改进型多层次多目标模糊优选模型在海河流域水环境安全评价中的应用

王 哲，杨学军，李涛涛

（1.海河水利委员会水文局，天津 300170；2.天津市水利勘测设计院，天津 300204）

水环境安全是从人水和谐的角度提出的新概念。它不仅与水量水质等水环境因素有关，而且受到社会经济发展等其他因素的影响。随着人们对环境生态的不断重视，水环境安全问题已经成为国家和地区安全中一项重要问题。建立合适的流域水环境安全评价体系，选择正确合理的模型方法进行评价十分重要。不少学者[1-3]提出了水环境安全评价体系，并据之进行评价，但仍存在指标体系应用面不广、评价方法单一、难以适应复杂多变的水环境变化等问题。

海河流域是中国流域的典型代表，研究海河流域的水环境安全可以为中国水环境安全问题的识别和保障措施的选择提供参考依据。海河流域地处华北地区，降水量稀少，水资源短缺现象严重，河流萎缩，部分河流污染严重，水环境状况不断恶化[4]。笔者根据海河流域的水资源状况，综合考虑经济社会、生态环境等外部因素，采用DPSIR概念模型[5-8]和层次结构体系构建海河流域水环境安全评价指标体系，利用组合权重和改进型的多层次多目标模糊优选模型对海河流域3个时期的水环境安全状况进行评价，定量诊断海河流域的水环境安全趋势，为水环境安全管理提供科学依据。

1 构建水环境安全评价指标体系

根据海河流域的水环境状况，结合专家意见，采用DPSIR模型和层次结构体系构建了水环境安全评价指标体系。具体是在指标体系整体构建上采用层次结构，建立4层指标体系，分为目标层、制约层、要素层、指标层；然后在各分层指标的构建上采用DPSIR模型构建流域水环境和生态驱动力、水环境和生态压力、水环境和生态状态、水环境和生态影响、水环境和生态响应5类指标，系统、完整地反映流域水环境安全状况。指标选取，见表1。

2 水环境安全评价模型

2.1 评价等级划分

评价等级划分是水环境安全评价的重点任务。笔者采用模糊方法将水环境安全划分为5个等级，见表2。

2.2 评价方法选择

（1）权重的计算。笔者选择通过基于离差最大化的组合赋权法[9]把通过层次分析法[10-13]和熵权法[14-16]得到的权重系数进行组合，兼顾主客观赋权法的优劣点，使评价结果更有说服力。

表1 流域水环境安全评价指标体系

表2 区域水环境安全综合评判[17]

（2）评价方法。水环境系统影响因素众多，系统复杂，指标相互影响，又具有层次性和模糊性，因此笔者选用基于组合权重的改进型多层次多目标模糊优选模型，能够使指标所包含的信息得到综合反映，能够刻画系统的层次性和模糊性，而且理论严密、概念明确、计算合理实用，具体的计算公式见式（1）。

式中：gk为最优向量；bk为最劣向量；rkj为指标归一化值；ωk为权重。

3 海河流域水环境安全评价

笔者通过对海河流域1980、1990、2005年3个时期的水环境安全状况进行评价，明确水环境安全变化趋势，分析各项指数的变化。

3.1 海河流域水环境要素层安全指数计算和分析

水环境要素层安全指数，见表3。1980、1990、2005年3个时期的海河流域水环境要素层安全指数变化，如图1所示。

表3 水环境要素层安全指数

图1 海河流域水环境要素层安全指数变化

通过对要素层计算分析可以看出，自1980年以来海河流域经济社会一直保持持续发展。1980年左右，海河流域的多数指标处于预警状态，这个时期经济社会发展指标处于中警状态，这表明该时期社会经济发展刚刚起步，社会经济发展对于水环境安全的驱动力明显不足。1990年，随着改革开放的深入，海河流域社会经济发展迅速，接近较安全状态。2005年，随着京津唐工业区的崛起，海河流域的社会经济已经达到较安全状态。自1980年以来水资源压力和生态压力一直趋于好转，年各项指标都处于预警状态，1990年虽然也处于预警状态但是各项指标较1980年均有较大改善，水资源状况接近较安全状态，但是受社会经济发展驱动力的影响，由于生态建设和环境保护没有受到足够的重视，水环境和生态仍然处于预警状态，其中水生态压力指数比1980年降低，最低为0.450 7，处于预警状态。2005年，随着社会经济的发展，各级政府对生态环境建设和保护的投入有所增加，各项指标的安全指数都有提高，水资源需求状况和生态状况均达到较安全的状态，但是该时期由于经济发展方式难以转变，社会经济的发展对生态压力比较大，水环境影响指标仍处于预警状态，生态建设与环境保护仍然需要加大投入。

3.2 海河流域水环境制约层安全指数计算和分析

水环境制约层安全指数，见表4。1980、1990、2005年3个时期的海河流域水环境制约层安全指数变化，如图2所示。

表4 水环境制约层安全指数

图2 海河流域水环境制约层安全指数变化

通过对制约层安全指数的计算分析可以看出，海河流域水环境安全DPSIR 5个要素在过去的25年中均不断改善，特别是驱动力由1980年的0.295 3（中警状态）上升至2005年的0.681 9（较安全状态），带动了水环境安全的改善。随着经济和社会的发展，海河流域管理部门在改善区域水环境安全、促进可持续发展进程中不断投入，使得海河流域水环境安全响应也由0.324 0变化至0.590 7，逐年上升。2005年水环境安全影响和响应仍然处于预警状态，说明下一阶段仍然需要加大投入，从政策方面支持环境改善，从而改善整个流域的水环境安全。

3.3 海河流域水环境目标层安全指数计算和分析

水环境目标层安全指数，见表5。1980、1990、2005年3个时期的海河流域水环境目标层安全指数变化，如图3所示。

表5 水环境目标层安全指数

图3 海河流域水环境目标层安全指数变化

综合来看，海河流域的水环境安全状况是趋于好转的，从1980年的中警状态变化到2005年的较安全状态，但是流域水环境安全状况依然严峻，2005年的水环境安全指数为0.627 0，刚刚超过预警线，主要是由于水环境的改变是一个长期复杂的过程。从1990年代开始对流域水环境安全加大投入与整治，前期的投入还没有完全发挥出作用，仍然需要继续努力，争取将整个流域水环境安全提升到安全状态，保障海河流域人民的生活生产用水。

4 结论

（1）通过DPSIR模型和层次结构体系构建模式构建了水环境安全评价指标体系，涵盖社会经济、生态及水环境等33个指标，能综合反映流域水环境安全状况。

（2）采用组合赋权法将层次分析法和熵权法得到的权重系数进行组合，兼顾主客观的优点。利用改进型的模糊优选模型对水环境安全进行评价，符合水环境系统特点，能够使指标所包含的信息得到综合反映，能够刻画系统的层次性和模糊性，而且理论严密、概念明确、计算合理实用。

（3）分析1980、1990和2005年3个时期的水环境安全状况可以看出，近25年来海河流域的水环境安全状况一直处于上升状态，目前安全指数为0.627 0，处于较安全状态。但是，水环境和生态建设保护不足，水环境受自然生态、人类活动和经济结构影响较大。

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