天津市水環境安全評價及其指標體系研究

何貝貝,李紹飛,朱習愛

(1.中國科學院西雙版納熱帶植物園,云南 昆明　650000; 2.天津農學院水利工程系,天津　300380)

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天津市水環境安全評價及其指標體系研究

何貝貝1,李紹飛2,朱習愛1

(1.中國科學院西雙版納熱帶植物園,云南 昆明650000; 2.天津農學院水利工程系,天津300380)

摘要：依據DPSIR模型的基本原理,遵循評價指標體系的構建原則,立足于天津市水資源和水環境實際情況,以驅動力、壓力、狀態等5項指標作為準則層,共選取了人口密度、人均生活用水量、廢水排放量、水資源總量、城市水達標率等20項指標,對天津市2009—2011年城市水環境安全狀況進行了等級評價計算。結果表明,2009年水環境安全度最高,2011年次之,2010年最低;水環境安全雖均為良好等級,但是人口密度的加大,廢水排放量的增多等威脅城市水環境安全的因素不容忽視,城市水環境問題仍亟待解決。

關鍵詞：水環境安全;DPSIR模型;水環境;安全評價;指標體系;天津市

水環境安全的內涵不僅主要包括自然性質的水環境安全,例如干旱、洪澇、河流改道等,還包括人為性質的水環境安全,例如水量短缺、水質污染和水環境破壞等[1]。天津市位于海河流域下游,是海河五大支流的匯合處和入海口,具有重要的水資源戰略位置。近年來,隨著天津市人口、經濟的快速增長,工農業、生活用水的需水量也隨之增加,水資源供需矛盾日益突出、水質污染、水環境惡化等狀況使原本脆弱的水環境生態系統承受的壓力也越來越大以至于嚴重透支,城市供需水矛盾的增加、水環境惡化等問題已成為制約城市健康可持續發展的瓶頸之一。2011年《天津市水資源公報》顯示,2011年全市供水總量23.10億m3,比上年增加0.68億m3。其中地表水源供水量16.77億m3,包含引灤水量6.25億m3,引黃水量1.71億m3;地下水源供水量5.82億m3;深度處理的再生水回用量0.23億m3;海水淡化量0.28億m3,全市用水消耗量遠大于供水量。2011年全年評價河長為1 709.8 km,其中Ⅱ類水河長69.3 km,占評價河長的4.1%;Ⅲ類水河長50.2 km,占評價河長的2.9%; Ⅳ類水河長57.4 km,占評價河長的3.4%;V類水河長142.4 km,占評價河長的8.3%;劣Ⅴ類水河長1 390.5 km,占評價河長的81.3%,全市河流污染比較嚴重。主要飲用水源地于橋水庫、爾王莊水庫符合Ⅲ類水標準,營養化程度為“中營養化”。由上述數據可知天津市水資源和水環境狀況不容樂觀,緩解城市供需水矛盾,改善城市水環境安全的問題亟待解決。

1DPSIR模型

DPSIR(driving-forces,press,state,impact,response)模型[2]是由PSR模型和DSR模型補充發展而來的一種多維性的水環境安全評價體系。該模型較系統客觀地從引起評價對象變化的因素,即驅動力因素、壓力因素方面,分析評價對象與這些驅動力、壓力因素之間的相互作用關系,對在這些壓力作用下的評價對象進行系統的評價,分析該評價對象的狀態或可能的發展方向,預測該狀態下的評價對象對與之相關的因素之間的影響,計算出各個相關因素對評價對象的影響程度。

將DPSIR模型應用于水環境安全評價,選取與城市水環境安全密切相關的評價指標體系,分析其相互作用及對水環境安全的影響程度,從而較為系統客觀地分析城市水環境的狀態或可能的發展方向,并提出針對改善問題的合理性建議。

2基于DPSIR模型的天津市水環境安全評價

2.1　指標體系構建

以天津市為研究區域,參考層次結構指標體系構建模式,選取了與天津市水環境安全有關的20項指標因素,定量分析人口-經濟-環境-生態-水資源之間的相互作用和反饋機制,建立針對天津市水環境安全評價的指標體系模型[3]。查找相關數據資料,選取影響城市2009—2011年水環境安全的指標因素,構建天津市水環境安全評價指標體系(表1)。

