基于熵權(quán)模糊綜合模型的水污染風(fēng)險評價

匡佳麗 唐德善

摘要：為科學(xué)評價流域水污染風(fēng)險，結(jié)合壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型（PSR模型）從社會經(jīng)濟(jì)、污染源危險性、水資源質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境脆弱性和水污染防控5個角度建立了包含21個指標(biāo)的流域水污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并將風(fēng)險劃分為4個等級，采用熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，最后利用模糊綜合評價模型對2012～2018年鄱陽湖流域水污染風(fēng)險開展綜合評價。結(jié)果表明：2012～2016年鄱陽湖流域水污染風(fēng)險表現(xiàn)為中度風(fēng)險，2017～2018年轉(zhuǎn)為輕度風(fēng)險，風(fēng)險等級整體呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，與實(shí)際情況相符。其中氨氮排放總量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和湖泊Ⅲ類以上水質(zhì)比例這幾個指標(biāo)對鄱陽湖流域水污染風(fēng)險的影響較大，因此相關(guān)部門需要重點(diǎn)在這些方面做出積極響應(yīng)。研究成果對于鄱陽湖流域水污染治理和水資源可持續(xù)利用有一定借鑒作用。

關(guān) 鍵 詞：水污染風(fēng)險評價;模糊綜合評價模型;PSR模型;熵權(quán);鄱陽湖流域

中圖法分類號：X52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0032-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.006

0 引 言

水資源是人類生存與社會發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來，由于城市化水平的不斷提高與工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，流域水污染問題日益突出。鄱陽湖作為中國第一大淡水湖泊，長江下游最大的水蓄積庫，在維護(hù)生物多樣性、調(diào)蓄長江洪水以及長江中下游淡水供給等方面具有十分重要的作用，對維系區(qū)域和國家生態(tài)安全具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。因此，對鄱陽湖流域水污染風(fēng)險開展研究，可以及時了解水污染風(fēng)險的動態(tài)變化，對于緩解水資源供需矛盾，改善水生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

目前，許多學(xué)者從不同角度對水污染風(fēng)險開展了研究。如?；勰鹊萚2]綜合考慮水環(huán)境污染脆弱性和對人體健康的危害性，對湘江進(jìn)行了河流水環(huán)境污染風(fēng)險模糊綜合評價;尹亮等[3]主要考慮企業(yè)風(fēng)險等級和風(fēng)險發(fā)生后對水源地的影響兩個方面建立了常州市水源地風(fēng)險等級判定模型;李婷[4]利用熵權(quán)TOPSIS模型選取6個指標(biāo)對大伙房渾河流域撫順段水污染風(fēng)險進(jìn)行了評價;連亞妮[5]從環(huán)境風(fēng)險危害性、傳播擴(kuò)散可能性、受體受損性分析和企業(yè)應(yīng)對能力4個方面對黃河包頭段水污染展開了風(fēng)險識別和防控研究，主要對流域內(nèi)潛在風(fēng)險企業(yè)進(jìn)行了模糊綜合評價。對于水污染風(fēng)險評價的研究大部分基于河流和水源地，對于流域水污染風(fēng)險研究較少，并且大部分著重于水質(zhì)、水量方面的指標(biāo)評價，指標(biāo)體系有待完善。因此，本文基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型構(gòu)建了水污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并將熵權(quán)法確定權(quán)重運(yùn)用于模糊綜合評價模型中，進(jìn)一步應(yīng)用于鄱陽湖流域水污染風(fēng)險評價，旨在揭示鄱陽湖水污染的主要影響因素和水污染風(fēng)險現(xiàn)狀，為管理者和決策者提供依據(jù)和解決思路。

