基于熵权模糊综合模型的水污染风险评价

2021-10-18匡佳丽唐德善

人民长江 2021年9期

匡佳丽唐德善

摘要：为科学评价流域水污染风险，结合压力-状态-响应模型（PSR模型）从社会经济、污染源危险性、水资源质量、生态环境脆弱性和水污染防控5个角度建立了包含21个指标的流域水污染风险评价指标体系，并将风险划分为4个等级，采用熵权法确定客观权重，最后利用模糊综合评价模型对2012～2018年鄱阳湖流域水污染风险开展综合评价。结果表明：2012～2016年鄱阳湖流域水污染风险表现为中度风险，2017～2018年转为轻度风险，风险等级整体呈现逐年降低的趋势，与实际情况相符。其中氨氮排放总量、水功能区水质达标率和湖泊Ⅲ类以上水质比例这几个指标对鄱阳湖流域水污染风险的影响较大，因此相关部门需要重点在这些方面做出积极响应。研究成果对于鄱阳湖流域水污染治理和水资源可持续利用有一定借鉴作用。

关键词：水污染风险评价;模糊综合评价模型;PSR模型;熵权;鄱阳湖流域

中图法分类号：X52

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0032-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.006

0 引言

水资源是人类生存与社会发展的基础。近年来，由于城市化水平的不断提高与工农业经济的迅速发展，流域水污染问题日益突出。鄱阳湖作为中国第一大淡水湖泊，长江下游最大的水蓄积库，在维护生物多样性、调蓄长江洪水以及长江中下游淡水供给等方面具有十分重要的作用，对维系区域和国家生态安全具有重要的战略意义[1]。因此，对鄱阳湖流域水污染风险开展研究，可以及时了解水污染风险的动态变化，对于缓解水资源供需矛盾，改善水生态环境具有重要意义。

目前，许多学者从不同角度对水污染风险开展了研究。如祝慧娜等[2]综合考虑水环境污染脆弱性和对人体健康的危害性，对湘江进行了河流水环境污染风险模糊综合评价;尹亮等[3]主要考虑企业风险等级和风险发生后对水源地的影响两个方面建立了常州市水源地风险等级判定模型;李婷[4]利用熵权TOPSIS模型选取6个指标对大伙房浑河流域抚顺段水污染风险进行了评价;连亚妮[5]从环境风险危害性、传播扩散可能性、受体受损性分析和企业应对能力4个方面对黄河包头段水污染展开了风险识别和防控研究，主要对流域内潜在风险企业进行了模糊综合评价。对于水污染风险评价的研究大部分基于河流和水源地，对于流域水污染风险研究较少，并且大部分着重于水质、水量方面的指标评价，指标体系有待完善。因此，本文基于压力-状态-响应模型构建了水污染风险评价指标体系，并将熵权法确定权重运用于模糊综合评价模型中，进一步应用于鄱阳湖流域水污染风险评价，旨在揭示鄱阳湖水污染的主要影响因素和水污染风险现状，为管理者和决策者提供依据和解决思路。

1 评价指标体系构建

1.1 PSR模型

压力（Pressure）-状态（State）-响应（Response）模型最初是由OECD和联合国环境规划署（UNEP）为了研究环境问题而发展形成的一种框架体系。PSR模型是通过压力、状态和响应的逻辑思维方式来选取评价指标，这一思维逻辑以因果关系为基础，反映各个指标之间的相互作用关系[6]。压力指标代表发生变化的原因，即社会经济发展对流域水环境会施加一定的压力，因为这些压力增加了流域水污染的风险程度;状态指标则量化了这些压力造成水污染风险变化的程度;响应指标表示社会在意识到状态变化后采取措施的力度，在一定程度上减小了流域水环境污染的风险，从而反过来影响了状态指标。因此，PSR模型可以系统性地描述人类、社会、生态之间因果循環的相互关系，充分反映了各指标之间的内部联系。并且，流域水环境系统是一个具有动态性的复合多元系统，水环境变化有一定的迟滞性，仅仅通过某一段特定时期的状态进行评价不能真实准确地反映系统的实际状况，而PSR模型具有很强的灵活性和全面性，既能充分体现系统当时的自然状态，又能综合考虑社会发展和人类采取的调控措施对系统造成的影响，对于全面评价流域水污染的风险程度非常适用。

