董 瑞，李 霞

（天津理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384）

水環(huán)境安全是指水系統(tǒng)中擁有足夠的水量和安全的水質(zhì)，而且水體能夠維持人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，滿足生態(tài)系統(tǒng)正常持續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。天津市河流密布，水庫(kù)眾多，根據(jù)2018年天津市水資源公報(bào)數(shù)據(jù)，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(dá)到7.86億噸，水資源總量為17.58億m3，大中型水庫(kù)年末蓄水量達(dá)到7.55億m3，全市全年評(píng)價(jià)河長(zhǎng)1 661.0 km，其中Ⅱ類河長(zhǎng)占12.5%，Ⅲ類河長(zhǎng)占11.4%，Ⅳ類河長(zhǎng)占27.2%，Ⅴ類河長(zhǎng)占10.4%，劣Ⅴ類河長(zhǎng)占38.5%，全年水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率23.1%，主要飲用水源地于橋水庫(kù)和團(tuán)泊洼水庫(kù)水質(zhì)為Ⅲ類，呈“輕度富營(yíng)養(yǎng)化”狀況，爾王莊水庫(kù)水質(zhì)符合二類水標(biāo)準(zhǔn)，營(yíng)養(yǎng)化程度為“中營(yíng)養(yǎng)”，北大港水庫(kù)為“中度富營(yíng)養(yǎng)”。文獻(xiàn)[2]利用一種新的灰色關(guān)聯(lián)度算法，對(duì)長(zhǎng)江支流漢江流域進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)整體水質(zhì)進(jìn)行更精確和細(xì)致地分級(jí)。田云麗[3]運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)工業(yè)污水環(huán)境安全影響進(jìn)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(píng)價(jià)模型對(duì)天津市寧河區(qū)地下水第Ⅱ含水組環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果判別為“基本安全”。何貝貝等[5]依據(jù)驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)（driving forcespressure-state-impact-response，DPSIR）模型，對(duì)2009—2011年天津市水安全狀況進(jìn)行安全度計(jì)算，結(jié)果表明天津市水環(huán)境均處于良好等級(jí)。安全度方法簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果較模糊，不能精確地劃分每年安全狀況等級(jí)，因此本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)天津市水環(huán)境進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)方法[6]是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，它把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)被評(píng)判事物的隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能夠確定水環(huán)境安全的主要影響因素，具有結(jié)果清晰和系統(tǒng)強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題，適合各種非確定性問(wèn)題的解決。在此方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（pressure-state-response，PSR）概念模型，按照可持續(xù)性、穩(wěn)定性、生態(tài)完整性和社會(huì)需求的要求構(gòu)建天津市水環(huán)境安全健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，選用熵權(quán)法和優(yōu)序圖法共同平均權(quán)重，最后確定影響城市水環(huán)境安全的主要因素，反映天津市水環(huán)境生態(tài)狀況，以作為城市水環(huán)境健康管理和恢復(fù)生態(tài)安全的依據(jù)。

1 水環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

1.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

20世紀(jì)八、九十年代由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）共同發(fā)展了用于研究環(huán)境問(wèn)題的框架體系——PSR概念模型[7]，該模型對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行篩選分類，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，可滿足可持續(xù)性、穩(wěn)定性、生態(tài)完整性和社會(huì)需求的要求，能夠反映人與環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系，將PSR模型與天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)結(jié)合，建立水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系PSR模型。

本文利用2012—2018年的《天津市水資源公報(bào)》、《天津市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《天津市生態(tài)環(huán)境健康公報(bào)》等數(shù)據(jù)來(lái)源，在PSR模型的基礎(chǔ)上建立了3個(gè)層次25個(gè)指標(biāo)的天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系，表1為天津市水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，表2為天津市各項(xiàng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)。

表1 天津市水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Tianjin water environment evaluation index system

表2 天津市各項(xiàng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)Tab.2 Original data of various indicators in Tianjin

1.2 指標(biāo)等級(jí)劃分

綜合考慮天津市水環(huán)境狀況、天津市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)天津市水環(huán)境指標(biāo)的分析，通過(guò)咨詢專家、參考相關(guān)研究[8-10]、地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家“十四五”規(guī)劃、發(fā)達(dá)國(guó)家水平及全國(guó)、天津市平均水平等確定安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系劃分等級(jí)，將安全指標(biāo)分為5個(gè)等級(jí)：非常安全（Ⅰ）、安全（Ⅱ）、一般（Ⅲ）、不安全（Ⅳ）和極不安全（Ⅴ），通過(guò)這5個(gè)等級(jí)能更好地反映天津市水環(huán)境安全的狀況。