1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 PSR模型

壓力（Pressure）-狀態(tài)（State）-響應(yīng)（Response）模型最初是由OECD和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）為了研究環(huán)境問題而發(fā)展形成的一種框架體系。PSR模型是通過壓力、狀態(tài)和響應(yīng)的邏輯思維方式來選取評價指標(biāo)，這一思維邏輯以因果關(guān)系為基礎(chǔ)，反映各個指標(biāo)之間的相互作用關(guān)系[6]。壓力指標(biāo)代表發(fā)生變化的原因，即社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對流域水環(huán)境會施加一定的壓力，因?yàn)檫@些壓力增加了流域水污染的風(fēng)險程度;狀態(tài)指標(biāo)則量化了這些壓力造成水污染風(fēng)險變化的程度;響應(yīng)指標(biāo)表示社會在意識到狀態(tài)變化后采取措施的力度，在一定程度上減小了流域水環(huán)境污染的風(fēng)險，從而反過來影響了狀態(tài)指標(biāo)。因此，PSR模型可以系統(tǒng)性地描述人類、社會、生態(tài)之間因果循環(huán)的相互關(guān)系，充分反映了各指標(biāo)之間的內(nèi)部聯(lián)系。并且，流域水環(huán)境系統(tǒng)是一個具有動態(tài)性的復(fù)合多元系統(tǒng)，水環(huán)境變化有一定的遲滯性，僅僅通過某一段特定時期的狀態(tài)進(jìn)行評價不能真實(shí)準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的實(shí)際狀況，而PSR模型具有很強(qiáng)的靈活性和全面性，既能充分體現(xiàn)系統(tǒng)當(dāng)時的自然狀態(tài)，又能綜合考慮社會發(fā)展和人類采取的調(diào)控措施對系統(tǒng)造成的影響，對于全面評價流域水污染的風(fēng)險程度非常適用。

1.2 水污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建

水污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建的首要問題是水污染風(fēng)險識別，以便建立全面的風(fēng)險評價指標(biāo)體系。為了綜合反映流域水污染的顯現(xiàn)及潛在風(fēng)險，本文遵循系統(tǒng)性、代表性、獨(dú)立性、客觀性、動態(tài)導(dǎo)向性及區(qū)別性等原則[7]，廣泛咨詢專家的意見并參考相關(guān)研究[8-11]，同時考慮數(shù)據(jù)的可獲取性，基于PSR模型從社會經(jīng)濟(jì)、污染源危險性、水資源質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境脆弱性和水污染防控5個角度對流域水污染的致險因素進(jìn)行分析研究，建立了含有21個指標(biāo)的水污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系（見表1）。其中壓力（P）指標(biāo)主要指社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)及人口增長、各種產(chǎn)業(yè)污染排放對于資源和環(huán)境帶來的不利影響;狀態(tài)（S）指標(biāo)主要指河湖庫的水質(zhì)、富營養(yǎng)化程度等反映流域水污染實(shí)際現(xiàn)狀的指標(biāo);響應(yīng)（R）指標(biāo)主要指人類社會對于水污染現(xiàn)狀做出的相應(yīng)對策，如污水處理率、污染治理的財政投入等。

1.3 評價指標(biāo)等級劃分

為了充分反映各項(xiàng)指標(biāo)對水污染產(chǎn)生的風(fēng)險程度，在已有研究[5，10-12]的基礎(chǔ)上，參考各指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)（河湖生態(tài)健康評價指標(biāo)研究[13]），并咨詢相關(guān)專家意見，將流域水污染的風(fēng)險等級劃分為Ⅰ（輕度風(fēng)險）、Ⅱ（中度風(fēng)險）、Ⅲ（重度風(fēng)險）、Ⅳ（極度風(fēng)險）4個等級，如表1所列。

2 研究方法

2.1 熵權(quán)模糊綜合評價模型基本思想

由于水污染風(fēng)險涉及社會經(jīng)濟(jì)、污染源和防控能力等多方面因子影響，不同流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況差異較大，故流域水污染風(fēng)險評價是一項(xiàng)復(fù)雜的多層次、多目標(biāo)綜合性問題，并且風(fēng)險評估具有隨機(jī)性、不確定性和模糊性。因而本文從科學(xué)合理性、實(shí)用性出發(fā)，選擇熵權(quán)模糊綜合評價對所在流域的水污染風(fēng)險進(jìn)行分析評價。

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)，它是根據(jù)樣本本身的信息特征做出的權(quán)重判斷，即通過各項(xiàng)指標(biāo)的觀測值提供信息量的大小來確定指標(biāo)的權(quán)重[14-15]。應(yīng)用熵權(quán)法能全面利用并反映指標(biāo)數(shù)據(jù)的信息，當(dāng)評價對象在某個指標(biāo)上的值差異度較大時，信息熵ei較小，說明該指標(biāo)提供的信息量較大，則其相應(yīng)權(quán)重也較大，表明該指標(biāo)的變化對于水污染風(fēng)險評價影響越大。

