基于不確定性的湖泊水環(huán)境安全評價
——以滇池流域為例

馮 慶，周小華，彭聲靜，線加玲，郭 未

(1.昆明學院 昆明滇池(湖泊)污染防治合作研究中心，云南 昆明 650214；2.昆明學院 馬克思主義學院，云南 昆明 650214；3.昆明學院 數(shù)學學院，云南 昆明 650214；4.南京大學 社會學院，江蘇 南京 210023)

目前我國水環(huán)境形勢依然嚴峻，存在著包括水資源供需矛盾突出、水環(huán)境風險隱患多、部分水體質(zhì)量差、水生態(tài)受損嚴重等問題[1].上述問題是我國現(xiàn)階段自然生態(tài)環(huán)境安全條件不足，整體生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)脆弱的突出表現(xiàn).水環(huán)境安全是一個相對于人類需求的概念，是能夠保障人類以淡水為主的需求的水量、水質(zhì)、水生態(tài)、社會與經(jīng)濟等安全狀態(tài)的各環(huán)境要素的總和[2].與水安全不同，水環(huán)境安全更強調(diào)水安全的環(huán)境要素，這些水環(huán)境要素(或稱水環(huán)境基質(zhì))是構(gòu)成水環(huán)境整體的各個獨立的、性質(zhì)不同而又服從整體演化規(guī)律的基本物質(zhì)[3].水環(huán)境系統(tǒng)中各要素存在空間相互交融、作用影響相互制約的關(guān)系.水環(huán)境安全面臨來自自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)變化環(huán)境下的諸多不確定性因素影響.“不確定和風險條件下的水管理”在全球水管理領(lǐng)域逐漸成為共識[4].

影響水環(huán)境安全的因素包括自然因素和人類活動因素.自然界對淡水生態(tài)系統(tǒng)的干擾主要是由氣候變化、地震、火山爆發(fā)、山體滑坡、地陷、臺風、洪水、河流改道等引起，其影響大多能恢復，或向另一種狀態(tài)發(fā)展形成新的動態(tài)平衡系統(tǒng)；而人類對淡水生態(tài)系統(tǒng)的顯著影響始于現(xiàn)代人類社會的大規(guī)模經(jīng)濟活動，且所產(chǎn)生的影響往往是淡水系統(tǒng)自身難于恢復的[5]，包括：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的土地開墾、化肥和農(nóng)藥使用、農(nóng)業(yè)灌溉、畜禽養(yǎng)殖或放牧；工業(yè)生產(chǎn)中的原材料開采、工業(yè)用水、工業(yè)污染；城市擴張中的用水增加，城市基礎建設中的蓄水及污水處理、地下水開采等.上述自然變化的不確定性、人類認知不足以及人類活動影響構(gòu)成了不確定性的諸多來源.而水環(huán)境系統(tǒng)中各要素存在空間相互交融，發(fā)揮作用相互交叉和相互制約的關(guān)系，因此水環(huán)境安全面臨來自自然系統(tǒng)及社會人文經(jīng)濟系統(tǒng)變化環(huán)境下的諸多不確定性因素的影響.其中，社會經(jīng)濟活動因人類主動干預性而成為影響水環(huán)境安全的決定性因素.

關(guān)于水環(huán)境安全研究，國外多圍繞可持續(xù)發(fā)展與水資源管理、水安全評價與預測、應對風險和不確定性的水管理[4]等方面開展，而國內(nèi)研究則主要集中于水環(huán)境安全的基本理論、評價、管理措施以及其與社會經(jīng)濟關(guān)系的探討等[6].其中作為評價基礎的指標體系構(gòu)建及定權(quán)成為研究熱點[7,8]，相關(guān)研究多基于壓力-狀態(tài)-響應(Pressure-State-Response，PSR)概念模型結(jié)合文獻分析構(gòu)建指標體系，采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[9]、熵權(quán)法[10]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[11]、主成分分析法[12]或是綜合評分方法[13-15]等進行指標定權(quán).對比國外，國內(nèi)的研究對于變化環(huán)境下水環(huán)境風險及其影響因素辨識的研究相對較少.鑒于PSR模型充分體現(xiàn)了人類與環(huán)境之間的相互作用關(guān)系，并廣泛地應用于區(qū)域環(huán)境可持續(xù)發(fā)展指標體系研究以及環(huán)境保護投資分析等領(lǐng)域[16,17]；以及AHP方法思路清晰、方法簡單、適用面廣、系統(tǒng)性強等特點，進而成為復雜社會系統(tǒng)實現(xiàn)科學決策的有力工具[18].基于PSR模型采用德爾菲法及AHP方法，以定性與定量相結(jié)合的方式開展變化環(huán)境下不確定性影響因素探討將充實目前國內(nèi)水環(huán)境安全相關(guān)研究.

