白洋淀上游河流水环境风险评价

2022-02-23任晓强管孝艳

中国农村水利水电 2022年2期

任晓强，李娜，管孝艳，3，陶园，3，彭舟

（1.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京100048；2.中国灌溉排水发展中心，北京100054；3.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京100048）

随着我国人口不断增长、工业化进程加快以及社会经济发展，诱使水环境问题凸显，水环境风险分析越来越被关注，其可为水环境风险管理提供参考和依据［1］。作为“华北明珠”，白洋淀是雄安新区发展建设的重要依托，其在促进流域周边城市生态建设、调节生态气候、保护物种多样性和维持华北地区的生态平衡等方面发挥着十分重要的作用［2］。上游入淀河流作为白洋淀的天然水源，其水环境质量直接影响白洋淀的环境治理和生态恢复，因此，白洋淀上游入淀河流水环境风险评价十分必要［3］。

水环境风险评价是水环境风险管理和污染防治的基础。目前，国内外研究学者在水环境风险评价的理论基础和实际应用方面都取得了一定的进展。20世纪80年代初，美国国家科学研究院（NAS）和环保局（USEPA）首先提出了基于危害鉴定、剂量-效应评价、暴露评价、风险表征的“四步走”方法用以评价水中污染物给人体健康所带来的风险［4］；Nazar 等［5］较早提出了表征环境风险的量化指标，为环境风险从定性评价转为定量评价提供了基础；祝慧娜等［6］综合考虑水环境污染的脆弱性和对人体健康的危害性，构建了河流水环境污染风险模糊综合评价模型，并将其成功运用于湘江水环境风险评价中；魏娜等［7］将世界自然基金会（WWF）提出的水环境风险评估指标进行了本土化的调整，构建了适应中国国情的流域水环境风险评估指标体系。经过了多年研究发展，国内外已基本形成了比较成熟的区域水环境风险评价指标和评价体系，推动了水环境风险评价在实践中的应用。

然而，目前水环境风险评价多以流域、水源地为研究对象［8］，对河流水环境风险的研究尚少，且大多注重水质、水量或者单一污染物的风险研究［6］，因此亟待开展综合性河流水环境风险评价研究。本研究以白洋淀上游入淀河流为研究对象，考虑河流上下游河段风险传递性，从风险源、河流特性、自然地理及社会发展条件、水污染治理能力等因素出发，构建了白洋淀上游河流对白洋淀水环境影响的风险评价体系，并利用改进层次分析法（IAHP）和水污染综合指数法对白洋淀上游入淀河流进行风险评价，为河流及白洋淀水环境污染防治和风险管理提供参考。

1 研究区概况

白洋淀流域位于华北平原中部，地处山西、河北、北京三省交界处，地理位置为东经113°39′～116°11′，北纬39°4′～40°4′，属于海河流域大清河水系，流域面积约为3.11 万km2［2］。白洋淀位于流域下游地区，是华北平原最大的淡水湖［2］。白洋淀上游共有8条入淀河流，分别为潴龙河、孝义河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河和白沟引河（潴龙河和萍河因常年断流，不纳入研究范围）（图1）。白洋淀流域人口稠密，水资源总量相对匮乏，社会正常经济活动的用水量持续增加，除府河、孝义河、白沟引河、瀑河长期有水外，其余入淀河流为季节性河流，部分依靠引黄入冀或南水北调维持水面［3］。白洋淀上游入淀河流水质较差，绝大多数河流监测断面水质处于Ⅳ～劣Ⅴ类水平，主要污染物为化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）等［11］。

图1 白洋淀上游入淀河流Fig.1 The rivers into Baiyangdian Lake in upper Baiyangdian basin

2 研究方法

2.1 风险评价单元划分

收集白洋淀流域数字高程模型（DEM）数据，并利用ArcGIS中的水文分析模块划分白洋淀子流域，同时考虑流域内的行政区划、水功能区划以及《水污染防治行动计划》（即‘水十条’）的要求，对白洋淀子流域的边界范围进行修正［12］。子流域划分完成后，将白洋淀上游入淀河流，按照县区分成若干个河段单元，同时参考白洋淀各子流域的控制范围，以及各个县区的行政边界，划分每个河段单元的流域控制范围，最终生成22 个水环境风险评价单元，文中以“河流名称—县级行政区名称”的方式命名评价单元。

