遼河流域水環(huán)境累積風險評估及關鍵指標篩選研究

尚彥辰， 郭秋岑， 曹雨， 王鑫玉

(沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院, 遼寧 沈陽 110168)

水環(huán)境風險問題受多方面因素影響，具有風險源種類繁多、空間分布復雜、容易受上下游累積傳輸物質影響等特點，所以對水環(huán)境風險進行評價有一定困難。而水環(huán)境風險評價中較為復雜的便是水環(huán)境累積風險評估，由于不同風險源的累加效果對水環(huán)境造成的影響存在區(qū)別，量化表征此影響更為困難，但其對于環(huán)境保護和環(huán)境問題決策有重要意義[1-2]。

目前，國內(nèi)對水環(huán)境累積風險問題的研究較少，起步較晚。在國外，美國是第一個進行累積風險評估的國家，在2003年，美國國家環(huán)保局(USEPA)頒布了累積性環(huán)境風險評估框架[3]，確立并劃分了3個階段，即規(guī)劃構建、分析與表征，并且對每個階段進行了詳細說明，這是累積風險研究的基礎。2004年，歐洲科學家發(fā)起第六框架計劃(the European Sixth Framework Integrated Research Project)，其中包括歐洲累積風險評估方法[4]。同年，我國環(huán)?？偩职l(fā)布了《建設項目環(huán)境風險評價技術導則》。2007年，USEPA提出了一款用于污染地累積風險資源的工具箱，MACDONELL M M等[5]在2013年提出更新，加入了累積風險應用的實用說明，這是累積風險理論的首次應用。2010年，SEXTON K等[6]提出累積風險評估可以為政策決策提供一種系統(tǒng)的、公正的環(huán)境評估信息，這使得累積風險的研究更趨向人性化。2012年，世界自然基金會(World Wide Fund for Nature,WWF)和德國投資與開發(fā)有限公司(Deutsche Investitions-und Entwicklungsge sellschaft mbH，DEG)共同發(fā)布了全球水風險評估工具(Water Risk Filter)，該方法考慮了流域和國家等因素，使其更偏向于實際應用。同年，國內(nèi)陳凱等[7]構建了累積性水環(huán)境風險評價指標體系并利用主成分分析法和MATLAB 建立了遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡綜合評價模型，并對太湖進行了評估。2017年，羅昊等[8]建立了基于16項底層指標的流域水環(huán)境累積風險評估綜合指標體系，同時還應用突變理論量化表征累積環(huán)境風險。

水環(huán)境累積風險問題與經(jīng)濟發(fā)展、社會活動、水環(huán)境現(xiàn)狀、國家監(jiān)管、對水資源的認知等多方面有關。2013年，王浩等[9]對WWF和DEG提出的風險評價工具進行了中國化，使各項評價指標更適用于中國實際應用。目前，該風險模型已被應用于長江流域水環(huán)境風險評估[10]。本文結合美國環(huán)保局頒布的累積性環(huán)境風險評估框架，對WWF與DEG提出的水風險評估方法進行耦合，并引入層次分析法，形成了一套水環(huán)境累積風險評價工具。

1 研究方法

1.1 水環(huán)境累積風險評估工具

流域水環(huán)境累積風險評估需要考慮自然、經(jīng)濟、社會、監(jiān)管、宣傳等方面的影響。本文參考WWF與DEG提出的水風險評估工具中對流域的物理風險、監(jiān)管風險、聲譽風險3個方面進行分析，按照USEPA提出的規(guī)劃和問題的構建、風險的分析、風險的表征三大步驟[3]對水環(huán)境累積性風險問題進行評估。其中，物理風險指由人類活動所引起或受自然因素影響而造成流域內(nèi)存水量和水環(huán)境質量的風險；監(jiān)管風險是指政府對流域及水體管理的執(zhí)行情況，包括法規(guī)的執(zhí)行情況和水環(huán)境管理投資等；聲譽風險是指負面的流域內(nèi)居民對流域環(huán)境評論帶來的潛在風險。最終形成屬于遼河流域的水環(huán)境累積性風險評估體系，并對水環(huán)境累積風險進行評估，篩選出最主要的影響因素，為遼河流域的水環(huán)境管理與開發(fā)提供科學依據(jù)。

