基于熵權模糊綜合模型的水污染風險評價

匡佳麗 唐德善

摘要：為科學評價流域水污染風險，結合壓力-狀態-響應模型（PSR模型）從社會經濟、污染源危險性、水資源質量、生態環境脆弱性和水污染防控5個角度建立了包含21個指標的流域水污染風險評價指標體系，并將風險劃分為4個等級，采用熵權法確定客觀權重，最后利用模糊綜合評價模型對2012～2018年鄱陽湖流域水污染風險開展綜合評價。結果表明：2012～2016年鄱陽湖流域水污染風險表現為中度風險，2017～2018年轉為輕度風險，風險等級整體呈現逐年降低的趨勢，與實際情況相符。其中氨氮排放總量、水功能區水質達標率和湖泊Ⅲ類以上水質比例這幾個指標對鄱陽湖流域水污染風險的影響較大，因此相關部門需要重點在這些方面做出積極響應。研究成果對于鄱陽湖流域水污染治理和水資源可持續利用有一定借鑒作用。

關 鍵 詞：水污染風險評價;模糊綜合評價模型;PSR模型;熵權;鄱陽湖流域

中圖法分類號：X52

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0032-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.006

0 引 言

水資源是人類生存與社會發展的基礎。近年來，由于城市化水平的不斷提高與工農業經濟的迅速發展，流域水污染問題日益突出。鄱陽湖作為中國第一大淡水湖泊，長江下游最大的水蓄積庫，在維護生物多樣性、調蓄長江洪水以及長江中下游淡水供給等方面具有十分重要的作用，對維系區域和國家生態安全具有重要的戰略意義[1]。因此，對鄱陽湖流域水污染風險開展研究，可以及時了解水污染風險的動態變化，對于緩解水資源供需矛盾，改善水生態環境具有重要意義。

目前，許多學者從不同角度對水污染風險開展了研究。如祝慧娜等[2]綜合考慮水環境污染脆弱性和對人體健康的危害性，對湘江進行了河流水環境污染風險模糊綜合評價;尹亮等[3]主要考慮企業風險等級和風險發生后對水源地的影響兩個方面建立了常州市水源地風險等級判定模型;李婷[4]利用熵權TOPSIS模型選取6個指標對大伙房渾河流域撫順段水污染風險進行了評價;連亞妮[5]從環境風險危害性、傳播擴散可能性、受體受損性分析和企業應對能力4個方面對黃河包頭段水污染展開了風險識別和防控研究，主要對流域內潛在風險企業進行了模糊綜合評價。對于水污染風險評價的研究大部分基于河流和水源地，對于流域水污染風險研究較少，并且大部分著重于水質、水量方面的指標評價，指標體系有待完善。因此，本文基于壓力-狀態-響應模型構建了水污染風險評價指標體系，并將熵權法確定權重運用于模糊綜合評價模型中，進一步應用于鄱陽湖流域水污染風險評價，旨在揭示鄱陽湖水污染的主要影響因素和水污染風險現狀，為管理者和決策者提供依據和解決思路。

1 評價指標體系構建

1.1 PSR模型

壓力（Pressure）-狀態（State）-響應（Response）模型最初是由OECD和聯合國環境規劃署（UNEP）為了研究環境問題而發展形成的一種框架體系。PSR模型是通過壓力、狀態和響應的邏輯思維方式來選取評價指標，這一思維邏輯以因果關系為基礎，反映各個指標之間的相互作用關系[6]。壓力指標代表發生變化的原因，即社會經濟發展對流域水環境會施加一定的壓力，因為這些壓力增加了流域水污染的風險程度;狀態指標則量化了這些壓力造成水污染風險變化的程度;響應指標表示社會在意識到狀態變化后采取措施的力度，在一定程度上減小了流域水環境污染的風險，從而反過來影響了狀態指標。因此，PSR模型可以系統性地描述人類、社會、生態之間因果循環的相互關系，充分反映了各指標之間的內部聯系。并且，流域水環境系統是一個具有動態性的復合多元系統，水環境變化有一定的遲滯性，僅僅通過某一段特定時期的狀態進行評價不能真實準確地反映系統的實際狀況，而PSR模型具有很強的靈活性和全面性，既能充分體現系統當時的自然狀態，又能綜合考慮社會發展和人類采取的調控措施對系統造成的影響，對于全面評價流域水污染的風險程度非常適用。

