崔文祥, 靳春玲, 貢 力, 劉晶晶, 蘇 旸

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 蘭州 730070)

突發(fā)水污染指水體因固定污染源或移動污染源排放的污染物的介入，而引起水質(zhì)變化，影響水的有效利用，危害人體健康或破壞生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象。近年來，伴隨著經(jīng)濟(jì)快速增長，中國突發(fā)水污染事件頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，2014—2019年全國共發(fā)生突發(fā)環(huán)境事件1 900余起，其中生態(tài)環(huán)境部直接調(diào)度、指導(dǎo)處置的突發(fā)環(huán)境事件434起，水污染事件占60%左右[1]。2016年陜西省漢中市發(fā)生交通事故，30 t柴油泄漏流入嘉陵江支流，對該水源地居民飲水安全問題造成重大安全隱患；2017年漢中鋅業(yè)銅礦違法加工并排放廢水，導(dǎo)致嘉陵江廣元段水質(zhì)受到污染，鉈濃度嚴(yán)重超標(biāo)，對水源地水質(zhì)安全造成了巨大影響[2]。因此建立科學(xué)、合理、有效的突發(fā)水污染評價指標(biāo)體系及評價方法，對提高水環(huán)境風(fēng)險應(yīng)對能力、保障水生態(tài)環(huán)境安全具有重大意義。

針對突發(fā)水污染事件風(fēng)險評價方面的研究，國內(nèi)外專家、學(xué)者已取得了一定成果。國際上關(guān)于突發(fā)水污染風(fēng)險評價的研究始于對海上溢油事故后果的定性評價，Canelas[3]首次對溢油事故風(fēng)險狀況進(jìn)行了定性分析；Rebelo等[4]為向決策者評估污染風(fēng)險提供技術(shù)支撐，提出了一種多準(zhǔn)則概念模型；Fuhrer等[5]對因泄漏事故而存在于水體中的有毒化學(xué)物苯乙烯進(jìn)行分析評價；國內(nèi)的相關(guān)研究起始于2005年松花江重大突發(fā)水污染事件，如龍巖等[6]采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析對突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)控措施進(jìn)行了探討；練繼建等[7]利用層次分析法構(gòu)建了指標(biāo)體系，對區(qū)域風(fēng)險進(jìn)行了分級；靳春玲等[8]通過研究流域突發(fā)水污染事故的特點及發(fā)生機(jī)理，從風(fēng)險源、控制機(jī)制和風(fēng)險受體出發(fā)，構(gòu)建指標(biāo)體系并進(jìn)行黃河蘭州段流域突發(fā)水污染風(fēng)險評價；許靜等[9]對流域突發(fā)水污染事件研發(fā)了一套快速模擬與預(yù)警系統(tǒng)；貢力等[10]引入ERG需求模型，構(gòu)建幸福河評價指標(biāo)體系，開展對幸福河(黃河蘭州段)等級的定量評價。

總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn)，專家學(xué)者針對突發(fā)水污染的研究主要集中于風(fēng)險識別和預(yù)警等方面，而對風(fēng)險評價方面研究較少；傳統(tǒng)的權(quán)重確定方法是將兩種具有主觀性和客觀性的賦權(quán)方法組合，但過于主觀或客觀的方法在確定組合權(quán)重時并不能有效地避免誤差產(chǎn)生。因此本文在明確界定突發(fā)水污染概念的基礎(chǔ)上，運用壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(pressure-state-response, PRS)模型構(gòu)建突發(fā)水污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法(grey relational analysis， GRA)和主成分分析法(principle component analysis， PCA)組合確定各指標(biāo)權(quán)重，克服了主客觀組合賦權(quán)法會產(chǎn)生誤差的缺點，最后引入物元可拓模型，以黃河蘭州段2014—2019年為例，分析得出其對應(yīng)風(fēng)險等級。對黃河蘭州段的突發(fā)水污染安全等級劃分，以期為黃河其他流域段全及國其他流域突發(fā)水污染風(fēng)險的評價提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

黃河蘭州段位于黃河上游，西起永靖縣境內(nèi)的劉家峽水庫，東至景泰縣的五佛寺，全長358 km。黃河從蘭州市穿城而過，是蘭州人民生活用水和工農(nóng)業(yè)用水的重要水源，且城市人口密集、工礦產(chǎn)業(yè)眾多導(dǎo)致了黃河水體脆弱性較強(qiáng)，其水質(zhì)狀況、水生態(tài)安全狀況對蘭州居民的健康及環(huán)境安全有著直接且重大影響。因此，對黃河蘭州段進(jìn)行突發(fā)水污染事故風(fēng)險評價是必須且必要的。

