基于AHP和灰色评价法的武汉市水环境风险评价及管理战略思考

张祚，邓亚兰，陈昆仑，王振伟

（1.华中科技大学公共管理学院，湖北 武汉430074；2.湖北大学商学院，湖北 武汉430062；3.湖北大学资源环境学院，湖北 武汉430062）

0 引言

水是生命之源，也是国民经济发展的决定性因素之一［1］.水环境是衡量一个城市居住、投资与旅游环境好坏的重要标志［2］，也是实现城市可持续发展的重要保障.随着社会经济的持续发展，城市水资源短缺和水污染问题已成为制约城市社会经济发展的瓶颈.为了使人类社会的各种活动符合人与自然和谐发展的要求，实现水体的环境质量目标，必须加强对城市水环境产生影响的人类社会活动的管理控制，提高水资源效率的同时减少水污染［3-4］.而在这一过程中，复杂的水环境问题迫切需要一种科学方法来比较水环境污染对人类健康和水环境系统的危害程度.现有的水环境风险及可靠性分析往往跨学科领域，内容上包括水环境污染可能导致的健康风险、环境风险和经济风险［5-8］.在方法上，模糊综合评价法［9］、层次分析法（analytic hierarchy process，以下简称 AHP）［10］、数据包络分析法（data envelopment analysis，DEA）［11］、人工神经网络评价法（artificial neural network，ANN）［12］以及灰色综合评价法［13］等常常被运用于水质与水环境的评价研究中，并有着自身的特点和适用性［14］.本文中综合运用AHP和灰色评价法对武汉市水环境总体风险及其形成原因和结果表现等方面进行评价，并基于评价结果和未来不同发展情境的假设尝试对武汉水环境管理战略提出建议.

1 研究区域概况

武汉市地处长江中游，降水丰沛，长江与汉水流经市区（图1）.正常年份，全市地表水总量7 913亿m3其中本地降雨径流38亿m3，过境客水7 875亿m3.然而，长期以来武汉市一直陷于“优于水又忧于水”的处境中［15］.一方面，湖泊数量不断减少和水面萎缩［16］，另一方面，武汉市水环境质量不断恶化［17］.《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》将水质类别按从优到劣分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ六个类别.据统计，2010年武汉市江河、湖泊水质多处于Ⅲ类、Ⅳ类，少数处于Ⅴ类、甚至劣Ⅴ类水.联合国开发计划署（UNDP）、联合国环境署（UNEP）通过数年的调查研究指出，影响武汉市可持续发展的最重要的环境因素就是水环境问题［18］.然而，随着“两型社会”建设的深入，武汉市相关管理部门在规划、立法以及专项治理等方面不断探索、实践，并取得了较显著成果.2011年12月，武汉市十二次党代会在确立建设国家中心城市、复兴大武汉的宏伟目标的基础上，相应提出未来武汉应彰显三镇、三城滨水特色，构建大都市水岸景观，凸显“东方水都”风貌等目标.这为武汉市水环境保护和管理提出了更高的要求.

