城市地表集中式水源地管理风险评价

2022-12-05方国华王鸿祯于凤存李丹阳

水利经济 2022年6期

方国华，王鸿祯，于凤存，张钰，李丹阳

(1.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098； 2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650051；3.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽蚌埠 233000)

随着人口增长与社会经济的快速发展，饮水安全问题突出已经成为不争的事实。为持续保障饮用水源地良性健康运行，应积极推行科学可行的水源地保护方式和管理机制。饮用水源地管理风险评价是水源地管护工作的重要内容，对保障水源地饮水安全具有重要意义。我国城市水源地大多为地表水源地，且为开放式，安全保障问题尤为突出。因此，研究城市地表集中式水源地管理风险评价对破解发展与保护矛盾，提高水资源承载能力、缓解用水压力、保障供水安全具有重要的现实意义和长远的战略意义[1-2]。

近年来，饮用水源地的管理和保护得到了国内外学者的重视[3-6]，对饮用水水源地管理存在的风险进行了分析研究，如廖涛等[7-8]针对性提出了长江江苏段饮用水源地风险防控措施。但目前对城市地表集中式水源地管理风险评价的研究较少，尚未形成较为成熟的评价理论体系。本文基于压力-状态-响应模型(press-state-response, PSR)模型，运用专家咨询法和主成分分析法确定城市地表集中式水源地管理风险评价指标，利用层次分析法和熵值法求出评价指标的主客观权重，并计算评价指标的组合权重，基于灰色评估与模糊综合评价理论，建立城市地表集中式水源地管理风险组合赋权-灰色模糊综合评价模型，并选择长江八卦洲(左汊)上坝饮用水源地进行管理风险评价实例分析，旨在为保障城市供水安全提供理论依据和科学参考。

1 水源地管理风险评价指标体系构建

1.1 评价指标选取

水源地管理风险是指在一定时空范围内，由于水源地管理保护措施不到位、管理体制机制不完善间接造成水源地水使用价值降低或丧失，难以保障水源地取水水量、水质，从而影响居民正常生活与社会稳定发展等。

对饮用水源地进行全方位保护和管理是一项复杂的系统工程，需要综合考虑水质、水量、生态环境、管理保护等各方面风险属性，以往研究多聚焦于水源地水体水质污染风险、水量短缺风险与水源地缓冲区生态环境恶化风险等。然而根据水源地特点，采取合适的管理保护措施，建立完善的体制机制，对稳定维持水源地健康运行具有同等重要意义。因此，针对水源地管理风险，建立相应评价指标体系与评价模型，量化分析水源地管理风险并采取针对性措施加以防控，也是保障水源地功能永续利用的关键之一。饮用水水源地管理风险因素众多，相互作用复杂。可持续发展评价指标体系中的PSR模型适用于建立结构复杂、影响因素众多的评价指标体系，目前PSR模型框架在复杂系统评价指标研究中得以广泛应用，被认为是最有效的方法之一[9-11]，其中压力(驱动力)指标用以量化表述致使发展不可持续情景下的经济增长与环境资源开发利用等模式，状态指标用以描述发展过程中压力指标的持续作用对系统状态影响的累积变化，响应指标用以体现人类为实现可持续发展目标、促进可持续发展进程所采取的适应性对策及缓解措施。因此本文基于PSR模型建立水源地管理风险评价指标体系[12]。具体地，压力表示造成水源地管理风险产生的原因；状态表征由于人类活动而导致水源地管理风险状态的变化；响应表明社会为减轻人类活动对水源地管理安全的影响，积极建立规章制度，对由人类活动压力引起的管理风险状态变化，所采取的有效措施。