1.2 水污染風險評價指標體系構建

水污染風險評價指標體系構建的首要問題是水污染風險識別，以便建立全面的風險評價指標體系。為了綜合反映流域水污染的顯現及潛在風險，本文遵循系統性、代表性、獨立性、客觀性、動態導向性及區別性等原則[7]，廣泛咨詢專家的意見并參考相關研究[8-11]，同時考慮數據的可獲取性，基于PSR模型從社會經濟、污染源危險性、水資源質量、生態環境脆弱性和水污染防控5個角度對流域水污染的致險因素進行分析研究，建立了含有21個指標的水污染風險評價指標體系（見表1）。其中壓力（P）指標主要指社會發展、經濟及人口增長、各種產業污染排放對于資源和環境帶來的不利影響;狀態（S）指標主要指河湖庫的水質、富營養化程度等反映流域水污染實際現狀的指標;響應（R）指標主要指人類社會對于水污染現狀做出的相應對策，如污水處理率、污染治理的財政投入等。

1.3 評價指標等級劃分

為了充分反映各項指標對水污染產生的風險程度，在已有研究[5，10-12]的基礎上，參考各指標的評價標準（河湖生態健康評價指標研究[13]），并咨詢相關專家意見，將流域水污染的風險等級劃分為Ⅰ（輕度風險）、Ⅱ（中度風險）、Ⅲ（重度風險）、Ⅳ（極度風險）4個等級，如表1所列。

2 研究方法

2.1 熵權模糊綜合評價模型基本思想

由于水污染風險涉及社會經濟、污染源和防控能力等多方面因子影響，不同流域的社會經濟發展情況差異較大，故流域水污染風險評價是一項復雜的多層次、多目標綜合性問題，并且風險評估具有隨機性、不確定性和模糊性。因而本文從科學合理性、實用性出發，選擇熵權模糊綜合評價對所在流域的水污染風險進行分析評價。

熵權法是一種客觀賦權，它是根據樣本本身的信息特征做出的權重判斷，即通過各項指標的觀測值提供信息量的大小來確定指標的權重[14-15]。應用熵權法能全面利用并反映指標數據的信息，當評價對象在某個指標上的值差異度較大時，信息熵ei較小，說明該指標提供的信息量較大，則其相應權重也較大，表明該指標的變化對于水污染風險評價影響越大。

模糊綜合評判[16]是以模糊數學為基礎，應用其模糊變換和最大隸屬度原理，對多因素影響、邊界不清的事物或現象進行綜合評價，根據各因素的相對重要程度和對它的評價結果，把原來的定性指標定量化，對于流域水污染風險評價能夠系統全面地綜合各方面因素的影響，客觀地反映其真實狀態。

2.2 熵權法確定權重

步驟1：數據標準化。由于評價指標的量綱單位的不同，會對評價結果產生影響，因此首先對各評價指標進行無量綱處理。其中正向指標屬于越大越優型，逆向指標屬于越小越優型，具體公式如下所示。

2.3 模糊綜合評判模型

2.3.1 構建因素集和評價集

水污染風險因素分為社會經濟風險（u1）、污染源危險性風險（u2）、水資源質量風險（u3）、生態環境脆弱性風險（u4）、水污染防控風險（u5），構成因素集U={u1，u2，u3，u4，u5}。參考相關研究和規范，將風險劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個等級，構成評價集V={v1，v2，v3，v4}，其中，v1代表輕度風險，v2代表中度風險，v3代表重度風險，v4代表極度風險。

2.3.2 構建模糊關系矩陣

表示每個評價對象在評價等級集合中隸屬于不同評價等級的程度，稱為隸屬度，以rij表示。因素集U對評價集V的隸屬度rij組成的矩陣即模糊關系矩陣R：

從表1可看出所選指標均為定量指標，對定量指標遵循相關文獻[17-19]所給出的確定隸屬度函數的原則，隸屬度函數采用嶺形隸屬函數。將每個指標等級區間的中點作為分界點，隸屬度函數公式如下所示：

