基于不确定性的湖泊水环境安全评价——以滇池流域为例

冯 庆，周小华，彭声静，线加玲，郭 未

(1.昆明学院 昆明滇池(湖泊)污染防治合作研究中心，云南 昆明 650214；2.昆明学院 马克思主义学院，云南 昆明 650214；3.昆明学院 数学学院，云南 昆明 650214；4.南京大学 社会学院，江苏 南京 210023)

目前我国水环境形势依然严峻，存在着包括水资源供需矛盾突出、水环境风险隐患多、部分水体质量差、水生态受损严重等问题[1].上述问题是我国现阶段自然生态环境安全条件不足，整体生态环境系统脆弱的突出表现.水环境安全是一个相对于人类需求的概念，是能够保障人类以淡水为主的需求的水量、水质、水生态、社会与经济等安全状态的各环境要素的总和[2].与水安全不同，水环境安全更强调水安全的环境要素，这些水环境要素(或称水环境基质)是构成水环境整体的各个独立的、性质不同而又服从整体演化规律的基本物质[3].水环境系统中各要素存在空间相互交融、作用影响相互制约的关系.水环境安全面临来自自然生态系统和人类社会经济系统变化环境下的诸多不确定性因素影响.“不确定和风险条件下的水管理”在全球水管理领域逐渐成为共识[4].

影响水环境安全的因素包括自然因素和人类活动因素.自然界对淡水生态系统的干扰主要是由气候变化、地震、火山爆发、山体滑坡、地陷、台风、洪水、河流改道等引起，其影响大多能恢复，或向另一种状态发展形成新的动态平衡系统；而人类对淡水生态系统的显著影响始于现代人类社会的大规模经济活动，且所产生的影响往往是淡水系统自身难于恢复的[5]，包括：农业生产中的土地开垦、化肥和农药使用、农业灌溉、畜禽养殖或放牧；工业生产中的原材料开采、工业用水、工业污染；城市扩张中的用水增加，城市基础建设中的蓄水及污水处理、地下水开采等.上述自然变化的不确定性、人类认知不足以及人类活动影响构成了不确定性的诸多来源.而水环境系统中各要素存在空间相互交融，发挥作用相互交叉和相互制约的关系，因此水环境安全面临来自自然系统及社会人文经济系统变化环境下的诸多不确定性因素的影响.其中，社会经济活动因人类主动干预性而成为影响水环境安全的决定性因素.

关于水环境安全研究，国外多围绕可持续发展与水资源管理、水安全评价与预测、应对风险和不确定性的水管理[4]等方面开展，而国内研究则主要集中于水环境安全的基本理论、评价、管理措施以及其与社会经济关系的探讨等[6].其中作为评价基础的指标体系构建及定权成为研究热点[7,8]，相关研究多基于压力-状态-响应(Pressure-State-Response，PSR)概念模型结合文献分析构建指标体系，采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[9]、熵权法[10]、灰色关联分析法[11]、主成分分析法[12]或是综合评分方法[13-15]等进行指标定权.对比国外，国内的研究对于变化环境下水环境风险及其影响因素辨识的研究相对较少.鉴于PSR模型充分体现了人类与环境之间的相互作用关系，并广泛地应用于区域环境可持续发展指标体系研究以及环境保护投资分析等领域[16,17]；以及AHP方法思路清晰、方法简单、适用面广、系统性强等特点，进而成为复杂社会系统实现科学决策的有力工具[18].基于PSR模型采用德尔菲法及AHP方法，以定性与定量相结合的方式开展变化环境下不确定性影响因素探讨将充实目前国内水环境安全相关研究.

滇池是昆明生产、生活用水的重要水源，是具备防洪、调蓄、灌溉、景观、生态和气候调节等功能的高原城市湖泊[19]，也是长江上游最大的淡水湖，属于长江上游生态屏障的重要组成部分.滇池流域水安全问题已由过去的水量时空分布不均，发展为今天的水患灾害、水资源匮乏与水污染多重问题的交叉重叠[20]，水环境安全的影响因素复杂多变，各因素相互间制约、依赖和渗透，因而本研究以滇池流域为例，旨在客观识别变化环境下滇池流域水环境安全的影响因素，进而构建基于不确定性的流域水环境安全评价指标体系，以期夯实湖泊水环境安全评价的基础工作，也为滇池流域治理提供相关参考.

