水環(huán)境安全評價方法及其在京津冀地區(qū)的應用

劉秀麗, 涂卓卓

(1.中國科學院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院，北京 100190;2.中國科學院預測科學研究中心，北京 100190;3.中國科學院大學，北京 100049；4.中國科學院管理、決策與信息系統(tǒng)重點實驗室，北京 100190)

1 引言

水，作為人類所需的不可替代的一種資源，是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。21世紀以來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類不斷增加對水資源的開發(fā)利用。近年來，由于水資源不合理利用，大量廢水、污水排入水體，世界范圍內(nèi)水資源狀況不斷惡化，水資源供需矛盾日益突出。針對該問題，各國政府都在采取積極的措施和對策，促進水資源的合理開發(fā)利用，治理水環(huán)境污染、保證水資源的質(zhì)量，并解決水資源短缺，以適應人類可持續(xù)發(fā)展的需要。我國是一個公認的貧水國，2015年水資源總量為28306億立方米，人均水資源量僅為2081立方米，遠低于人均3000立方米的輕度缺水標準。我國大部分流域水體受到不同程度的污染，水環(huán)境質(zhì)量日益惡化。部分河段水污染情況十分嚴重，失去了飲用水功能，直接影響沿岸城市生活用水。2015年全國967個地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點之中，水質(zhì)較差以及極差的比例合計35.5%。為了緩解我國面臨的水環(huán)境問題，實現(xiàn)水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，“十三五”規(guī)劃綱要和《水污染防治行動計劃》提出關于全面改善水環(huán)境安全的要求，充分發(fā)揮重點流域水污染防治中央預算內(nèi)投資引導作用，推進“十三五”重點流域水環(huán)境綜合治理重大工程建設，切實增加和改善環(huán)境基本公共服務供給，改善重點流域水環(huán)境質(zhì)量、恢復水生態(tài)、保障水安全。“十三五”期間，“水專項”將聚焦京津冀區(qū)域和太湖流域，實施一批大型水環(huán)境綜合整治工程，帶動北京—廊坊—天津這一京津冀核心區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量實現(xiàn)根本性轉(zhuǎn)變。京津冀地區(qū)作為我國經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域，戰(zhàn)略地位非常重要。城鎮(zhèn)人口的增長、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大、城市化水平的提升，意味著需要更可靠的水資源保障、更安全的水生態(tài)環(huán)境支撐。然而，京津冀是我國缺水最嚴重的地區(qū)，2014年三省市人均水資源量239立方米，大大低于國際公認的500立方米極度缺水警戒線。同時，該地區(qū)地下水超采嚴重，三省市年均超采量達67.6億立方米，占全國的1/3，地面沉降漏斗區(qū)面積超過5萬平方公里，平原主要河流1200公里河段干涸。除此之外，京津冀地區(qū)還存在著局部地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量差、近海水域污染嚴重等問題，2014年地表水劣五類水質(zhì)比重超過30%。在此背景下，對京津冀地區(qū)的水環(huán)境安全進行評價，探尋其有效治理措施具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義，是京津冀實現(xiàn)一體化的一項重大任務。

目前，還沒有形成對水環(huán)境安全比較公認的定義。不少學者認為水環(huán)境安全指水質(zhì)安全。張翔等[1]、韓宇平等[2]、陳紹金[3]提出水環(huán)境安全不是只與水有關的水體，而是與水、水生物以及污染結(jié)合的綜合體。本文采用曾暢云等[4]的定義，水環(huán)境安全是水體保持足夠的水量、安全的水質(zhì)條件以維持正常的生態(tài)功能和保障周圍的環(huán)境處于良好的狀態(tài)，同時能最大限度的滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。該定義從環(huán)境學角度出發(fā)，強調(diào)水環(huán)境是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，是水量和水質(zhì)的統(tǒng)一體。