2.3.3 構建綜合評價矩陣進行模糊評價

綜合評價矩陣計算公式：

隸屬度反映了模糊集合中的每個元素對評判集合的隸屬程度，隸屬度的值為[0，1]區間內的數，越接近于1，表示隸屬程度越好。故可根據最大隸屬度原則綜合判定水污染風險等級，公式如下：

3 鄱陽湖流域水污染風險綜合評價

3.1 研究區概況

鄱陽湖位于江西省北部，匯集江西省內贛江、撫河、饒河、修河、信江五大水系，下接長江，是中國最大的淡水湖。鄱陽湖水系流域面積共162 225 km2，約占江西省國土面積的97%。江西省境內地勢南高北低，周圍群山環繞逐漸向鄱陽湖區傾斜，呈現一種南窄北寬以鄱陽湖為底部的盆地狀地形，因而江西省境內大部分地表水都匯集于此，基本上形成了以省級行政單位邊界劃分的流域系統。鄱陽湖水系在長江流域和江西境內都有著首屈一指、不可替代的重要作用，是江西省經濟發展的命脈，其洪水調蓄功能、濕地面積以及生態多樣性都對整個區域甚至上下游流域有著巨大的影響。而鄱陽湖水系周邊城市密布，城市的發展對于水資源的利用需求較大，存在著潛在流域水污染風險，對于整個流域供水、經濟發展以及生態環境有一定的安全隱患，因此以鄱陽湖流域為例，研究其水污染風險對于控制污染源、提升水污染防控能力和用水安全，以及保護鄱陽湖流域生態環境具有重要的意義。

3.2 數據來源

本文所需研究數據主要來源于2012～2018年《江西省統計年鑒》《江西省水資源公報》《江西省環境統計年報》《江西省環境公報》《中國人口和就業統計年鑒》及相關政府工作報告。經統計得到鄱陽湖流域水污染風險評價各指標原始數據，見表2。

3.3 指標權重系數確定

利用上述公式（1）～（5）對原始數據進行標準化處理及權重計算，得出各評價指標權重見表3。

3.4 模糊綜合評價模型建立及計算

（1）構建因素集與評價集如表1所示。

（2）構建模糊關系矩陣。由式（7）～（9）計算確定每個評價對象的各個指標對與風險等級的隸屬度，得出各年份的模糊關系矩陣R，以2012年為例，所求矩陣如下：

同理，可計算得到2013～2018年的模糊關系矩陣。

（3）構建綜合評價矩陣進行分級評價。根據綜合評價矩陣計算公式（10）以及最大隸屬度原則式（11）對綜合風險等級進行模糊評價，獲得鄱陽湖流域水污染風險評價的最終結果，評價結果如表4～5所列。

3.5 評價結果分析

從表3的計算來看，對鄱陽湖流域水污染風險影響較大的幾個指標（權重大于6%）主要有氨氮排放總量、水功能區水質達標率和湖泊Ⅲ類及以上水質比例，對鄱陽湖流域水污染風險有一定影響的指標（權重在5%～6%之間）主要有富營養化水庫比例、城鎮生活污水處理率、農業化肥施用量、城鎮生活污水排放量和萬元GDP用水量。除此之外，江西省在污染治理支出、河湖（庫）長達標率以及垃圾無害化處理等方面工作保持著很好的成績，在一定程度上減緩了水污染的風險，使鄱陽湖流域生態環境得到很大改善，這些因素也起到了一些輕微的影響。

從表4的結果可以看出，鄱陽湖水污染風險等級在2012～2016年處于中度風險，表示流域內發生大面積水污染事件的風險較大。2017年首次進入到輕度風險狀態，并且2018年仍然保持在輕度風險狀態，說明近幾年鄱陽湖水質與水環境正在向著良性態勢發展，地區保護水資源及生態環境的意識逐漸加強，經過一系列制度和政策的推行，使得鄱陽湖流域水污染風險等級降低，流域水環境質量得到改善。

從表5水污染風險的5個子系統指標評價來看，2012～2018年社會經濟指標基本平穩，處于中度風險的狀態。雖然城鎮化率與人口密度一直處于不斷增加的趨勢，但隨著江西省全面推進最嚴格水資源制度，嚴格完成水資源管理“三條紅線”控制目標，建設節水型社會，人均綜合用水量從2013年的586 m3降低到2018年的540 m3，萬元GDP用水量也從2012年187 m3降低到2018年的114 m3，整體下降幅度較大，說明用水效率和用水節約集約化程度都在不斷提高，取得了良好降低水污染風險壓力的效果?？紤]到2012～2018年社會經濟指標仍處于中度風險狀態，并且從未來江西省經濟發展趨勢來看，水污染面臨的社會經濟壓力不可小覷，相關部門應當重視流域內的社會發展給水資源水生態帶來的影響，促進流域高質量可持續協調發展。

