基于PSR-模糊綜合評價方法的天津市水環境安全評價

董 瑞，李 霞

（天津理工大學 環境科學與安全工程學院，天津 300384）

水環境安全是指水系統中擁有足夠的水量和安全的水質，而且水體能夠維持人類社會可持續發展，滿足生態系統正常持續地運轉[1]。天津市河流密布，水庫眾多，根據2018年天津市水資源公報數據，全市總用水量28.4億m3，全市總供水量28.4億m3，污水排放量達到7.86億噸，水資源總量為17.58億m3，大中型水庫年末蓄水量達到7.55億m3，全市全年評價河長1 661.0 km，其中Ⅱ類河長占12.5%，Ⅲ類河長占11.4%，Ⅳ類河長占27.2%，Ⅴ類河長占10.4%，劣Ⅴ類河長占38.5%，全年水功能區達標率23.1%，主要飲用水源地于橋水庫和團泊洼水庫水質為Ⅲ類，呈“輕度富營養化”狀況，爾王莊水庫水質符合二類水標準，營養化程度為“中營養”，北大港水庫為“中度富營養”。文獻[2]利用一種新的灰色關聯度算法，對長江支流漢江流域進行水環境質量評價，對整體水質進行更精確和細致地分級。田云麗[3]運用模糊綜合評價方法對工業污水環境安全影響進行研究。劉禧超等[4]基于層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）的模糊綜合評價模型對天津市寧河區地下水第Ⅱ含水組環境進行評價，結果判別為“基本安全”。何貝貝等[5]依據驅動力-壓力-狀態-影響-響應（driving forcespressure-state-impact-response，DPSIR）模型，對2009—2011年天津市水安全狀況進行安全度計算，結果表明天津市水環境均處于良好等級。安全度方法簡單，計算結果較模糊，不能精確地劃分每年安全狀況等級，因此本文采用模糊綜合評價方法對天津市水環境進行安全評價。模糊綜合評價方法[6]是一種基于模糊數學的綜合評價方法，它把定性評價轉化為定量評價，依據評價指標對被評判事物的隸屬等級狀況進行綜合評價，能夠確定水環境安全的主要影響因素，具有結果清晰和系統強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。在此方法的基礎上，結合壓力-狀態-響應（pressure-state-response，PSR）概念模型，按照可持續性、穩定性、生態完整性和社會需求的要求構建天津市水環境安全健康評價的指標體系，選用熵權法和優序圖法共同平均權重，最后確定影響城市水環境安全的主要因素，反映天津市水環境生態狀況，以作為城市水環境健康管理和恢復生態安全的依據。

1 水環境安全評價體系的構建

1.1 建立評價指標體系

20世紀八、九十年代由經濟合作與發展組織（OECD）和聯合國環境規劃署（UNEP）共同發展了用于研究環境問題的框架體系——PSR概念模型[7]，該模型對相應指標進行篩選分類，具有較強的系統性，可滿足可持續性、穩定性、生態完整性和社會需求的要求，能夠反映人與環境之間的復雜關系，將PSR模型與天津市水環境安全評價結合，建立水環境安全評價指標體系PSR模型。

本文利用2012—2018年的《天津市水資源公報》、《天津市統計年鑒》、《天津市生態環境健康公報》等數據來源，在PSR模型的基礎上建立了3個層次25個指標的天津市水環境安全評價體系，表1為天津市水環境評價指標體系，表2為天津市各項指標原始數據。

表1 天津市水環境評價指標體系Tab.1 Tianjin water environment evaluation index system

表2 天津市各項指標原始數據Tab.2 Original data of various indicators in Tianjin

1.2 指標等級劃分

綜合考慮天津市水環境狀況、天津市社會經濟發展現狀及對天津市水環境指標的分析，通過咨詢專家、參考相關研究[8-10]、地表水環境標準、生活飲用水衛生標準、國家“十四五”規劃、發達國家水平及全國、天津市平均水平等確定安全評價指標體系劃分等級，將安全指標分為5個等級：非常安全（Ⅰ）、安全（Ⅱ）、一般（Ⅲ）、不安全（Ⅳ）和極不安全（Ⅴ），通過這5個等級能更好地反映天津市水環境安全的狀況。