在水環(huán)境安全評價中，涉及大量的復雜現(xiàn)象和多種因素的相互作用，而且評價過程中出現(xiàn)的水質(zhì)級別和水質(zhì)標準都是一些模糊概念。模糊評價法是以模糊數(shù)學為基礎，應用模糊關系合成的原理，將一些邊界不清的因素進行量化。由于該方法充分體現(xiàn)了水環(huán)境評價過程中客觀存在的模糊性和不確定性，模糊綜合評價法在水環(huán)境安全評價中得到了廣泛的運用。Zhu Lin和Lu Hongxing[5]、Pan Feng等[6]和Zhang Bing等[7]將模糊綜合評價方法應用到水環(huán)境質(zhì)量評價研究中，通過建立評價的因子集、評價集、隸屬函數(shù)和權(quán)重集，實現(xiàn)對各水體樣本的質(zhì)量等級綜合評價與排序。

在模糊綜合評價法中，權(quán)重的選擇是非常重要的，它直接影響到最終的評價結(jié)果。在傳統(tǒng)的綜合評價方法中，權(quán)重的選取是通過污染物超標加權(quán)法進行計算的[8]。但這樣的計算方法存在一些缺陷，首先它是基于單個評價個體，即對每一個評價樣本，我們需要計算該個體的指標權(quán)重，當評價樣本比較多的時候，會極大的增加我們的計算量。其次，在計算過程中，它僅僅考慮單個指標包含的信息，而忽略了各指標之間的影響關系。

為了解決上述問題，一些學者提出了其他計算權(quán)重的方法。湯麗華等[9]、Zou Zhihong等[10]以及Liu Li等[11]將熵的概念應用到水環(huán)境安全評價中,利用熵來測量各指標觀測值中所包含信息的大小，當某個指標觀測值變化范圍比較大，代表該指標能提供的信息比較多，因此該指標的權(quán)重也會比較大。該方法能很好的避免主觀因素的影響，但是它沒有考慮到各指標之間的影響關系。崔杰等[12]采用灰色關聯(lián)分析法，根據(jù)各指標之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量指標的相對權(quán)重大小，該方法能夠很好的反映出各指標之間的關聯(lián)程度大小，但是受關聯(lián)度兩級極差的影響，評價值趨于均化，分辨率較低，不易區(qū)分不同級別之間的差異。韓小孩等[13]使用主成分分析法對原始指標進行線性組合，用幾個綜合指標代替原始指標，在保證信息丟失少的前提下，使高維的數(shù)據(jù)得到簡化，但是當權(quán)重為負數(shù)時，綜合評價函數(shù)的意義往往不明確。陳建民和張仲義[14]使用層次分析法計算指標權(quán)重，采用專家打分的形式構(gòu)造對比矩陣，并進行一致性檢驗，最后計算組合權(quán)重向量，但該方法一定程度上受主觀因素的影響。陳曉紅和楊志慧[15]提出基于AHP方法確定主觀權(quán)重，基于因子分析法確定客觀權(quán)重，最后將主客觀權(quán)重集結(jié)得到指標的綜合權(quán)重的方法，但仍無法避免專家打分這一主觀因素的影響。

另外，模糊綜合評價方法中常用的取大取小算法以及最大隸屬度原則都會造成一定的信息丟失，常常出現(xiàn)分辨率較低、最終評價結(jié)果無法真實反映樣本之間差異的問題[16]。蘇為華[17]指出了最大最小算法的不合理性，并提出了冪平均合成算子方法，該方法可以保證隸屬度更加符合評價實際，并且實踐中可以直接采用梯形函數(shù)確定初始隸屬度，但是它對于冪次的選擇卻沒有統(tǒng)一的標準。盧厚濤等[18]為了克服模糊綜合評價取大取小算法的一些弊端，提高其通用性。以比較運算的接近原則為標準，給出了確定指標權(quán)重總和的非線性規(guī)劃數(shù)學模型，但是該模型計算量較大而且實際意義不明確。李玉琳等[19]在考慮評價系統(tǒng)狀態(tài)因素特征順序的基礎上，借助于模糊理論的模糊測度概念，提出了模糊測度合成方法。該方法考慮了評價系統(tǒng)各因素之間的相互關聯(lián)性，但是它更適合于獨立性較強的評價指標體系。