污染源危險性指標在2015年達到重度風險，其余評價年份均為中度風險，說明流域內污染排放風險總體比較平穩，在2015年偏于不安全的狀態。城鎮生活污水排放量和農業化肥施用量在2012～2015年處于不斷增長的態勢，導致水污染風險加大，在2016年以后開始回落，說明兩者是2015年污染源危險性指標達到重度風險的主要因素，相關部門應該著重從城鎮污水排放量和化肥施用量控制方面采取措施。另外，氨氮排放總量在2012～2018年一直處于下降趨勢，從2012年的91 050 t下降到2018年的58 409 t，對于整個流域水污染風險降低起到了很積極的作用，說明產業結構不斷優化，污水處理水平不斷提高，江西省生態環境保護政策取得了很大的成效。

水資源質量指標在評價年里處于波動狀態，整體水質基本逐年變好，2012～2013年為中度風險，2014年狀態最差，處于重度風險，2015～2018年一直處于輕度風險的狀態。說明2015～2018年江西省水資源質量綜合治理取得了一定的效果，但是湖泊水質監測斷面Ⅲ類以上水質比例仍逐年降低，相關部門應該更為重視湖泊水資源保護，以免發生湖泊大面積水質惡化的現象。

生態環境脆弱性的指標風險等級處于整體上升狀態，2012～2015年為輕度風險，在2016年和2018年達到中度風險，說明鄱陽湖流域生態環境基礎良好，但是隨著近年來經濟的迅速發展，忽視了生態保護，導致生態環境越來越脆弱，因此，應該加強資源節約與環境友好型社會的建設，在經濟生產中融入環保理念，建立環保激勵與約束機制。

水污染防控能力處于穩步上升的狀態，自2016年起保持著輕度風險等級，水污染防控指標風險等級變化與總體級別變化基本一致，說明水污染防控對于鄱陽湖流域水污染風險等級下降起到了重大的作用。江西省積極采取措施，將工業廢水處理率從2012年的61.29%提升到2018年的72.18%，城市污水處理率也從84.31%提升到95.77%，污水處理率和處理能力也在不斷提高。另外，隨著2015年年底江西省在全省江河湖庫水域內全面實施河長制，不斷健全制度體系，完善河湖管護長效機制，強化監督考核，極大地提高了江西省水污染防控能力，降低了流域內水資源污染的風險，說明河長制的實施取得的效果顯著，若繼續在鄱陽湖流域內實施河長制，水污染治理和水資源保護一定會取得更優的成績。

4 結論與展望

（1）本文從社會經濟、污染源危險性、水資源質量、生態環境脆弱性以及水污染防控5個方面建立了流域水污染風險評價體系，并確定指標分級標準，利用熵權法與模糊綜合評判結合的模型對鄱陽湖流域水污染風險等級進行了判定，該模型能夠削弱模糊層次分析法中AHP法確定權重的主觀性，充分利用了數據本身的信息量，使評價結果更為客觀、科學、合理。評價結果與實際情況基本吻合，說明熵權模糊綜合評判模型對于水污染風險評價問題具有可行性和適用性。

（2）鄱陽湖流域2012～2016年水污染風險為中度風險，2017～2018年為輕度風險，風險等級逐年降低說明流域水環境狀態呈現良性發展態勢。但是社會經濟指標、污染源危險性指標及生態環境脆弱性指標仍處于中度風險狀態，說明社會經濟發展給水污染帶來的壓力依然很大，生態環境十分脆弱，解決發展帶來的水資源緊張及生態環境相關問題勢在必行。

（3）氨氮排放總量、水功能區水質達標率和湖泊Ⅲ類及以上水質比例對鄱陽湖流域水污染風險的影響較大，因此在流域污染治理方面要特別重視污水排放指標，直面湖泊水污染問題，繼續發揮河長制湖長制工作取得的成效。

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（編輯：劉 媛）