本文在對黃河蘭州段調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過查閱《中國水資源公報(2014—2019)》《甘肅省水資源公報(2014—2019)》《甘肅省統(tǒng)計年鑒(2014—2019)》《蘭州市環(huán)境狀況公報(2014—2019)》《蘭州市統(tǒng)計年鑒(2014—2019)》及相關(guān)科研文獻(xiàn)等方式獲取數(shù)據(jù)資料。

2 研究方法

2.1 利用PSR模型構(gòu)建指標(biāo)體系

PSR模型[11]是20世紀(jì)80，90年代經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)提出，該模型針對：“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”這一因果邏輯關(guān)系，反映了人類與社會之間的相互作用關(guān)系，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境問題的相關(guān)研究[12-13]。如圖1所示，通過對黃河蘭州段的自然地理環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)狀況調(diào)研，在遵循科學(xué)性、整體性、代表性、數(shù)據(jù)可獲得性等指標(biāo)體系構(gòu)建原則基礎(chǔ)上，從壓力層、狀態(tài)層、響應(yīng)層3個層級綜合確定指標(biāo)體系，最終選取了人均水資源量、工業(yè)產(chǎn)值萬元用水量、水質(zhì)類別、城市人口密度、污水處理率、流域管理制度等16個相關(guān)指標(biāo)構(gòu)建了黃河蘭州段突發(fā)水污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系[14-15]。

圖1 黃河蘭州段突發(fā)水污染安全評價指標(biāo)體系

2.2 指標(biāo)體系等級劃分

根據(jù)《突發(fā)環(huán)境事件信息報告辦法》《全國環(huán)境統(tǒng)計公報》《國家突發(fā)環(huán)境事件預(yù)案》以及相關(guān)文獻(xiàn)資料[16-17]，將突發(fā)水污染安全評價等級劃分為4個等級，具體為：特別重大(Ⅰ級)、重大(Ⅱ級)、較大(Ⅲ級)、一般(Ⅳ級)，各指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 黃河蘭州段突發(fā)水污染安全評價指標(biāo)體系劃分

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法(GRA)是基于鄧聚龍教授提出的灰色理論基礎(chǔ)上優(yōu)化得到的一種多因素數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法[18]。其根據(jù)序列對應(yīng)指標(biāo)之間變化趨勢的相似性來判斷序列的關(guān)聯(lián)度，其具體步驟如下：

2.3.1 確定分析數(shù)列

①參考數(shù)列：反映各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)據(jù)序列。

Y=Y(k)(k=1,2,…,n)

(1)

②比較數(shù)列：由各樣本指標(biāo)實際數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)序列。

Xi=Xi(k)(k=1,2,…,n;i=1,2,…,m)

(2)

2.3.2 變量歸一化 為避免不同量綱帶來的計算不便，需對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理。

式中：k表示指標(biāo)個數(shù);i表示樣本個數(shù)。

2.3.3 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

ξik=

式中：ρ為分辨系數(shù),表示兩個數(shù)據(jù)序列在某個具體時刻關(guān)聯(lián)度的大小。一般情況其值越小分辨力越佳,取值介于0到1較為合適,一般取值為0.5。

2.3.4 計算權(quán)重

2.4 主成分分析法確定權(quán)重

主成分分析法(PCA)是常用的線性降維數(shù)據(jù)處理方法，其主要思想是將原始數(shù)據(jù)中有一定相關(guān)性的變量重新組合成一組新的相互無關(guān)的綜合變量來替代原始變量[19]。設(shè)該方法確定出的權(quán)重為W2，具體計算步驟如下：

(1) 假設(shè)存在m個待評對象，對每個待評對象有n個評價指標(biāo)，組成一個m×n的數(shù)據(jù)分析矩陣Z。

式中：Zij為第i個待評對象的第j個指標(biāo),i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。

(2) 對分析矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并計算其相關(guān)系數(shù)矩陣R，通過解方程|λL-R|=0(L為特征向量矩陣)，求出R的特征值及特征向量，其中特征向量為：λ1>λ2>…>λm，其對應(yīng)的特征向量為：l1>l2>…>ln。

2.5 組合權(quán)重的確定

通過上述兩種方法分別得到權(quán)重W1，W2。運用矩估計理論對以上兩種權(quán)重結(jié)果進(jìn)行組合賦權(quán)，既可以保持灰色關(guān)聯(lián)分析法對指標(biāo)客觀描述的特點，同時可利用主成分分析法修正其對指標(biāo)特點描述不強(qiáng)的缺陷[20]。

組合權(quán)重為：

W=αW1+βW2

(8)