1.2 水環(huán)境累積風險評價指標體系

構建指標評價體系，需要在已有的模型中選取合適的指標。對于WWF水風險評估工具已有的指標，按照EPA提出的累積性環(huán)境風險評估框架對其進行完善和修改，使其能夠準確地對水環(huán)境累積風險進行評估。

1.2.1 物理風險分析

物理風險包括3類：水資源稀缺、水污染情況、水生態(tài)系統(tǒng)健康。在分析WWF風險評估方法已有的指標條件的基礎上，對這3類物理風險的某些指標進行合理的修正。

1)對于水資源稀缺風險，考慮累積風險時，本文選取了人均水資源盈余率和氣候影響2個基本指標。

人均水資源盈余率反映該地區(qū)人均水資源盈余情況，具體量化為如下公式：

(1)

氣候影響反映該地區(qū)溫度變化對環(huán)境造成的影響，具體量化為如下公式：

(2)

2)對于水污染情況，考慮水系水質狀況評價結果，將其量化為當?shù)厮h(huán)境中Ⅲ類及以上水質占全流域水環(huán)境的比重。

3)對于水生態(tài)系統(tǒng)健康，考慮累積風險時，本文從水生態(tài)系統(tǒng)的危險性、暴露性、脆弱性3個方面進行評估。①危險性主要分析風險的來源，其中最具代表性的指標有生活方面的生活污水排放量、生產(chǎn)方面的工業(yè)廢水排放量、農(nóng)業(yè)方面的化肥使用強度以及城市污水處理率4個指標。②暴露性主要分析風險受體的數(shù)量以及狀態(tài)：農(nóng)業(yè)方面，主要分析灌溉面積；居民生活方面，主要考察人口密度；衛(wèi)生環(huán)境方面，主要分析農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率。③脆弱性是要綜合考慮水體的水生物多樣性威脅、萬元GDP耗水量、GDP增長率，其中水生物多樣性威脅采用V?R?SMARTY C J等[11]提出的淡水生物多樣性威脅指數(shù)進行評估。

1.2.2 監(jiān)管風險分析

從3個角度進行監(jiān)管風險分析：①與水環(huán)境相關的資金投入，主要通過分析環(huán)保投資占GDP的百分比、污水處理投資額2個基本指標作出相應判斷；②與水環(huán)境相關的法律法規(guī)體系的復雜性和透明度，主要對不同區(qū)域的法律法規(guī)體系以及實施過程中的舉措進行評估；③與水環(huán)境相關的法律法規(guī)體系的實施，主要考慮在整個流域內(nèi)的實施情況，結合成果進行分析評價。

1.2.3 聲譽風險分析

從2個層面進行聲譽風險分析：①當?shù)厝藢λh(huán)境問題的重視程度，主要通過當?shù)氐奈幕L俗或宗教活動分析其對水環(huán)境保護、節(jié)約用水等方面問題的關注程度并進行評估；②國內(nèi)外媒體對流域水問題的報道情況，主要通過收集國內(nèi)外主流媒體對水問題的報道情況對其進行分析并評估。具體指標體系如圖1所示。

圖1 累積風險綜合指標體系圖

1.3 各指標等級劃分

在水環(huán)境累積風險等級評分標準中，將指標等級劃分為5級，即：無風險或者可接受風險、低風險或者約束性風險、中風險、高風險和極高風險，具體分級見表1。

表1 水環(huán)境累積風險等級評分標準

風險等級劃分主要依據(jù)國家標準或地方標準、與指標相關的已有研究、全國各省指標數(shù)據(jù)分析和專家經(jīng)驗值。首先在有國標的條件下盡量采取國標分級標準，其次考慮已有發(fā)表文獻的分級標準，之后再考慮2008—2018年統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)。排序后，選取5%到95%作為數(shù)據(jù)范圍，然后在該數(shù)據(jù)范圍內(nèi)劃分成5個等級，最后參考專家意見進行分級[12]。指標分級見表2。

