天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)及其指標(biāo)體系研究

何貝貝,李紹飛,朱習(xí)愛

(1.中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園,云南 昆明　650000; 2.天津農(nóng)學(xué)院水利工程系,天津　300380)

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天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)及其指標(biāo)體系研究

何貝貝1,李紹飛2,朱習(xí)愛1

(1.中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園,云南 昆明650000; 2.天津農(nóng)學(xué)院水利工程系,天津300380)

摘要：依據(jù)DPSIR模型的基本原理,遵循評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則,立足于天津市水資源和水環(huán)境實(shí)際情況,以驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)等5項(xiàng)指標(biāo)作為準(zhǔn)則層,共選取了人口密度、人均生活用水量、廢水排放量、水資源總量、城市水達(dá)標(biāo)率等20項(xiàng)指標(biāo),對(duì)天津市2009—2011年城市水環(huán)境安全狀況進(jìn)行了等級(jí)評(píng)價(jià)計(jì)算。結(jié)果表明,2009年水環(huán)境安全度最高,2011年次之,2010年最低;水環(huán)境安全雖均為良好等級(jí),但是人口密度的加大,廢水排放量的增多等威脅城市水環(huán)境安全的因素不容忽視,城市水環(huán)境問題仍亟待解決。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境安全;DPSIR模型;水環(huán)境;安全評(píng)價(jià);指標(biāo)體系;天津市

水環(huán)境安全的內(nèi)涵不僅主要包括自然性質(zhì)的水環(huán)境安全,例如干旱、洪澇、河流改道等,還包括人為性質(zhì)的水環(huán)境安全,例如水量短缺、水質(zhì)污染和水環(huán)境破壞等[1]。天津市位于海河流域下游,是海河五大支流的匯合處和入?？?具有重要的水資源戰(zhàn)略位置。近年來,隨著天津市人口、經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),工農(nóng)業(yè)、生活用水的需水量也隨之增加,水資源供需矛盾日益突出、水質(zhì)污染、水環(huán)境惡化等狀況使原本脆弱的水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力也越來越大以至于嚴(yán)重透支,城市供需水矛盾的增加、水環(huán)境惡化等問題已成為制約城市健康可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。2011年《天津市水資源公報(bào)》顯示,2011年全市供水總量23.10億m3,比上年增加0.68億m3。其中地表水源供水量16.77億m3,包含引灤水量6.25億m3,引黃水量1.71億m3;地下水源供水量5.82億m3;深度處理的再生水回用量0.23億m3;海水淡化量0.28億m3,全市用水消耗量遠(yuǎn)大于供水量。2011年全年評(píng)價(jià)河長(zhǎng)為1 709.8 km,其中Ⅱ類水河長(zhǎng)69.3 km,占評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的4.1%;Ⅲ類水河長(zhǎng)50.2 km,占評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的2.9%; Ⅳ類水河長(zhǎng)57.4 km,占評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的3.4%;V類水河長(zhǎng)142.4 km,占評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的8.3%;劣Ⅴ類水河長(zhǎng)1 390.5 km,占評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的81.3%,全市河流污染比較嚴(yán)重。主要飲用水源地于橋水庫(kù)、爾王莊水庫(kù)符合Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn),營(yíng)養(yǎng)化程度為“中營(yíng)養(yǎng)化”。由上述數(shù)據(jù)可知天津市水資源和水環(huán)境狀況不容樂觀,緩解城市供需水矛盾,改善城市水環(huán)境安全的問題亟待解決。

1DPSIR模型

DPSIR(driving-forces,press,state,impact,response)模型[2]是由PSR模型和DSR模型補(bǔ)充發(fā)展而來的一種多維性的水環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系。該模型較系統(tǒng)客觀地從引起評(píng)價(jià)對(duì)象變化的因素,即驅(qū)動(dòng)力因素、壓力因素方面,分析評(píng)價(jià)對(duì)象與這些驅(qū)動(dòng)力、壓力因素之間的相互作用關(guān)系,對(duì)在這些壓力作用下的評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià),分析該評(píng)價(jià)對(duì)象的狀態(tài)或可能的發(fā)展方向,預(yù)測(cè)該狀態(tài)下的評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)與之相關(guān)的因素之間的影響,計(jì)算出各個(gè)相關(guān)因素對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響程度。

將DPSIR模型應(yīng)用于水環(huán)境安全評(píng)價(jià),選取與城市水環(huán)境安全密切相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,分析其相互作用及對(duì)水環(huán)境安全的影響程度,從而較為系統(tǒng)客觀地分析城市水環(huán)境的狀態(tài)或可能的發(fā)展方向,并提出針對(duì)改善問題的合理性建議。

2基于DPSIR模型的天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)

2.1　指標(biāo)體系構(gòu)建

以天津市為研究區(qū)域,參考層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系構(gòu)建模式,選取了與天津市水環(huán)境安全有關(guān)的20項(xiàng)指標(biāo)因素,定量分析人口-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-生態(tài)-水資源之間的相互作用和反饋機(jī)制,建立針對(duì)天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系模型[3]。查找相關(guān)數(shù)據(jù)資料,選取影響城市2009—2011年水環(huán)境安全的指標(biāo)因素,構(gòu)建天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