1.3 權重的計算

權重的計算方法分為主觀和客觀方法。運用一種方法不能體現計算結果的準確性使其符合事實，因此，本文將主、客觀方法結合計算權重，選用優序圖法[11]和熵權法[12]分別計算權重，最后計算兩種方法的平均權重ω，其計算公式為：

式中，ω1為優序圖法權重計算值，ω2為熵權法權重計算值。

2 天津市水環境安全評價

2.1 因素集和評價集的構造

根據天津市狀況，在PSR模型的壓力、狀態和響應3個準則層下分別建立2個要素，即水資源要素與社會要素，構建天津市水環境安全因素集U，U=(U1,U2,U3,U4,U5,U6)，其中Ui代表影響評價對象的第i個因素，分別為P1、P2、S1、S2、R1、R2。根據指標評級等級確定評價集為V=(V1,V2,V3,V4,V5)，其中Vj代表第j種評價等級，分別為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，水環境安全等級劃分標準如表3所示。

表3 水環境安全等級劃分標準Tab.3 Standards for classification of water environment safety

2.2 單因素評價矩陣

若因素集U中第i個元素對評價集V中第1個元素的隸屬度為ri1，則對第i個元素單因素評價的結果用模糊集合表示為R=(ri1,ri2,…,rin)，以m個單因素評價集R1,R2,…,Rm為行組成矩陣Rm×n，稱為模糊綜合評價矩陣。因此，可以得到每個因素相對應的單因素模糊評價集。

由各單因素評價集，得到單因素評價矩陣R，模糊關系R可以誘導出從U到V的模糊線性變換，R∈F（U×V），即(Ui,Vj)=f(Ui)(Vj)=rij，于是（U，V，R）構成了一個模糊綜合評價模型，Rj可以由模糊矩陣R∈μmn表示。

2.3 隸屬度的確定

模糊綜合評價中常用的隸屬度函數主要有梯形隸屬度函數、三角隸屬度函數、S形隸屬度函數等，本文采用梯形隸屬度函數[13]進行計算，根據梯形隸屬度函數，確定指標的隸屬度函數。

根據確定的隸屬度函數，計算得到2018年水環境安全評價各項指標的隸屬度向量，表4為2018年各指標隸屬度函數向量。

表4 2018年各指標隸屬度函數向量Tab.4 Membership function vector of each indicator in 2018

2.4 確定因素權重向量

在因素集U中，每個Ui分別代表不同因素，每個因素的重要性不一樣，因此要根據重要程度確定每個因素的權重，權重越大，說明該指標的影響越大。構成權重集ω，ω=(ω1,ω2,…,ωn)且

2.5 模糊綜合評價

根據模糊綜合評價模型B=ω·R，計算模糊綜合評價向量B=(b1,b2,b3,…,bn)，對向量B采用加權平均的原則計算得到B*，確定安全等級。

1）單級模糊綜合評價。對2018年各個子集進行計算，結果如下。

壓力層水資源要素：

B1=(0.331 0,0.257 7,0.336 8,0.334 0,0.026 3)

壓力層社會因素：

B2=(0.188 2,0.480 0,0.280 5,0.354 7,0.000 0)

狀態層水資源要素：

B3=(0.180 5,0.553 2,0.672 1,0.209 6,0.000 0)

狀態層社會因素：

B4=(0.346 9,0.702 6,0.083 1,0.297 4,0.015 2)

響應層水資源要素：

B5=(0.581 3,0.605 1,0.138 4,0.346 0,0.000 0)

響應層社會要素：

B6=(0.805 0,0.145 1,0.158 5,0.195 1,0.034 4)

2）多級模糊綜合評價。第2層模糊關系矩陣R由B1、B2、B3、B4、B5、B6組成，模糊綜合評價向量B=ω×R=（0.196 9，0.212 6，0.154 8，0.144 0，0.006 4）。計算得到各子集綜合評價值：綜合評價值B*=2.37。

根據以上計算結果，將評價結果根據相關要求和國內外文獻[8，14]研究結果分為5個等級，可以得到天津市2018年水環境狀況綜合評分等級屬于第Ⅱ等級，水環境安全等級劃分標準如表3所示。

根據表3和表4，可以分別計算得到2012—2018年天津市各要素層評價值和水環境綜合評價值及安全等級，表5為2012—2018年天津市水環境安全評價值-安全等級。