滇池是昆明生產(chǎn)、生活用水的重要水源，是具備防洪、調(diào)蓄、灌溉、景觀、生態(tài)和氣候調(diào)節(jié)等功能的高原城市湖泊[19]，也是長江上游最大的淡水湖，屬于長江上游生態(tài)屏障的重要組成部分.滇池流域水安全問題已由過去的水量時空分布不均，發(fā)展為今天的水患災害、水資源匱乏與水污染多重問題的交叉重疊[20]，水環(huán)境安全的影響因素復雜多變，各因素相互間制約、依賴和滲透，因而本研究以滇池流域為例，旨在客觀識別變化環(huán)境下滇池流域水環(huán)境安全的影響因素，進而構(gòu)建基于不確定性的流域水環(huán)境安全評價指標體系，以期夯實湖泊水環(huán)境安全評價的基礎工作，也為滇池流域治理提供相關(guān)參考.

1 方法與步驟

首先，依據(jù)滇池流域國民經(jīng)濟與社會發(fā)展、水環(huán)境保護治理等綜合信息，確定“滇池流域水環(huán)境安全”這一系統(tǒng)的總目標.第2步，根據(jù)PSR模型，構(gòu)建包括水環(huán)境壓力、水環(huán)境狀態(tài)、水環(huán)境響應3個方面的水環(huán)境評價的準則層.第3步，綜合考慮全面性、代表性、可獲取性及適應性管理的特征要求，采用德爾菲法于2020年10至12月對50名專家進行2輪函詢評分及篩選，得到分別對應于“壓力”“狀態(tài)”“響應”準則，反映水量、水質(zhì)、水生態(tài)、水社會與水經(jīng)濟等水環(huán)境安全內(nèi)涵的10類要素構(gòu)成的要素層，以及分別對應于10類要素的25個指標構(gòu)成的指標層，從而構(gòu)建起針對滇池流域水環(huán)境安全評價指標的分層體系結(jié)構(gòu)模型.第4步，聘請與水環(huán)境相關(guān)的不同領(lǐng)域?qū)＜?，采用AHP方法基于上述分層的評價指標進行兩兩成對比較打分，根據(jù)專家打分計算出各指標的權(quán)值，以此判斷各影響因素的重要程度.具體步驟見圖1.

圖1 滇池流域水環(huán)境安全不確定性影響因素分析步驟

2 滇池流域水環(huán)境安全不確定性因素及評價指標體系

2.1 變化環(huán)境中不確定性因素的識別

以人類活動因素為決定要素，遵循全面綜合、科學、系統(tǒng)、可操作的原則，首先按屬性將水環(huán)境分為自然及社會環(huán)境，其中自然環(huán)境(因素)包括氣候環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、水文環(huán)境、生物與生態(tài)系統(tǒng)等，對應降水、氣溫等13項具體因素；社會環(huán)境(因素)包括人口增長、區(qū)域發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、其他用水行業(yè)發(fā)展、土地利用、基礎設施建設與管理等，對應居民生活用水等28項具體因素.構(gòu)建起上述變化環(huán)境及不確定性因素框架之后，根據(jù)專家的專業(yè)性、行業(yè)相關(guān)性與多樣性原則，邀請環(huán)保、氣象、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、水務、水利、監(jiān)測等各相關(guān)行業(yè)專家，就“滇池流域水環(huán)境安全”問題對上述不確定性因素的影響及威脅程度，按照0～10打分(0分為無威脅，10分為威脅程度最高).評分結(jié)果顯示，41項不確定性因素中，工業(yè)水污染等23項因素平均得分>5分，其中水資源總量等4項因素>7分，保留平均得分>5分的23項不確定性因素用于滇池流域水環(huán)境安全評價指標體系構(gòu)建，見表1.

