改進型多層次多目標模糊優選模型在海河流域水環境安全評價中的應用

王 哲，楊學軍，李濤濤

（1.海河水利委員會水文局，天津 300170；2.天津市水利勘測設計院，天津 300204）

水環境安全是從人水和諧的角度提出的新概念。它不僅與水量水質等水環境因素有關，而且受到社會經濟發展等其他因素的影響。隨著人們對環境生態的不斷重視，水環境安全問題已經成為國家和地區安全中一項重要問題。建立合適的流域水環境安全評價體系，選擇正確合理的模型方法進行評價十分重要。不少學者[1-3]提出了水環境安全評價體系，并據之進行評價，但仍存在指標體系應用面不廣、評價方法單一、難以適應復雜多變的水環境變化等問題。

海河流域是中國流域的典型代表，研究海河流域的水環境安全可以為中國水環境安全問題的識別和保障措施的選擇提供參考依據。海河流域地處華北地區，降水量稀少，水資源短缺現象嚴重，河流萎縮，部分河流污染嚴重，水環境狀況不斷惡化[4]。筆者根據海河流域的水資源狀況，綜合考慮經濟社會、生態環境等外部因素，采用DPSIR概念模型[5-8]和層次結構體系構建海河流域水環境安全評價指標體系，利用組合權重和改進型的多層次多目標模糊優選模型對海河流域3個時期的水環境安全狀況進行評價，定量診斷海河流域的水環境安全趨勢，為水環境安全管理提供科學依據。

1 構建水環境安全評價指標體系

根據海河流域的水環境狀況，結合專家意見，采用DPSIR模型和層次結構體系構建了水環境安全評價指標體系。具體是在指標體系整體構建上采用層次結構，建立4層指標體系，分為目標層、制約層、要素層、指標層；然后在各分層指標的構建上采用DPSIR模型構建流域水環境和生態驅動力、水環境和生態壓力、水環境和生態狀態、水環境和生態影響、水環境和生態響應5類指標，系統、完整地反映流域水環境安全狀況。指標選取，見表1。

2 水環境安全評價模型

2.1 評價等級劃分

評價等級劃分是水環境安全評價的重點任務。筆者采用模糊方法將水環境安全劃分為5個等級，見表2。

2.2 評價方法選擇

（1）權重的計算。筆者選擇通過基于離差最大化的組合賦權法[9]把通過層次分析法[10-13]和熵權法[14-16]得到的權重系數進行組合，兼顧主客觀賦權法的優劣點，使評價結果更有說服力。

表1 流域水環境安全評價指標體系

表2 區域水環境安全綜合評判[17]

（2）評價方法。水環境系統影響因素眾多，系統復雜，指標相互影響，又具有層次性和模糊性，因此筆者選用基于組合權重的改進型多層次多目標模糊優選模型，能夠使指標所包含的信息得到綜合反映，能夠刻畫系統的層次性和模糊性，而且理論嚴密、概念明確、計算合理實用，具體的計算公式見式（1）。

式中：gk為最優向量；bk為最劣向量；rkj為指標歸一化值；ωk為權重。

3 海河流域水環境安全評價

筆者通過對海河流域1980、1990、2005年3個時期的水環境安全狀況進行評價，明確水環境安全變化趨勢，分析各項指數的變化。

3.1 海河流域水環境要素層安全指數計算和分析

水環境要素層安全指數，見表3。1980、1990、2005年3個時期的海河流域水環境要素層安全指數變化，如圖1所示。

表3 水環境要素層安全指數

圖1 海河流域水環境要素層安全指數變化

通過對要素層計算分析可以看出，自1980年以來海河流域經濟社會一直保持持續發展。1980年左右，海河流域的多數指標處于預警狀態，這個時期經濟社會發展指標處于中警狀態，這表明該時期社會經濟發展剛剛起步，社會經濟發展對于水環境安全的驅動力明顯不足。1990年，隨著改革開放的深入，海河流域社會經濟發展迅速，接近較安全狀態。2005年，隨著京津唐工業區的崛起，海河流域的社會經濟已經達到較安全狀態。自1980年以來水資源壓力和生態壓力一直趨于好轉，年各項指標都處于預警狀態，1990年雖然也處于預警狀態但是各項指標較1980年均有較大改善，水資源狀況接近較安全狀態，但是受社會經濟發展驅動力的影響，由于生態建設和環境保護沒有受到足夠的重視，水環境和生態仍然處于預警狀態，其中水生態壓力指數比1980年降低，最低為0.450 7，處于預警狀態。2005年，隨著社會經濟的發展，各級政府對生態環境建設和保護的投入有所增加，各項指標的安全指數都有提高，水資源需求狀況和生態狀況均達到較安全的狀態，但是該時期由于經濟發展方式難以轉變，社會經濟的發展對生態壓力比較大，水環境影響指標仍處于預警狀態，生態建設與環境保護仍然需要加大投入。

