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、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個指標的流域水污染風(fēng)險評價指標體系,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,與實際情況相符。其中氨氮排放總量、水功能區(qū)水質(zhì)達標率和湖泊Ⅲ類以上水質(zhì)比例這幾個指標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
文獻標志碼: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個指標對大伙房渾河流域撫順段水污染風(fēng)險進行了評價;連亞妮[5]從環(huán)境風(fēng)險危害性、傳播擴散可能性、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)、水量方面的指標評價,指標體系有待完善。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)險評價指標體系,并將熵權(quán)法確定權(quán)重運用于模糊綜合評價模型中,進一步應(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,這一思維邏輯以因果關(guān)系為基礎(chǔ),反映各個指標之間的相互作用關(guān)系[6]。壓力指標代表發(fā)生變化的原因,即社會經(jīng)濟發(fā)展對流域水環(huán)境會施加一定的壓力,因為這些壓力增加了流域水污染的風(fēng)險程度;狀態(tài)指標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。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)進行評價不能真實準確地反映系統(tǒng)的實際狀況,而PSR模型具有很強的靈活性和全面性,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)險評價指標體系構(gòu)建
水污染風(fēng)險評價指標體系構(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、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行分析研究,建立了含有21個指標的水污染風(fēng)險評價指標體系(見表1)。其中壓力(P)指標主要指社會發(fā)展、經(jīng)濟及人口增長、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際現(xiàn)狀的指標;響應(yīng)(R)指標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 評價指標等級劃分
為了充分反映各項指標對水污染產(chǎn)生的風(fēng)險程度,在已有研究[5,10-12]的基礎(chǔ)上,參考各指標的評價標準(河湖生態(tài)健康評價指標研究[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、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)濟發(fā)展情況差異較大,故流域水污染風(fēng)險評價是一項復(fù)雜的多層次、多目標綜合性問題,并且風(fēng)險評估具有隨機性、不確定性和模糊性。因而本文從科學(xué)合理性、實用性出發(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,即通過各項指標的觀測值提供信息量的大小來確定指標的權(quán)重[14-15]。應(yīng)用熵權(quán)法能全面利用并反映指標數(shù)據(jù)的信息,當(dāng)評價對象在某個指標上的值差異度較大時,信息熵ei較小,說明該指標提供的信息量較大,則其相應(yīng)權(quán)重也較大,表明該指標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,客觀地反映其真實狀態(tài)。
2.2 熵權(quán)法確定權(quán)重
步驟1:數(shù)據(jù)標準化。由于評價指標的量綱單位的不同,會對評價結(jié)果產(chǎn)生影響,因此首先對各評價指標進行無量綱處理。其中正向指標屬于越大越優(yōu)型,逆向指標屬于越小越優(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可看出所選指標均為定量指標,對定量指標遵循相關(guān)文獻[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)。將每個指標等級區(qū)間的中點作為分界點,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,因此以鄱陽湖流域為例,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)險評價各指標原始數(shù)據(jù),見表2。
3.3 指標權(quán)重系數(shù)確定
利用上述公式(1)~(5)對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理及權(quán)重計算,得出各評價指標權(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(權(quán)重大于6%)主要有氨氮排放總量、水功能區(qū)水質(zhì)達標率和湖泊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(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)長達標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)保護水資源及生態(tài)環(huán)境的意識逐漸加強,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)指標評價來看,2012~2018年社會經(jīng)濟指標基本平穩(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最嚴格水資源制度,嚴格完成水資源管理“三條紅線”控制目標,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)濟指標仍處于中度風(fēng)險狀態(tài),并且從未來江西省經(jīng)濟發(fā)展趨勢來看,水污染面臨的社會經(jīng)濟壓力不可小覷,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。
污染源危險性指標在2015年達到重度風(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達到重度風(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)境保護政策取得了很大的成效。
水資源質(zhì)量指標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年狀態(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,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)濟的迅速發(fā)展,忽視了生態(tài)保護,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境越來越脆弱,因此,應(yīng)該加強資源節(jié)約與環(huán)境友好型社會的建設(shè),在經(jīng)濟生產(chǎn)中融入環(huán)保理念,建立環(huán)保激勵與約束機制。
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)全面實施河長制,不斷健全制度體系,完善河湖管護長效機制,強化監(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,說明河長制的實施取得的效果顯著,若繼續(xù)在鄱陽湖流域內(nèi)實施河長制,水污染治理和水資源保護一定會取得更優(yōu)的成績。
4 結(jié)論與展望
(1)本文從社會經(jīng)濟、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,并確定指標分級標準,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)濟指標、污染源危險性指標及生態(tài)環(huán)境脆弱性指標仍處于中度風(fēng)險狀態(tài),說明社會經(jīng)濟發(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)達標率和湖泊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,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)