2.2 基于“壓力-狀態(tài)-響應”模型的指標構(gòu)建

“壓力-狀態(tài)-響應(PSR)”模型的基本邏輯聯(lián)系是，人類活動或自然界自身對環(huán)境施加了一定的壓力，由此導致環(huán)境狀態(tài)發(fā)生了一定的變化，而人類社會即應當對環(huán)境的變化做出響應措施，以恢復環(huán)境質(zhì)量[21].按照上述邏輯聯(lián)系，將影響滇池流域水環(huán)境安全的不確定性因素分為“壓力”“狀態(tài)”和“響應”3個體系.首先進行指標甄選.針對第一輪專家評分及補充后保留的23項不確定性因素，同時結(jié)合《昆明統(tǒng)計年鑒》《昆明市水資源公報》《昆明環(huán)境狀況公報》等統(tǒng)計資料，遵循指標代表性、獨立性和可操作性等原則及適應性管理的特征要求，甄選出55個指標對應于23項不確定性因素.并按照指標表征的“壓力-狀態(tài)-響應”邏輯特點，將指標分為水環(huán)境壓力、水環(huán)境狀態(tài)、水環(huán)境響應3個方面的指標體系，見表2.

表2 基于PSR的滇池流域水環(huán)境安全評價指標

進而展開專家第二輪指標篩選，專家根據(jù)自身對滇池流域水環(huán)境安全現(xiàn)狀的認知，選擇相應的評價指標.除4項特殊指標(單位面積水質(zhì)監(jiān)測點數(shù)量、水污染事故頻次、水資源糾紛頻次、水環(huán)境上訪比例)分別為水環(huán)境管理及涉水社會糾紛狀態(tài)的僅有指標需保留外，其余的專家選擇率在70%以上的指標被保留為代表性指標.對這些被保留的代表性指標進行逐一比較分析，關(guān)聯(lián)度高的指標(如人口、人口密度與人均生活用水量、人均水資源量等指標)被剔除，直接表征水環(huán)境特性的指標(如保留人均生活用水量、人均水資源量)被保留，最終獲得代表性指標共計25項，見圖2.

2.3 基于AHP的評價指標體系構(gòu)建

采用層次分析法(AHP)進行系統(tǒng)分析，進一步把問題層次化.在上述已具備的目標層、準則層及指標層的基礎上，引入要素層，并按照目標層、準則層、要素層及指標層的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系，將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型.獲得AHP評價的層次結(jié)構(gòu)模型.指標分4個層次，最高層即實現(xiàn)“水環(huán)境安全”的目標層；第二層是包括了“壓力” “狀態(tài)” “響應”的準則層；第三層是由分別對應于“壓力” “狀態(tài)” “響應”準則的10類要素構(gòu)成的要素層；第四層是由分別對應于上述10類要素的25個指標構(gòu)成的指標層，見圖2.

圖2 滇池流域水環(huán)境安全AHP評價指標體系層次結(jié)構(gòu)模型

3 滇池流域水環(huán)境安全評價指標權(quán)重

3.1 構(gòu)造判斷矩陣

構(gòu)建起基于AHP的評價指標體系后，需要構(gòu)造判斷矩陣,從而有助于清楚地表達本層次有關(guān)元素對于上一層次某個元素的相對重要性.據(jù)此，構(gòu)架形成本研究指標體系的判斷矩陣，目標層A相對于準則層C1、C2、C3；準則層C1相對于要素層D1、D2、D3，C2相對于D4、D5、D6，C3相對于D7、D8、D9、D10；要素層D2相對于指標層F2、F3、F4，D3相對于F5、F6、F7、F8，D4相對于F9、F10，D5相對于F11、F12、F13，D6相對于F14、F15、F16，D7相對于F17、F18、F19，D9相對于F21、F22、F23，D10相對于F24、F25的12個判斷矩陣(問卷及判斷矩陣此處省略).判斷矩陣的值反映了專家對各因素相對重要性的認識，本研究采用優(yōu)勢明顯并較為常用的1～9數(shù)值及其倒數(shù)，以使決策者判斷思維數(shù)學化[18].