3.2 海河流域水環境制約層安全指數計算和分析

水環境制約層安全指數，見表4。1980、1990、2005年3個時期的海河流域水環境制約層安全指數變化，如圖2所示。

表4 水環境制約層安全指數

圖2 海河流域水環境制約層安全指數變化

通過對制約層安全指數的計算分析可以看出，海河流域水環境安全DPSIR 5個要素在過去的25年中均不斷改善，特別是驅動力由1980年的0.295 3（中警狀態）上升至2005年的0.681 9（較安全狀態），帶動了水環境安全的改善。隨著經濟和社會的發展，海河流域管理部門在改善區域水環境安全、促進可持續發展進程中不斷投入，使得海河流域水環境安全響應也由0.324 0變化至0.590 7，逐年上升。2005年水環境安全影響和響應仍然處于預警狀態，說明下一階段仍然需要加大投入，從政策方面支持環境改善，從而改善整個流域的水環境安全。

3.3 海河流域水環境目標層安全指數計算和分析

水環境目標層安全指數，見表5。1980、1990、2005年3個時期的海河流域水環境目標層安全指數變化，如圖3所示。

表5 水環境目標層安全指數

圖3 海河流域水環境目標層安全指數變化

綜合來看，海河流域的水環境安全狀況是趨于好轉的，從1980年的中警狀態變化到2005年的較安全狀態，但是流域水環境安全狀況依然嚴峻，2005年的水環境安全指數為0.627 0，剛剛超過預警線，主要是由于水環境的改變是一個長期復雜的過程。從1990年代開始對流域水環境安全加大投入與整治，前期的投入還沒有完全發揮出作用，仍然需要繼續努力，爭取將整個流域水環境安全提升到安全狀態，保障海河流域人民的生活生產用水。

4 結論

（1）通過DPSIR模型和層次結構體系構建模式構建了水環境安全評價指標體系，涵蓋社會經濟、生態及水環境等33個指標，能綜合反映流域水環境安全狀況。

（2）采用組合賦權法將層次分析法和熵權法得到的權重系數進行組合，兼顧主客觀的優點。利用改進型的模糊優選模型對水環境安全進行評價，符合水環境系統特點，能夠使指標所包含的信息得到綜合反映，能夠刻畫系統的層次性和模糊性，而且理論嚴密、概念明確、計算合理實用。

（3）分析1980、1990和2005年3個時期的水環境安全狀況可以看出，近25年來海河流域的水環境安全狀況一直處于上升狀態，目前安全指數為0.627 0，處于較安全狀態。但是，水環境和生態建設保護不足，水環境受自然生態、人類活動和經濟結構影響較大。

[1]王琳.遼河流域水安全評價研究[D].大連：大連理工大學，2005.

[2]牛玉生.南四湖水安全評價研究[D].曲阜：山東師范大學，2006.

[3]尹發能.基于模糊數學方法的洞庭湖區水安全評價[D].長沙：湖南師范大學，2004.

[4]金菊良，吳開亞，李如忠，等.信息熵與改進模糊層次分析法耦合的區域水安全評價模型[J].水力發電學報，2007，（6）：61-66.

[5]Smeets E，Weterings R.Environmental Indicators：Typlogy and Overview[M].Copenhagen：European Environmental Agency，1999.

[6]曹紅軍.淺評DPSIR模型[J].環境科學與技術，2005，28（6）：110-111.

[7]熊鴻斌，劉進.DPSIR模型在安徽省生態可持續發展評價中的應用[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2009，（3）.

[8]鄭茂坤，駱永明，趙其國，等.應用DPSIR體系解決長江、珠江三角洲地區環境問題的初步思考[J].土壤，2006，（5）.

[9]陳華友，多屬性決策中基于離差最大化的組合賦權方法[J].系統工程與電子技術，2004，26（2）：194-197.

[10]Julius Solnes.Environmental quality indexing of large indus?trial development alternatives using AHP[J].Environment Impact Assessment Review，2003，23：283-303.

[11]樊彥芳，劉凌，陳星，等.層次分析法在水環境安全綜合評價中的應用[J].河海大學學報（自然科學版），2004，32（5）：512-514.

[12]Ute Simon，Rainer Brüggemann，Stefan Pudenz.Aspects of decision support in water management—example Berlin and Potsdam（Germany）I—spatially differentiated evaluation[J].Water Research，2004，38（7）：1809-1816.

[13]Che-Ming Chiang，Chi-Ming Lai.A study on the compre?hensive indicator of indoor environment assessment for oc?cupants’health in Taiwan[J].Building and Environment，2002，37（4）：387-392.

[14]閆文周，顧連勝.熵權決策法在工程評價中的應用[J].西安建筑科學大學學報，2004，36（1）：98-100.

[15]孟慶生.信息論[M].西安：西安交通大學出版社，1989.

[16]邱菀華.管理決策與應用熵學[M].北京：機械工業出版社，2001.

[17]左偉，王橋，區域生態安全評價指標與標準研究[J].地理學與國土研究，2002，18（1）.