目前已經(jīng)有一些針對水環(huán)境安全評價的研究，何貝貝等[20]只對天津市2009-2011年城市水環(huán)境安全狀況進行了等級評價計算；路瑞等[21]從水污染防治角度出發(fā)構(gòu)建了水環(huán)境安全指標體系，對全國31個省(自治區(qū)、直轄市)2011-2013年的水環(huán)境安全狀況進行評估。但該研究缺少對水環(huán)境安全影響因素的彈性分析，沒有給出各因素對水環(huán)境安全的影響程度。

針對上述問題，本文首先以熵權(quán)法、灰色關聯(lián)分析法以及主成分分析法為基礎，建立了組合權(quán)重模型，以綜合多種方法的優(yōu)勢和規(guī)避單一方法的缺陷。其次，在加權(quán)平均原則[22]下，對常用的最大最小算法進行了改進，提出一種改進的模糊綜合評價方法。最后運用該改進方法對京津冀地區(qū)水環(huán)境安全進行評價，再對評價結(jié)果進行分析，辨識出京津冀地區(qū)水環(huán)境安全的主要影響因素，在此基礎上，提出提高京津冀地區(qū)水環(huán)境安全的建議。

2 水環(huán)境安全評價指標體系

2.1 評價指標的初篩

指標的選擇是水環(huán)境安全評價中的一項基礎但非常重要的工作。它的好壞直接影響我們最終的評價結(jié)果。為了對京津冀地區(qū)水環(huán)境安全作出科學的評價，應盡可能全面的選取能反映水環(huán)境安全信息的指標。但指標過多又會使評價過程變得復雜，還可能因為無法獲得有效的數(shù)據(jù)而影響評價結(jié)果的可靠性。本文在前人[23-28]工作的基礎上，基于指標體系的科學性、系統(tǒng)性、可操作性、定性與定量相結(jié)合以及數(shù)據(jù)可獲取性等原則，結(jié)合曾暢云等[4]對水環(huán)境安全的定義，通過指標的初步篩選建立了京津冀地區(qū)水環(huán)境安全評價指標體系，涉及經(jīng)濟社會、水質(zhì)狀況和生態(tài)環(huán)境三個方面，共計17個指標，見表1。

2.2 數(shù)據(jù)來源

上述初篩得到的17個指標原始數(shù)據(jù)分別來自于北京市水資源公報，北京市環(huán)境狀況公報，河北省水資源公報，河北省環(huán)境狀況公報，河北省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，天津市環(huán)境狀況公報、天津市水資源公報，萬方數(shù)據(jù)庫等，樣本期為2006-2014年。

2.3 指標的篩選

主成分分析方法是一種常見的指標篩選方法，它通過指標負載系數(shù)大小反映指標對綜合評價結(jié)果影響顯著性上的差異，刪掉負載系數(shù)小的指標，保證篩選出的指標對評價結(jié)果有顯著性影響[29]。通過對上述17個指標進行主成分分析，計算出前五個特征根依次為λ1=5.8，λ2=4.65，λ3=2.34，λ4=1.51，λ5=0.77，其累計貢獻率達到89%，因此，取此5個特征根對應的特性向量u1，u2，u3，u4，u5，然后計算負載系數(shù)矩陣，結(jié)果如表1所示。我們選取各主成分中負載系數(shù)絕對值在0.6[27]以上的指標，從而保證篩選出的指標對綜合評價影響顯著，篩選結(jié)果見表1。