2.2　原始數據的收集與整理

根據文獻[4]和天津市水資源公報(2009—2011年),查找獲取表1中相應的評價指標原始數值。該指標體系選取的20項指標能夠較全面地反映天津市水環境安全影響因素,且指標數據易于獲取,意義明確,便于推廣應用。天津市水環境安全評價指標數據見表2。

表1　天津市水環境安全評價指標體系

注:正向指標表示的含義為:指標值評價結果占評價標準的比例越大,對評價結果影響越好。負向指標表示的含義為:指標值評價結果占評價標準的比例越小,對評價結果影響越好。

2.3　指標等級劃分

在獲取相應的水環境評價指標體系原始數值后,為了更加清晰明確地判斷天津市水環境安全度等級,本文立足我國國情,借鑒相關研究成果,結合天津市水資源和水環境的實際情況,給出天津市水環境安全評價指標的參考最劣取值和最優取值,即式(1)的Xmin和Xmax,這兩個值在天津市水環境安全評價等級計算中則分別對應該指標相對于Ⅰ級、Ⅴ級的評價標準臨界值。依據天津市水環境安全度的評價標準臨界值,將天津市水環境安全度依次劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級5個評價等級,這5個評價等級在水環境安全度的計算中依次分別代表了天津市水環境安全度的等級為很低、較低、中等、較好、很好5個水平,這5個等級標準能較為準確反應出天津市水環境安全度。相應于這個5個評價等級,天津市水環境安全評價指標等級與標準見表3。

表2　天津市水環境安全評價指標數據

2.4　權重值計算

2.4.1熵值法確定指標權重值

熵值法是一種客觀賦權法[5]。用熵值法確定指標權重值時,首先需對所要評價的指標原始值進行標準化處理,然后確定某一個評價指標的熵定義值和各指標的差異性系數,從而得出某項指標的熵權值。根據計算出的指標熵權值分析該項指標占評價標準的比例,得出該項指標因子對評價結果的影響程度。

a. 指標的無量化處理。獲取評價指標的原始數據,根據評價指標的性質,應用式(1)、式(2)對數據進行標準化處理。

當Xij為正向指標時

(1)

當Xij為負向指標時

(2)

式中:Xij為第i年份第j項指標的原始數值;Yij為第i年份第j項指標Xij的標準化值;Xmax為該項指標的參考最優取值;Xmin為該項指標的參考最劣取值。

表3　天津市水環境安全評價指標等級與標準

根據表2所列出的2009—2011年天津市水環境安全評價的各項評價指標的原始數值和表3列出的評價天津市水環境安全所選取的各項指標的等級參考值,各項指標標準化數值如下:

b. 計算指標Xij的比重Pij。

(3)

c. 計算第j項指標的熵值ej。

(4)

其中

式中:k為常數;n為指標個數。

d. 計算第j項指標的權重值gj。

(5)

其中,0≤gj≤1。

e. 確定第j個指標的熵權值Wj。

(6)

其中

2.4.2AHP法確定權重

層次分析法(analytic hierarchy process,簡稱AHP)是美國運籌學家、匹茲堡大學Saaty教授在20世紀70年代初提出的一種對定性問題進行定量分析的一種簡便、靈活而又實用的多準則決策方法[6]。首先確定需要評價的系統目標,在深刻理解系統目標的基礎上,確定評價目標,收集評價系統目標所需的范圍、準則和各種約束條件等;按評價目標的不同,將各個元素進行相應的歸類,建立一個多層次的遞階結構,將系統分為幾個等級層次;然后利用層次分析法,將各相鄰間的層次進行兩兩比較,確定以上遞階結構中相鄰層次元素間相關程度;最后,計算各層元素在評價的系統目標的權重值,并將各層元素的權重值進行總排序,以確定遞階結構圖中最底層各個元素的總目標中的重要程度,從而確定各個元素對評價目標的影響程度。