通过界定水源地管理风险的内涵，实现城市地表集中式水源地风险源的识别和描述，对比相关资料、征询专家意见，基于PSR模型，遵循科学性、实用性与前瞻性、全面性与突出重点相结合、整体性与层次性、可比性与可扩充性原则，初步提出16个城市地表集中式水源地管理风险评价指标，即工程规模、取水工程完好程度、防洪安全、管理组织机构、相关规章制度、管理人员专业技术水平、水源地保护区划分、应急预案与预警、应急水源地建设、应急响应能力、水质监测能力、备用水源地建设情况、饮用水工程资金投入情况、法规条例执行力度、河长履职率与河长制落实情况，其中工程规模、取水工程完好程度和防洪安全3个指标是造成水源地管理风险产生的原因，属于压力范畴；管理组织机构、相关规章制度、管理人员专业技术水平和水源地保护区划分4个指标表征了由于各类涉水活动而导致水源地管理风险状态变化，属于状态范畴；应急预案与预警、应急水源地建设、应急响应能力、水质监测能力、备用水源地建设情况、饮用水工程资金投入情况、法规条例执行力度、河长履职率与河长制落实情况9个指标是指为应对水源地管理风险状态变化所采取的有效措施，属于响应范畴。采用专家咨询法筛除物理意义相近且较难获取足够数据的指标，再运用SPSS进行主成分分析，优化筛选得到全面反映城市地表集中式水源地管理风险且彼此之间相互独立的10个评价指标。

1.2 评价指标定义

a.工程规模(A1)。水源地工程规模直接影响饮用水水源地管理难度与工作量。根据工程规模等级、供水人口实现水源地工程规模的量化。

b.管理组织机构(A2)。管理组织机构作为水源地运行、维护、监测、管理的主体，完善的组织机构是水源地安全稳定运行的重要保障，依据管理机构、制度的完善程度和各部门职能的明确性进行量化。

c.管理人员专业技术水平(A3)。管理人员专业技术水平是管理水平的标志之一，通过管理人员教育水平和操作相应仪器的熟练程度进行量化。

d.水源地保护区划分(A4)。2008年1月19日，江苏省人民代表大会常务委员会通过的《关于加强饮用水源地保护的决定》明确规定了各类型水源地保护区的划分原则和保护措施。在此基础上，以2018年国家环境保护部制定颁布的HJ338—2018《饮用水水源保护区划分技术规范》为参照，通过保护区划分的科学性和水源地管护情况来对水源地保护区划分情况进行量化。

e.应急预案与预警(A5)。城市地表集中式水源地应急预案与预警是水源地应急能力的主要体现，完善的预警与应急系统是水源地安全运行的重要保障，根据应急预案、负责部门及日常演习和培训进行量化。

f.应急响应能力(A6)。城市地表集中式水源地应急响应能力主要体现在应急响应的速度和应急响应的效果等方面。

g.水质监测能力(A7)。水质监测能力是衡量水源地管理水平的重要指标之一，根据监测断面布设、监测方式及应急专家队伍进行量化。

h.应急水源地建设(A8)。应急水源地建设情况体现了水源地建设管理的水平，通过应急水源地启动速度的快慢、供水保证率的大小以及日常保护措施的完善程度进行量化。

i.法规条例执行力度(A9)。水源地的管理不仅要有国家、政府的宏观控制，制定法律法规，并应根据自身情况，制定配套的管护条例，且严格执行。通过法规条例的执行力度和配套管理保护条例进行量化。

j.河长制落实情况(A10)。河长制落实情况用于反映河长制管理体系建设、推行及相关任务落实程度等。通过对河长制管理体系建设情况、河长履行相关工作职责和上级下达的各项工作任务等完成情况进行量化。

1.3 风险等级划分

将饮用水水源地管理风险度分低风险度、较低风险度、一般风险度、较高风险度和高风险度为5个等级。其中低风险度表示风险因子对水源地管理风险影响非常低，带来的影响可以忽略不计；较低风险度表示风险因子对水源地管理风险影响较低，造成的损失在可接受范围内；一般风险度表示风险因子对水源地管理风险影响一般，通过一定的风险控制措施可将风险水平降低在可接受范围内；较高风险度表示风险因子对水源地管理风险影响较高，一旦风险发生，对社会、经济、环境产生较大影响；高风险度表示风险因子对水源地管理风险影响非常大，一旦风险发生，对社会、经济、环境产生严重影响，造成巨大损失。

针对城市地表集中式水源地，参考国内外已有的评价标准，确定城市地表集中式水源地管理风险评价指标体系对应不同等级(低风险度、较低风险度、一般风险度、较高风险度及高风险度)的分级限值与描述，见表1。