图1 武汉市数字地面模型和研究区域

2 武汉市水环境风险指标及权重

2.1 指标体系的构建 水环境风险评价，不仅需要考虑人类活动产生污染负荷的影响，还需要考虑水系统抵抗污染的能力，是典型定性与定量相结合的问题［19］.为了综合反映特定时空区域内水环境风险程度，根据武汉的实际情况最终确定23个指标作为考察对象.在指标体系的构建中，武汉市城市水环境风险（R）被分解成形成原因（A1）和结果表现（A2）两个子层次，将A1进一步分解成自然成因（B1）和社会成因（B2）两个子层次，将A2分解成经济社会发展水平（B3）和水污染负荷（B4）两个子层次.B1主要通过人均水资源量（C1）、产水模数（C2）、年均降水量（C3）和森林覆盖率（C4）4个指标来反映.其中：C1主要反映水资源的丰富程度；C2主要反映水资源禀赋；C3主要反映水资源补充、更新能力；C4主要反映森林丰富程度及生态过滤能力.B2主要通过人口密度（C5）、土地利用率（C6）、工业增加值（C7）和新开工房屋面积（C8）4个指标来反映.其中：C5和C6分别主要反映区域人口集中程度和土地利用程度；C7主要反映工业生产活动的市场价值；C8主要反映新建住房对城市建设用地的需求.B3主要通过人均GDP（C9）、平均工业能源消费量（C10）、人均寿命（C11）和人均可支配收入（C12）4个指标来反映.其中：C9主要反映宏观经济发展状况、C10主要反映平均工业总产值能源消费量；C11和C12是反映居民幸福程度和社会发展水平的重要指标.B4则主要通过综合水质类别（C13）、废水排放总量（C14）、综合污染指数（C15）和污水处理设施数（C16）4个指标来反映.其中：C13主要反映水域环境功能高低，相应划分为6类；C14主要反映工业污水和城市生活污水的排放总量；C15主要通过有关的污染物浓度等标化，计算得到简单的无量纲指数以定量地描述和比较环境污染的程度；C16主要反映城市对污水处理的能力.而C1～C14中C5、C7、C8、C13、C14、C15与R为负向相关，其他为正相关.武汉市城市水环境风险指标体系如图2所示.

图2 武汉市水环境风险指标体系

2.2 确定指标权重 AHP自20世纪70年代初被提出以来，作为一种定性与定量分析相结合的多目标决策方法，被广泛地应用于多目标综合评价和多层次权重决策分析中［20］.AHP在生态评价的运用中能有效把复杂问题分解为不同层次和组成要素，本研究采用AHP对武汉市水环境风险程度指标体系中各层次指标的权重进行计算和分配.

建立递阶层次结构是AHP法中最重要的一步，即把复杂的问题分解为我们称之为要素的各级组成部分，并把这些要素按属性不同分成若干级，形成不同层次.本研究构建的武汉市水环境风险程度指标体系为无交叉的“目标层—准则层—方案层”递阶层次体系，各层次分别对应武汉市城市水环境风险指标体系中的R-Ai-Bi，Ci.依据的AHP原理，聘请有关专家对所构建的递阶层次体系，对指标体系中各层次指标的重要程度分别进行两两对比并按照1～9的判断标度给出判断结构，构造出各层次指标对比判断结果矩阵.依次计算判断矩阵每一行各元素之乘积和的n次方根，即对向量进行归一化处理并利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验.本次计算通过Excel编辑函数实现，得到各层次指标检验系数CR分别为0、0、0、0.022、0.017、0.003和0.044，均小于0.1，可以认为该判断矩阵通过一致性检验.最终计算得到的评价指标各自的权重如表1所示.从表1中权重计算结果来看，所选指标中影响程度相对更重要的主要包括：自然成因指标中的C1；社会成因指标中的C6、C7；经济社会发展水平指标中的C10、C11及水污染负荷指标中的C13、C15.

3 武汉市水环境风险评价

3.1 确定指标值及灰类 在确定各指标的权重后，本研究采用基于三角白化权函数的灰色评价法对各个指标的值进行计算并对计算的结果进行评价和分析.该方法是基于灰色评价法的原理，依据评价过程中实际所需的评价等级数确定灰类数，并按照各指标的实际取值范围确定各灰类区间，然后通过建立隶属于各个灰类的三角白化权函数，计算相应的隶属度，再计算对象关于各个灰类的综合权系数，最后以取大原则判断某一评估对象隶属于某个灰类的程度［26］.根据《中国统计年鉴》、《中国环境年鉴》、《武汉市统计年鉴》等相关资料，按照本研究所构建的武汉市城市水环境风险指标体系确定各指标的现实值，综合考虑武汉市和湖北省的实际情况和平均水平将指标体系中的各个指标划分为3个灰类（见表2）.