表5 2012—2018年天津市水環境安全評價值-安全等級Tab.5 2012—2018 Tianjin water environment safety evaluation value-safety level

3 結果分析

從表5可知，2012—2017年天津市處于一般安全狀態。通過原始數據可知，2012—2015年天津市氨氮排放量、化學需氧量等數值較高，是由于食品和化工的快速發展，污水廢水等排放量較多等原因，造成水體污染比較嚴重。2018年天津市綜合評價處于第Ⅱ等級，這是由于2018年是全面打響污染防治攻堅戰的第1年，天津市扎實推進污染防治攻堅戰，系統整治和深入推進水污染治理，重點防治工業廢污水、城市生活污水等，主要污染物達到地表水Ⅳ類或Ⅴ類水質標準，強化農村污染治理和對黑臭水體進行治理，完成25條黑臭水體的治理和檢測任務，建成區基本消除黑臭水體，劣Ⅴ類比例降至25%、同比減少15個百分點，污水回用量達到4.139 6億m3。

根據表5可知，壓力層水資源要素在2012—2018年內浮動范圍較大，從原始數據看，全市入境水量逐年減少，總用水量逐年增加，其中人均日生活用水量和工業用水量處于下降趨勢，生態環境用水量逐年增加，當農業用水量減少時，生態環境用水量增加，影響因素為生態環境用水。2018年生態環境用水減少，水環境安全綜合評價等級從第Ⅳ級變為第Ⅱ級。2012—2018年壓力層社會要素一直處于第Ⅲ級，但整體處于上升趨勢，人口自然增長率、氨氮排放量和化學需氧量減少，人口密度和廢污水排放量增加，主要影響因素為人口密度。隨著外來人口增多，人口密度逐年增大，廢污水排放量隨之增多，2012—2015年天津市發布污染減排任務，2016-2018年進行污染防治工作，狠抓“工業污水、生活廢水、養殖廢水”，改善天津市水環境污染狀況。

狀態層水資源要素評價值2018年評價值降低，但依然是處于一般狀態，2012年處于第Ⅱ等級，各項指標數值均高于其他年份。從數據看，水庫蓄水量和引水工程蓄水量浮動范圍較小，年平均降水量影響著水資源總量，年平均降水量增多，水資源總量也增多，2012年、2016年和2018年，在其他指標基本沒有變化，這兩項指標值增加時，綜合評價值也隨之降低，因此年平均降水量是主要影響因素。社會要素評價等級在Ⅱ-Ⅲ等級之間變化，2015年和2018年評級為安全狀態，根據表2各項指標數據，人均國內生產總值和近海海域水功能區達標率逐年增加，城鎮化率值在2015年和2018年較大，因此主要影響因素為城鎮化率。

響應層水資源要素評價等級在Ⅱ-Ⅳ級之間，變化范圍較大，整體呈上升趨勢，到2018年達到第Ⅱ等級。根據表2數據可知，海水淡化量變化幅度較小，污水處理率和污水處理回用量逐年增加，隨著社會經濟和科技的快速發展，污水處理設備的不斷更新，提高了污水處理技術，主要影響因素是污水處理率和污水處理回用量。社會要素在評價期間一直處于較高狀態，根據表2和表5數據可知，生活垃圾無害化處理率和工業固體廢物綜合利用率一直處于穩定狀態，建成區排水管道密度數值逐年減少，環保投資占驗收項目總投資百分比在2014年和2015年增加較大，2014年天津市加強飲用水源保護、實施清水河道行動和加強污水處理廠管理，處于非常安全狀態，主要影響因素為環保投資占驗收項目總投資百分比。

4 結論

本文采用模糊綜合方法對天津市水環境安全進行評價，共選用25個指標，評價結果顯示，除2018年綜合評價等級為Ⅱ級外，其余年份均處于Ⅲ級狀態，整體評價值呈下降趨勢。通過評價結果，可以看出生態環境用水、人口密度、年平均降水量、城鎮化率、污水處理率、污水處理回用量、環保投資占驗收項目總投資百分比等7個指標為影響天津市水環境安全的主要因素，這是未來天津市應該重點解決的方向，應針對評價結果采取相應的評價措施，實現水資源可持續發展。