基于改進模糊綜合評價的河流型水源地風險評估

王逸可，方國華，張 鈺，黃顯峰

（河海大學水利水電學院，南京 210098）

飲水安全是一項關系國計民生的重要工作，如何全面識別水源地面臨的各種風險源，并通過有效的風險評估手段，量化分析水源地風險并加以防控，實現水源地健康平移運行與功能永續利用，是全社會共同關注的熱點問題［1］。在我國，河流型水源地供水量最大，同時由于流域時空跨度大、污染物成分復雜、污染源分布廣泛、污染事故突發性較強而受到重點關注。河流長期受到工業污水、農業面源和居民生活廢水等常規污染，通航河段上可能還會面臨船舶化學品和石油泄漏、暴雨徑流污染和工業事故排放等突發性水污染風險［2］。因此，開展河流型水源地風險綜合評估研究，進而提高水源地風險管理水平，對保障飲水安全具有重要的現實意義［3］。

國內外關于水源地風險的研究與實踐始于20世紀末至21世紀初。2005年以來，用于水源地風險評估的水環境質量評價方法主要有單因子評價法、模糊綜合評價法、灰色關聯分析法、人工神經網絡法等。衷平等［4］采用主成分分析法和改進灰色關聯度法對石羊河流域水資源短缺風險指標進行定量篩選，為進一步的風險評價奠定了基礎；?；勰鹊龋?］從河流水環境脆弱性和危害性的角度出發，采用模糊綜合評價法求得湘江14個斷面的水環境污染風險水平；毛飛劍等［6］采用單因子水質標識指數法分析評價東江河源段的水質并確定其污染風險；Li等［7］提出一個基于k均質聚類分析和集對分析的綜合模型來評估水源地丹江口十堰地區的水污染風險；Cord?o等［8］提出一種結合多準則決策分析（MCDA）和地理信息系統（GIS）的方法來評估巴西Campina Grande城市水資源短缺風險的水平?？梢钥闯?，目前的水源地風險評估研究大多集中在水環境風險，而河流型水源地存在多種風險類型［9］，針對河流型水源地開展的綜合風險評估及實例分析還比較少。

河流型水源地涉及的風險因素眾多，具有較強的不確定性和隨機性，各個指標的風險度劃分、評價等級確定都具有一定的模糊性。模糊綜合評價法以模糊推理為基礎，能同時應用于主、客觀指標的分析評價，能對評價問題中的模糊性特征進行很好的描述，適用性較強，可應用于水源地的多要素、多層次風險評估中。但傳統模糊綜合評價方法中采用的最大隸屬度原則忽略了最大隸屬度外其他指標的綜合作用，與多指標綜合評價的全面性原則背離，評價過程存在信息的丟失，導致評價結果不夠合理。為此，本文以河流型水源地為研究對象，引入風險評估理論，識別潛在的污染源，構建層次分明、邏輯清晰的3層遞階結構風險評價指標體系，并在傳統模糊綜合評價模型的基礎上，引入有效度原則和加權平均原則，提出改進的模糊綜合評價方法對河流型水源地風險進行評估。以南京市長江子匯洲水源地為例進行研究，研究結果可為河流型水源地的飲水安全保障提供科學支撐。

1 河流型水源地風險評價指標體系及評價標準

1.1 評價指標體系

風險評估是選取切實的評價指標和準則、制定相關評估體系的過程，并系統地對環境潛在的風險與危害進行定性或定量的評估。開展水源地風險評估能夠量化水源地及周邊區域的風險，可定量管理水源地風險，實現風險分級，對風險管理進行優先性排序［10］。評價指標體系的構建從水源地風險評估基本內容出發，對水源地的風險影響機制、風險源分布和風險可能產生的后果進行梳理，考慮水源地結構和功能特性，使評價指標體系能全面合理地體現水源地風險綜合情況［11］。

河流型水源地系統是由資源、環境、經濟、社會等因素相互制約、相互聯系、相互支持的有機開放系統。2011年，水利部印發水資源〔2011〕329號文件，指出全國重要飲用水水源地達標建設的總體目標是：水量保證，水質合格，監控完備，制度健全。結合水源地本身的自然屬性、社會屬性及其對應的功能特性，本文從水質污染、水量短缺、生態環境與管理保護等4個方面分析河流型水源地風險，依據綜合性、科學性、系統性、可操作性、定性與定量結合等原則，識別河流型水源地風險源，系統分析對水源地風險狀態產生影響的各個因素，基于壓力-狀態-響應概念模型（Pressure-State-Response），建立水質污染-水量短缺-生態環境-管理保護復合系統，見圖1，查詢相關資料并通過專家咨詢的方法，去除難以獲取、可操作性低的定量指標和無法構成數據序列的冗余指標，建立由目標層、準則層、指標層組成的河流型水源地風險評價指標體系，見表1。