接下來即可進行專家咨詢.因AHP方法是基于主觀判斷而得出的結(jié)論，且水環(huán)境安全問題涉及領(lǐng)域廣泛，為避免不同領(lǐng)域?qū)＜覀?cè)重點不一，確保AHP結(jié)論的代表性，本研究特聘參與咨詢的專家具有以下背景：一是長期(10年以上)從事水環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域研究或工作；二是對水環(huán)境及其安全有總體全面的認識；三是能分別代表事關(guān)水量安全、水質(zhì)安全及水生態(tài)、水社會安全不同領(lǐng)域的專家.各專家通過對判斷矩陣逐一進行兩兩成對比較打分，得到各判斷矩陣的兩兩成對比較數(shù)值.

3.2 層次排序及其一致性檢驗

專家評分得出比較判斷矩陣數(shù)值后，計算判斷矩陣的特征向量W(即指標權(quán)值)，對判斷矩陣進行層次單排序及層次總排序.

保持判斷思維的一致性，在應用AHP方法中是非常重要的.因而，需要對構(gòu)造的判斷矩陣進行一致性檢驗.計算一致性指標公式為：

(1)

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征根，n為本層次的要素數(shù)量.

為度量不同階判斷矩陣是否具有滿意的一致性，需引入判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI值.對于1～9階判斷矩陣，RI值分別列于表3.

本研究采用和積法計算各專家判斷矩陣的λmax及W值，并對各判斷矩陣進行了一致性檢驗及判斷矩陣的元素取值調(diào)整.

3.3 指標綜合權(quán)重

對各專家的層次單排序及層次總排序權(quán)重計算其算術(shù)平均數(shù)，得到滇池流域水環(huán)境安全評價指標綜合權(quán)重，見表4.

表3 1～9階判斷矩陣RI值

表4 滇池流域水環(huán)境安全評價指標權(quán)重

4 結(jié)語

4.1 關(guān)于滇池流域水環(huán)境安全不確定性影響因素

結(jié)果表明，從準則層來看，為滿足滇池流域水環(huán)境安全的目標，壓力、狀態(tài)、響應三者權(quán)重比為0.257∶0.227∶0.516，說明人類社會對環(huán)境的變化做出響應措施具有最為重要的作用與影響，其次是水環(huán)境壓力，稍重要于水環(huán)境狀態(tài).

在要素層，供水壓力、用水壓力、水污染壓力3類壓力要素權(quán)重比為0.293∶0.185∶0.522，說明滇池流域水環(huán)境安全最大的壓力來自水污染，其次是供水壓力和用水壓力.水污染問題正是困擾滇池流域30多年的首要問題；水資源、水質(zhì)、涉水社會糾紛3類狀態(tài)要素權(quán)重比為0.266∶0.610∶0.123，可見水質(zhì)狀態(tài)是影響水環(huán)境安全最為重要的狀態(tài)，其次是水資源狀態(tài)，涉水社會糾紛狀態(tài)對水環(huán)境安全狀態(tài)的影響最弱，說明滇池流域水體水質(zhì)應是首先要確保的方面，而涉水社會糾紛問題則不甚典型；響應措施中，供水保障、排水保障、水污染控制、水環(huán)境管理的權(quán)重比為0.079∶0.097∶0.365∶0.460，水環(huán)境管理和水污染控制分別位居第一和第二，對水環(huán)境安全的影響遠超出排水保障和供水保障，而排水和供水的響應措施中，排水又稍重要于供水.