1.3 權(quán)重的計(jì)算

權(quán)重的計(jì)算方法分為主觀和客觀方法。運(yùn)用一種方法不能體現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性使其符合事實(shí)，因此，本文將主、客觀方法結(jié)合計(jì)算權(quán)重，選用優(yōu)序圖法[11]和熵權(quán)法[12]分別計(jì)算權(quán)重，最后計(jì)算兩種方法的平均權(quán)重ω，其計(jì)算公式為：

式中，ω1為優(yōu)序圖法權(quán)重計(jì)算值，ω2為熵權(quán)法權(quán)重計(jì)算值。

2 天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)

2.1 因素集和評(píng)價(jià)集的構(gòu)造

根據(jù)天津市狀況，在PSR模型的壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3個(gè)準(zhǔn)則層下分別建立2個(gè)要素，即水資源要素與社會(huì)要素，構(gòu)建天津市水環(huán)境安全因素集U，U=(U1,U2,U3,U4,U5,U6)，其中Ui代表影響評(píng)價(jià)對(duì)象的第i個(gè)因素，分別為P1、P2、S1、S2、R1、R2。根據(jù)指標(biāo)評(píng)級(jí)等級(jí)確定評(píng)價(jià)集為V=(V1,V2,V3,V4,V5)，其中Vj代表第j種評(píng)價(jià)等級(jí)，分別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，水環(huán)境安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 水環(huán)境安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Standards for classification of water environment safety

2.2 單因素評(píng)價(jià)矩陣

若因素集U中第i個(gè)元素對(duì)評(píng)價(jià)集V中第1個(gè)元素的隸屬度為ri1，則對(duì)第i個(gè)元素單因素評(píng)價(jià)的結(jié)果用模糊集合表示為R=(ri1,ri2,…,rin)，以m個(gè)單因素評(píng)價(jià)集R1,R2,…,Rm為行組成矩陣Rm×n，稱為模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。因此，可以得到每個(gè)因素相對(duì)應(yīng)的單因素模糊評(píng)價(jià)集。

由各單因素評(píng)價(jià)集，得到單因素評(píng)價(jià)矩陣R，模糊關(guān)系R可以誘導(dǎo)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(gòu)成了一個(gè)模糊綜合評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)中常用的隸屬度函數(shù)主要有梯形隸屬度函數(shù)、三角隸屬度函數(shù)、S形隸屬度函數(shù)等，本文采用梯形隸屬度函數(shù)[13]進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)梯形隸屬度函數(shù)，確定指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。

根據(jù)確定的隸屬度函數(shù)，計(jì)算得到2018年水環(huán)境安全評(píng)價(jià)各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度向量，表4為2018年各指標(biāo)隸屬度函數(shù)向量。

表4 2018年各指標(biāo)隸屬度函數(shù)向量Tab.4 Membership function vector of each indicator in 2018

2.4 確定因素權(quán)重向量

在因素集U中，每個(gè)Ui分別代表不同因素，每個(gè)因素的重要性不一樣，因此要根據(jù)重要程度確定每個(gè)因素的權(quán)重，權(quán)重越大，說(shuō)明該指標(biāo)的影響越大。構(gòu)成權(quán)重集ω，ω=(ω1,ω2,…,ωn)且

2.5 模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)模型B=ω·R，計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)向量B=(b1,b2,b3,…,bn)，對(duì)向量B采用加權(quán)平均的原則計(jì)算得到B*，確定安全等級(jí)。

1）單級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。對(duì)2018年各個(gè)子集進(jìn)行計(jì)算，結(jié)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(huì)因素：

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

狀態(tài)層水資源要素：

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

狀態(tài)層社會(huì)因素：

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

響應(yīng)層水資源要素：

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

響應(yīng)層社會(huì)要素：

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

2）多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。第2層模糊關(guān)系矩陣R由B1、B2、B3、B4、B5、B6組成，模糊綜合評(píng)價(jià)向量B=ω×R=（0.196 9，0.212 6，0.154 8，0.144 0，0.006 4）。計(jì)算得到各子集綜合評(píng)價(jià)值：綜合評(píng)價(jià)值B*=2.37。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，將評(píng)價(jià)結(jié)果根據(jù)相關(guān)要求和國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)[8，14]研究結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)，可以得到天津市2018年水環(huán)境狀況綜合評(píng)分等級(jí)屬于第Ⅱ等級(jí)，水環(huán)境安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

根據(jù)表3和表4，可以分別計(jì)算得到2012—2018年天津市各要素層評(píng)價(jià)值和水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)值及安全等級(jí)，表5為2012—2018年天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)值-安全等級(jí)。

表5 2012—2018年天津市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)值-安全等級(jí)Tab.5 2012—2018 Tianjin water environment safety evaluation value-safety level