模糊綜合評判[16]是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用其模糊變換和最大隸屬度原理，對多因素影響、邊界不清的事物或現(xiàn)象進(jìn)行綜合評價，根據(jù)各因素的相對重要程度和對它的評價結(jié)果，把原來的定性指標(biāo)定量化，對于流域水污染風(fēng)險評價能夠系統(tǒng)全面地綜合各方面因素的影響，客觀地反映其真實(shí)狀態(tài)。

2.2 熵權(quán)法確定權(quán)重

步驟1：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。由于評價指標(biāo)的量綱單位的不同，會對評價結(jié)果產(chǎn)生影響，因此首先對各評價指標(biāo)進(jìn)行無量綱處理。其中正向指標(biāo)屬于越大越優(yōu)型，逆向指標(biāo)屬于越小越優(yōu)型，具體公式如下所示。

2.3 模糊綜合評判模型

2.3.1 構(gòu)建因素集和評價集

水污染風(fēng)險因素分為社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險（u1）、污染源危險性風(fēng)險（u2）、水資源質(zhì)量風(fēng)險（u3）、生態(tài)環(huán)境脆弱性風(fēng)險（u4）、水污染防控風(fēng)險（u5），構(gòu)成因素集U={u1，u2，u3，u4，u5}。參考相關(guān)研究和規(guī)范，將風(fēng)險劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個等級，構(gòu)成評價集V={v1，v2，v3，v4}，其中，v1代表輕度風(fēng)險，v2代表中度風(fēng)險，v3代表重度風(fēng)險，v4代表極度風(fēng)險。

2.3.2 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

表示每個評價對象在評價等級集合中隸屬于不同評價等級的程度，稱為隸屬度，以rij表示。因素集U對評價集V的隸屬度rij組成的矩陣即模糊關(guān)系矩陣R：

從表1可看出所選指標(biāo)均為定量指標(biāo)，對定量指標(biāo)遵循相關(guān)文獻(xiàn)[17-19]所給出的確定隸屬度函數(shù)的原則，隸屬度函數(shù)采用嶺形隸屬函數(shù)。將每個指標(biāo)等級區(qū)間的中點(diǎn)作為分界點(diǎn)，隸屬度函數(shù)公式如下所示：

2.3.3 構(gòu)建綜合評價矩陣進(jìn)行模糊評價

綜合評價矩陣計算公式：

隸屬度反映了模糊集合中的每個元素對評判集合的隸屬程度，隸屬度的值為[0，1]區(qū)間內(nèi)的數(shù)，越接近于1，表示隸屬程度越好。故可根據(jù)最大隸屬度原則綜合判定水污染風(fēng)險等級，公式如下：

3 鄱陽湖流域水污染風(fēng)險綜合評價

3.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖位于江西省北部，匯集江西省內(nèi)贛江、撫河、饒河、修河、信江五大水系，下接長江，是中國最大的淡水湖。鄱陽湖水系流域面積共162 225 km2，約占江西省國土面積的97%。江西省境內(nèi)地勢南高北低，周圍群山環(huán)繞逐漸向鄱陽湖區(qū)傾斜，呈現(xiàn)一種南窄北寬以鄱陽湖為底部的盆地狀地形，因而江西省境內(nèi)大部分地表水都匯集于此，基本上形成了以省級行政單位邊界劃分的流域系統(tǒng)。鄱陽湖水系在長江流域和江西境內(nèi)都有著首屈一指、不可替代的重要作用，是江西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，其洪水調(diào)蓄功能、濕地面積以及生態(tài)多樣性都對整個區(qū)域甚至上下游流域有著巨大的影響。而鄱陽湖水系周邊城市密布，城市的發(fā)展對于水資源的利用需求較大，存在著潛在流域水污染風(fēng)險，對于整個流域供水、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境有一定的安全隱患，因此以鄱陽湖流域?yàn)槔?，研究其水污染風(fēng)險對于控制污染源、提升水污染防控能力和用水安全，以及保護(hù)鄱陽湖流域生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

3.2 數(shù)據(jù)來源

本文所需研究數(shù)據(jù)主要來源于2012～2018年《江西省統(tǒng)計年鑒》《江西省水資源公報》《江西省環(huán)境統(tǒng)計年報》《江西省環(huán)境公報》《中國人口和就業(yè)統(tǒng)計年鑒》及相關(guān)政府工作報告。經(jīng)統(tǒng)計得到鄱陽湖流域水污染風(fēng)險評價各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，見表2。