表1 河流型水源地風險評價指標體系Tab.1 Risk evaluation index system for river-type water source areas

圖1 水質污染-水量短缺-生態環境-管理保護復合系統Fig.1 Water quality pollution-water shortage-ecological environment-management and protection composite system

1.2 評價等級與標準

參考國內外劃分標準和水源地實際情況，結合水源地風險內涵與特性，將指標劃分為5個等級，分別用低、較低、一般、較高、高風險度來描述，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示［12］。Ⅰ說明水源地受到風險因子的影響非常小，帶來的影響可以忽略不計；Ⅲ說明水源地受到風險因子的影響一般，通過一定的風險控制措施可將風險水平降低在可接受范圍內；Ⅴ說明水源地受到風險因子的影響極大，一旦風險發生，會對社會、經濟、環境產生嚴重影響；Ⅱ和Ⅳ分別表示介于低和一般、一般和高之間。另外，為便于定量描述指標，引入風險度值來表示指標等級標準，具體分級界限為：0＜Ⅰ≤0.2，0.2＜Ⅱ≤0.4，0.4＜Ⅲ≤0.6，0.6＜Ⅳ≤0.8，0.8＜Ⅴ≤1.0。

針對河流型水源地，參考國內外已有的評價標準，如：國際、國家、行業和地方規定的標準；背景和本底標準；類比標準；科學研究中被廣泛使用，得到公認的標準；通過專家咨詢方法獲得的其他標準；等等。確定河流型水源地風險評價指標體系對應不同等級（低風險度、較低風險度、一般風險度、較高風險度及高風險度）的劃分標準，見表2。

表2 河流型水源地風險評價指標標準值Tab.2 Standard value of risk assessment index for river-type water source areas

2 河流型水源地風險評估模型

河流型水源地風險評估屬于典型的多因素評價問題，通過熵權-層次分析法對各指標進行組合賦權，充分考慮指標隸屬度間的差距，對常規的模糊綜合評價方法進行改進，并運用改進的模糊綜合評價方法評估水源地風險等級。

2.1 熵權-層次分析法組合賦權

目前用于確定權重的方法主要有主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法與決策專家具備的專業素質和知識經驗息息相關，可能因主觀人為因素導致評估結果具有波動性；客觀賦權法能修正主觀賦值法計算的偏差，但無法表現出指標之間的重要性程度［13-14］。

為兼顧主觀偏好和客觀存在屬性［15］，使評估結果更具可靠性，采用主客觀組合權重。主客觀組合權重指融合專家或者決策者的知識、經驗及偏好主觀信息，同時結合評價指標原始數據等客觀信息計算得到的相對重要性程度，能較全面地反映決策偏好與評價指標歷史數據等主客觀信息。采用Delphi-AHP法計算主觀權重，采用熵值法計算客觀權重，繼而得到水源地風險評價指標組合權重。

Delphi建立在專家組給定的指標權重基礎上，經過互相之間的反饋和對權重的修改確定符合實際的結果。AHP是一種實用的多準則決策方法，將復雜問題分解成各個組成因素，又將這些因素按照支配關系分組，組成具有層次性的遞階結構，通過兩兩比較的方式確定各層次中各因素的相對重要性，避免了賦權過程中的任意性［16］。Delphi-AHP法計算主觀權重w i的步驟包括［17］：構建遞階層次結構；構建比較判斷矩陣；根據判斷矩陣確定權重；層次單排序及一致性檢驗；層次總排序及一致性檢驗。

熵值法通過計算熵值來對事件的無序程度與隨機性產生判斷，權重計算結果可信程度高。計算客觀權重v i的步驟［18］包括指標標準化處理、計算第j個指標的熵值和熵權。

最后，綜合主客觀權重可得到組合權重［19］，即先采用AHP法計算評價指標體系中二級指標的主觀權重w i，再采用熵值法計算二級指標的客觀權重v i。指標體系中一級指標權重采用AHP法計算，二級指標權重采用組合賦權法計算，得到組合權重a，計算公式為