2.4.3指標組合權重值的計算

根據式(7)對選取的各項指標因子,采用客觀權重和主觀權重的算術平均法計算評價指標最終的組合權重值,具體計算結果見表4。

(7)

式中:Qj為指標的組合權重;Rj為AHP法確定的指標權重。

2.5　水環境安全度的計算

根據表4計算出的指標權重值,運用式(8)分別計算出2009、2010、2011年天津市水環境安全度Si分別為0.517 58、0.445 80、0.494 13。

(8)

表4　天津市水環境安全評價指標權重值

3結果與討論

采用DPSIR模型,構建了天津市水環境安全評價體系,遵循評價指標體系的構建原則,立足于天津市水資源和水環境實際情況,以驅動力、壓力等5個方面作為準則層,綜合考慮了人口、經濟、環境、生活等方面及水環境系統的各個主要因素,共選取20項相關指標,對天津市水環境安全進行評價分析。結果表明,2009年天津市水環境安全度等級為3年中最高,最為接近良好等級。2010年則為最低。由指標體系的準則層來看[7],2009年天津市經濟發展驅動力不大,狀態較好,生產壓力較小,給城市水環境安全帶來的壓力也較小。2010年和2011年由于人口密度、生產用水量、廢水排放量、人均日生活用水量和工業用水量比例等影響城市水環境安全的負向指標因素逐年快速的增加,使2010年和2011年的城市水環境安全度較2009年有明顯的下降。2010年天津市廢水排放總量、工業固體廢物產生量居3年之首,且2010年城市水資源總量為3年之中的最低,約為2009年和2011年城市水資源總量的60%,因此,2010年天津市水環境安全與2009年和2011年相比,為3年之中的最低值。

從評估結果來看,天津市水環境安全狀況不容樂觀。改善城市水環境安全,政府應制定相應的供水策略和廢污水排放標準,水環境安全防治應當堅持預防為主、防治結合、綜合治理的原則,優先保護飲用水源,嚴格控制工業污染、城鎮生活污染,防治農業面源污染,積極推進水環境治理工程建設,預防、控制和減少水環境污染和破壞。對水量需求較大的行業應制定合理的用水定額;對有毒廢污水或對水環境安全有威脅的排泄水,應制定相應的強制性措施,禁止向水體排放、傾倒有毒廢液、工業廢渣、城鎮垃圾和其他廢物,對有毒廢液應采用同一管道收集、統一沉降處理后再排入污水管道;加大對廢污水的處理能力,鼓勵采用中水生產或河水灌溉等,最大限度地利用有限的水資源量。此外,還應嚴格禁止在飲用水水源保護區內設置排污口,在重要漁業水體保護區內,禁止新建排污口等。還可通過采用合理的技術或方法收集雨水,增加生活、生產節水設施,增強人們的節水意識,合理利用有限的城市水資源,保護并改善城市水環境安全狀況。

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Study on water environment security evaluation and index system in Tianjin City

HE Beibei1, LI Shaofei2, ZHU Xi’ai1

(1.XishuangbannaTropicalBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Kunming650000,China;

2.DepartmentofWaterConservancyEngineering,TianjinAgriculturalCollege,Tianjin300380,China)

Abstract：Based on the basic principles of DPSIR model, following the principles of construction of evaluation system, starting from the truth about water resources and water environment in Tianjin, and taking five indicators, including driving force, pressure, status, etc., as the criterion layers, 20 indicators, including population density, wastewater emissions, total water resources, urban water compliance rate, etc., are selected to evaluate water environment security situation of Tianjin City during 2009 and 2011. The results show that, water environment security situation was the most promising in 2009, followed with which in 2011, while it was the worst in 2010. Although the level of water environment security was fine, the increasing population density and waste water emissions, with other environmental factors threatening urban water security, can not be ignored. Thus urban water environment problem remains to be solved.

Key words：water environment security; DPSIR model; water environment; security evaluation; index system; Tianjin City

(收稿日期：2015-06-04編輯：徐娟)

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0125-05

作者簡介:何貝貝(1991—),女,碩士研究生,研究方向為水文水資源。E-mail:h_xiaobei@126.com

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.022