改進(jìn)型多層次多目標(biāo)模糊優(yōu)選模型在海河流域水環(huán)境安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王 哲，楊學(xué)軍，李濤濤

（1.海河水利委員會(huì)水文局，天津 300170；2.天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津 300204）

水環(huán)境安全是從人水和諧的角度提出的新概念。它不僅與水量水質(zhì)等水環(huán)境因素有關(guān)，而且受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等其他因素的影響。隨著人們對(duì)環(huán)境生態(tài)的不斷重視，水環(huán)境安全問(wèn)題已經(jīng)成為國(guó)家和地區(qū)安全中一項(xiàng)重要問(wèn)題。建立合適的流域水環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系，選擇正確合理的模型方法進(jìn)行評(píng)價(jià)十分重要。不少學(xué)者[1-3]提出了水環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系，并據(jù)之進(jìn)行評(píng)價(jià)，但仍存在指標(biāo)體系應(yīng)用面不廣、評(píng)價(jià)方法單一、難以適應(yīng)復(fù)雜多變的水環(huán)境變化等問(wèn)題。

海河流域是中國(guó)流域的典型代表，研究海河流域的水環(huán)境安全可以為中國(guó)水環(huán)境安全問(wèn)題的識(shí)別和保障措施的選擇提供參考依據(jù)。海河流域地處華北地區(qū)，降水量稀少，水資源短缺現(xiàn)象嚴(yán)重，河流萎縮，部分河流污染嚴(yán)重，水環(huán)境狀況不斷惡化[4]。筆者根據(jù)海河流域的水資源狀況，綜合考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境等外部因素，采用DPSIR概念模型[5-8]和層次結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建海河流域水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用組合權(quán)重和改進(jìn)型的多層次多目標(biāo)模糊優(yōu)選模型對(duì)海河流域3個(gè)時(shí)期的水環(huán)境安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，定量診斷海河流域的水環(huán)境安全趨勢(shì)，為水環(huán)境安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 構(gòu)建水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)海河流域的水環(huán)境狀況，結(jié)合專家意見(jiàn)，采用DPSIR模型和層次結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建了水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體是在指標(biāo)體系整體構(gòu)建上采用層次結(jié)構(gòu)，建立4層指標(biāo)體系，分為目標(biāo)層、制約層、要素層、指標(biāo)層；然后在各分層指標(biāo)的構(gòu)建上采用DPSIR模型構(gòu)建流域水環(huán)境和生態(tài)驅(qū)動(dòng)力、水環(huán)境和生態(tài)壓力、水環(huán)境和生態(tài)狀態(tài)、水環(huán)境和生態(tài)影響、水環(huán)境和生態(tài)響應(yīng)5類指標(biāo)，系統(tǒng)、完整地反映流域水環(huán)境安全狀況。指標(biāo)選取，見(jiàn)表1。

2 水環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

評(píng)價(jià)等級(jí)劃分是水環(huán)境安全評(píng)價(jià)的重點(diǎn)任務(wù)。筆者采用模糊方法將水環(huán)境安全劃分為5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表2。

2.2 評(píng)價(jià)方法選擇

（1）權(quán)重的計(jì)算。筆者選擇通過(guò)基于離差最大化的組合賦權(quán)法[9]把通過(guò)層次分析法[10-13]和熵權(quán)法[14-16]得到的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行組合，兼顧主客觀賦權(quán)法的優(yōu)劣點(diǎn)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更有說(shuō)服力。

表1 流域水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 區(qū)域水環(huán)境安全綜合評(píng)判[17]

（2）評(píng)價(jià)方法。水環(huán)境系統(tǒng)影響因素眾多，系統(tǒng)復(fù)雜，指標(biāo)相互影響，又具有層次性和模糊性，因此筆者選用基于組合權(quán)重的改進(jìn)型多層次多目標(biāo)模糊優(yōu)選模型，能夠使指標(biāo)所包含的信息得到綜合反映，能夠刻畫(huà)系統(tǒng)的層次性和模糊性，而且理論嚴(yán)密、概念明確、計(jì)算合理實(shí)用，具體的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：gk為最優(yōu)向量；bk為最劣向量；rkj為指標(biāo)歸一化值；ωk為權(quán)重。

3 海河流域水環(huán)境安全評(píng)價(jià)

筆者通過(guò)對(duì)海河流域1980、1990、2005年3個(gè)時(shí)期的水環(huán)境安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，明確水環(huán)境安全變化趨勢(shì)，分析各項(xiàng)指數(shù)的變化。

3.1 海河流域水環(huán)境要素層安全指數(shù)計(jì)算和分析

水環(huán)境要素層安全指數(shù)，見(jiàn)表3。1980、1990、2005年3個(gè)時(shí)期的海河流域水環(huán)境要素層安全指數(shù)變化，如圖1所示。

表3 水環(huán)境要素層安全指數(shù)