3.3 指標(biāo)權(quán)重系數(shù)確定

利用上述公式（1）～（5）對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理及權(quán)重計算，得出各評價指標(biāo)權(quán)重見表3。

3.4 模糊綜合評價模型建立及計算

（1）構(gòu)建因素集與評價集如表1所示。

（2）構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣。由式（7）～（9）計算確定每個評價對象的各個指標(biāo)對與風(fēng)險等級的隸屬度，得出各年份的模糊關(guān)系矩陣R，以2012年為例，所求矩陣如下：

同理，可計算得到2013～2018年的模糊關(guān)系矩陣。

（3）構(gòu)建綜合評價矩陣進(jìn)行分級評價。根據(jù)綜合評價矩陣計算公式（10）以及最大隸屬度原則式（11）對綜合風(fēng)險等級進(jìn)行模糊評價，獲得鄱陽湖流域水污染風(fēng)險評價的最終結(jié)果，評價結(jié)果如表4～5所列。

3.5 評價結(jié)果分析

從表3的計算來看，對鄱陽湖流域水污染風(fēng)險影響較大的幾個指標(biāo)（權(quán)重大于6%）主要有氨氮排放總量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和湖泊Ⅲ類及以上水質(zhì)比例，對鄱陽湖流域水污染風(fēng)險有一定影響的指標(biāo)（權(quán)重在5%～6%之間）主要有富營養(yǎng)化水庫比例、城鎮(zhèn)生活污水處理率、農(nóng)業(yè)化肥施用量、城鎮(zhèn)生活污水排放量和萬元GDP用水量。除此之外，江西省在污染治理支出、河湖（庫）長達(dá)標(biāo)率以及垃圾無害化處理等方面工作保持著很好的成績，在一定程度上減緩了水污染的風(fēng)險，使鄱陽湖流域生態(tài)環(huán)境得到很大改善，這些因素也起到了一些輕微的影響。

從表4的結(jié)果可以看出，鄱陽湖水污染風(fēng)險等級在2012～2016年處于中度風(fēng)險，表示流域內(nèi)發(fā)生大面積水污染事件的風(fēng)險較大。2017年首次進(jìn)入到輕度風(fēng)險狀態(tài)，并且2018年仍然保持在輕度風(fēng)險狀態(tài)，說明近幾年鄱陽湖水質(zhì)與水環(huán)境正在向著良性態(tài)勢發(fā)展，地區(qū)保護(hù)水資源及生態(tài)環(huán)境的意識逐漸加強(qiáng)，經(jīng)過一系列制度和政策的推行，使得鄱陽湖流域水污染風(fēng)險等級降低，流域水環(huán)境質(zhì)量得到改善。

從表5水污染風(fēng)險的5個子系統(tǒng)指標(biāo)評價來看，2012～2018年社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)基本平穩(wěn)，處于中度風(fēng)險的狀態(tài)。雖然城鎮(zhèn)化率與人口密度一直處于不斷增加的趨勢，但隨著江西省全面推進(jìn)最嚴(yán)格水資源制度，嚴(yán)格完成水資源管理“三條紅線”控制目標(biāo)，建設(shè)節(jié)水型社會，人均綜合用水量從2013年的586 m3降低到2018年的540 m3，萬元GDP用水量也從2012年187 m3降低到2018年的114 m3，整體下降幅度較大，說明用水效率和用水節(jié)約集約化程度都在不斷提高，取得了良好降低水污染風(fēng)險壓力的效果?？紤]到2012～2018年社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍處于中度風(fēng)險狀態(tài)，并且從未來江西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢來看，水污染面臨的社會經(jīng)濟(jì)壓力不可小覷，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)重視流域內(nèi)的社會發(fā)展給水資源水生態(tài)帶來的影響，促進(jìn)流域高質(zhì)量可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

污染源危險性指標(biāo)在2015年達(dá)到重度風(fēng)險，其余評價年份均為中度風(fēng)險，說明流域內(nèi)污染排放風(fēng)險總體比較平穩(wěn)，在2015年偏于不安全的狀態(tài)。城鎮(zhèn)生活污水排放量和農(nóng)業(yè)化肥施用量在2012～2015年處于不斷增長的態(tài)勢，導(dǎo)致水污染風(fēng)險加大，在2016年以后開始回落，說明兩者是2015年污染源危險性指標(biāo)達(dá)到重度風(fēng)險的主要因素，相關(guān)部門應(yīng)該著重從城鎮(zhèn)污水排放量和化肥施用量控制方面采取措施。另外，氨氮排放總量在2012～2018年一直處于下降趨勢，從2012年的91 050 t下降到2018年的58 409 t，對于整個流域水污染風(fēng)險降低起到了很積極的作用，說明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，污水處理水平不斷提高，江西省生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策取得了很大的成效。