表1 评价指标风险等级分级限值与描述

1.4 评价指标权重确定

评价指标的权重采用组合赋权，对主观赋权法和客观赋权法的权重信息进行组合，可较好克服主观赋权的主观性及客观赋权的机械性[13]。

组合权重计算:

w0i=w1iw2i

(1)

式中：w0i为组合权重；w1i为评价指标i的主观权重；w2i为评价指标i的客观权重。对组合权重按照下式进行归一化处理得到各指标最终权重:

(2)

式中：wi为评价指标i组合权重w0i归一化后的最终权重；m为评价指标总数。

饮用水水源地管理风险评价指标选用层次分析法确定主观权重，通过德尔菲法求得指标两两比较判断矩阵，同层次分析法联合运用，采用特征根法，形成一种主、客观评价优势互补的权重计算方法。客观权重采用熵值法，即利用指标信息的差异度来计算各指标的客观权重，对于定性指标，结合风险等级分级限值，用专家打分的均值，作为实际值进行处理计算。

2 组合赋权-灰色模糊综合风险评价模型构建

饮用水水源地管理安全是一个灰色系统工程，存在着监测信息不完全或不确切的情况，具有较大的不确定性。本文引入灰色系统理论来进行水源地管理风险评价，其中白化权函数的确定是由定性到定量的关键[14-15]。饮用水水源地所涉及的影响因素众多，指标的风险等级划分、风险等级分级限值的确定都具有模糊性，因此，本文同时引入模糊综合评判方法，充分利用模糊信息对饮用水水源地管理风险进行多因素地综合评价，全面反映水源地安全状况，用模糊性的语言或等级表示评价结果[16]。基于组合权重、灰色评估和模糊综合评价相关理论，建立城市地表集中式水源地管理风险组合赋权-灰色模糊综合评价模型[2]。模型构建步骤如下：

步骤1确定风险等级。根据水源地风险特征将水源地风险评价标准分为5个等级，分别用低、较低、一般、较高、高5个风险度来描述。为了便于量化计算，引入风险值对应的风险等级评价向量：

V=(0.2，0.4，0.6，0.8，1)T

(3)

步骤2构成样本评价矩阵。对于定性指标采用专家打分法，设共有p位专家根据评价原则及自身经验对指标进行评价，得到j专家对i指标的评价结果dij，构成评价矩阵。

步骤3指标的白化定量。根据风险等级确定评价灰类为5类，评价灰类序号k=1,2,3,4,5，第一灰类k=1，设定灰类⊗1∈[0,0.4]，第二灰类k=2，设定灰类⊗2∈[0.2,0.6]，第三灰类k=3，设定灰类⊗3∈[0.4,0.8]，第四灰类k=4，设定灰类⊗4∈[0.6,1.0]，第五灰类k=5，设定灰类⊗5∈[0.8,∞)。采用下限测度白化权函数、上限测度白化权函数以及适中测度白化权函数，利用中心点确定三角白化权函数的方法，按灰类给各定性指标作白化函数，白化权函数分别为f1(dij)、f2(dij)、f3(dij)、f4(dij)、f5(dij)[17]。

步骤4计算灰色统计数。以指标A1为例，各灰类统计数为

(4)

式中：p为专家总人数；dA1j为j专家对A1指标的评分；fk(dA1j)为j专家对A1指标评分的第k灰类白化权函数；nA1k为指标A1隶属第k灰类统计数。

步骤5计算灰色评价权值，形成隶属度矩阵。以评价指标A1为例，各灰类灰色评价权值为

(5)

式中：rA1k为指标A1隶属第k灰类灰色评价权值。其灰色评价rA1的权向量为

rA1=(rA11，rA12，rA13，rA14，rA15)

(6)

同理，逐一求出各评价指标的灰色评价权值rik，得出系统风险评价指标的隶属度矩阵：

R=(rik) (i=1,2,…,m;k=1,2,…,5)

(7)

步骤6确定权重。设W=(w1，w2，…，wm)为评价指标权重向量，其中wi(i=1，2，…，m)代表评价指标i的权重。

步骤7模糊综合风险评价。由权重向量W和隶属度矩阵R，计算出管理风险对各评价等级的隶属度C:

