漢江干流城市水環(huán)境安全評估研究

涂 燕,張 穩(wěn),李宗敏,聶 玲

(1.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.四川大學(xué) 商學(xué)院，四川 成都 610065；3.成都大學(xué) 商學(xué)院，四川 成都 610106)

水環(huán)境安全管理一直是研究的熱點話題，而水環(huán)境安全評估是開展水環(huán)境安全管理與調(diào)控的前提和基礎(chǔ)，備受學(xué)者關(guān)注。近年來，隨著城市人口的逐漸增多和城市的快速發(fā)展，水污染問題不斷加重，甚至發(fā)生了水資源短缺現(xiàn)象，使得區(qū)域的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展受到制約[1]，在此背景下，國家加強(qiáng)了對水資源的管理，黨的十八大召開為生態(tài)文明建設(shè)拉開了新的帷幕，其中水資源管理更是生態(tài)文明建設(shè)的主要內(nèi)容，國家和地方政府相繼出臺了關(guān)于水資源保護(hù)和綜合治理的政策，水資源管理問題成為了當(dāng)下研究的熱點。

漢江是長江中游的主要支流，推動了多個城市的發(fā)展，但是城市的高速發(fā)展也給漢江的水環(huán)境安全帶來了許多壓力，城市發(fā)展帶來的水污染問題在不斷加深，水資源容量也在銳減[2]；漢江是南水北調(diào)工程的重要基地，隨著南水北調(diào)工程的開展，漢江的水環(huán)境安全狀態(tài)也發(fā)生了改變，漢江流域的水資源容量下降，自身凈水調(diào)節(jié)能力減弱。同時，漢江水體中的污染物濃度增加，干流城市的水質(zhì)也不達(dá)標(biāo)，在如此嚴(yán)峻的形勢下，漢江流域城市缺乏健全的水資源安全管理體系，在水資源的安全管理方面也存在不足，這些都嚴(yán)重阻礙了漢江流域的持續(xù)發(fā)展，因此關(guān)注漢江流域主要城市的水環(huán)境安全狀況從而進(jìn)行合理管控至關(guān)重要。

1 文獻(xiàn)綜述

“水安全”一詞在2000年斯德哥爾摩水論壇上被首次提出，隨后學(xué)者們就水環(huán)境安全開展了大量研究[3]，主要集中在研究水質(zhì)、水環(huán)境管理和地區(qū)可持續(xù)性發(fā)展3方面。如陳慧源等[4]以水環(huán)境安全治理工程為基準(zhǔn)，針對城市水環(huán)境安全的現(xiàn)狀，提出了水環(huán)境安全工程的管理經(jīng)驗；馮慶[5]從水質(zhì)、水量、生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)4個方面研究滇池流域的水污染狀況，并提出加強(qiáng)風(fēng)險管控的建議；劉錄三等[6]研究了長江流域的水生態(tài)環(huán)境安全問題，著眼于水資源的質(zhì)量，提出了治理建議；李艷麗等[7]采用模糊綜合評價法對重慶市的水環(huán)境安全進(jìn)行評價，得到了其評價等級；張寧寧等[8]從量-質(zhì)-流-域4個維度對黃河流域61個地市的水資源承載力進(jìn)行評估，得到了各地區(qū)承載力的分布結(jié)果。ZHAO等[9]在淡化海水進(jìn)入城市管網(wǎng)的背景下，研究城市水質(zhì)安全變化對城市水環(huán)境安全的影響，提出了完善安全監(jiān)管體系的建議；JEANDRON等[10]對城市水的水質(zhì)和水量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，提出了水質(zhì)和水量對城市水環(huán)境安全的重要性，水質(zhì)和水量的不達(dá)標(biāo)甚至?xí)苯佑绊懗鞘芯用竦慕】?；TANG等[11]對安徽地區(qū)的水資源績效進(jìn)行了評估，描述了水資源短缺風(fēng)險對城市水環(huán)境安全帶來的挑戰(zhàn)。

綜上所述，如何有效評估城市的水環(huán)境安全問題是研究的重點，但目前已有研究對城市水環(huán)境安全評估尚沒有形成一個系統(tǒng)的指標(biāo)體系，且綜合分析多個城市的水環(huán)境安全評估狀況的研究也較少。因此，筆者針對水環(huán)境狀況不容樂觀的漢江干流城市，建立了城市水環(huán)境安全評估的三維指標(biāo)體系，運用博弈論思想來綜合主客觀權(quán)重，采用正態(tài)云模型對漢江干流多個城市的水環(huán)境安全進(jìn)行評估，得到了各個城市水環(huán)境安全狀況的分級結(jié)果，并提出了相應(yīng)建議，以期為水環(huán)境安全管理提供參考。