1 方法与步骤

首先，依据滇池流域国民经济与社会发展、水环境保护治理等综合信息，确定“滇池流域水环境安全”这一系统的总目标.第2步，根据PSR模型，构建包括水环境压力、水环境状态、水环境响应3个方面的水环境评价的准则层.第3步，综合考虑全面性、代表性、可获取性及适应性管理的特征要求，采用德尔菲法于2020年10至12月对50名专家进行2轮函询评分及筛选，得到分别对应于“压力”“状态”“响应”准则，反映水量、水质、水生态、水社会与水经济等水环境安全内涵的10类要素构成的要素层，以及分别对应于10类要素的25个指标构成的指标层，从而构建起针对滇池流域水环境安全评价指标的分层体系结构模型.第4步，聘请与水环境相关的不同领域专家，采用AHP方法基于上述分层的评价指标进行两两成对比较打分，根据专家打分计算出各指标的权值，以此判断各影响因素的重要程度.具体步骤见图1.

图1 滇池流域水环境安全不确定性影响因素分析步骤

2 滇池流域水环境安全不确定性因素及评价指标体系

2.1 变化环境中不确定性因素的识别

以人类活动因素为决定要素，遵循全面综合、科学、系统、可操作的原则，首先按属性将水环境分为自然及社会环境，其中自然环境(因素)包括气候环境、地质环境、水文环境、生物与生态系统等，对应降水、气温等13项具体因素；社会环境(因素)包括人口增长、区域发展、农业生产、工业生产、其他用水行业发展、土地利用、基础设施建设与管理等，对应居民生活用水等28项具体因素.构建起上述变化环境及不确定性因素框架之后，根据专家的专业性、行业相关性与多样性原则，邀请环保、气象、农业、生态、水务、水利、监测等各相关行业专家，就“滇池流域水环境安全”问题对上述不确定性因素的影响及威胁程度，按照0～10打分(0分为无威胁，10分为威胁程度最高).评分结果显示，41项不确定性因素中，工业水污染等23项因素平均得分>5分，其中水资源总量等4项因素>7分，保留平均得分>5分的23项不确定性因素用于滇池流域水环境安全评价指标体系构建，见表1.

2.2 基于“压力-状态-响应”模型的指标构建

“压力-状态-响应(PSR)”模型的基本逻辑联系是，人类活动或自然界自身对环境施加了一定的压力，由此导致环境状态发生了一定的变化，而人类社会即应当对环境的变化做出响应措施，以恢复环境质量[21].按照上述逻辑联系，将影响滇池流域水环境安全的不确定性因素分为“压力”“状态”和“响应”3个体系.首先进行指标甄选.针对第一轮专家评分及补充后保留的23项不确定性因素，同时结合《昆明统计年鉴》《昆明市水资源公报》《昆明环境状况公报》等统计资料，遵循指标代表性、独立性和可操作性等原则及适应性管理的特征要求，甄选出55个指标对应于23项不确定性因素.并按照指标表征的“压力-状态-响应”逻辑特点，将指标分为水环境压力、水环境状态、水环境响应3个方面的指标体系，见表2.

表2 基于PSR的滇池流域水环境安全评价指标

进而展开专家第二轮指标筛选，专家根据自身对滇池流域水环境安全现状的认知，选择相应的评价指标.除4项特殊指标(单位面积水质监测点数量、水污染事故频次、水资源纠纷频次、水环境上访比例)分别为水环境管理及涉水社会纠纷状态的仅有指标需保留外，其余的专家选择率在70%以上的指标被保留为代表性指标.对这些被保留的代表性指标进行逐一比较分析，关联度高的指标(如人口、人口密度与人均生活用水量、人均水资源量等指标)被剔除，直接表征水环境特性的指标(如保留人均生活用水量、人均水资源量)被保留，最终获得代表性指标共计25项，见图2.

