馬夢含，靳春玲，貢 力，逯曄坤，王 婧

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

突發(fā)水污染事故是指固定污染源由于突發(fā)事件排放污染物，或者由于自然災(zāi)害導(dǎo)致各類型有毒有害物質(zhì)進入水體或供水管網(wǎng)，發(fā)生水質(zhì)變化，導(dǎo)致人類生產(chǎn)生活受到危害，破壞生態(tài)平衡的事故[1-2]。突發(fā)水污染事故對于人類生產(chǎn)生活已經(jīng)逐漸造成了巨大的威脅、危害。近年來，我國突發(fā)水污染事件頻發(fā)，據(jù)全國環(huán)境統(tǒng)計公報統(tǒng)計，2012至2017年共592起突發(fā)環(huán)境污染事件，其中561起為突發(fā)性水污染事件[3]，突發(fā)性水污染事件不僅威脅當?shù)厮|(zhì)安全，破壞水生生態(tài)，造成巨大的社會和經(jīng)濟損失，還可能干擾當?shù)厣鐣刃?，引發(fā)社會恐慌[4]。因此對于突發(fā)水污染事件的研究以及治理已經(jīng)迫在眉睫。

突發(fā)性水污染的綜合研究已成為水環(huán)境管理的重要課題[5]。國內(nèi)外專家學(xué)者對于突發(fā)水污染事件開展了一系列的研究，其中Huang等[6]提出了一種基于多指標綜合評價方法的環(huán)境風(fēng)險識別模型；Hou等[7]提出了一種基于不確定性分析和突發(fā)性水污染事故風(fēng)險評估的動態(tài)預(yù)警模型；龍巖等[8]采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法對于突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)控措施進行分析；練繼建等[9]對突發(fā)水污染事件進行評價以及應(yīng)急調(diào)度方案研究；靳春玲等[10]采用模糊層次評價法對突發(fā)水污染進行風(fēng)險評價；王永桂等[11]對流域性突發(fā)水污染事件研發(fā)了一套快速模擬與預(yù)警系統(tǒng)；逯曄坤等[12]采用和諧度方程的綜合評價模型對蘭州黃河段突發(fā)水污染事故級別進行預(yù)測分析。

黑河是發(fā)源于祁連山冰川的三大內(nèi)陸河之一[13]，張掖則是地處河西走廊中段，坐落于祁連山和黑河濕地的一座綠洲城市，人類活動頻繁，對水資源利用需求較大，為主要耗水區(qū)，存在產(chǎn)生突發(fā)水污染事件的潛在風(fēng)險，對于祁連山黑河流域供水以及生態(tài)環(huán)境具有一定的安全隱患。由于張掖地區(qū)特殊的地理位置，使其肩負起保護祁連山生態(tài)環(huán)境的重任，但對于祁連山黑河流域張掖地區(qū)突發(fā)水污染安全評價的研究不多，因此本文將以祁連山黑河流域中段張掖地區(qū)為例，采用pressure-state-response(PSR)[14]環(huán)境評價模型建立突發(fā)水污染安全評價指標體系，利用MCW-正態(tài)云[15]評價模型，以張掖地區(qū)2012-2017年為例進行突發(fā)水污染安全評價，分析得出張掖地區(qū)2012-2017年間產(chǎn)生突發(fā)水污染事件安全評價等級，研究成果有利于提升突發(fā)水污染事件應(yīng)急防控水平和安全評價能力，對后續(xù)保護祁連山生態(tài)環(huán)境有重要意義。同時，將評價結(jié)果與改進密切值法、模糊綜合評價法進行對比分析，旨在驗證MCW-正態(tài)云評價模型運用于突發(fā)水污染安全評價的準確性、可靠性以及可行性。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)主要來源于：(1)《甘肅省水資源公報(2012-2017)》《甘肅省統(tǒng)計年鑒(2012-2017)》《張掖市統(tǒng)計年鑒(2012-2017)》；(2)相關(guān)文獻資料。