1.2 水污染风险评价指标体系构建

水污染风险评价指标体系构建的首要问题是水污染风险识别，以便建立全面的风险评价指标体系。为了综合反映流域水污染的显现及潜在风险，本文遵循系统性、代表性、独立性、客观性、动态导向性及区别性等原则[7]，广泛咨询专家的意见并参考相关研究[8-11]，同时考虑数据的可获取性，基于PSR模型从社会经济、污染源危险性、水资源质量、生态环境脆弱性和水污染防控5个角度对流域水污染的致险因素进行分析研究，建立了含有21个指标的水污染风险评价指标体系（见表1）。其中压力（P）指标主要指社会发展、经济及人口增长、各种产业污染排放对于资源和环境带来的不利影响;状态（S）指标主要指河湖库的水质、富营养化程度等反映流域水污染实际现状的指标;响应（R）指标主要指人类社会对于水污染现状做出的相应对策，如污水处理率、污染治理的财政投入等。

1.3 评价指标等级划分

为了充分反映各项指标对水污染产生的风险程度，在已有研究[5，10-12]的基础上，参考各指标的评价标准（河湖生态健康评价指标研究[13]），并咨询相关专家意见，将流域水污染的风险等级划分为Ⅰ（轻度风险）、Ⅱ（中度风险）、Ⅲ（重度风险）、Ⅳ（极度风险）4个等级，如表1所列。

2 研究方法

2.1 熵权模糊综合评价模型基本思想

由于水污染风险涉及社会经济、污染源和防控能力等多方面因子影响，不同流域的社会经济发展情况差异较大，故流域水污染风险评价是一项复杂的多层次、多目标综合性问题，并且风险评估具有随机性、不确定性和模糊性。因而本文从科学合理性、实用性出发，选择熵权模糊综合评价对所在流域的水污染风险进行分析评价。

熵权法是一种客观赋权，它是根据样本本身的信息特征做出的权重判断，即通过各项指标的观测值提供信息量的大小来确定指标的权重[14-15]。应用熵权法能全面利用并反映指标数据的信息，当评价对象在某个指标上的值差异度较大时，信息熵ei较小，说明该指标提供的信息量较大，则其相应权重也较大，表明该指标的变化对于水污染风险评价影响越大。

模糊综合评判[16]是以模糊数学为基础，应用其模糊变换和最大隶属度原理，对多因素影响、边界不清的事物或现象进行综合评价，根据各因素的相对重要程度和对它的评价结果，把原来的定性指标定量化，对于流域水污染风险评价能够系统全面地综合各方面因素的影响，客观地反映其真实状态。

2.2 熵权法确定权重

步骤1：数据标准化。由于评价指标的量纲单位的不同，会对评价结果产生影响，因此首先对各评价指标进行无量纲处理。其中正向指标属于越大越优型，逆向指标属于越小越优型，具体公式如下所示。

2.3 模糊综合评判模型

2.3.1 构建因素集和评价集

水污染风险因素分为社会经济风险（u1）、污染源危险性风险（u2）、水资源质量风险（u3）、生态环境脆弱性风险（u4）、水污染防控风险（u5），构成因素集U={u1，u2，u3，u4，u5}。参考相关研究和规范，将风险划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个等级，构成评价集V={v1，v2，v3，v4}，其中，v1代表轻度风险，v2代表中度风险，v3代表重度风险，v4代表极度风险。

2.3.2 构建模糊关系矩阵

表示每个评价对象在评价等级集合中隶属于不同评价等级的程度，称为隶属度，以rij表示。因素集U对评价集V的隶属度rij组成的矩阵即模糊关系矩阵R：

从表1可看出所选指标均为定量指标，对定量指标遵循相关文献[17-19]所给出的确定隶属度函数的原则，隶属度函数采用岭形隶属函数。将每个指标等级区间的中点作为分界点，隶属度函数公式如下所示：

2.3.3 构建综合评价矩阵进行模糊评价

综合评价矩阵计算公式：

隶属度反映了模糊集合中的每个元素对评判集合的隶属程度，隶属度的值为[0，1]区间内的数，越接近于1，表示隶属程度越好。故可根据最大隶属度原则综合判定水污染风险等级，公式如下：