對權重歸一化處理后為

2.2 改進的模糊綜合評價模型構建

2.2.1 傳統模糊綜合評價模型

在河流型水源地風險評估的過程中，應急水源地建設情況、應急監測系統建設情況等定性指標難以準確量化，無法做到精準地進行定量考核，而模糊綜合評價理論能將定性評價轉為定量評價，并根據模糊因素的評判得到評估結果。因此，本文采用模糊綜合評價對水源地存在的風險展開評估。

模糊綜合評價模型構建與計算步驟如下［20-21］：

步驟1。確定評判因素集：u在文中為河流型水源地綜合風險，ui（i＝1，2，…，22）為影響事物評判值的第i個因素，即指標體系中的22項指標。

步驟2。確定評語集：根據水源地的風險特征將水源地風險評估標準分為5個等級，為方便量化，引入風險度來對應風險等級評語集：

步驟3。確定隸屬度，進而確定模糊判斷矩陣R。

模糊綜合判斷矩陣R中r nm是依據各評價指標的實際值對照其各自的分級標準，通過各評價指標對應于各等級的隸屬函數推求而得的。定性指標依據專家打分表計算得各評價因素的隸屬度向量。定量指標則是根據降半梯形公式建立隸屬函數，將模糊評價指標轉變成直觀的評價指標。假設v j和v j＋1為相鄰兩級標準值，v j＋1＞v j，x i為指標實測值，并將評價指標分為正向指標和逆向指標來計算隸屬度。

正向指標，即指標實際值越大、綜合評判程度越好的指標。計算公式為

逆向指標，即指標實際值越小、綜合評判程度越好的指標。計算公式為

步驟4。確定指標的權向量。

評價指標的權向量為Ai＝｛a1，a2，…，an｝。其中，ai是因素u i對模糊子集的隸屬度，且需歸一化，。根據前述，本文采用組合賦權法來確定權重，將AHP法與熵值法結合。

步驟5。模糊綜合評價。

合成各子集的權向量A i與模糊綜合矩陣Ri，得到每一類風險的模糊綜合評價結果向量Bi：

根據最大隸屬度原則對評估結果進行判定，b k＝max｛b1，b2，…，bm｝，k＝1，2，…，m，b k所 對應的評估等級就是每一類風險的最終評估結論。

由各子集的模糊綜合矩陣Ri建立模糊綜合矩陣R。設u1，u2，…，u k的權向量為ω，ωi＝（ωi，ω2，…，ωk），且滿足，合成u1，u2，…，u k的權向量ω和模糊綜合矩陣R，得到多層次的模糊綜合評價結果向量B：

同樣根據最大隸屬度原則對計算結果進行判定，得到最終評估結果。

2.2.2 改進的模糊綜合評價模型

最大隸屬度原則適用于綜合評價矩陣中各隸屬度相差較大時的情況，而綜合評價矩陣中各隸屬度相差較小時，最大隸屬度原則會因舍棄其他隸屬度的客觀存在而失效或低效，難以反映真實的評價結果。因此，為更加真實地反映評價結果等級，定義最大隸屬度原則的有效度α［22］為

式中：n為綜合評價矩陣中的元素個數；β為最大隸屬度；γ為第二大隸屬度。

當α≥0.5時，依據最大隸屬度原則較可靠；當α＜0.5時，若仍依據最大隸屬度原則易導致結果真實性下降，因此可以采用加權平均原則，既能強調最大隸屬度的影響，又能兼顧所有隸屬度應有的作用。該原則是對加權平均算子計算出的基于隸屬度和待定系數的綜合數值進行加權運算，從而確定風險等級，能充分保留原始和過程數據，避免評價信息的丟失，并能將風險等級進行量化處理，使評價結果更為直觀［23-24］?？杀硎緸?/p>

式中：E為指標模糊綜合評價結果；bm為隸屬于第m等級的隸屬度；em為指標不同等級的具體分值，5個等級從低到高分別取風險區間邊界值0、0.2、0.4、0.6、0.8；k′為待定系數，取k′＝1，且由上式可看出當k'趨近于無窮大時，上式轉化為最大隸屬度原則的計算公式。

3 實例研究

3.1 研究區概況

長江流域是我國重要的水源地、水電能源基地、黃金水道和生物寶庫［25］。長江南京段位于長江下游中段靠下部，從安徽省東部貫入南京市境內，長約97 km。分布在長江南京段的六大河流型水源地，其供水量占南京市城區及郊區集中式供水總量的80%［26］。同時，長江是南水北調東線工程的引水來源，其水質變差、突發污染事故等問題的產生會嚴重影響流域及更廣范圍的人民生活安全、社會經濟發展和穩定。

