК в 50 раз и более для веществ 3–4 класса загрязненности |
0,09 |
|
Гибель гидробионтов |
0,00 |
|
Покрытие пленкой поверхности ВО на площади 2 и более кв. км при его площади более 6 кв. км |
0,11 |
|
БПК свыше 40 мг О2 /л |
0,11 |
|
Снижение содержания растворимого кислорода до 2 мг/л и менее |
0,04 |
Далее были установлены приоритеты альтернатив по каждому критерию и определен глобальный приоритет альтернатив, то есть определена пригодность водного объекта для конкретного вида водопользования. Результат представлен на рис. 2.
Рис. 2. Важности альтернатив
Таким образом, условный водный объект наиболее пригоден для таких видов водопользования, как транспорт, промышленность и купание, спорт.
В итоге для отдельного водного объекта можно получить характеристику его пригодности для каждого вида водопользования (табл. 5) [1] с позиций загрязненности воды.
Таблица 5
Характеристика водного объекта для различных видов водопользования
|
Качество воды |
Виды водопользования |
||||
|
Хозяйственно-питьевое |
Промышленность |
Рыбное хозяйство |
Купание, спорт |
Транспорт |
|
|
Загрязненная |
Пригодна только со специальной очисткой |
Пригодна только со специальной очисткой |
Пригодна (кроме ценных видов рыб) |
Использование сомнительно |
Использование сомнительно |
|
Грязная |
Непригодна |
Пригодна для специальных целей после очистки |
Непригодна |
Непригодна |
Использование нежелательно |
Заключение
Таким образом, разработанная методика экспертного оценивания объектов с максимальным уровнем загрязнения при отсутствии информации об источнике поступления загрязняющих веществ позволяет произвести оценку пригодности водного объекта к тому или иному виду водопользования.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-47-08052.