表2 流域水環(huán)境累積風險評價指標分級

續(xù)表

1.4 層次分析法

采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)進行權重確定。首先，對子系統(tǒng)進行權重分配；然后，對各子系統(tǒng)中的風險因子進行權重分配；最后，對各風險因子中的指標進行權重分配。根據(jù)AHP計算過程，應用九級標度法，構造判斷矩陣Pk(k=1、2、3)，如下所示：

式中：i=1、2、…、n，j=1、2、…、n；當k=1時，P1為風險子系統(tǒng)判斷矩陣，其中U1ij為物理風險子系統(tǒng)、監(jiān)管風險子系統(tǒng)和聲譽風險子系統(tǒng)間兩兩比較的結果；當k=2時，P2為各風險子系統(tǒng)中各風險因子判斷矩陣，其中U2ij為子系統(tǒng)中各風險因子間兩兩比較的結果；當k=3時，P3為風險因子中各指標的判斷矩陣，其中U3ij為風險因子中各指標間兩兩比較的結果。

利用方根法求解P1中各風險系統(tǒng)權重ω1i、P2中各風險因子權重ω2i和P3中各指標權重ω3i。為了檢驗權重分配是否合理，需要對Pk進行一致性檢驗，檢驗公式為:

CR=CI/RI；

(3)

CI=(λmax-n)/(n-1)。

(4)

式中：CR為Pk的隨機一致性比率；CI為Pk的一致性指標；RI為Pk的平均隨機一致性指標；λmax為Pk的最大特征根；n為矩陣階數(shù)。

當Pk的CR小于0.1時，一致性檢驗通過；當CR大于0.1時，則需對Pk進行調(diào)整[13]。

以第一層物理風險、監(jiān)管風險和聲譽風險為例，構建矩陣P1：

應用方根法求解各指標的權重分配值，計算得出各指標的權重分配值分別為0.707 1，0.222 7，0.070 2。求得最大特征根λmax=3.053 6,將其代入公式(4)求得CI=0.026 8，由于P1為三階矩陣，所以其對應的RI=0.52。將其代入公式(3)中得出CR=0.051 5≤0.1，該一致性檢驗結果可以接受。即物理風險、監(jiān)管風險、聲譽風險的權重分別為0.707 1、0.222 7、0.070 2。其余各層依次按照該方法分析。同時本文中采用MATLAB軟件極大地簡化了計算過程，經(jīng)計算后權重結果如圖2所示。

圖2 累積風險評估指標權重

從圖2中可以看出，指標對水環(huán)境累積風險的影響程度依次為：水系水質狀況>人均水資源盈余率>污水處理投資=與水環(huán)境相關的法律法規(guī)體系的復雜性和透明度=與水環(huán)境相關的法律法規(guī)體系的實施>媒體對水環(huán)境問題的報道>環(huán)保投資占GDP比重。其中，水系水質狀況和人均水資源盈余率都是物理風險的指標，這表明物理風險指標對水環(huán)境累積風險的影響最明顯。

2 結果與討論

2.1 遼河流域水環(huán)境累積風險實例分析

遼河流域是我國七大流域之一，位于我國東北部的西南地區(qū)，全長1 345 km，流經(jīng)吉林、遼寧、河北、內(nèi)蒙古4個省份，流域面積(包括渾河、太子河)21.9萬km2，由北向南縱貫遼寧省中部，最后于遼東灣入海[14]。遼寧省境內(nèi)的遼河流域面積為6.9萬km2，由大遼河、太子河、渾河和遼河等水系組成。遼寧省沿河地區(qū)發(fā)展迅速，大量工廠聚集，該流域大部分河段的水質長期處于劣Ⅴ類。因此，本文主要以遼寧省境內(nèi)遼河流域的支流、干流為研究對象，暫不考慮其他省內(nèi)流域。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要分析該地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、社會基本情況數(shù)據(jù)、政府監(jiān)管數(shù)據(jù)和媒體數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《中國氣象年鑒》《中國水利年鑒》《中國第三產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》《遼寧省統(tǒng)計年鑒》等，部分來自有關部門的網(wǎng)站、水文化建設方面的活動、國內(nèi)主流紙質及網(wǎng)絡媒體對水環(huán)境問題的報道等信息。具體數(shù)據(jù)來源見表3。