在指標層，對于用水壓力的要素，人均生活用水造成的用水壓力最大，其次是農(nóng)田灌溉公頃均用水量，而萬元工業(yè)增加值用水壓力最小，三者指標權(quán)重比為0.486∶0.398∶0.116；對于水污染壓力要素，農(nóng)業(yè)廢污水排放和生活廢污水排放造成的水污染壓力相近，稍高于其他，工業(yè)廢污水排放和建筑及服務業(yè)廢污水排放造成的水污染壓力相近，四者指標權(quán)重比為0.388∶0.310∶0.154∶0.148；水資源狀態(tài)要素的指標中，人均水資源量對水資源狀態(tài)的影響稍大于水資源開發(fā)利用率，但二者的權(quán)重非常接近，為0.567∶0.433；水質(zhì)狀態(tài)要素的指標中，飲用水源地水質(zhì)達標率重要于入滇河道水質(zhì)良好比例，重要于滇池水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，3個指標權(quán)重比為0.471∶0.355∶0.173，說明水質(zhì)狀態(tài)應從源頭抓起；涉水社會糾紛狀態(tài)要素的指標，其重要性由高到低依次是水污染事故頻次、水環(huán)境上訪比例、水資源糾紛頻次，權(quán)重比為0.542∶0.294∶0.164；供水保障作為響應措施之一，外流域調(diào)水總量、工業(yè)用水重復利用率、中水(除工業(yè)用水外)回用率3個指標中，工業(yè)用水重復利用率和中水(除工業(yè)用水外)回用率都明顯重要，而外流域調(diào)水的作用很微弱，三者權(quán)重比為0.496∶0.405∶0.098；水污染控制的應對措施中，生活污水集中處理率最重要，其次是工業(yè)廢水達標排放率，其三是生活垃圾無害化處理率，三者權(quán)重比依次是0.420∶0.353∶0.227；水環(huán)境管理措施中環(huán)保投入占GDP比值重要于單位面積水質(zhì)監(jiān)測點數(shù)量，二者權(quán)重比為0.727∶0.273，說明了解決資金問題在水環(huán)境管理中的重要性.

可見，關(guān)于滇池流域水環(huán)境安全不確定性影響因素中，水污染、水質(zhì)保障仍然是最為突出的；曾經(jīng)一度被認為高耗水、高污染的工業(yè)生產(chǎn)，因為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及推行清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟等措施，對滇池流域水環(huán)境安全影響的重要性已被生活用水及生活廢污水排放所取代；而作為水質(zhì)改善的重要措施的外流域調(diào)水，因其僅能作為權(quán)宜之計解一時“燃眉之急”，并不被認為是重要的；做好水環(huán)境管理及水污染防治工作才是積極應對水環(huán)境風險威脅的首要任務.

4.2 關(guān)于AHP方法在本研究中的應用

AHP是分析復雜問題的一種簡便方法，特別適宜于難于完全用定量進行分析的復雜問題.雖然水環(huán)境安全問題所涉及的部分要素可以通過定量分析來評價其安全程度，但水環(huán)境安全首要關(guān)注的便是對人的影響及人的需求，且涉及面廣、要素眾多.要從紛繁復雜的不確定性要素中確定關(guān)鍵要素，尤其是對于與社會經(jīng)濟關(guān)系密切、受人為干擾強烈的湖泊流域，AHP無論是對于達成本研究目標或是其他近似的湖泊流域，不失為一種有效的決策工具.

因AHP是基于人的主觀判斷而得出結(jié)論，因而選擇參與決策的專家非常重要，即便決策專家非常資深，且對全局把握非常均衡，在表達其觀點時也會因其研究領(lǐng)域的限制而有所偏重，因而本研究盡量選取了不同水環(huán)境安全相關(guān)領(lǐng)域的專家代表.然而觀點差異也在所難免.

滇池流域水環(huán)境安全評價指標體系的構(gòu)建，雖遵循了可操作性的原則，但目前統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源仍然只有以行政區(qū)為統(tǒng)計區(qū)域的《昆明統(tǒng)計年鑒》《昆明環(huán)境狀況公報》《昆明市水資源公報》等，尚未實現(xiàn)流域尺度下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與管理，尤其是流域尺度的社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù).進行滇池流域水環(huán)境安全不確定性評價，還將面臨數(shù)據(jù)獲取的困難挑戰(zhàn).實現(xiàn)基于流域尺度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與監(jiān)測工作是實現(xiàn)水環(huán)境安全適應性管理的重要基礎.