2.2　原始數(shù)據(jù)的收集與整理

根據(jù)文獻(xiàn)[4]和天津市水資源公報(bào)(2009—2011年),查找獲取表1中相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)值。該指標(biāo)體系選取的20項(xiàng)指標(biāo)能夠較全面地反映天津市水環(huán)境安全影響因素,且指標(biāo)數(shù)據(jù)易于獲取,意義明確,便于推廣應(yīng)用。天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)見表2。

表1　天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注:正向指標(biāo)表示的含義為:指標(biāo)值評(píng)價(jià)結(jié)果占評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比例越大,對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響越好。負(fù)向指標(biāo)表示的含義為:指標(biāo)值評(píng)價(jià)結(jié)果占評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比例越小,對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響越好。

2.3　指標(biāo)等級(jí)劃分

在獲取相應(yīng)的水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系原始數(shù)值后,為了更加清晰明確地判斷天津市水環(huán)境安全度等級(jí),本文立足我國(guó)國(guó)情,借鑒相關(guān)研究成果,結(jié)合天津市水資源和水環(huán)境的實(shí)際情況,給出天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的參考最劣取值和最優(yōu)取值,即式(1)的Xmin和Xmax,這兩個(gè)值在天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算中則分別對(duì)應(yīng)該指標(biāo)相對(duì)于Ⅰ級(jí)、Ⅴ級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)臨界值。依據(jù)天津市水環(huán)境安全度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)臨界值,將天津市水環(huán)境安全度依次劃分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),這5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)在水環(huán)境安全度的計(jì)算中依次分別代表了天津市水環(huán)境安全度的等級(jí)為很低、較低、中等、較好、很好5個(gè)水平,這5個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)能較為準(zhǔn)確反應(yīng)出天津市水環(huán)境安全度。相應(yīng)于這個(gè)5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表2　天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

2.4　權(quán)重值計(jì)算

2.4.1熵值法確定指標(biāo)權(quán)重值

熵值法是一種客觀賦權(quán)法[5]。用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重值時(shí),首先需對(duì)所要評(píng)價(jià)的指標(biāo)原始值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后確定某一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵定義值和各指標(biāo)的差異性系數(shù),從而得出某項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)值。根據(jù)計(jì)算出的指標(biāo)熵權(quán)值分析該項(xiàng)指標(biāo)占評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比例,得出該項(xiàng)指標(biāo)因子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度。

a. 指標(biāo)的無量化處理。獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù),根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的性質(zhì),應(yīng)用式(1)、式(2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

當(dāng)Xij為正向指標(biāo)時(shí)

(1)

當(dāng)Xij為負(fù)向指標(biāo)時(shí)

(2)

式中:Xij為第i年份第j項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)值;Yij為第i年份第j項(xiàng)指標(biāo)Xij的標(biāo)準(zhǔn)化值;Xmax為該項(xiàng)指標(biāo)的參考最優(yōu)取值;Xmin為該項(xiàng)指標(biāo)的參考最劣取值。

表3　天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表2所列出的2009—2011年天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)值和表3列出的評(píng)價(jià)天津市水環(huán)境安全所選取的各項(xiàng)指標(biāo)的等級(jí)參考值,各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值如下:

b. 計(jì)算指標(biāo)Xij的比重Pij。

(3)

c. 計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值ej。

(4)

其中

式中:k為常數(shù);n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

d. 計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值gj。

(5)

其中,0≤gj≤1。

e. 確定第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)值Wj。

(6)

其中

2.4.2AHP法確定權(quán)重

層次分析法(analytic hierarchy process,簡(jiǎn)稱AHP)是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家、匹茲堡大學(xué)Saaty教授在20世紀(jì)70年代初提出的一種對(duì)定性問題進(jìn)行定量分析的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法[6]。首先確定需要評(píng)價(jià)的系統(tǒng)目標(biāo),在深刻理解系統(tǒng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上,確定評(píng)價(jià)目標(biāo),收集評(píng)價(jià)系統(tǒng)目標(biāo)所需的范圍、準(zhǔn)則和各種約束條件等;按評(píng)價(jià)目標(biāo)的不同,將各個(gè)元素進(jìn)行相應(yīng)的歸類,建立一個(gè)多層次的遞階結(jié)構(gòu),將系統(tǒng)分為幾個(gè)等級(jí)層次;然后利用層次分析法,將各相鄰間的層次進(jìn)行兩兩比較,確定以上遞階結(jié)構(gòu)中相鄰層次元素間相關(guān)程度;最后,計(jì)算各層元素在評(píng)價(jià)的系統(tǒng)目標(biāo)的權(quán)重值,并將各層元素的權(quán)重值進(jìn)行總排序,以確定遞階結(jié)構(gòu)圖中最底層各個(gè)元素的總目標(biāo)中的重要程度,從而確定各個(gè)元素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度。