2.2 风险评价指标体系建立

水环境风险评价指标体系的建立是进行水环境风险评价的前提和基础。考虑到风险沿河流方向的传递性和累积性，把一条河流相邻两个河段中的上游河段看作下游河段的潜在风险来源之一，在遵循科学性、代表性、全面性、可比性、方便性等原则基础上［13］，从风险源、河流特性、自然地理及社会发展条件、水污染治理能力等因素出发，构建了考虑河流上游河段对下游河段影响的水环境风险评价体系（表1）。

表1 河流水环境风险评价指标体系Tab.1 River water environment risk assessment index system

（1）风险源子系统。风险源的有效辨识是水环境风险评价的前提和基础。风险源子系统中选择单位耕地面积化肥施用量、畜禽粪便排泄量、农村生活污水排放量、农村人体粪尿排泄量作为面源污染的评价指标。其中，单位耕地面积化肥施用量反映研究区域种植业污染程度，畜禽粪便排泄量反映研究区域畜禽养殖业污染程度，农村生活污水排放量、农村人体粪尿排泄量反映研究区域农村生活源污染程度［14］。选取单位GDP 工业废水排放量作为点源污染的评价指标。此外，在河流下游河段水环境风险评价中，还需考虑来自相邻上游河段的水环境影响，因此，选择相邻上游河段的风险值及其到相邻上游河段的距离作为下游河段污染的评价指标。

（2）河流特性子系统。河流特性可以直接反映河流水资源与水环境现状，也是水环境评价系统的重要组成部分。以河流水质现状、河流水功能区达标率指标直接反映河流水环境现状，多年平均年排水量或径流深×流域面积直接反映河流水资源现状以及其对污染物浓度及污染物迁移的影响。

（3）自然地理及社会发展条件子系统。自然地理及社会发展条件是水环境风险的间接驱动要素。在流域的发展过程中，人类的社会经济活动起主导作用。选取人口数量、人口自然增长率和人均GDP 作为社会发展的评价指标，其中人口数量、人口自然增长率反映研究区域人口规模和变化情况，人均GDP 反映研究区域经济发展水平的高低［15］。选取污染源到白洋淀的距离指标来反映研究区域内污染物迁移到流域出口-白洋淀的衰减作用。

（4）水污染治理能力子系统。水污染治理能力是河流水环境污染防治和风险管理的主要驱动要素。采用工业废水排放达标率反映工业点源污染控制和治理水平，采用城镇生活污水集中处理率反映研究区域内城镇生活污水集中收集处理设施的配套程度，采用城镇垃圾收集率反映研究区域内对城镇生活垃圾的处理能力［16］，采用环保投资占GDP比重以反映研究区域内对环境保护投入的重视程度。

2.3 评价指标权重的确定

层次分析法（AHP）是一种较为常见的赋权方法。然而，传统层次分析法（AHP）采用Saaty［17］提出的1～9 标度法来构造判断矩阵。当评价体系中指标较多时，不仅迭代次数较多，运算量大，而且判断矩阵很可能因一致性较差（甚至不具有一致性）而导致计算出的指标权重可靠性较低。因此，本研究运用已有的改进层次分析法（IAHP）［17，18］，采用三标度法（0，1，2），对指标进行两两比较，建立比较矩阵，进而确定判断矩阵。该方法具有自调节功能，不需要进行一致性检验，与传统层次分析法（AHP）相比，标度值具有合理性和良好的判断传递性，在比较判断过程中提高了准确性。该方法计算步骤包括构建风险评估指标体系、建立调查问卷并邀请水环境领域的专家对各评价指标的相对重要性给予判断、构造判断矩阵、求解特征向量、层次单排序、层次总排序确定各评价指标的最终权重。最终的计算结果见表1。

2.4 数据来源及处理

研究区域内各县区的人口数量、经济生产总值（GDP）、人口自然增长率、耕地面积、化肥施用量（折纯量）、畜禽养殖量、工业废水排放达标率、城镇生活污水集中处理率、城镇垃圾收集率、农村人口数量等数据主要来自于各地区2017年年鉴或经济统计年鉴；水质数据主要来自于2017年政府网站发布的部分断面水环境质量以及实地采样检测数据；节能环保支出数据主要来自于2017年各县区政府公共预算支出；工业废水数据主要来自于生态环境厅/局给出的污染重点监测企业相关信息；畜禽粪便排泄系数、农村人体粪尿产生系数主要来自于文献［19］、农村人均生活污水产生系数主要来自于文献［20］。

畜禽粪便排泄量、农村生活污水排放量、农村人体粪尿排放量等面源污染指标采用输出系数模型来计算［21，22］。研究单元到上游河段的距离、污染源到白洋淀的距离等指标利用河流水系图以及ArcGIS 软件来实现。上游河段的风险值是采用综合指数加权求和法来实现［7］。