2.2 指標體系構(gòu)建及等級劃分

2.2.1 利用PSR模型構(gòu)建指標體系 我國的水污染安全評價指標體系主要由準則層和指標層構(gòu)成，而在本文中，筆者也將采用這2種層次構(gòu)建突發(fā)水污染安全評價指標體系，其中，準則層主要是由壓力、狀態(tài)和響應(yīng)[16]三者構(gòu)成，其中壓力(P)主要指人類活動所引起的對于資源、環(huán)境以及經(jīng)濟所帶來的壓力影響，如人口密度、工業(yè)廢水排放量等；狀態(tài)(S)指與水資源相關(guān)的各種經(jīng)濟以及環(huán)境要素當前所處的狀態(tài)，如水功能區(qū)水質(zhì)達標率、產(chǎn)(供)水模數(shù)等；響應(yīng)(R)指人們在自身社會經(jīng)濟活動以及政策上對于突發(fā)水污染等水安全問題的能動反映[17]，同時也包括水資源的自身恢復(fù)能力以及自凈性，這些都是動態(tài)變化的，如防災(zāi)應(yīng)急能力、工業(yè)廢水排放達標率等。最后，對于各組指標體系進行數(shù)據(jù)處理，去除研究階段內(nèi)變化劇烈的指標，按照客觀性、科學(xué)性、全面性以及實用性的原則[18]，確定最終完整的指標體系，見表1。

表1 突發(fā)水污染安全評價指標體系

2.2.2 指標體系等級劃分 根據(jù)《突發(fā)環(huán)境事件信息報告辦法》[19]以及相關(guān)資料文獻[4,12,20-22]將突發(fā)水污染安全評價等級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級4個等級，具體分為特別重大(Ⅰ級)、重大(Ⅱ級)、較大(Ⅲ級)和一般(Ⅳ級)4級，各指標具體等級分級標準見表2。

表2 突發(fā)水污染安全評價指標等級劃分

2.3 MCW-正態(tài)云評價模型

2.3.1 云模型簡介 云模型(cloud model)[23]是由中國科學(xué)院院士李德毅于1995年根據(jù)隨機數(shù)學(xué)和模糊數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)提出的，它主要是實現(xiàn)客觀事物或現(xiàn)象的定性和定量之間不確定性轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型[24]，這是一個具有一定隨機性和偶然性的離散轉(zhuǎn)換過程，運用該模型能夠有效解決突發(fā)水污染安全評價中有關(guān)離散性和隨機性等問題[25]。期望Ex(expected value)、熵En(entropy)以及超熵He(hyper entropy)[26]三者結(jié)合組成云模型，使得不確定語言和定量數(shù)據(jù)可進行相互轉(zhuǎn)化[27]。計算過程如下：

(1)利用正向云發(fā)生器生成正態(tài)隨機數(shù)Eni，其期望值為En，方差為He2。

(2)再次生成一個正態(tài)隨機數(shù)xi，以Ex為期望值，En2為方差。

(3)計算u(x)=e(-x-Ex)2/(2(En)2)，其中(xi,u(xi))為數(shù)域中任意一個云滴。

(4)重復(fù)以上幾個步驟，直至產(chǎn)生滿足要求數(shù)目的n個云滴為止。

2.3.2 MCW確定指標權(quán)重 本文權(quán)重采用混合交叉賦權(quán)(mixed cross-weighting，MCW)進行計算，主要采用主觀賦權(quán)G1法與客觀變異系數(shù)法進行組合確定權(quán)重，旨在減少G1法的主觀性。具體計算步驟如下：

(1)專家完成各個評價指標的打分與排序。

(2)對評價指標序列Xk計算指標變異系數(shù)：

(1)

(k=1,2,…,n)

(2)

式中：σk為第k個評價指標的標準差；Ck為第k個評價指標的變異系數(shù)值。

(3)計算兩相鄰指標的重要性程度比值rk：

(3)

(4)根據(jù)上述確定的重要性程度比值，計算第m個評價指標的權(quán)重wm：

(4)

(5)依次計算第m-1,m-2,…,3,2個指標的權(quán)重。

wk-1=rkwk(k=m,m-1,…,3,2)

(5)

(6)重復(fù)以上權(quán)重計算步驟，確定準則層權(quán)重，最終計算指標對目標層的權(quán)重。

(6)