2 研究方法

2.1 城市水環(huán)境安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建

筆者研究的水環(huán)境安全是指水環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境之間的循環(huán)狀況以及水資源的可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)?；谒h(huán)境安全的定義和文獻(xiàn)調(diào)研[12-13]，初步建立了水環(huán)境安全評價準(zhǔn)則，分別為社會經(jīng)濟(jì)、水量和生態(tài)環(huán)境3個方面，即從經(jīng)濟(jì)效益、可持續(xù)性發(fā)展和生態(tài)效益3個角度來衡量城市總體水環(huán)境安全狀況。通過文獻(xiàn)梳理，去除共線性較大的指標(biāo)，最終得到14個相關(guān)指標(biāo)，如表1所示。

表1 城市水環(huán)境安全評估指標(biāo)體系

2.2 博弈論視角下的綜合賦權(quán)法

確定指標(biāo)權(quán)重的方法分為客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法兩大類，這兩種方法都有各自的優(yōu)點和缺點。客觀賦權(quán)方法主要依賴完備的數(shù)學(xué)理論和方法，而往往忽略決策者的主觀信息，從靜態(tài)數(shù)據(jù)著手，不符合動態(tài)的實際情形；主觀賦權(quán)法反映了決策者主觀性的意愿，但可能與實際情況存在偏差。為了使指標(biāo)權(quán)重的計算更加合理，筆者引入了一種基于博弈論的組合權(quán)重分配思想，即將客觀賦權(quán)法(熵權(quán)法)與主觀賦權(quán)法(猶豫模糊算子賦權(quán))相結(jié)合，合理地組合權(quán)重信息，避免了客觀賦權(quán)法的絕對客觀性和主觀賦權(quán)法的主觀性給結(jié)果帶來的偏差。

2.2.1 客觀賦權(quán)-熵權(quán)法

(1)

(2)

(3)

2.2.2 主觀賦權(quán)-猶豫模糊算子

專家對于指標(biāo)的重要性進(jìn)行判斷，但是受到自身經(jīng)驗和知識水平的限制，往往不能給出一個確切的值來表達(dá)其偏好，只能給出一個大概的區(qū)間或者可能性的判斷，因此采取模糊語言可以更好地描述專家的判斷[15]。猶豫模糊算子的計算步驟如下：

(1)計算專家權(quán)重。專家對指標(biāo)的重要性進(jìn)行判斷，不同專家對同一個指標(biāo)會有不同的意見，因此需要計算合適的專家權(quán)重來綜合專家的意見。傳統(tǒng)的等專家權(quán)重的線性組合忽略了專家自身知識和經(jīng)驗水平的差異，因此采取最大共識和最小猶豫度優(yōu)化模型計算專家權(quán)重。

(4)

s.t.

j=1,2,…,m}

j=1,2,…,m,o≠s}

(5)

(6)

2.2.3 博弈論理論下的綜合賦權(quán)

博弈論的思想是在不同個體中尋找最一致的解決方法，使得雙方的利益最大化，因此筆者利用博弈論綜合指標(biāo)權(quán)重以求達(dá)到滿足雙方意愿的效果。

(1)采用線性組合的方式構(gòu)建綜合權(quán)重向量W：

(7)

式中：wt為第t種方法下的權(quán)重集，wt=(wt1,wt2,…,wtm)；at為權(quán)重組合系數(shù)。

(2)利用博弈論在可能的權(quán)重向量集中找到最優(yōu)權(quán)值。其基本思想是找到不同權(quán)重之間的一致性或折中，盡量減少最優(yōu)權(quán)重與單個權(quán)重之間的偏差，將求出的最滿意的權(quán)值向量轉(zhuǎn)化為優(yōu)化線性組合系數(shù)at。優(yōu)化的目標(biāo)是組合權(quán)重和參與的權(quán)重之間的偏差達(dá)到最?。?/p>

(8)

(9)

(4)通過計算出的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重組合系數(shù)，對主客觀賦權(quán)方法計算出來的權(quán)重進(jìn)行組合，得到綜合后各個指標(biāo)的權(quán)重向量W:

(10)

2.3 基于云模型的水環(huán)境安全評估模型

(1)因素集U與評價集C的建立。漢江干流城市的水環(huán)境安全評價分為社會經(jīng)濟(jì)子集(U1)、水環(huán)境子集(U2)、生態(tài)環(huán)境子集(U3)，構(gòu)成了因素集U={U1，U2，U3}。根據(jù)漢江流域的實際情況和國家水質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，邀請水資源管理和應(yīng)急管理方面的專家對漢江流域的水環(huán)境安全分為5個等級：Ⅰ(非常安全)、Ⅱ(安全)、Ⅲ(基本安全)、Ⅳ(不安全)、Ⅴ(非常危險)，據(jù)此建立評價集C={C1，C2，C3，C4，C5}，具體含義如表2所示。