2.4.3指標(biāo)組合權(quán)重值的計(jì)算

根據(jù)式(7)對(duì)選取的各項(xiàng)指標(biāo)因子,采用客觀權(quán)重和主觀權(quán)重的算術(shù)平均法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)最終的組合權(quán)重值,具體計(jì)算結(jié)果見表4。

(7)

式中:Qj為指標(biāo)的組合權(quán)重;Rj為AHP法確定的指標(biāo)權(quán)重。

2.5　水環(huán)境安全度的計(jì)算

根據(jù)表4計(jì)算出的指標(biāo)權(quán)重值,運(yùn)用式(8)分別計(jì)算出2009、2010、2011年天津市水環(huán)境安全度Si分別為0.517 58、0.445 80、0.494 13。

(8)

表4　天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

3結(jié)果與討論

采用DPSIR模型,構(gòu)建了天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系,遵循評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則,立足于天津市水資源和水環(huán)境實(shí)際情況,以驅(qū)動(dòng)力、壓力等5個(gè)方面作為準(zhǔn)則層,綜合考慮了人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生活等方面及水環(huán)境系統(tǒng)的各個(gè)主要因素,共選取20項(xiàng)相關(guān)指標(biāo),對(duì)天津市水環(huán)境安全進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。結(jié)果表明,2009年天津市水環(huán)境安全度等級(jí)為3年中最高,最為接近良好等級(jí)。2010年則為最低。由指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層來看[7],2009年天津市經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)力不大,狀態(tài)較好,生產(chǎn)壓力較小,給城市水環(huán)境安全帶來的壓力也較小。2010年和2011年由于人口密度、生產(chǎn)用水量、廢水排放量、人均日生活用水量和工業(yè)用水量比例等影響城市水環(huán)境安全的負(fù)向指標(biāo)因素逐年快速的增加,使2010年和2011年的城市水環(huán)境安全度較2009年有明顯的下降。2010年天津市廢水排放總量、工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量居3年之首,且2010年城市水資源總量為3年之中的最低,約為2009年和2011年城市水資源總量的60%,因此,2010年天津市水環(huán)境安全與2009年和2011年相比,為3年之中的最低值。

從評(píng)估結(jié)果來看,天津市水環(huán)境安全狀況不容樂觀。改善城市水環(huán)境安全,政府應(yīng)制定相應(yīng)的供水策略和廢污水排放標(biāo)準(zhǔn),水環(huán)境安全防治應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理的原則,優(yōu)先保護(hù)飲用水源,嚴(yán)格控制工業(yè)污染、城鎮(zhèn)生活污染,防治農(nóng)業(yè)面源污染,積極推進(jìn)水環(huán)境治理工程建設(shè),預(yù)防、控制和減少水環(huán)境污染和破壞。對(duì)水量需求較大的行業(yè)應(yīng)制定合理的用水定額;對(duì)有毒廢污水或?qū)λh(huán)境安全有威脅的排泄水,應(yīng)制定相應(yīng)的強(qiáng)制性措施,禁止向水體排放、傾倒有毒廢液、工業(yè)廢渣、城鎮(zhèn)垃圾和其他廢物,對(duì)有毒廢液應(yīng)采用同一管道收集、統(tǒng)一沉降處理后再排入污水管道;加大對(duì)廢污水的處理能力,鼓勵(lì)采用中水生產(chǎn)或河水灌溉等,最大限度地利用有限的水資源量。此外,還應(yīng)嚴(yán)格禁止在飲用水水源保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)置排污口,在重要漁業(yè)水體保護(hù)區(qū)內(nèi),禁止新建排污口等。還可通過采用合理的技術(shù)或方法收集雨水,增加生活、生產(chǎn)節(jié)水設(shè)施,增強(qiáng)人們的節(jié)水意識(shí),合理利用有限的城市水資源,保護(hù)并改善城市水環(huán)境安全狀況。

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Study on water environment security evaluation and index system in Tianjin City

HE Beibei1, LI Shaofei2, ZHU Xi’ai1

(1.XishuangbannaTropicalBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Kunming650000,China;

2.DepartmentofWaterConservancyEngineering,TianjinAgriculturalCollege,Tianjin300380,China)

Abstract：Based on the basic principles of DPSIR model, following the principles of construction of evaluation system, starting from the truth about water resources and water environment in Tianjin, and taking five indicators, including driving force, pressure, status, etc., as the criterion layers, 20 indicators, including population density, wastewater emissions, total water resources, urban water compliance rate, etc., are selected to evaluate water environment security situation of Tianjin City during 2009 and 2011. The results show that, water environment security situation was the most promising in 2009, followed with which in 2011, while it was the worst in 2010. Although the level of water environment security was fine, the increasing population density and waste water emissions, with other environmental factors threatening urban water security, can not be ignored. Thus urban water environment problem remains to be solved.

Key words：water environment security; DPSIR model; water environment; security evaluation; index system; Tianjin City

(收稿日期：2015-06-04編輯：徐娟)

中圖分類號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)01-0125-05

作者簡(jiǎn)介:何貝貝(1991—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樗乃Y源。E-mail:h_xiaobei@126.com

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.022