表1 主成分負載系數(shù)計算結(jié)果

3 評價標準

綜合考慮我國水資源狀況和目前所處的社會經(jīng)濟發(fā)展水平，并結(jié)合地表水環(huán)境質(zhì)量標準、相關文獻和檢測數(shù)據(jù)，將水環(huán)境安全評價各指標劃分5個等級，分別對應于非常安全、安全、正常、稍差以及比較差，見表2。其中GDP增長率、污水處理率、降水量、城市城建區(qū)綠化覆蓋率、森林覆蓋率、人均水資源以及水資源利用率評價標準參照文獻[23-28]，而CODMn指標評價標準參照中國地表水環(huán)境質(zhì)量標準[30]，人均受教育年限評價標準參照我國學制年數(shù)，其他幾個指標由于沒有明確的劃分標準，在文中我們根據(jù)各指標歷史數(shù)據(jù)的五分位數(shù)進行等級劃分。

表2 水環(huán)境安全評價標準

4 評價方法

模糊綜合評價法是利用模糊變化，考慮與被評價事物相關的各個因素，并對其進行綜合評價的方法。一般需要以下幾個步驟：

第一步：求隸屬度函數(shù)

根據(jù)單一污染因素的等級劃分標準和實測濃度來計算隸屬度。采用如下線性函數(shù)計算[31]：

屬于第一等級的隸屬度表示如下：

(1)

屬于第二、三、四等級的隸屬度表示如下：

(2)

屬于第五等級的隸屬度表示如下：

(3)

其中rij表示第j個污染因素屬于第i個等級的隸屬度，而ck表示第j個污染因素第k級水質(zhì)標準濃度值。對于那些濃度越小越安全的因素，采取公式(1)-(3)計算隸屬度。而對于濃度越大越安全的因素，我們只需要將公式(1)-(3)的≤換成≥即可。對于PH 值，我們采取計算公式(4)隸屬度。

(4)

第二步：權(quán)重確定

在本文中，我們采用熵權(quán)法、灰色關聯(lián)分析法以及主成分分析法，分別求出權(quán)重并計算評價結(jié)果。然后利用Kendall協(xié)同系數(shù)法對三種方法的評價結(jié)果進行一致性檢驗，若檢驗通過的話，則將三種評價結(jié)果進行加權(quán)組合并給出最終評價結(jié)果[32]。

第三步：綜合評價

為了避免信息損失，我們采用加權(quán)平均原則，將等級看作一種相對位置，使其連續(xù)化，用1，2，3，4，5依次表示各等級，稱它為各等級的秩。由第一步我們可以得到一個5×13的隸屬度矩陣R，R的第j列代表第j個影響因素Cj屬于各等級的隸屬度。水環(huán)境安全等級可以表示成

(5)

其中rij表示第j個影響因素屬于等級i的隸屬度，wj是第j個影響因素的權(quán)重系數(shù)，C表示水環(huán)境安全所處的相對位置。

根據(jù)公式，水環(huán)境安全等級C處于1-5之間，最小值為1，最大值為5。只有當各指標都達到1級標準，C=1；當所有指標都達到或超過5級標準，C=5，其余情況，1

5 京津冀地區(qū)水環(huán)境安全評價

本文以京津冀地區(qū)為研究對象，對2006-2014年間北京、天津、河北以及京津冀整體水環(huán)境安全進行評價。

5.1 水環(huán)境安全評價

采用熵權(quán)法、灰色關聯(lián)法以及主成分分析法分別計算權(quán)重，結(jié)果如表3所示。然后采用Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗法對三種方法評價結(jié)果進行一致性檢驗，協(xié)同檢驗的系數(shù)為0.989，卡方值為104，p值為0.000，表明三種方法的評價結(jié)果通過了Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗，即三種方法的評價結(jié)果具有統(tǒng)計上的一致性。