2.5 评价指标等级及水环境风险等级划分

白洋淀上游入淀河流水环境风险评价指标等级划分的依据是：①优先采用国家标准或者省、市标准规定的等级分类值；②相关研究领域的参考文献较多时，参照文献中指标的分级标准，并结合研究区域的实际情况来对指标的评价等级进行划分［23］；③当没有国家、省市标准或者相关的参考文献分级数据可以参考的情况下，使用韦伯-费希纳定律（W-F 定律）来计算指标的分级标准界限值［24］。白洋淀上游入淀河流水环境风险评价指标分级标准见表2。

表2 河流水环境风险评价指标分级标准Tab.2 Classification standard of river water environment risk assessment index

白洋淀上游入淀河流水环境风险综合评分值的计算采用综合指数加权求和法，即用各评估指标的评分值与它的权重系数相乘并求和来反映河流水环境风险的大小。其数学表达式为：

式中：R为水环境风险综合评分值；Si为各评价指标的评分值；Wi为各评价指标的权重值；i为各评价指标；n为评价指标的个数。

河流水环境风险综合评分值的计算结果越大，水环境风险程度越大，反之越小。若最终计算结果属于（0，1］，则风险等级为Ⅰ（无风险或者可接受风险），风险产生概率极低或破坏性极弱；属于（1，2］，风险等级为Ⅱ（低风险），要约束用水行为来防范风险；属于（2，3］，风险等级为Ⅲ（中风险），风险发生或者潜在存在造成一定损害；属于（3，4］，风险等级为Ⅳ（高风险），风险极易发生并造成极大破坏；属于（4，5］，风险等级为Ⅴ（极高风险），风险发生频繁且造成不易恢复性破坏［7］。

3 水环境风险评价结果与分析

2017年白洋淀上游入淀河流水环境风险评价计算结果如图2 和表3、4所示。从计算结果（图2 和表3）来看，2017年白洋淀上游入淀河流总体风险等级为Ⅲ级（个别河段除外），属于中风险区域，即存在潜在风险并会给下游的白洋淀造成一定损害。孝义河的定州段、安国段、博野段及蠡县段风险等级为Ⅳ级，属于高风险区域，该区域极易发生水环境风险并会对下游的白洋淀造成极大影响；唐河—涞源段风险等级为Ⅱ级，是研究区域内唯一的低风险区域。

表3 河流水环境风险评估结果Tab.3 Assessment results of water environment risk of the rivers

图2 河流水环境风险分布Fig.2 Distribution of water environment risk of the rivers

对不同河段水环境风险评价指标得分热力图（表4）进行分析可知，影响白洋淀上游入淀河流水环境风险水平的主要原因在于环保投资占GDP 比重、单位耕地面积化肥施用量、河流水质现状和河流水功能区达标率等指标。白洋淀上游入淀河流周边多数县区对水环境保护的重视程度稍显不足，环保投资占GDP 比重较低，按照国际经验，当地区的环保投资占GDP 比重小于1%时，难以控制环境恶化的趋势。白洋淀上游入淀河流主要分布在大清河淀西平原内部，其农业生产条件很好、农业经济比较发达，是我国的主要产粮区［25］。绝大多数风险评估单元控制的流域范围内化肥施用强度达到国际公认化肥施用安全上限（225 kg/hm2）的3～5倍之多，给周边河流带来较大的环境压力。此外，白洋淀上游入淀河流多数河段的水质现状较差，河流水功能区达标率较低，河流水环境长期面临较大的风险压力，特别是对孝义河定州段、安国段、博野段及蠡县段等水环境高风险河段。

表4 不同河段水环境风险评价指标得分热力图Tab.4 The height map of water environment risk assessment index scores in different river sections

除上述评价指标影响外，孝义河—曲阳段、唐河—浑源段、唐河—灵丘段和唐河—安新段的主要风险成因还包括这些河段控制范围内人均GDP 指标水平比较低；漕河—易县段、漕河—徐水段、唐河—灵丘段、唐河—唐县段和唐河—定州段等河段控制范围内畜禽养殖业较发达，畜禽粪便排泄量指标处于较高水平，加之基础设施的不完善，畜禽粪便无法得到妥善处理，给周边的河流水环境带来较大风险。

通过上述分析，在白洋淀上游入淀河流生态环境的治理与修复方面，未来应进一步加大环境保护投资，妥善处理经济增长与农业面源污染的关系，降低化肥施用强度，优化畜禽养殖模式，实施畜禽粪便资源化利用，同时进一步加强对河流水体的治理力度，改善河流水质条件。