表3 數(shù)據(jù)來源表

2.3 水環(huán)境累積風險評估結果分析

按照表2確定各項指標評分，結合層次分析法計算確定的權重，得到遼河流域累積風險綜合評價結果，如圖3所示。

圖3 遼河流域累積風險綜合評價結果

由圖3可以看出：2014—2017年遼河流域水環(huán)境累積風險逐年提升，2014年為Ⅲ級中風險，在2015年以后就上升為Ⅳ級高風險；而且2016—2017年風險等級的增長比較明顯。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，自2017年開始遼寧地區(qū)對水質檢測采取采、測分離的方法，通過引入第三方檢測，使測試結果更為客觀準確。同時，2017年年內(nèi)水環(huán)境質量有一定程度的下降，最終導致2016—2017年水環(huán)境累積風險上升趨勢增大。

分別計算、評估3個子系統(tǒng)對水環(huán)境累積風險的影響，結果如圖4所示。

圖4 各子系統(tǒng)評價結果

由圖4可以看出：物理風險對水環(huán)境累積風險的影響最大，其次是監(jiān)管風險，最后是聲譽風險；2017年，物理風險子系統(tǒng)對累積風險的影響最高為2.575；聲譽風險子系統(tǒng)對水環(huán)境累積風險影響最小，最高影響值為0.231 7；監(jiān)管風險子系統(tǒng)對水環(huán)境累積風險影響較為穩(wěn)定，其影響值在0.55附近。

2.3.1 物理風險分析

本文提出的水環(huán)境累積風險分析中物理風險包括水資源稀缺、水污染情況和水生態(tài)系統(tǒng)健康3類及13個具體指標，針對3類的累積風險進行分析，結果如圖5所示。

圖5 物理風險系統(tǒng)評價結果

由圖5可知：水污染情況和水生態(tài)健康對水環(huán)境累積風險影響較大；水污染情況的影響尤為突出，2017年水污染情況對水環(huán)境累積風險影響達到最大，為1.793，需要立即對水環(huán)境問題進行約束來防范風險；2016年，水資源稀缺對水環(huán)境累積風險的影響較小，其影響最小值為0.171；水生態(tài)健康的影響較為穩(wěn)定，風險評價結果基本在0.55左右，也處于中風險狀態(tài)。從圖5中還可以看出：水污染情況影響一直很高，遼河遼寧段水質大部分處于Ⅲ、Ⅳ類，水質狀況不容樂觀；而且隨著近些年城市的發(fā)展，生活污水排水量和工業(yè)用水量增加，嚴重影響了遼寧地區(qū)的水環(huán)境生態(tài)健康。王彥麗等[15]在觀測遼河流域2014—2017年的水質變化時發(fā)現(xiàn)，遼河遼寧段的水質在干流自上而下表現(xiàn)出水質惡化的趨勢，這與本文得出的結果相同。遼河下游的盤錦興安斷面水質觀測結果表明，遼河入?？趨^(qū)域的水質基本處于Ⅴ類，其中氨氮影響較為嚴重。對遼河遼寧段水質指標進行分析發(fā)現(xiàn)，氨氮指數(shù)居高不下，這也是遼河遼寧段的水質在干流處自上而下表現(xiàn)出水質惡化趨勢的主要原因。

針對水資源稀缺指標對水環(huán)境累積風險影響進行分析，結果如圖6所示。從圖6中可以看出，水資源稀缺水環(huán)境累積風險影響在2014年最高。經(jīng)分析，從2014 年開始，遼寧省多地氣溫屢創(chuàng)新高，高溫天氣的出現(xiàn)會伴隨著干旱的發(fā)生，再加上多年來遼寧省內(nèi)常年用水量和水資源量不成比例，最終影響了遼寧當?shù)氐乃Y源量，這是造成其評價指數(shù)升高的主要原因。