南京市長江子匯洲水源地位于長江江寧銅井保留區，該保留區位于銅井河口至江寧河口，總長度13 km。子匯洲水源地地理位置見圖2。在長江子匯洲水源地內有濱江水廠取水口，處于新濟州河段新生洲右汊南岸，上承馬鞍山河段，下連南京河段。濱江水廠供水能力為45萬m3／d，與江寧水務集團有限公司的另外一座開發區水廠供水管網形成了互通，供水范圍為江寧區東部、南部（江寧街道、祿口街道、淳化街道、湖熟街道、橫溪街道、谷里街道）和溧水區、鎮江市部分區域。

圖2 南京市長江子匯洲水源地地理位置Fig.2 Geographical location of Zihuizhou water source area of Yangtze River in Nanjing

3.2 風險評估范圍、時段及指標數值

將水源地準保護區外20 km緩沖區內的陸域、水域作為風險評價范圍，子匯洲水源地保護區范圍見圖3，選取2019年作為水源地風險評價時段。據《南京市統計年鑒（2019）》《南京市水資源公報（2019）》等相關資料，確定長江子匯洲水源地風險評價指標中的定量指標數據見表3，定性指標數據是邀請10位經驗豐富且具有權威性的專家根據評價等級并結合子匯洲水源地定性指標的實際情況打分評定后取的加權平均結果，見表4。

表3 長江子匯洲水源地風險評價定量指標Tab.3 Numerical value of quantitative index for risk assessment of Zihuizhou water source area of Yangtze River

表4 長江子匯洲水源地風險評價定性指標數值Tab.4 Numerical value of qualitative index for risk assessment of Zihuizhou water source area of Yangtze River

圖3 南京市長江子匯洲水源地保護區范圍Fig.3 Protected area of Zihuizhou water source area of Yangtze River in Nanjing

3.3 指標權重計算

借助MATLAB編程軟件，采用AHP法確定一級指標的主觀權重，采用AHP法和熵值法分別確定二級指標的主觀和客觀權重，并利用式（1）、式（2）對應的組合賦權方法確定二級指標的綜合權重，計算結果見表5和圖4。

圖4 長江子匯洲水源地風險評價體系指標權重Fig.4 Index weight of risk assessment system for Zihuizhou water source area of Yangtze River

表5 長江子匯洲水源地風險評價體系中各指標權重Tab.5 Weight of each index in risk assessment system for Zihuizhou water source area of Yangtze River

3.4 評價指標模糊綜合隸屬度矩陣計算

根據長江子匯洲水源地風險評價指標體系中各評價指標的實際值對照其各自的分級標準，依據2.2中的公式確定模糊綜合隸屬度矩陣R，計算結果見表6。

表6 長江子匯洲水源地風險指標模糊綜合隸屬度矩陣RTab.6 Fuzzy comprehensive membership degree matrix R of risk index of Zihuizhou water source area of Yangtze River

3.5 評價結果及分析

根據改進模糊綜合評價模型公式計算長江子匯洲水源地風險等級，結果見表7。

表7 長江子匯洲水源地風險等級計算結果Tab.7 Calculation results of risk levels of Zihuizhou water source area of Yangtze River

從總體上看，長江子匯洲水源地風險度綜合評估結果為0.216 7，屬于較低風險。長江子匯洲水源地建設完善、管理到位，計算結果與實際情況符合，有較高可信度。

具體來看，水質污染風險度處于較低水平，指標層6個指標中突發污染事故發生概率A3的風險等級為一般，其余指標均為低或較低風險。長江子匯洲水源地保護區附近存在功能多樣的碼頭渡口和水源地取水口工廠企業，包括濱江碼頭、華能碼頭、中儲貨運碼頭和南華碼頭等，且航線繁忙，貨物吞吐量大。在交通布局方面，長江南京段需承擔航運等任務，所以船運船舶等移動風險源也是不容忽視的潛在風險。目前園區內尚未發生造成重大污染的突發性事故。另外，水源地一、二級保護區內沒有任何排污口，但準保護區外存在碼頭、企業、排污口和可能對水體產生污染的建設設施，也會對水源地水質造成一定的污染。為加強水質風險管控，水源地水質監測在進行實驗室水質取樣抽檢的同時，江寧區水務局、環保局在濱江水廠取水口附近安裝了水質自動監測系統，可實現10個參數24 h的連續動態監測，基本滿足子匯洲水源地全方位的水質監控需求。