C=W×R

(8)

管理风险评价结果为

B=CV

(9)

3 实例分析

3.1 长江八卦洲(左汊)上坝饮用水水源地概况

长江八卦洲(左汊)上坝饮用水水源地位于栖霞区八卦洲街道，目前配套一座自来水厂，即远古水厂，现状供水能力为25万m3/d，供水范围为南京市六合区大厂街道、六合区经济开发区和浦口区盘城街道，供水人口约65万人。

3.2 长江八卦洲(左汊)上坝水源地管理风险评价

将水源地准保护区外20 km缓冲区内的陆域水域作为风险评价范围，选取2018年作为水源地风险评价时段。

3.2.1评价指标风险赋值分析

a.工程规模。八卦洲(左汊)上坝水源地属于小型工程规模，供水人口达到65万人，未列入国家重要水源地。

b.管理组织机构。江苏省饮用水安全实行行政首长负责制，并建立了饮用水源地保护与管理联席会议制度，明确各部门职责分工，通过各部门协调配合做好饮用水源地保护的有关工作。

c.管理人员专业技术水平。由于水源地各管理部门职责分工明确，工作人员具有常年从事该工作的经验和技术，能够较好完成工作。例如，市水务局负责设置监测断面，例行开展水质监测工作。各部门管理人员均满足入职要求，具有较高的文化水平和技能。

d.水源地保护区划分。根据2009年江苏省政府发布的《关于全省县级以上集中式饮用水源地保护区划分方案的批复》，严格管理保护区范围，拆除保护区内工业点源、畜禽养殖、垃圾中转站、垃圾填埋场等排污设施。一级保护区逐日巡查，二级保护区、准保护区每2～3 d至少巡查1次，记录巡查台账。

e.应急预案与预警。八卦洲(左汊)上坝水源地水质自动监测站已建成，实现对水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度、COD、氨氮等水质指标在线实时动态监测，为远古水厂水质安全能够提供预警信息。《栖霞区水源污染突发事件应急预案》中提出了八卦洲(左汊)上坝水源地的水源地突发事件应急预案，但上游风险企业未编制影响饮用水源地环境安全的应急预案。市水务局每年开展安全评估，并根据变化情况，调整相应措施。

f.应急响应能力。根据《栖霞区水源污染突发事件应急预案》，八卦洲(左汊)上坝水源地应急响应确定了应急响应等级，制定了分级响应程序和分级响应机制，并针对不同事件类型提出相适应的指挥协调工作。

g.水质监测能力。水源地水质监测断面为远古水厂，监测频次为每月2次，按照水利部水环境监测评价研究中心编制的《水质分析方法标准》进行监测分析。在远古水厂取水口安装视频设施，实现24 h在线监控，并成立了水源地应急专家队伍。

h.应急水源地建设。长江八卦洲上坝水源地主要供水范围为江北的六合大厂、六合区经济开发区、浦口区盘城街道等，选取三岔水库作为应急水源地，但目前三岔水库第二水源地项目还未建设完成。

i.法规条例执行力度。八卦洲(左汊)上坝水源地严格贯彻执行国家、省级、市级有关法规条例，如HJ 338—2018《饮用水水源保护区划分技术规范》《集中式地表水饮用水水源地突发环境事件应急预案编制指南(试行)》《关于全省县级以上集中式饮用水源地保护区划分方案的批复》《江苏省饮用水源地突发性水污染事件水利系统应急预案》《江苏省集中式饮用水源地达标建设标准》《南京市集中式饮用水源地突发性水污染事件应急预案》《南京市水资源保护规划》《南京市饮用水源地安全保障规划》等，已制定八卦洲水源地应急预案。

j.河长制落实情况。南京市各区河长办认真遵照《关于全面推行“河长制”的实施意见》《全面推行河长制工作督导检查制度》《河长制工作会议制度》《河长制信息管理制度》《河长巡查督办制度》《河长制工作考核办法》和《河长制水质监测制度》与《江苏省河长湖长履职办法》，并据此全面推行河长制工作，评价河长履职情况，促进河长制工作任务加快落实，保障河长制工作有序开展，从而提高长江南京段水源地风险防控水平。