2.3.3 突發(fā)水污染綜合評價步驟 對突發(fā)水污染的安全評價是一個復(fù)雜定性的多屬性指標評價，結(jié)合對于水污染安全評價的各項指標以及實際情況，將目標層進行逐層細化用來構(gòu)建指標體系。結(jié)合云模型理論，筆者將評價過程大致分為4個步驟。步驟1：構(gòu)建指標體系；步驟2：利用合理的算法構(gòu)造關(guān)于危害評價的云模型(評價指標云)；步驟3：利用混合交叉賦權(quán)法計算指標權(quán)重；步驟4：計算突發(fā)水污染危害云。

具體流程如圖1所示。

(1)確定評價指標權(quán)重

①利用公式進行正負指標處理

正向指標：

(7)

負向指標：

(8)

②基于混合交叉賦權(quán)(MCW)的基本原理以及公式(1)～(6)，求出突發(fā)水污染安全評價指標權(quán)重矩陣W=(w1,w2,…,wn)，其中n為總共的評價指標個數(shù)。

(2)確定隸屬度矩陣

①云模型參數(shù)的計算。云模型參數(shù)依據(jù)以下公式計算：

(9)

(10)

He=n

(11)

式中：n為任意常數(shù)，通常通過經(jīng)驗以及試算進行確定，主要反映云模型的離散程度。

根據(jù)公式(9)～(11)，可以確定出突發(fā)水污染安全評價云模型的特征參數(shù)(Ex,En,He)，利用云模型特征參數(shù)數(shù)據(jù)，并使用Matlab軟件進行編程，利用正向云發(fā)生器對人口密度、人均水資源量等15個指標生成正態(tài)云圖，由于篇幅原因，本文僅給出壓力狀態(tài)下人口密度、人均水資源量、工業(yè)廢水排放量、沿河危險企業(yè)數(shù)和水資源開發(fā)利用率5個指標的云模型特征參數(shù)以及正態(tài)云圖，見表3和圖2。其中，設(shè)置云滴數(shù)n=2 000，以平均值為最后的度量值。

②隸屬度矩陣的確定。通過收集資料確定各個指標體系原始數(shù)據(jù)，對每一項指標數(shù)據(jù)運用正向云發(fā)生器進行處理，即u(x)=e(-x-Ex)2/(2(En)2)，重復(fù)計算N=500次，計算所得指標數(shù)據(jù)隸屬于不同突發(fā)水污染安全評價等級下的平均隸屬度，構(gòu)成隸屬矩陣R=(ri,j)n×m。

圖1 突發(fā)水污染安全綜合評價流程

表3 水污染系統(tǒng)安全評價壓力狀態(tài)下5個指標不同評價等級的正態(tài)云模型特征參數(shù)

圖2 壓力狀態(tài)下5個指標的評價等級正態(tài)云圖

③突發(fā)水污染安全評價

利用MCW確定出的權(quán)重集W和指標云隸屬矩陣R，利用公式U=WT×R，計算獲得U=[u1,u2,u3,u4]。并且結(jié)合最大確定度原則，計算得出突發(fā)水污染安全評價分級。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 評價結(jié)果與分析

(1)指標權(quán)重計算。利用上述公式對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理以及權(quán)重計算，計算結(jié)果見表4。

表4 2012-2017年各評價指標歸一化及處理及權(quán)重計算結(jié)果

注：C10和C11采用專家打分法確定權(quán)重。

利用上述MCW權(quán)重計算方法，經(jīng)計算，求得張掖地區(qū)突發(fā)水污染安全評價各指標權(quán)重，即：

W=[0.0902，0.0902，0.0561，0.0561，0.0479，0.0653，0.0653，0.0801，0.0649，0.0649，0.0617，0.0617，0.0677，0.0639，0.0639]T

(2)隸屬度計算。

采用云模型正向發(fā)生器計算隸屬度，以2012年為例，所求矩陣如下：

同理，可計算得出2013-2017年隸屬度矩陣。

(3)分級對比評價。

根據(jù)最大確定度原則，對綜合確定度U進行評價，獲得突發(fā)水污染安全評價最終結(jié)果，其中采用公式U=WT×R計算綜合確定度U=[U1,U2,U3,U4]，并利用本文權(quán)重使用改進密切值法、模糊綜合評價法對本文原始數(shù)據(jù)進行評價分析，分析結(jié)果與本文結(jié)果進行比較(鑒于篇幅，上述兩者輔助對比分析方法評價過程從略)評價結(jié)果見表5。