水量短缺風險處于低風險水平，指標層6個指標中人口自然增長率B1為較高風險，工程供水能力B6為一般風險，其余指標均為低風險。隨著現代社會經濟高質量、跨越式發展，工農業發展和人民生活的需水量都日益增加，人口自然增長率較大也對水量供需平衡造成一定影響。同時，選取的2019年為60年一遇干旱年份，降水量大幅降低，而長江子匯洲水源地的供水規模依然能夠滿足城市居民生活用水需求，供水情況較穩定，并且長江水量豐富，在枯水年來臨時也能確保水源地的年度引水量，未來應進一步考慮供水區域人口數量、經濟體量持續增加而帶來的潛在水資源短缺風險。

生態環境風險處于較低風險水平，指標層的植被覆蓋率C2和水環境自凈能力C4為一般風險，其余指標為低或較低風險。子匯洲水源地一級保護區內植被覆蓋率達90%以上，水源地保護區外20 km緩沖區域的土地開發利用率較高，導致植被覆蓋率一定程度偏低，存在土壤侵蝕和水土流失現象，致使水源地附近生態環境承受一定程度破壞，進而對水源地安全造成負面影響，應繼續做好水土流失治理工作，采取建設生態環境保障工程等措施。水環境自凈能力受年度來水量影響，2019年為枯水年，來水量較小導致其具有較大風險，豐水年的風險會相應降低。

管理保護風險處于低風險水平，指標層的6個指標均為低或較低風險，說明子匯洲水源地在水源地管理方面做得比較全面和完善，對應的風險度值為4個方面中最小。子匯洲水源地設置了專門的管護機構，同時實行行政首長負責制，各部門啟動聯動機制，針對子匯洲水源地出臺了水源地安全評估制度和長效管護制度。關于應急能力方面，布局了夾江雙閘水源和趙村水庫備用水源地，能滿足應急用水需求，也制定了專門的應急預案，應急監測能力達到規范要求。

子匯洲水源地綜合風險處于較低風險水平，水源地安全狀況良好。目前生態環境風險度評價結果為0.322 1，與水質污染、水量短缺、管理保護相比，問題較為明顯，應不斷增加環保投資力度，為水源地周邊生態環境提供切實的保障。水源地管護機構濱江水廠應積極聯合其他部門，針對具體現象實施相應風險控制措施，最大程度降低存在的水污染風險，同時強化水源地長效管護機制，不斷提高原水水質應急與常規監控水平，定期實施應急演練，保障水源地安全。

對比傳統與改進的模糊綜合評價結果，生態環境風險、管理保護風險的傳統模糊綜合評價風險等級為一般和較低，改進模糊綜合評價風險等級為較低和低，綜合風險的傳統與改進模糊綜合評價風險等級相同，均為較低等級，改進后的綜合風險度結果為0.216 7，位于低和較低等級的過渡位置。結合子匯洲水源地風險現狀可知，傳統模糊綜合評價會造成風險等級偏高，偏離實際數值，而改進的模糊綜合評價結果更貼近實際情況。這是因為傳統模糊綜合評價法采用取大取小算子和最大隸屬度原則，使最終的評價結果僅保留權重系數或隸屬度，造成另一部分隸屬度丟失，影響評價的準確性。改進的模糊綜合評價方法采用相乘相加算子與加權平均原則，綜合分析與處理權重矩陣和隸屬矩陣，能避免隸屬度丟失并可對評價風險等級進行量化，得到的評價結果更趨于實際，改進方法在評估水源地風險時更加科學、合理。

4 結 論

從水質污染、水量短缺、生態環境、管理保護等4個方面構建了河流型水源地風險評價指標體系?；谀：C合評價理論，依據有效度原則和加權平均原則，對傳統模糊綜合評價模型加以改進，建立河流型水源地風險模糊綜合評價模型，充分考慮了所有指標隸屬度的作用，減小了誤差，提高了評價風險等級的科學性和客觀性。

以改進模糊綜合評價模型對長江子匯洲水源地進行實例研究，確定其風險評估結果等級處于較低風險水平，總體狀況表現良好。從結果可知，現存隱患主要為子匯洲水源地的碼頭企業分布緊密、植被覆蓋率較低等風險因子，在生態環境風險控制上有較大進步空間，可通過采取工業及生活污水處理工程建設、及時排查突發性水污染事故隱患、建設生態環境保障工程等風險管控措施降低子匯洲水源地的風險水平。