表3 各指標權(quán)重表

由圖1我們可以看出京津冀地區(qū)水環(huán)境安全基本呈現(xiàn)北京優(yōu)于河北優(yōu)于天津的趨勢。2006-2014年，北京市水環(huán)境安全位于第三等級，其中2006年和2014年略微偏向于第四等級，其它年份都偏向于第二等級。整體上來看，從2006-2011年，北京水環(huán)境安全逐漸變好，但從2012年開始呈現(xiàn)變差的趨勢。2006-2010年，天津市水環(huán)境安全處于第四等級，從2011年開始，水環(huán)境安全都是處于第三等級?？傮w上，天津市水環(huán)境安全呈現(xiàn)逐漸變好的規(guī)律，但在2013年之后基本上在第三等級附近波動。河北省在2006-2008年期間位于第四等級，2009年之后基本上處于第三等級。在2009-2013年期間，河北水環(huán)境安全是明顯偏向于第四等級的，但偏向的程度在逐漸降低，整體上呈現(xiàn)變好的趨勢，但是在2013年之后又開始呈現(xiàn)變差的趨勢。2006-2014年京津冀地區(qū)總體的水環(huán)境安全基本呈現(xiàn)先變好再變差的趨勢。從2008年開始，京津冀地區(qū)總體水環(huán)境安全處于第三等級，雖然有一定程度偏向于第四等級，但偏向的程度越來越小，但在2012年之后，水環(huán)境安全又慢慢的偏向第四等級。將上述結(jié)果與何貝貝等[20]、路瑞等[21]的評價結(jié)果進行對比，我們發(fā)現(xiàn)何貝貝等[20]計算得到的天津市2010年和2011年水環(huán)境安全等級和路瑞等[21]關于北京、天津和河北省2011-2013年水環(huán)境安全變化趨勢與我們的評價結(jié)果一致，但是路瑞等[21]的評價結(jié)果沒有給出水環(huán)境安全等級劃分。

圖1 水環(huán)境安全評價結(jié)果

由公式知，水環(huán)境安全等級是由13項求和得到，每項對應于一個影響因素。根據(jù)水環(huán)境安全等級定義，當C越小的時候，水環(huán)境越安全。我們可以求出每個影響因素在最終水環(huán)境安全評價等級中所占的比例，計算公式如下所示：

(6)

lmj越大，代表該因素對水環(huán)境安全的負向影響程度越大，越不利水環(huán)境安全。應用公式，我們可在13個影響因子中找出lmj最大的三個指標，2006、2010以及2014年的結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，2006-2011年對北京市水環(huán)境安全影響最大的因素是森林覆蓋率，其次是人均水資源和人口自然增長率，2012年之后GDP增長率取代了森林覆蓋率成為了對北京市水環(huán)境安全影響最大的因素，其中森林覆蓋率所占比重由2006的15.4%下降到2014年的13.4%，而GDP增長率所占比重卻由2012年的2.5%上升至2014年的15.6%。2006-2014對天津市水環(huán)境安全影響最大的因素仍是森林覆蓋率，其次是人口自然增長率和Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)占比，其中森林覆蓋率占比從2006的12.6%上升到2014年的14.0%，增加了1.4%。而河北省的森林覆蓋率是最大影響因素，其次是第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重、城市化率和Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)占比。2006-2014對整個京津冀地區(qū)水環(huán)境安全影響最大的因素是森林覆蓋率，其次是第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重、Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)占比以及人均水資源量。

圖2 主要影響因素及其lm值

5.2 影響因素的彈性分析

由水環(huán)境安全評價公式可知，當?shù)趈影響因素改變1單位，最終的水環(huán)境安全等級變化程度可以用下式表示：

Δrij=f(Δxj)

(7)

(8)

其中rij表示Cj對應于等級i的隸屬度，Δrij按照公式(1)-(3)計算。由于在不同的等級水平下，rij是按照不同的公式進行計算的。因此我們對ΔC的計算要分情況討論，結(jié)果如表 4所示。

表4 ΔC計算結(jié)果

由表4可以看出，對于GDP增長率、水資源利用率、CODMn這三個指標，當影響因素增加1個單位時，ΔC是大于0的，而由前面的定義,C越小代表水環(huán)境越安全，所以這些指標與水環(huán)境安全呈負相關作用，而其他的指標則與水環(huán)境安全呈正相關作用。

各指標對水環(huán)境安全的作用效果隨著各指標所處的范圍不同而不同，大部分指標是在位于中間等級時對水環(huán)境安全的作用效果最大。例如當各指標都處于正常區(qū)間時，改善人口自然增長率、居民平均受教育年限以及CODMn指標對提高水環(huán)境安全是最有效的。