3 鄱阳湖流域水污染风险综合评价

3.1 研究区概况

鄱阳湖位于江西省北部，汇集江西省内赣江、抚河、饶河、修河、信江五大水系，下接长江，是中国最大的淡水湖。鄱阳湖水系流域面积共162 225 km2，约占江西省国土面积的97%。江西省境内地势南高北低，周围群山环绕逐渐向鄱阳湖区倾斜，呈现一种南窄北宽以鄱阳湖为底部的盆地状地形，因而江西省境内大部分地表水都汇集于此，基本上形成了以省级行政单位边界划分的流域系统。鄱阳湖水系在长江流域和江西境内都有着首屈一指、不可替代的重要作用，是江西省经济发展的命脉，其洪水调蓄功能、湿地面积以及生态多样性都对整个区域甚至上下游流域有着巨大的影响。而鄱阳湖水系周边城市密布，城市的发展对于水资源的利用需求较大，存在着潜在流域水污染风险，对于整个流域供水、经济发展以及生态环境有一定的安全隐患，因此以鄱阳湖流域为例，研究其水污染风险对于控制污染源、提升水污染防控能力和用水安全，以及保护鄱阳湖流域生态环境具有重要的意义。

3.2 数据来源

本文所需研究数据主要来源于2012～2018年《江西省统计年鉴》《江西省水资源公报》《江西省环境统计年报》《江西省环境公报》《中国人口和就业统计年鉴》及相关政府工作报告。经统计得到鄱阳湖流域水污染风险评价各指标原始数据，见表2。

3.3 指标权重系数确定

利用上述公式（1）～（5）对原始数据进行标准化处理及权重计算，得出各评价指标权重见表3。

3.4 模糊综合评价模型建立及计算

（1）构建因素集与评价集如表1所示。

（2）构建模糊关系矩阵。由式（7）～（9）计算确定每个评价对象的各个指标对与风险等级的隶属度，得出各年份的模糊关系矩阵R，以2012年为例，所求矩阵如下：

同理，可计算得到2013～2018年的模糊关系矩阵。

（3）构建综合评价矩阵进行分级评价。根据综合评价矩阵计算公式（10）以及最大隶属度原则式（11）对综合风险等级进行模糊评价，获得鄱阳湖流域水污染风险评价的最终结果，评价结果如表4～5所列。

3.5 评价结果分析

从表3的计算来看，对鄱阳湖流域水污染风险影响较大的几个指标（权重大于6%）主要有氨氮排放总量、水功能区水质达标率和湖泊Ⅲ类及以上水质比例，对鄱阳湖流域水污染风险有一定影响的指标（权重在5%～6%之间）主要有富营养化水库比例、城镇生活污水处理率、农业化肥施用量、城镇生活污水排放量和万元GDP用水量。除此之外，江西省在污染治理支出、河湖（庫）长达标率以及垃圾无害化处理等方面工作保持着很好的成绩，在一定程度上减缓了水污染的风险，使鄱阳湖流域生态环境得到很大改善，这些因素也起到了一些轻微的影响。

从表4的结果可以看出，鄱阳湖水污染风险等级在2012～2016年处于中度风险，表示流域内发生大面积水污染事件的风险较大。2017年首次进入到轻度风险状态，并且2018年仍然保持在轻度风险状态，说明近几年鄱阳湖水质与水环境正在向着良性态势发展，地区保护水资源及生态环境的意识逐渐加强，经过一系列制度和政策的推行，使得鄱阳湖流域水污染风险等级降低，流域水环境质量得到改善。

从表5水污染风险的5个子系统指标评价来看，2012～2018年社会经济指标基本平稳，处于中度风险的状态。虽然城镇化率与人口密度一直处于不断增加的趋势，但随着江西省全面推进最严格水资源制度，严格完成水资源管理“三条红线”控制目标，建设节水型社会，人均综合用水量从2013年的586 m3降低到2018年的540 m3，万元GDP用水量也从2012年187 m3降低到2018年的114 m3，整体下降幅度较大，说明用水效率和用水节约集约化程度都在不断提高，取得了良好降低水污染风险压力的效果。考虑到2012～2018年社会经济指标仍处于中度风险状态，并且从未来江西省经济发展趋势来看，水污染面临的社会经济压力不可小觑，相关部门应当重视流域内的社会发展给水资源水生态带来的影响，促进流域高质量可持续协调发展。

污染源危险性指标在2015年达到重度风险，其余评价年份均为中度风险，说明流域内污染排放风险总体比较平稳，在2015年偏于不安全的状态。城镇生活污水排放量和农业化肥施用量在2012～2015年处于不断增长的态势，导致水污染风险加大，在2016年以后开始回落，说明两者是2015年污染源危险性指标达到重度风险的主要因素，相关部门应该着重从城镇污水排放量和化肥施用量控制方面采取措施。另外，氨氮排放总量在2012～2018年一直处于下降趋势，从2012年的91 050 t下降到2018年的58 409 t，对于整个流域水污染风险降低起到了很积极的作用，说明产业结构不断优化，污水处理水平不断提高，江西省生态环境保护政策取得了很大的成效。