式中：0≤W≤1,α+β=1。

又由于組合權(quán)重分別由上述兩種的權(quán)重求得，則可計算出其對應(yīng)的權(quán)重期望值為：

則有：

則α，β的表達(dá)式可寫為：

根據(jù)公式(9)—(11)可得α=0.512 6，β=0.487 4，將系數(shù)和W1，W2代入公式(8)可得組合權(quán)重，具體為：W=0.512 6W1+0.487 4W2。

2.6 物元可拓模型

物元模型由20世紀(jì)80年代中國學(xué)者蔡文提出的可拓理論發(fā)展而來，其優(yōu)于解決不相容的復(fù)雜問題，可從定性和定量兩個角度進(jìn)行分析，適合多因子評價[21-23]。突發(fā)水污染問題可以看做一個不相容問題，根據(jù)物元分析法構(gòu)建突發(fā)水污染安全評價模型，具體步驟如下：

2.6.1 確定經(jīng)典域、節(jié)域和評價物元 該理論以3個基本量組成一個有序組R=(N，C，V)來表征待評對象特征，其中N代表待評對象名稱，C為對象指標(biāo)值，V為指標(biāo)等級劃分區(qū)間。其中經(jīng)典域表示為Rj：

式中：Rj為經(jīng)典域,是由Nj,Cj,Vij組成的物元;Nj表示突發(fā)水污染安全等級的第j個等級,即為特別重大(Ⅰ級)、重大(Ⅱ級)、較大(Ⅲ級)、一般(Ⅳ級);Cj表示第j個等級Nj的特征,即指標(biāo)因素;Vij表示第i個指標(biāo)第j個分級取值范圍,aij,bij分別表示各等級取值的上限值和下限值。

節(jié)域表示為RP：

式中：RP為節(jié)域,aij,bij分別表示各等級下指標(biāo)的全部取值范圍的上限值和下限值。

待測對象可以組成物元R：

式中：Vi為指標(biāo)對應(yīng)的實測值。

2.6.2 關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算 物元可拓的關(guān)聯(lián)函數(shù)的值域為(-∞，+∞)，極大地擴(kuò)大了研究范圍，可得到更多的分異信息；在等級確定上結(jié)合某些客觀標(biāo)準(zhǔn)先對評價指標(biāo)的經(jīng)典域進(jìn)行區(qū)間界定，之后通過各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)計算得到其對應(yīng)狀態(tài)，最后利用模型集成得到所有指標(biāo)的綜合水平，提高了等級判定的客觀性和科學(xué)性。

關(guān)聯(lián)度K可以表示為：

式中：|Vji|=bij-aij。Kj(vi)代表各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度。ρ(vi,Vji)；ρ(vi,Vji)分別代表vi與有限區(qū)間Vji,Vpi的距離。

2.6.3 等級判斷 綜合關(guān)聯(lián)度計算公式為：

式中：Kj(q)代表綜合關(guān)聯(lián)度;Wi為指標(biāo)權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 權(quán)重計算

參考相關(guān)科研文獻(xiàn)及查閱2014—2019年公報年鑒，獲取了16個突發(fā)水污染安全評價指標(biāo)2014—2019年的詳實數(shù)據(jù)，采用Matlab編程計算GRA權(quán)重W1，采用SPSS 22.0軟件計算PCA權(quán)重W2，利用GRA-PCA組合賦權(quán)法確定各指標(biāo)綜合權(quán)重，具體結(jié)果見表2。

表2 黃河蘭州段突發(fā)水污染安全評價指標(biāo)體系及權(quán)重

3.2 模型評價過程

基于得到的權(quán)重計算結(jié)果，將其代入到物元可拓模型計算，步驟如下。

3.2.1 計算各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度 將各指標(biāo)2014—2019年對應(yīng)數(shù)據(jù)代入物元可拓模型中計算，其中物元可拓模型通過Matlab編程實現(xiàn)，通過計算可得2014—2019年各指標(biāo)對應(yīng)的關(guān)聯(lián)度，計算結(jié)果見表3。以2014年C1指標(biāo)(人均水資源量)舉例展示模型計算過程，將指標(biāo)C1對應(yīng)2014年數(shù)據(jù)v1=891代入式(12)—(16)，可得該指標(biāo)對應(yīng)各評價等級的關(guān)聯(lián)度分別為：k1(v1)=0.045，k2(v2)=-0.045，k3(v3)=-0.523，k4(v4)=-0.682，從而判定該指標(biāo)安全等級為Ⅰ級，即屬于“特別重大”水平。同理可得到其他指標(biāo)對應(yīng)關(guān)聯(lián)度，鑒于篇幅所限，文中只列舉了2014年各指標(biāo)對應(yīng)關(guān)聯(lián)度，表3中列出了2014—2019年指標(biāo)關(guān)聯(lián)度確定的安全等級。