2.3 基于AHP的评价指标体系构建

采用层次分析法(AHP)进行系统分析，进一步把问题层次化.在上述已具备的目标层、准则层及指标层的基础上，引入要素层，并按照目标层、准则层、要素层及指标层的相互关联影响以及隶属关系，将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型.获得AHP评价的层次结构模型.指标分4个层次，最高层即实现“水环境安全”的目标层；第二层是包括了“压力” “状态” “响应”的准则层；第三层是由分别对应于“压力” “状态” “响应”准则的10类要素构成的要素层；第四层是由分别对应于上述10类要素的25个指标构成的指标层，见图2.

图2 滇池流域水环境安全AHP评价指标体系层次结构模型

3 滇池流域水环境安全评价指标权重

3.1 构造判断矩阵

构建起基于AHP的评价指标体系后，需要构造判断矩阵,从而有助于清楚地表达本层次有关元素对于上一层次某个元素的相对重要性.据此，构架形成本研究指标体系的判断矩阵，目标层A相对于准则层C1、C2、C3；准则层C1相对于要素层D1、D2、D3，C2相对于D4、D5、D6，C3相对于D7、D8、D9、D10；要素层D2相对于指标层F2、F3、F4，D3相对于F5、F6、F7、F8，D4相对于F9、F10，D5相对于F11、F12、F13，D6相对于F14、F15、F16，D7相对于F17、F18、F19，D9相对于F21、F22、F23，D10相对于F24、F25的12个判断矩阵(问卷及判断矩阵此处省略).判断矩阵的值反映了专家对各因素相对重要性的认识，本研究采用优势明显并较为常用的1～9数值及其倒数，以使决策者判断思维数学化[18].

接下来即可进行专家咨询.因AHP方法是基于主观判断而得出的结论，且水环境安全问题涉及领域广泛，为避免不同领域专家侧重点不一，确保AHP结论的代表性，本研究特聘参与咨询的专家具有以下背景：一是长期(10年以上)从事水环境相关领域研究或工作；二是对水环境及其安全有总体全面的认识；三是能分别代表事关水量安全、水质安全及水生态、水社会安全不同领域的专家.各专家通过对判断矩阵逐一进行两两成对比较打分，得到各判断矩阵的两两成对比较数值.

3.2 层次排序及其一致性检验

专家评分得出比较判断矩阵数值后，计算判断矩阵的特征向量W(即指标权值)，对判断矩阵进行层次单排序及层次总排序.

保持判断思维的一致性，在应用AHP方法中是非常重要的.因而，需要对构造的判断矩阵进行一致性检验.计算一致性指标公式为：

(1)

式中，λmax为判断矩阵的最大特征根，n为本层次的要素数量.

为度量不同阶判断矩阵是否具有满意的一致性，需引入判断矩阵的平均随机一致性指标RI值.对于1～9阶判断矩阵，RI值分别列于表3.

本研究采用和积法计算各专家判断矩阵的λmax及W值，并对各判断矩阵进行了一致性检验及判断矩阵的元素取值调整.

3.3 指标综合权重

对各专家的层次单排序及层次总排序权重计算其算术平均数，得到滇池流域水环境安全评价指标综合权重，见表4.

表3 1～9阶判断矩阵RI值

表4 滇池流域水环境安全评价指标权重

4 结语

4.1 关于滇池流域水环境安全不确定性影响因素

结果表明，从准则层来看，为满足滇池流域水环境安全的目标，压力、状态、响应三者权重比为0.257∶0.227∶0.516，说明人类社会对环境的变化做出响应措施具有最为重要的作用与影响，其次是水环境压力，稍重要于水环境状态.