表2 評價等級劃分及含義

(2)模糊關(guān)系矩陣的建立。矩陣R=(rkj)5×m表示因素集U與評價集C的模糊關(guān)系：

(11)

其中，rkj表示第j個指標(biāo)被評價為第k類安全等級的可能性，即因素Uj對等級Ck的隸屬度。

(3)確定評估等級的上下邊界值xij和x′ij，計算云模型的特征值EX、EN和HE[17]。為了得到合適的取值，令N=3 000次，得到平均的隸屬度，從而確定a=0.01。

EX=(xij+x′ij)/2

(12)

EN=(xij-x′ij)/2.335

(13)

HE=a

(14)

式中：EX為期望，是云層空間的中間值；EN為熵，是云圖中的取值范圍；HE為超熵，表示云滴的凝聚度；N為云模型的循環(huán)計算次數(shù)；a為常數(shù)。

(4)模糊綜合評價模型的構(gòu)建。由各指標(biāo)權(quán)重向量W和單因素評價矩陣R，根據(jù)模糊綜合評價模型B=W·R，計算模糊綜合評價向量B=(b1，b2，…，bm)，進(jìn)而可確定水環(huán)境安全等級。

B=W·R=(w1,w2,…,wm)·

(15)

3 案例研究

3.1 研究區(qū)域概況

漢江是長江中游的一級支流，全長1 577 km，其發(fā)源地在陜西省西南部秦嶺與米倉山之間的寧強(qiáng)縣冢山，在漢中稱為漢水，流經(jīng)安康市，又名滄浪水，而后流經(jīng)湖北省的十堰、襄陽、荊門、仙桃、武漢等城市，最后在武漢市匯入長江。漢江流域極大地推動了區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但其流域內(nèi)水環(huán)境安全狀況一直受到廣泛關(guān)注。漢江流域中的丹江口水庫是亞洲第一大人工湖，同時也是中國南水北調(diào)中線工程的水源地，近年來受南水北調(diào)的影響，漢江流域的水資源容量減少，流域內(nèi)主要城市由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展而帶來的工業(yè)排污等現(xiàn)象給流域的水環(huán)境安全帶來嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，造成襄陽等地區(qū)出現(xiàn)了干旱和水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等現(xiàn)象。故對漢江干流的主要城市進(jìn)行水環(huán)境安全評估具有重要的意義。漢江干流城市水域分布狀況如圖1所示。

圖1 漢江干流城市水域分布

3.2 數(shù)據(jù)來源

關(guān)于漢江干流城市水安全評估指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)主要來自于《中國統(tǒng)計年鑒》、湖北省和陜西省的《水資源公報》、《社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展統(tǒng)計公報》、《生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計年報》等資料以及各市統(tǒng)計局官網(wǎng)。

3.3 漢江干流城市水環(huán)境安全評估

各指標(biāo)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，該標(biāo)準(zhǔn)參照了相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)全國的平均水平數(shù)據(jù)和國家“十三五”規(guī)劃要求等信息確定。制定出等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)后，計算各個指標(biāo)的正態(tài)云特征值，如表4所示。在Matlab中構(gòu)建正向云的計算模型，

表3 指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表4 各等級下的云特征值

設(shè)定隨機(jī)數(shù)數(shù)目即云滴的數(shù)目N=3 000，輸入正態(tài)云特征值，可得到正態(tài)云圖，水體COD濃度u32的正態(tài)云圖示例如圖2所示。

圖2 水體COD濃度u32正態(tài)云圖示例

將漢江支流主要城市的指標(biāo)數(shù)據(jù)輸入正向云發(fā)生器，計算各指標(biāo)對應(yīng)安全等級下的隸屬度，將指標(biāo)權(quán)重和隸屬度矩陣進(jìn)行模糊關(guān)系轉(zhuǎn)化，得到各個安全等級下的綜合隸屬度，然后根據(jù)最大隸屬度原則，確定城市的分級結(jié)果。以安康市為例，得到其指標(biāo)數(shù)據(jù)的分級結(jié)果，如表5所示。

表5 安康市各指標(biāo)評級結(jié)果

各個城市的隸屬度分布情況和最終分級結(jié)果分別如圖3和表6所示，可以看出漢江干流中上游主要城市的水環(huán)境安全狀態(tài)較差，除安康市外，大部分城市分級處于IV級和V級；漢江干流中下游城市(如仙桃、武漢)的水環(huán)境安全狀況較好。