表1 武汉市水环境风险程度评价各指标组合权重

表2 武汉市水环境风险程度评价各指标取值及其灰类划分

3.2 计算各指标对应灰类的隶属度 根据灰色评价模型原理，我们将各个指标的取值范围进行延拓，相应地划分为5个区间：［a1，a2］，…，［a4，a5］，令λ1＝（a1＋a2）／2，λ2＝（a3＋a4）／2，λ3＝（a4＋a5）／2计算单个指标对应各个灰类的白化权函数值.然后，依据公式（1）计算f1（x）、f2（x）、f3（x），并取其中的最大值 maxfkj（x）.分别计算C1～C16各指标与“灰类Ⅰ”、“灰类Ⅱ”、“灰类Ⅲ”对应fkCi（x），并且再对应地计算出 maxfkCi（x）值 分别为：0.69、0.92、0.92、0.58、0.92、0.94、0.75、0.96、0.63、0.93、0.40、0.86、0.67、0.92、0.84、0.90.由于C5、C7、C8、C13、C14、C15呈负相关关系，通过 max［1-fkCi（x）］进行修正.经过计算得到：C5、C7、C8、C14、C15、C16属第一灰类；C12、C13属第二灰类；C1、C2、C3、C4、C6、C11、C9、C10属第三灰类.

得到Ci层各指标对应的灰类隶属度以后，根据Ci层各指标f1（x）、f2（x）、f3（x）的值以及权重ηj.通过公式（1）分别计算出二级目标Bi层各指标聚类权系数δ1i、δ2i、δ3i，再经过比较取δ1i、δ2i、δ3i中的最大值max（δkBi）即Bi层各指标的综合聚类权系数，并得到Bi层各指标对应的灰类隶属度.

同理通过计算得到Ai和R综合聚类权系数.最终计算出 maxfkBi（x）值分别为：0.77、1.01、0.63、0.99.B4属于第一灰类；B2属于第二灰类；B1和B3属于第三灰类.maxfkAi（x）值分别为：0.55、0.65.A1和A2分别属于第三灰类和第一灰类.maxfkR（x）值为：0.50，属于第一灰类.

3.3 计算结果分析 从上节的计算结果可以看出武汉市水资源量较丰富、森林覆盖处于较好水平；人口密度较高、工业增加值和新开工房屋量也高于全国平均水平；人均GDP、平均工业能源消费、人均寿命和城市居民人均收入也在全国副省级城市中处于中上水平；农业现代化水平、高中入学率等指标都处于中等水平；但同时，土地利用率也较低、综合水质类别较低、废水排放总量和综合污染指数较高、污水处理设施数和其他主要全国副省级城市相比也相对较少.

综合而言，武汉市水环境风险水平的计算结果处于第一灰度.假设相对于R，“灰度Ⅰ”、“灰度Ⅱ”、“灰度Ⅲ”分别对应“风险较高”、“风险一般”、“风险较低”，则目前武汉市水环境风险总体处于“风险较高”水平.从这一结果的具体成因看，武汉市水环境自然条件相对较好，但社会发展对水环境有一定负面影响；而从具体表现结果方面看，武汉市经济、社会水平发展基本面较好，但水污染负荷程度较高，并成为最终反映水环境风险的主要因素.

4 武汉市水环境管理战略思考

4.1 武汉市未来社会经济发展的情景假设 结合武汉市的实际情况，对未来10～15年武汉经济社会不同发展路径做了3种情景假设，即：“基准情景”、“优化情景”和“绿色低碳情景”.

4.1.1 基准情景 武汉市固定资产投资、财政收入、城区居民人均可支配收入和农民人均现金收入都有较大幅度增长，但城镇化进展受到户籍、资源和城市配套设施的限制；所采取的节能减排措施和水环境保护措施力度不够或效果不明显；新兴产业进一步获得发展，但是高耗能、高污染的产业仍占经济结构中较大比重；节能、环境保护和治理技术有所进步，但仍不能起到有力的支撑作用.

4.1.2 优化情景 武汉市“两型社会”建设顺利推进，产业结构得到有效改善，高能耗、重污染的产业比例持续下降；制定了一系列的降低能耗和保护、治理环境的措施；城市公共交通发展取得明显效果；交通、建筑的污染控制标准更加严格；社会基本形成了绿色低碳的生产、生活和消费模式；以武汉市为核心的城市群成为中西部城市群中的代表.