3 結(jié)果分析

從表5可知，2012—2017年天津市處于一般安全狀態(tài)。通過(guò)原始數(shù)據(jù)可知，2012—2015年天津市氨氮排放量、化學(xué)需氧量等數(shù)值較高，是由于食品和化工的快速發(fā)展，污水廢水等排放量較多等原因，造成水體污染比較嚴(yán)重。2018年天津市綜合評(píng)價(jià)處于第Ⅱ等級(jí)，這是由于2018年是全面打響污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的第1年，天津市扎實(shí)推進(jìn)污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，系統(tǒng)整治和深入推進(jìn)水污染治理，重點(diǎn)防治工業(yè)廢污水、城市生活污水等，主要污染物達(dá)到地表水Ⅳ類或Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化農(nóng)村污染治理和對(duì)黑臭水體進(jìn)行治理，完成25條黑臭水體的治理和檢測(cè)任務(wù)，建成區(qū)基本消除黑臭水體，劣Ⅴ類比例降至25%、同比減少15個(gè)百分點(diǎn)，污水回用量達(dá)到4.139 6億m3。

根據(jù)表5可知，壓力層水資源要素在2012—2018年內(nèi)浮動(dòng)范圍較大，從原始數(shù)據(jù)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(yè)用水量處于下降趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境用水量逐年增加，當(dāng)農(nóng)業(yè)用水量減少時(shí)，生態(tài)環(huán)境用水量增加，影響因素為生態(tài)環(huán)境用水。2018年生態(tài)環(huán)境用水減少，水環(huán)境安全綜合評(píng)價(jià)等級(jí)從第Ⅳ級(jí)變?yōu)榈冖蚣?jí)。2012—2018年壓力層社會(huì)要素一直處于第Ⅲ級(jí)，但整體處于上升趨勢(shì)，人口自然增長(zhǎng)率、氨氮排放量和化學(xué)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(lái)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(fā)布污染減排任務(wù)，2016-2018年進(jìn)行污染防治工作，狠抓“工業(yè)污水、生活廢水、養(yǎng)殖廢水”，改善天津市水環(huán)境污染狀況。

狀態(tài)層水資源要素評(píng)價(jià)值2018年評(píng)價(jià)值降低，但依然是處于一般狀態(tài)，2012年處于第Ⅱ等級(jí)，各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均高于其他年份。從數(shù)據(jù)看，水庫(kù)蓄水量和引水工程蓄水量浮動(dòng)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(biāo)基本沒(méi)有變化，這兩項(xiàng)指標(biāo)值增加時(shí)，綜合評(píng)價(jià)值也隨之降低，因此年平均降水量是主要影響因素。社會(huì)要素評(píng)價(jià)等級(jí)在Ⅱ-Ⅲ等級(jí)之間變化，2015年和2018年評(píng)級(jí)為安全狀態(tài)，根據(jù)表2各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和近海海域水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率逐年增加，城鎮(zhèn)化率值在2015年和2018年較大，因此主要影響因素為城鎮(zhèn)化率。

響應(yīng)層水資源要素評(píng)價(jià)等級(jí)在Ⅱ-Ⅳ級(jí)之間，變化范圍較大，整體呈上升趨勢(shì)，到2018年達(dá)到第Ⅱ等級(jí)。根據(jù)表2數(shù)據(jù)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(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，污水處理設(shè)備的不斷更新，提高了污水處理技術(shù)，主要影響因素是污水處理率和污水處理回用量。社會(huì)要素在評(píng)價(jià)期間一直處于較高狀態(tài)，根據(jù)表2和表5數(shù)據(jù)可知，生活垃圾無(wú)害化處理率和工業(yè)固體廢物綜合利用率一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，建成區(qū)排水管道密度數(shù)值逐年減少，環(huán)保投資占驗(yàn)收項(xiàng)目總投資百分比在2014年和2015年增加較大，2014年天津市加強(qiáng)飲用水源保護(hù)、實(shí)施清水河道行動(dòng)和加強(qiáng)污水處理廠管理，處于非常安全狀態(tài)，主要影響因素為環(huán)保投資占驗(yàn)收項(xiàng)目總投資百分比。

4 結(jié)論

本文采用模糊綜合方法對(duì)天津市水環(huán)境安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，共選用25個(gè)指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，除2018年綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí)外，其余年份均處于Ⅲ級(jí)狀態(tài)，整體評(píng)價(jià)值呈下降趨勢(shì)。通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果，可以看出生態(tài)環(huán)境用水、人口密度、年平均降水量、城鎮(zhèn)化率、污水處理率、污水處理回用量、環(huán)保投資占驗(yàn)收項(xiàng)目總投資百分比等7個(gè)指標(biāo)為影響天津市水環(huán)境安全的主要因素，這是未來(lái)天津市應(yīng)該重點(diǎn)解決的方向，應(yīng)針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果采取相應(yīng)的評(píng)價(jià)措施，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展。