水資源質(zhì)量指標(biāo)在評價年里處于波動狀態(tài)，整體水質(zhì)基本逐年變好，2012～2013年為中度風(fēng)險，2014年?duì)顟B(tài)最差，處于重度風(fēng)險，2015～2018年一直處于輕度風(fēng)險的狀態(tài)。說明2015～2018年江西省水資源質(zhì)量綜合治理取得了一定的效果，但是湖泊水質(zhì)監(jiān)測斷面Ⅲ類以上水質(zhì)比例仍逐年降低，相關(guān)部門應(yīng)該更為重視湖泊水資源保護(hù)，以免發(fā)生湖泊大面積水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。

生態(tài)環(huán)境脆弱性的指標(biāo)風(fēng)險等級處于整體上升狀態(tài)，2012～2015年為輕度風(fēng)險，在2016年和2018年達(dá)到中度風(fēng)險，說明鄱陽湖流域生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)良好，但是隨著近年來經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，忽視了生態(tài)保護(hù)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境越來越脆弱，因此，應(yīng)該加強(qiáng)資源節(jié)約與環(huán)境友好型社會的建設(shè)，在經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中融入環(huán)保理念，建立環(huán)保激勵與約束機(jī)制。

水污染防控能力處于穩(wěn)步上升的狀態(tài)，自2016年起保持著輕度風(fēng)險等級，水污染防控指標(biāo)風(fēng)險等級變化與總體級別變化基本一致，說明水污染防控對于鄱陽湖流域水污染風(fēng)險等級下降起到了重大的作用。江西省積極采取措施，將工業(yè)廢水處理率從2012年的61.29%提升到2018年的72.18%，城市污水處理率也從84.31%提升到95.77%，污水處理率和處理能力也在不斷提高。另外，隨著2015年年底江西省在全省江河湖庫水域內(nèi)全面實(shí)施河長制，不斷健全制度體系，完善河湖管護(hù)長效機(jī)制，強(qiáng)化監(jiān)督考核，極大地提高了江西省水污染防控能力，降低了流域內(nèi)水資源污染的風(fēng)險，說明河長制的實(shí)施取得的效果顯著，若繼續(xù)在鄱陽湖流域內(nèi)實(shí)施河長制，水污染治理和水資源保護(hù)一定會取得更優(yōu)的成績。

4 結(jié)論與展望

（1）本文從社會經(jīng)濟(jì)、污染源危險性、水資源質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境脆弱性以及水污染防控5個方面建立了流域水污染風(fēng)險評價體系，并確定指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，利用熵權(quán)法與模糊綜合評判結(jié)合的模型對鄱陽湖流域水污染風(fēng)險等級進(jìn)行了判定，該模型能夠削弱模糊層次分析法中AHP法確定權(quán)重的主觀性，充分利用了數(shù)據(jù)本身的信息量，使評價結(jié)果更為客觀、科學(xué)、合理。評價結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，說明熵權(quán)模糊綜合評判模型對于水污染風(fēng)險評價問題具有可行性和適用性。

（2）鄱陽湖流域2012～2016年水污染風(fēng)險為中度風(fēng)險，2017～2018年為輕度風(fēng)險，風(fēng)險等級逐年降低說明流域水環(huán)境狀態(tài)呈現(xiàn)良性發(fā)展態(tài)勢。但是社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、污染源危險性指標(biāo)及生態(tài)環(huán)境脆弱性指標(biāo)仍處于中度風(fēng)險狀態(tài)，說明社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展給水污染帶來的壓力依然很大，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，解決發(fā)展帶來的水資源緊張及生態(tài)環(huán)境相關(guān)問題勢在必行。

（3）氨氮排放總量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和湖泊Ⅲ類及以上水質(zhì)比例對鄱陽湖流域水污染風(fēng)險的影響較大，因此在流域污染治理方面要特別重視污水排放指標(biāo)，直面湖泊水污染問題，繼續(xù)發(fā)揮河長制湖長制工作取得的成效。

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（編輯：劉 媛）