4.1.3 绿色低碳情景 武汉市“两型社会”建设取得重要成果，武汉市“中心城市”的地位基本确立；经济结构取得极大优化，绿色、低能耗、高附加值的现代服务产业成为经济发展的主要驱动力；城市发展以公共交通和绿色交通为导向，注重中心城区和远城区的统筹协调发展；能源消耗结构中，非清洁能源消耗比例持续下降，可再生能源比例持续上升；严格制定降低能耗和保护、治理环境的措施并取得显著效果；社会全面形成了绿色低碳的生产、生活和消费模式；以武汉市为核心的城市群成为中国经济增长“第四极”中的重要代表.

4.2 武汉市水环境管理战略建议 根据上文对于武汉水环境风险指标体系中各层次指标的评价结果和对于未来武汉经济社会不同发展路径做了不同情景假设.结合武汉市当前发展和目标现实情况，通过对未来城市水环境风险管理的战略思考尝试提出以下3点建议：

4.2.1 实现战略思路上的根本转变 首先，发展模式上，实现从污染防治到产业优化，再到全面绿色低碳的发展转变.转变的实质是从水环境保护的根源出发，改变水环境“先污染、后治理”的逻辑，除了对重点行业水环境污染物处理的技术创新水平外，核心是优化武汉市的产业结构，积极发展新兴产业、促进产业规模发展、高端发展、绿色低碳发展，降低产业结构性不合理、经济发展方式落后对水环境风险管理带来的不利影响因素.其次，污染控制上，实现从离散点源控制到路径控制，再到空间面域控制的转变.最后，管理目标上，实现从水环境质量管理到水生态安全、再到实现繁荣水文化的转变.针对水环境受经济、社会发展影响逐步呈现出的多样性、复合型的特点.传统的常规评价因子和评价方法已经不能满足判断整体水环境安全性的要求.在水环境风险管理的目标制定上应该逐步由单一的水环境质量管理上升到对整个水生态安全的维护.而根据武汉市先天的水资源优势和未来的发展定位，如何繁荣“东方水都”的水文化是未来城市水环境风险管理战略思路转变的关键.

4.2.2 面向绿色低碳发展模式制定战略目标 在基本实现绿色低碳发展的情景模式下，依据武汉市独特的水资源条件，围绕武汉市“中心城市”建设和“两型社会”建设的需要，以建设“东方水都”和繁荣城市水文化为核心，建立立体的水生态安全保护系统和风险管理机制.具体而言，首先推动城市水环境风险管理与水生态保护成为城市可持续发展、实现绿色低碳发展模式的重要基础.一方面为营造良好水环境提供推动力，同时通过良好的水生态环境吸引人才，促进科技创新，为实现绿色低碳发展模式提供支撑.其次，推动城市水环境风险管理、水生态保护与修复逐步成为引导城市空间有序拓展的重要手段.将城市水环境风险管理与保护和合理利用城市土地资源、绿化等其他重要生态资源相结合构建科学安全的生态格局，同时提高土地使用效率，实现市域空间资源进行统一、高效管理，引导城市外围良好的生态环境深入城市中心.最后，推动良好的水生态环境成为体现武汉市城市特色人居环境的重要载体.一方面，可以营造独特的滨江、滨湖人居环境，对内改善城市居住适宜性，另一方面，传承和升华以水为载体的城市文化名片，对外提升城市吸引力.

4.2.3 构建有力的水环境管理战略支撑体系 除了要在实践层面具体突出城市发展定位，着眼经济转型目标，并进一步完善相关立法体系.此外，还应注意以下3个方面：首先，提高空间管理科学性和强制性，加快城市空间布局由“摊大饼式”无序蔓延向空间集约有序发展的转型，构建城市生态边界和安全底线，为塑造“东方水都”城市形象而服务.其次，科学调动并协调各种管理资源，积极吸引投资主体和公众参与为水环境治理和优化服务.最后，积极尝试武汉市水环境风险管理创新，将新的管理要素或要素组合引入水环境风险管理系统中，以更有效地实现组织目标的创新活动，并提升科技对于管理创新的支撑作用.

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