對于水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，主要從水生態(tài)系統(tǒng)的危險性、暴露性和脆弱性3個方面來分析和評價。圖7給出了這3個方面的風險評價結果，由圖7可知：水生態(tài)系統(tǒng)的危險性對水環(huán)境累積風險影響較大，但呈逐漸降低趨勢；暴露性對水環(huán)境累積風險影響變化浮動不大，基本在0.13左右；脆弱性對水環(huán)境累積風險波動較為明顯，2016年達到最大值。

圖7 水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價結果

針對各危險性、脆弱性及暴露性指標進行分析，結果如圖8所示。

圖8 水生態(tài)系統(tǒng)健康各指標評價結果

水生態(tài)系統(tǒng)的危險性主要選取工業(yè)廢水排放量、生活污水排放量、化肥使用強度和城市污水處理率4個指標進行分析。不難發(fā)現(xiàn)，城市污水處理率的逐年提高，其累積風險也在逐年下降，同時經(jīng)過多年努力，遼寧省內(nèi)大多數(shù)城市實現(xiàn)了污水處理后再排放以及雨污分流等措施，極大地提高了污水的處理率。同時，工業(yè)企業(yè)污水排放的累積風險也有明顯的下降，這與政府管控和企業(yè)技術結構升級有著密切關聯(lián)。但是，生活污水排放和農(nóng)業(yè)化肥施用的累積風險仍為中高風險，沒有明顯改善。因此，為降低水環(huán)境累積風險，還要從農(nóng)業(yè)和生活方面入手。由于人口日益增加，生活污水排放量會持續(xù)增加，所以，該指標的累積風險每年都有一定提升。因此，需要提倡節(jié)約用水來降低風險。同時，由于耕地面積沒有改變，化肥施用量變化較小。所以，建議減少每畝化肥施用量，實現(xiàn)降低水環(huán)境累積風險的目的。

水生態(tài)系統(tǒng)的暴露性主要針對人口密度、灌溉面積、農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率3個指標來分析。其中：人口密度每年都有波動，但屬于客觀因素無法主動調(diào)整；灌溉面積對水環(huán)境累積風險的影響較低且基本保持不變；農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率逐年提高，農(nóng)村廁改力度加強，使農(nóng)村廁所的污水可以集中處理，大大減少了污水直接進入水體的數(shù)量，有效降低了其對水環(huán)境的累積風險。

水生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性主要對水生物多樣性威脅、萬元GDP耗水量、GDP的年增長率3個指標進行分析和評價。由圖8可以看出：對水生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性有決定性影響的是水生物多樣性威脅指標；萬元GDP耗水量對水生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的影響有小范圍的上漲趨勢；近些年，遼寧GDP年增長率有一定波動， 2016年經(jīng)濟下滑導致水生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性變強，因此增加了對水環(huán)境的累積風險。

綜上，為了降低水生態(tài)系統(tǒng)健康對水環(huán)境累積風險的影響，應該增強節(jié)水意識，減少流域內(nèi)化肥的施用量，加強農(nóng)村廁改的力度，力求降低水生物多樣性威脅。

2.3.2 監(jiān)管風險分析

從3個角度進行監(jiān)管風險分析，分別為與水環(huán)境相關的資金投入、與水環(huán)境相關的法律法規(guī)體系的復雜性和透明度、與水環(huán)境相關的法律法規(guī)體系的實施。圖9給出了監(jiān)管風險系統(tǒng)指標風險評價結果。