圖1 海河流域水環(huán)境要素層安全指數(shù)變化

通過(guò)對(duì)要素層計(jì)算分析可以看出，自1980年以來(lái)海河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)一直保持持續(xù)發(fā)展。1980年左右，海河流域的多數(shù)指標(biāo)處于預(yù)警狀態(tài)，這個(gè)時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指標(biāo)處于中警狀態(tài)，這表明該時(shí)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展剛剛起步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于水環(huán)境安全的驅(qū)動(dòng)力明顯不足。1990年，隨著改革開(kāi)放的深入，海河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，接近較安全狀態(tài)。2005年，隨著京津唐工業(yè)區(qū)的崛起，海河流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)達(dá)到較安全狀態(tài)。自1980年以來(lái)水資源壓力和生態(tài)壓力一直趨于好轉(zhuǎn)，年各項(xiàng)指標(biāo)都處于預(yù)警狀態(tài)，1990年雖然也處于預(yù)警狀態(tài)但是各項(xiàng)指標(biāo)較1980年均有較大改善，水資源狀況接近較安全狀態(tài)，但是受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)力的影響，由于生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)沒(méi)有受到足夠的重視，水環(huán)境和生態(tài)仍然處于預(yù)警狀態(tài)，其中水生態(tài)壓力指數(shù)比1980年降低，最低為0.450 7，處于預(yù)警狀態(tài)。2005年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各級(jí)政府對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)的投入有所增加，各項(xiàng)指標(biāo)的安全指數(shù)都有提高，水資源需求狀況和生態(tài)狀況均達(dá)到較安全的狀態(tài)，但是該時(shí)期由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式難以轉(zhuǎn)變，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)生態(tài)壓力比較大，水環(huán)境影響指標(biāo)仍處于預(yù)警狀態(tài)，生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)仍然需要加大投入。

3.2 海河流域水環(huán)境制約層安全指數(shù)計(jì)算和分析

水環(huán)境制約層安全指數(shù)，見(jiàn)表4。1980、1990、2005年3個(gè)時(shí)期的海河流域水環(huán)境制約層安全指數(shù)變化，如圖2所示。

表4 水環(huán)境制約層安全指數(shù)

圖2 海河流域水環(huán)境制約層安全指數(shù)變化

通過(guò)對(duì)制約層安全指數(shù)的計(jì)算分析可以看出，海河流域水環(huán)境安全DPSIR 5個(gè)要素在過(guò)去的25年中均不斷改善，特別是驅(qū)動(dòng)力由1980年的0.295 3（中警狀態(tài)）上升至2005年的0.681 9（較安全狀態(tài)），帶動(dòng)了水環(huán)境安全的改善。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，海河流域管理部門在改善區(qū)域水環(huán)境安全、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中不斷投入，使得海河流域水環(huán)境安全響應(yīng)也由0.324 0變化至0.590 7，逐年上升。2005年水環(huán)境安全影響和響應(yīng)仍然處于預(yù)警狀態(tài)，說(shuō)明下一階段仍然需要加大投入，從政策方面支持環(huán)境改善，從而改善整個(gè)流域的水環(huán)境安全。

3.3 海河流域水環(huán)境目標(biāo)層安全指數(shù)計(jì)算和分析

水環(huán)境目標(biāo)層安全指數(shù)，見(jiàn)表5。1980、1990、2005年3個(gè)時(shí)期的海河流域水環(huán)境目標(biāo)層安全指數(shù)變化，如圖3所示。

表5 水環(huán)境目標(biāo)層安全指數(shù)

圖3 海河流域水環(huán)境目標(biāo)層安全指數(shù)變化

綜合來(lái)看，海河流域的水環(huán)境安全狀況是趨于好轉(zhuǎn)的，從1980年的中警狀態(tài)變化到2005年的較安全狀態(tài)，但是流域水環(huán)境安全狀況依然嚴(yán)峻，2005年的水環(huán)境安全指數(shù)為0.627 0，剛剛超過(guò)預(yù)警線，主要是由于水環(huán)境的改變是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過(guò)程。從1990年代開(kāi)始對(duì)流域水環(huán)境安全加大投入與整治，前期的投入還沒(méi)有完全發(fā)揮出作用，仍然需要繼續(xù)努力，爭(zhēng)取將整個(gè)流域水環(huán)境安全提升到安全狀態(tài)，保障海河流域人民的生活生產(chǎn)用水。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)DPSIR模型和層次結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建模式構(gòu)建了水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，涵蓋社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及水環(huán)境等33個(gè)指標(biāo)，能綜合反映流域水環(huán)境安全狀況。

（2）采用組合賦權(quán)法將層次分析法和熵權(quán)法得到的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行組合，兼顧主客觀的優(yōu)點(diǎn)。利用改進(jìn)型的模糊優(yōu)選模型對(duì)水環(huán)境安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，符合水環(huán)境系統(tǒng)特點(diǎn)，能夠使指標(biāo)所包含的信息得到綜合反映，能夠刻畫(huà)系統(tǒng)的層次性和模糊性，而且理論嚴(yán)密、概念明確、計(jì)算合理實(shí)用。

（3）分析1980、1990和2005年3個(gè)時(shí)期的水環(huán)境安全狀況可以看出，近25年來(lái)海河流域的水環(huán)境安全狀況一直處于上升狀態(tài)，目前安全指數(shù)為0.627 0，處于較安全狀態(tài)。但是，水環(huán)境和生態(tài)建設(shè)保護(hù)不足，水環(huán)境受自然生態(tài)、人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)影響較大。

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