3.2.2 計算綜合關(guān)聯(lián)度 將得到的各項指標(biāo)對應(yīng)各等級的關(guān)聯(lián)度(表3)與其對應(yīng)的權(quán)重(表2)輸入式(17)求出所有指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度(表4)，分別為k1(N2014)=-0.333，k2(N2014)=-0.112，k3(N2014)=0.126，k4(N2014)=-0.412。由此可判定2014年黃河蘭州段突發(fā)水污染安全等級為Ⅱ級，即“重大”級別。同樣的方法求得黃河蘭州段2015—2019年突發(fā)水污染安全等級。

表3 黃河蘭州段2014-2019年突發(fā)水污染安全評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

由表4中可以看出，黃河蘭州段突發(fā)水污染安全評價等級2014年為Ⅱ級(重大危險)，2015，2017，2018年為Ⅲ級(較大危險)，2016年為Ⅰ級(特別重大危險)，2019年為Ⅳ級(一般危險)；從時間順序上來看，黃河蘭州段突發(fā)水污染安全評價等級由Ⅱ級(重大危險)上升到Ⅳ級(一般危險)，對應(yīng)危險程度在逐年降低；對上表中得到的關(guān)聯(lián)度確定的安全等級進(jìn)行分析，可以看出，C4(污水排放量)、C13(事故應(yīng)急響應(yīng)能力)、C15(污水處理率)等指標(biāo)對于當(dāng)前年份安全等級的影響程度較大，而這些指標(biāo)對應(yīng)的安全等級多為Ⅲ級(較大危險)、Ⅳ級(一般危險)，屬于“良性”指標(biāo)，從這些指標(biāo)的實際意義出發(fā)可以反映出近年來關(guān)于黃河蘭州段突發(fā)水污染狀況在逐年改善；從上述分析可見，做好對污染源的排放質(zhì)量的控制、加強(qiáng)對流域水安全相關(guān)制度的完善等措施對減少突發(fā)水污染影響具有非常顯著的效果。2016年安全評價等級為Ⅰ級，2015，2017年均為Ⅲ級，但k1(N2016)=-0.241與k3(N2015)=-0.24非常相近，分析造成該年份安全評價等級與其他年份產(chǎn)生較大差異的原因是其他相關(guān)指標(biāo)的片面性造成的，總體來看黃河蘭州段突發(fā)水污染危險程度在逐年降低，水安全狀況在逐年變好。

表4 黃河蘭州段2014-2019年突發(fā)水污染安全等級對比

據(jù)滕汶瑾[25]在《筑牢生態(tài)安全屏障推動黃河蘭州段生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展》及王云祥[26]在《巧做山水文章筑牢生態(tài)屏障》中指出，截止2020年上半年，黃河蘭州段干支流水質(zhì)保持優(yōu)良、出境水質(zhì)評價穩(wěn)定達(dá)到Ⅱ類、轄區(qū)內(nèi)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率及全市縣級以上飲用水水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率均為100%，以上報道也能對本研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性進(jìn)行佐證。

4 結(jié) 論

(1) 為保證對黃河蘭州段突發(fā)水污染安全評價的全面性、客觀性、準(zhǔn)確性，本文利用PSR模型建立評價指標(biāo)體系，通過GRA-PCA組合賦權(quán)法確定各指標(biāo)綜合權(quán)重，考慮到突發(fā)水污染安全評價是一個復(fù)雜定性多指標(biāo)評價，引入物元可拓模型建立黃河蘭州段突發(fā)水污染安全評價模型，實現(xiàn)對黃河蘭州段突發(fā)水污染安全的定量評價。

(2) 通過GRA-PCA組合賦權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重，利用物元可拓模型構(gòu)建黃河蘭州段突發(fā)水污染安全評價等級模型，計算得到黃河蘭州段2014—2019年的突發(fā)水污染安全評價等級由Ⅱ級(較大危險)向Ⅳ級(一般危險)躍升，評價結(jié)果與近年來黃河蘭州段突發(fā)水污染治理效果基本一致，這表明該模型對黃河蘭州段突發(fā)水污染安全等級評價的結(jié)果合理可靠。

(3) 限于資料收集不夠充分，本文只針對了黃河蘭州段進(jìn)行了模型的應(yīng)用評價。研究表明，黃河蘭州段突發(fā)水污染安全的評價結(jié)果是非常貼合實際的。鑒于本文研究實例隸屬黃河流域范圍，因此該模型可擴(kuò)展應(yīng)用于黃河其他流域段突發(fā)水污染評價，亦可為全國其他流域突發(fā)水污染風(fēng)險的評價提供借鑒。