在要素层，供水压力、用水压力、水污染压力3类压力要素权重比为0.293∶0.185∶0.522，说明滇池流域水环境安全最大的压力来自水污染，其次是供水压力和用水压力.水污染问题正是困扰滇池流域30多年的首要问题；水资源、水质、涉水社会纠纷3类状态要素权重比为0.266∶0.610∶0.123，可见水质状态是影响水环境安全最为重要的状态，其次是水资源状态，涉水社会纠纷状态对水环境安全状态的影响最弱，说明滇池流域水体水质应是首先要确保的方面，而涉水社会纠纷问题则不甚典型；响应措施中，供水保障、排水保障、水污染控制、水环境管理的权重比为0.079∶0.097∶0.365∶0.460，水环境管理和水污染控制分别位居第一和第二，对水环境安全的影响远超出排水保障和供水保障，而排水和供水的响应措施中，排水又稍重要于供水.

在指标层，对于用水压力的要素，人均生活用水造成的用水压力最大，其次是农田灌溉公顷均用水量，而万元工业增加值用水压力最小，三者指标权重比为0.486∶0.398∶0.116；对于水污染压力要素，农业废污水排放和生活废污水排放造成的水污染压力相近，稍高于其他，工业废污水排放和建筑及服务业废污水排放造成的水污染压力相近，四者指标权重比为0.388∶0.310∶0.154∶0.148；水资源状态要素的指标中，人均水资源量对水资源状态的影响稍大于水资源开发利用率，但二者的权重非常接近，为0.567∶0.433；水质状态要素的指标中，饮用水源地水质达标率重要于入滇河道水质良好比例，重要于滇池水体综合营养状态指数，3个指标权重比为0.471∶0.355∶0.173，说明水质状态应从源头抓起；涉水社会纠纷状态要素的指标，其重要性由高到低依次是水污染事故频次、水环境上访比例、水资源纠纷频次，权重比为0.542∶0.294∶0.164；供水保障作为响应措施之一，外流域调水总量、工业用水重复利用率、中水(除工业用水外)回用率3个指标中，工业用水重复利用率和中水(除工业用水外)回用率都明显重要，而外流域调水的作用很微弱，三者权重比为0.496∶0.405∶0.098；水污染控制的应对措施中，生活污水集中处理率最重要，其次是工业废水达标排放率，其三是生活垃圾无害化处理率，三者权重比依次是0.420∶0.353∶0.227；水环境管理措施中环保投入占GDP比值重要于单位面积水质监测点数量，二者权重比为0.727∶0.273，说明了解决资金问题在水环境管理中的重要性.

可见，关于滇池流域水环境安全不确定性影响因素中，水污染、水质保障仍然是最为突出的；曾经一度被认为高耗水、高污染的工业生产，因为产业结构调整及推行清洁生产、循环经济等措施，对滇池流域水环境安全影响的重要性已被生活用水及生活废污水排放所取代；而作为水质改善的重要措施的外流域调水，因其仅能作为权宜之计解一时“燃眉之急”，并不被认为是重要的；做好水环境管理及水污染防治工作才是积极应对水环境风险威胁的首要任务.

4.2 关于AHP方法在本研究中的应用

AHP是分析复杂问题的一种简便方法，特别适宜于难于完全用定量进行分析的复杂问题.虽然水环境安全问题所涉及的部分要素可以通过定量分析来评价其安全程度，但水环境安全首要关注的便是对人的影响及人的需求，且涉及面广、要素众多.要从纷繁复杂的不确定性要素中确定关键要素，尤其是对于与社会经济关系密切、受人为干扰强烈的湖泊流域，AHP无论是对于达成本研究目标或是其他近似的湖泊流域，不失为一种有效的决策工具.

因AHP是基于人的主观判断而得出结论，因而选择参与决策的专家非常重要，即便决策专家非常资深，且对全局把握非常均衡，在表达其观点时也会因其研究领域的限制而有所偏重，因而本研究尽量选取了不同水环境安全相关领域的专家代表.然而观点差异也在所难免.

滇池流域水环境安全评价指标体系的构建，虽遵循了可操作性的原则，但目前统计数据来源仍然只有以行政区为统计区域的《昆明统计年鉴》《昆明环境状况公报》《昆明市水资源公报》等，尚未实现流域尺度下的数据统计与管理，尤其是流域尺度的社会经济发展数据.进行滇池流域水环境安全不确定性评价，还将面临数据获取的困难挑战.实现基于流域尺度的数据统计与监测工作是实现水环境安全适应性管理的重要基础.