由圖9可以看出：監(jiān)管風險系統(tǒng)中，與水環(huán)境相關的法律法規(guī)體系的復雜性和透明度、與水環(huán)境相關的法律法規(guī)體系的實施對水環(huán)境累積風險影響較?。慌c水環(huán)境相關的資金投入對累積風險影響值較大。分析與水環(huán)境相關的資金投入的兩個指標可以看出，雖然環(huán)保投入大量資金，但是并未完全投入到水體污染整治，污水投資金額不足，所以污水處理投資對水環(huán)境累積風險的影響要高于環(huán)保投資。同時，根據(jù)張偉等[16]關于“十一五”時期的經(jīng)濟數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)保投資會促進經(jīng)濟發(fā)展。因此，為了降低水環(huán)境累積風險等級，應增加污、廢水處理投資，同時提高環(huán)保投資技術效率[17]。

圖9 監(jiān)管風險系統(tǒng)評價結果

自2009年以來，水環(huán)境的監(jiān)管力度逐年增大，經(jīng)過“十五”“十一五”“十二五”規(guī)劃的持續(xù)推進，使水環(huán)境相關法律法規(guī)得到進一步落實和完善。在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的這10年中，越來越多的民眾可以通過網(wǎng)絡更簡單快捷地去了解和討論流域內(nèi)出現(xiàn)的水環(huán)境問題。因此，雖然與水環(huán)境相關的資金投入對監(jiān)管風險的影響增大，但是監(jiān)管風險總體上還是趨于穩(wěn)定的。

2.3.3 聲譽風險分析

聲譽風險主要是負面的評論可能帶來的風險，圖10給出了聲譽風險系統(tǒng)各指標風險評價結果。

圖10 聲譽風險系統(tǒng)評價結果

由圖10可看出，聲譽風險對水環(huán)境累積風險的影響最小，但是其本身存在波動性。對水環(huán)境的重視度是一把雙刃劍，它可以提高當?shù)厝藢λh(huán)境的保護程度，但是一旦水環(huán)境出現(xiàn)嚴重的危險事故，也會造成極大的負面影響，所以其對水環(huán)境累積風險的影響較高。媒體對遼河流域遼寧段的水環(huán)境問題關注頻次極少，主要的關注者還是與水環(huán)境有關的從業(yè)者和相關研究人員，大部分群眾認識的層面還在節(jié)約用水的階段。遼河遼寧段2016年間僅發(fā)生了3起水污染事故，其余年份均未有水環(huán)境事故報道。所以，相關媒體報道較少，這也從側面反映出遼河遼寧段基本沒有出現(xiàn)大規(guī)模的水環(huán)境問題，對流域水環(huán)境累積風險的影響較小。

3 結論

1)基于本文提出的累積風險綜合指標評估體系對遼河流域遼寧段的水環(huán)境累積風險進行分析和評價。結果顯示其風險等級為中高風險，與遼河流域的實際情況基本相符。為其他流域的累積風險評估提供了一種切實可靠的方法。

2)對遼河流域遼寧段的水環(huán)境累積風險進行評價，結果表明：物理風險對水環(huán)境累積風險的影響最大，其次是監(jiān)管風險和聲譽風險；在所有指標中，水質的影響最大，其次是污水處理投資額；大多數(shù)指標的波動不大，隨年份的增加指標有所波動，其中波動較為明顯的是農(nóng)村廁所普及率、城市廢水處理率及工業(yè)廢水排放量。這說明，我國廁所革命的進展較快，各污水處理廠的改造升級提標有效，改建老城區(qū)使雨污分流的效果顯著。但同時也伴隨著一定偷排事件的發(fā)生，應提高監(jiān)管力度。

3)由于近些年遼寧省經(jīng)濟發(fā)展出現(xiàn)多次波動，同時也存在經(jīng)濟與環(huán)境之間的抉擇問題，這對于水環(huán)境累積風險有著長遠的影響。為降低遼河遼寧段的水環(huán)境累積風險，最有效果的措施是：加大對水體治理的力度，提高污水處理投資額；在高速發(fā)展經(jīng)濟的同時，加大對環(huán)境保護投資的力度，實現(xiàn)二者的協(xié)同作用；同時提高環(huán)保投資方面的技術效率，實現(xiàn)投資效益最大化。

4)對于一些不可抗力指標的影響，如環(huán)境溫度、人口密度、農(nóng)耕面積等，應提前建立良好的保護機制，減少其對水環(huán)境的影響。