邀请8位相关领域的专家，根据评价指标风险等级描述，并结合八卦洲(左汊)上坝饮用水水源地的实际情况对上述指标进行评分，见表2。

表2 风险评价指标评分

3.2.2风险指标权重确定

确定工程规模、管理组织机构、管理人员专业技术水平、水源地保护区划分、应急预案与预警、应急响应能力、水质监测能力、应急水源地建设、法规条例执行力度与河长制落实情况的权重。

由层次分析法计算出指标的主观权重，由熵值理论计算出指标的客观权重，根据组合权重理论并进行归一化处理，计算得到各指标的最终权重为

3.2.3风险指标灰色权矩阵求解

根据风险等级确定风险评价灰类数为5，其中k=1,2,…,5，按照灰类建立白化函数。首先计算各灰类统计数，然后计算指标的灰色评估权值，确定水源地管理风险的隶属度矩阵为RA，由W×RA=C，求得管理风险对各评价等级的隶属度:C=(0.388 7，0.299 1，0.182 7，0.124 5，0.005 1)

3.3 长江八卦洲(左汊)上坝水源地管理风险分析

根据各指标的组合权重、灰色评价权向量和风险等级评价向量可计算得到各指标的风险值及其对应的风险等级，八卦洲(左汊)上坝水源地管理风险指标风险评价结果见表3。

表3 八卦洲水源地管理风险指标风险评价结果

灰色模糊评价结果：B=CV=0.411 7。

由上述计算可知，长江八卦洲(左汊)上坝水源地管理风险值为0.411 7，属于一般风险度。八卦洲(左汊)上坝水源地机构完善，责任明确，管理人员素质过硬，水源地保护区划分合理，但八卦洲水源地应急响应能力较差，上游风险企业也未制定应急预案，三岔水库应急水源地项目也还未建设完成，一旦遇到突发性污染事件，将难以应对，对人民生产生活造成较大程度影响。

3.4 长江八卦洲(左汊)上坝水源地管理风险防控措施

远古水厂应联合其他部门，针对应急响应能力和应急水源地建设等风险较高的指标，从加快三岔水库应急水源地项目建设和加快配套应急供水管网与应急取水口建设、完善八卦洲(左汊)上坝水源地突发事件应急管理机制、建立突发性水污染事件应急保障体系、加强水源地应急响应能力和提高突发性水污染事故应急处理效率等方面，提出长江八卦洲(左汊)上坝水源地管理风险防控措施，进一步降低水源地管理风险，最大程度地保障水源地供水安全。具体风险防控措施如下：

a.加快应急水源地建设。加快三岔水库应急水源地、配套应急供水管网与应急取水口的规划与建设，避免或减少突发性水污染事故造成的损失，最大程度保障水源地供水安全。严格按常规水源地保护要求划分应急备用水源地管护责任，落实相关管护人员，建立职责明确、规范有序的应急指挥体系，并积极联合水务、环保、交通等部门定期开展备用水源地应急启用演练，同时建立针对应急备用水源地的长效管护机制，做到管理科学规范、应急处置有力、各项保障到位，确保备用水源地能够安全并网供水，迅速、有效启停。

b.完善水源地应急保障体系。做好水源地突发性污染事件四预工作，重点加强关键支流河道周边污染源的排查监控，不断完善水源地突发性污染事件预报、预警机制，严防突发污染事件，确保原水水质处于稳定达标状态。同时，建立城市供水应急处置案例库与专家库，定期开展突发性污染事件应急预案培训及演练，根据每个水源地实际情况，修订完善相应应急预案，做到“一源一案”，保证应急供水水质、水量满足实际需求。

c.促进水源地监测系统建设。八卦洲水源地目前设有水质自动监测站1座，应加快建设自动监测站网与移动监测站等，实现实时、连续掌握水源地水量、水质与周边缓冲区生态环境状况，为相关部门管理决策提供直接依据，提高水源地对突发性水污染事故的应急响应能力与应急处理效率。