表5 基于MCW-正態(tài)云模型對2012-2017年黑河流域張掖地區(qū)突發(fā)水污染安全評價結(jié)果及比較

3.2 討論

(1)本文評價方法與改進密切值法、模糊綜合評價法評價結(jié)果大致相同，表明本文所用MCW-正態(tài)云模型對于突發(fā)水污染進行安全評價是可行的，可作為一種新的突發(fā)水污染安全評價模型。其中，改進密切值法與本文評價結(jié)果一致；模糊綜合評價法與本文評價結(jié)果在2013和2017年存在一個等級差異，這是由片面性和主觀性造成的。表明MCW-正態(tài)云模型這一評價方法更為詳細，具有一定的合理性、可操作性和可信性。

(2)采用MCW-正態(tài)云模型對于黑河流域張掖地區(qū)2012-2017年突發(fā)水污染進行安全評價，結(jié)果為：2012年突發(fā)水污染安全評價等級為Ⅱ級重大危險；2013-2017年突發(fā)水污染安全等級均為Ⅲ級較大危險。其中從確定度來看，在2012年Ⅱ級與Ⅲ級確定度相差不大，且二者隨時間均呈下降趨勢；2013-2017年Ⅲ級與Ⅳ級確定度隨時間呈上升趨勢。由此說明黑河流域張掖地區(qū)對突發(fā)水污染安全治理的能力隨時間逐步提升。

(3)從表4的計算結(jié)果來看，黑河流域張掖地區(qū)在2012-2017年間，由于受氣候因素以及當?shù)匕l(fā)展狀況的影響，在壓力范圍內(nèi)的評價指標值具有較大的不確定性和隨機性，對于突發(fā)水污染安全評價的影響也顯現(xiàn)出較強的隨機性；狀態(tài)范圍內(nèi)的評價指標中，產(chǎn)、供水量模數(shù)以及水生生態(tài)變化不是很明顯，水功能區(qū)水質(zhì)達標率呈明顯上升趨勢，水質(zhì)類別隨時間變化整體趨于變好狀態(tài)；響應(yīng)指標中，工業(yè)廢水排放達標率以及工業(yè)用水重復(fù)利用率呈明顯上升趨勢，其余指標隨時間變化整體也呈現(xiàn)上升或波動上升趨勢。

綜合來看，壓力指標對突發(fā)水污染安全水平的提升貢獻不大。2012-2017年由于張掖地區(qū)經(jīng)濟水平的快速發(fā)展、民生水平的逐漸提升以及環(huán)境保護治理措施日漸完善，因此響應(yīng)體系指標對于突發(fā)水污染安全評價尤為重要，需進一步加大對于工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水的節(jié)水力度，完善突發(fā)水污染應(yīng)急措施，加大懲戒力度，從根源上解決突發(fā)水污染安全問題。

4 結(jié) 論

(1)本文通過突發(fā)水污染安全評價的定義及其影響因素，構(gòu)建了黑河流域張掖地區(qū)突發(fā)水污染安全評價指標體系以及分級標準，將正態(tài)云模型運用到評價體系中，建立MCW-正態(tài)云突發(fā)水污染安全評價模型。通過正向云發(fā)生器生成等級云圖和分級評價指標的隸屬度，再結(jié)合權(quán)重計算得出各指標權(quán)重，確定突發(fā)水污染安全評價結(jié)果。并將結(jié)果與其他評價方法進行對比分析，證明其用于突發(fā)水污染安全評價的合理性和可行性。

(2)利用G1法與變異系數(shù)法組合的形式計算權(quán)重，減少主觀性，使權(quán)重確定結(jié)果更加客觀，從而突出當前黑河流域張掖地區(qū)突發(fā)水污染各評價指標的相對性，符合實際。

(3)基于MCW-正態(tài)云模型對于黑河流域張掖地區(qū)2012-2017年突發(fā)水污染安全進行評價，結(jié)果為2012年處于Ⅱ級重大危險，2013-2017年處于Ⅲ級較大危險，表明對突發(fā)水污染安全的治理正在進一步向完善的趨勢發(fā)展，應(yīng)繼續(xù)加強改革措施，提高突發(fā)水污染防治能力。同時，本文模型評價結(jié)果有效合理可靠，對其他不同類型的體系綜合評價同樣適用。