由5.1知，對整個京津冀地區(qū)水環(huán)境安全影響最大的因素是森林覆蓋率。而由表4知，當森林覆蓋率和建成區(qū)綠化率處于同一區(qū)間時，森林覆蓋率對水環(huán)境安全的作用效果要大于建成區(qū)綠化率。例如當它們都位于安全或比較差區(qū)間時，森林覆蓋率的ΔC是-0.0048，而城建區(qū)綠化率的ΔC僅為-0.0037。

需要說明的是，當指標處于最好或最差等級時，ΔC=0，這是因為在綜合評價方法中，當某一指標檢測值大于對應于其非常安全等級的標準濃度時，它屬于非常安全等級的隸屬度為常數(shù)1，不再隨著指標檢測濃度變化而變化。因此，在非常安全以及比較差兩個極端情況下，無法計算出合理的彈性系數(shù)，這是該方法的一個局限性。

6 政策建議

基于上述的分析，為提高京津冀地區(qū)水環(huán)境安全，提出如下建議：

①提高京津冀地區(qū)森林覆蓋率，在京津、京冀交界地帶，構(gòu)建起大規(guī)模的生態(tài)過渡帶。開展景觀生態(tài)林合作、生態(tài)廊道綠化等項目，建立環(huán)首都國家公園體系，實施森林生態(tài)系統(tǒng)重點保護。同時，開展公益植樹活動，加大植樹造林力度。

②為了改善京津冀地區(qū)人均水資源嚴重偏低現(xiàn)狀，國家已開展南水北調(diào)工程，每年有將近50億方的江水滋潤京津冀地區(qū)。但是，僅依靠調(diào)水工程并不能從根本上扭轉(zhuǎn)京津冀嚴重的缺水困局。建議全方位考慮水的各種功能，統(tǒng)籌外調(diào)水與本地水，實現(xiàn)一水多用、循環(huán)利用，加大污水回用率，提高水資源利用效率。同時，大力發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)，提高淡化海水的利用規(guī)模[33]。

③公眾的參與及社會監(jiān)督是水污染治理和嚴格水環(huán)境執(zhí)法的有效措施。建議整合涉水信息[34]，建立京津冀地區(qū)市、區(qū)(縣)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)三級供水和水質(zhì)實時監(jiān)測信息管理平臺，向社會公開供水廠站、責任人、供水熱線、供水價格、實時水質(zhì)等基礎信息，實施供用水量、供水水質(zhì)的動態(tài)監(jiān)管?？蔀楣姀娪辛Φ膮⑴c水環(huán)境保護及監(jiān)督水環(huán)境治理提供信息平臺，為水環(huán)境治理的執(zhí)法提供強有力依據(jù)。同時充分利用有線電視、標語、宣傳欄、發(fā)放宣傳資料等方式廣泛深入宣傳水污染治理的重大意義，及時曝光各類涉水違法行為，提高公眾的水環(huán)境保護意識。

7 結(jié)語

本文從經(jīng)濟社會、水質(zhì)狀況和資源條件三個方面出發(fā)，初步建立了包含17個指標的水環(huán)境安全評價體系。利用主成分分析法對初步建立的指標體系進行了篩選，最終確定了13個指標作為評價指標。在篩選之后的水環(huán)境安全評價體系下，運用改進的模糊綜合評價方法對北京、天津、河北以及京津冀地區(qū)總體的水環(huán)境安全進行了評價。具體結(jié)論如下：①2006-2014年間，京津冀地區(qū)總體的水環(huán)境安全呈現(xiàn)先變好再變差的趨勢。②對于整個京津冀地區(qū)，2006-2014年間影響水環(huán)境安全最主要的因素是森林覆蓋率，其次是第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重、人均水資源量以及Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)占比。③當森林覆蓋率和建成區(qū)綠化率處于同一區(qū)間時，森林覆蓋率對水環(huán)境安全的作用效果要大于建成區(qū)綠化率。

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