圖3 各城市等級隸屬度分布情況

表6 各城市最終分級結(jié)果

3.4 結(jié)果分析

研究結(jié)果表明，在漢江干流上游的城市中，漢中市的水環(huán)境安全狀況較差。從各個一級指標(biāo)的分級結(jié)果來看，漢中市的社會經(jīng)濟(jì)狀況屬于中等水平，這是因為漢中市人口自然增長率較高，給城市可持續(xù)發(fā)展帶來一定負(fù)擔(dān)；青壯年流失較多，使得60歲以上老人占較大比例，導(dǎo)致社會勞動力不足，經(jīng)濟(jì)發(fā)展受阻。此外，漢中市的生態(tài)環(huán)境總體評估結(jié)果較差，廢水中NH3-N的排放量較多，而漢中市對于環(huán)保的投資力度較其他城市略有不足，使得廢水的處理沒有達(dá)到最大效率。安康市的社會經(jīng)濟(jì)和水環(huán)境都處于中等水平，但安康市的生態(tài)環(huán)境處于一個較高等級。這是由于安康市廢水排放的管控政策較嚴(yán)，廢水排放量較少；安康市的水資源量是陜西省之首，占據(jù)全省約61%的量，因此其人均水資源水平較高，總體來說具有較大可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

漢江干流中游城市都處于一個中等偏下的安全狀態(tài)，十堰、襄陽和荊門政府都在促進(jìn)自身的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但因此出現(xiàn)許多廢水排放沒有得到有效處理，廢水處理能力處于一個亟需發(fā)展的階段，不能達(dá)到很高的廢水處理率；此外，中游地區(qū)的水資源量并不充足，如襄陽等地甚至出現(xiàn)過干旱的現(xiàn)象，其降雨量為省內(nèi)之末，生活用水比較緊張。

漢江下游城市中，仙桃市的總體水質(zhì)較好，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境都處于中等水平。仙桃市近年來大力開展水環(huán)境狀況改善工程，逐步加大了對環(huán)境的投資力度，使得水環(huán)境安全狀態(tài)獲得提升。武漢市是漢江支流帶上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展重鎮(zhèn)，作為漢江和長江的分支口，水資源量充足，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，總體經(jīng)濟(jì)實力較強(qiáng)，具有較大發(fā)展?jié)摿?；武漢市常年遭受洪澇災(zāi)害的影響，對于水資源的管理高度重視，每年的水資源投入較多，同時城市管網(wǎng)等設(shè)施完善，對廢水的處理率處于較高水準(zhǔn)，因此其評價等級較高。

3.5 建議

通過評估發(fā)現(xiàn)，漢江干流城市的水環(huán)境安全狀態(tài)總體偏差，基于上述研究結(jié)果，提出以下建議：

(1)漢江上游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r較弱，廢水難以得到及時有效的處理，但水資源量比較足，因此可以加大漢中市的人才引進(jìn)，調(diào)動城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展；增加對廢水處理的財政投入，推動污水處理廠的建設(shè)，實現(xiàn)污水處理全覆蓋，提高廢水處理的效率；在生態(tài)保護(hù)方面，可以加強(qiáng)跨省流域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，如安康市可以通過開發(fā)、利用和保護(hù)充足的水資源，建設(shè)水利工程，使得水資源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

(2)漢江中游地區(qū)城市，如十堰、襄陽和荊門，在關(guān)注自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，財政投入和政策導(dǎo)向也要向水資源管理傾斜，在建設(shè)經(jīng)濟(jì)的同時，加強(qiáng)市政工程建設(shè)，完善城市污水管網(wǎng)的鋪設(shè)；面對漢江中游城市水資源較少的狀況，各城市應(yīng)該利用已有水利工程的基礎(chǔ)條件，有計劃地建設(shè)新的水利工程。

(3)漢江下游地區(qū)的水環(huán)境安全狀況在逐漸改善，完善自身應(yīng)急管理體系和推動水源工程的建設(shè)缺一不可。仙桃市可從加大水環(huán)境改善的財政投入著手，進(jìn)一步改善水環(huán)境安全狀況，同時提高廢水處理效率；武漢市的水資源可持續(xù)發(fā)展能力較強(qiáng)，但也要在合理利用水資源的同時加強(qiáng)對水資源的風(fēng)險管控。

4 結(jié)論

(1)在城市水環(huán)境安全狀況評價指標(biāo)確定方面，采取熵權(quán)法和猶豫模糊算子賦權(quán)法進(jìn)行綜合賦權(quán)，并在博弈論的視角下進(jìn)行權(quán)重綜合因子的選取。

(2)對漢江干流城市的水環(huán)境安全狀況進(jìn)行了分級評估，采取正態(tài)云模型的方法進(jìn)行分級評價，根據(jù)隸屬度結(jié)果得到了上、中、下游各個城市的分級結(jié)果，并提出了管理建議，該評價結(jié)果可以為漢江流域城市水資源的管理提供參考。

(3)文章未考慮指標(biāo)之間的相互作用，未來將對指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究。同時，各個城市之間水環(huán)境安全的相互影響也將是未來的研究方向。