水资源质量指标在评价年里处于波动状态，整体水质基本逐年变好，2012～2013年为中度风险，2014年状态最差，处于重度风险，2015～2018年一直处于轻度风险的状态。说明2015～2018年江西省水资源质量综合治理取得了一定的效果，但是湖泊水质监测断面Ⅲ类以上水质比例仍逐年降低，相关部门应该更为重视湖泊水资源保护，以免发生湖泊大面积水质恶化的现象。

生态环境脆弱性的指标风险等级处于整体上升状态，2012～2015年为轻度风险，在2016年和2018年达到中度风险，说明鄱阳湖流域生态环境基础良好，但是随着近年来经济的迅速发展，忽视了生态保护，导致生态环境越来越脆弱，因此，应该加强资源节约与环境友好型社会的建设，在经济生产中融入环保理念，建立环保激励与约束机制。

水污染防控能力处于稳步上升的状态，自2016年起保持着轻度风险等级，水污染防控指标风险等级变化与总体级别变化基本一致，说明水污染防控对于鄱阳湖流域水污染风险等级下降起到了重大的作用。江西省积极采取措施，将工业废水处理率从2012年的61.29%提升到2018年的72.18%，城市污水处理率也从84.31%提升到95.77%，污水处理率和处理能力也在不断提高。另外，随着2015年年底江西省在全省江河湖库水域内全面实施河长制，不断健全制度体系，完善河湖管护长效机制，强化监督考核，极大地提高了江西省水污染防控能力，降低了流域内水资源污染的风险，说明河长制的实施取得的效果显著，若继续在鄱阳湖流域内实施河长制，水污染治理和水资源保护一定会取得更优的成绩。

4 结论与展望

（1）本文从社会经济、污染源危险性、水资源质量、生态环境脆弱性以及水污染防控5个方面建立了流域水污染风险评价体系，并确定指标分级标准，利用熵权法与模糊综合评判结合的模型对鄱阳湖流域水污染风险等级进行了判定，该模型能够削弱模糊层次分析法中AHP法确定权重的主观性，充分利用了数据本身的信息量，使评价结果更为客观、科学、合理。评价结果与实际情况基本吻合，说明熵权模糊综合评判模型对于水污染风险评价问题具有可行性和适用性。

（2）鄱阳湖流域2012～2016年水污染风险为中度风险，2017～2018年为轻度风险，风险等级逐年降低说明流域水环境状态呈现良性发展态势。但是社会经济指标、污染源危险性指标及生态环境脆弱性指标仍处于中度风险状态，说明社会经济发展给水污染带来的压力依然很大，生态环境十分脆弱，解决发展带来的水资源紧张及生态环境相关问题势在必行。

（3）氨氮排放总量、水功能区水质达标率和湖泊Ⅲ类及以上水质比例对鄱阳湖流域水污染风险的影响较大，因此在流域污染治理方面要特别重视污水排放指标，直面湖泊水污染问题，继续发挥河长制湖长制工作取得的成效。

参考文献：

[1] 鲍曙明.国内外湖区发展的经验教训及其对鄱阳湖生态经济区建设的启示[J].鄱阳湖学刊，2009（2）：15-22.

[2] 祝慧娜，袁兴中，梁婕，等.河流水环境污染风险模糊综合评价模型[J].中国环境科学，2011，31（3）：516-521.

[3] 尹亮，逄勇，潘晨，等.常州市水源地水污染风险等级判定[J].水资源保护，2013，29（2）：28-32

[4] 李婷.基于熵权的 TOPSIS 模型在水污染风险评价中的应用[J].黑龙江水利科技，2015（7）：16-17.

[5] 连亚妮.黄河包头段水污染风险识别与防控研究[D].西安：西安理工大学，2019.

[6] 杨志，赵冬至，林元烧.基于PSR模型的河口生态安全评价指标体系研究[J].海洋环境科学，2011，30（1）：139-142.

[7] 郭潇，方国华，章哲恺.跨流域调水生态环境影响评价指标体系研究[J].水利学报，2008，39（9）：1125-1130，1135.

[8] 李艳丽，苏维词，杨吉，等.基于熵权模糊综合模型的重庆市水环境安全评价[J].人民长江，2017，48（9）：25-29.

[9] 邵强，李友俊，田庆旺.综合评价指标体系构建方法[J].大庆石油学院学报，2004（3）：74-76，105-123.

[10] 馬梦含，靳春玲，贡力，等.基于MCW-正态云模型的黑河流域突发水污染安全评价[J].水资源与水工程学报，2020，31（2）：103-109.