彰武水庫水環(huán)境安全評(píng)估

李中原， 王國(guó)重， 張繼宇， 程煥玲， 趙蓓蓓， 李永麗

(1.河南省水文水資源局， 河南 鄭州 450003； 2.黃河水文水資源科學(xué)研究院， 河南 鄭州 450004； 3.黃河養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450003； 4.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站，河南 鄭州 450008； 5.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司， 河南 鄭州 450008)

1 研究背景

彰武水庫位于洹河大峽谷出口處，控制流域面積120 km2，總庫容7 063×104m3，興利庫容1 703×104m3，其主要作用是保障安鋼、電廠用水及農(nóng)業(yè)引蓄灌溉，兼營(yíng)發(fā)電、養(yǎng)殖。水庫設(shè)計(jì)灌溉面積3.3×104hm2，可養(yǎng)殖水面200 hm2[1]。

作為重要的工農(nóng)業(yè)用水和地下水補(bǔ)給源，該水庫水環(huán)境的安全與否，對(duì)安陽市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大[2-3]。2011年苗利芳等[4]首次對(duì)“十一五”以來安陽市地表水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為彰武水庫處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。2017年李世華等[5]進(jìn)一步指出安陽市“十二五”期間地表水系水質(zhì)總體污染程度為重度污染。2017年唐敏等[6]根據(jù)安陽市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心2006-2015年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)彰武水庫的營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為十年間，水庫營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)已由中營(yíng)養(yǎng)發(fā)展為輕度富營(yíng)養(yǎng)，還有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)。

水庫水環(huán)境安全與否直接關(guān)系著流域的供水和飲用水安全[7]，水庫水環(huán)境安全評(píng)估是保障飲水安全和水庫可持續(xù)利用、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧的基礎(chǔ)，對(duì)于水環(huán)境安全進(jìn)行評(píng)估的基本思路是：首先構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系，然后選用評(píng)估方法、確定各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行評(píng)估，最后分析評(píng)估結(jié)果的合理性[8]。構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系國(guó)際上常用的模型主要有國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織提出的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)”模型、聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展委員會(huì)推薦的“驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-響應(yīng)(DSR)”模型、歐洲環(huán)境署建議的“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)”模式[9]。其中，PSR模式所構(gòu)建的指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、符合邏輯，常常被人們選用[10]；DSR模型中驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)與狀態(tài)指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系模糊，應(yīng)用相對(duì)較少[11]；DPSIR模式是對(duì)PSR體系的改進(jìn)，添加了“驅(qū)動(dòng)力”和“影響”兩類指標(biāo)，使指標(biāo)體系在邏輯上更為完善[12]。常用的評(píng)估方法主要有層次分析法、主成分分析法、綜合指數(shù)法等[13]。王國(guó)重等[14]采用PSR模型構(gòu)建了河南省大型水庫生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)體系，以熵值法計(jì)算了各指標(biāo)的權(quán)重，通過綜合指數(shù)法對(duì)水庫2005、2015年的生態(tài)安全狀況進(jìn)行了評(píng)估；喻立等[15]通過DPSIR模型建立了沙湖濕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，并用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)該濕地進(jìn)行了評(píng)估；李永麗[16]基于DPSIR模型創(chuàng)建了陸渾水庫水環(huán)境安全評(píng)估指標(biāo)體系，根據(jù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)認(rèn)為該水庫長(zhǎng)期處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

上述評(píng)估方法都存在著不同程度的缺陷：層次分析法確定權(quán)重的方式過于主觀，會(huì)造成極大的偏差；主成分分析法能夠計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重，但會(huì)導(dǎo)致信息的缺失；綜合評(píng)估方法難以克服評(píng)估過程中的隨機(jī)性和模糊性問題[17]。上述評(píng)估方法的共性就是沒有克服評(píng)估過程中主客觀因素的影響，如對(duì)同一個(gè)評(píng)估指標(biāo)而言，不同方法設(shè)置界限的方式或者所設(shè)定的界限不盡相同[18]。云模型是1995年李德毅教授在研究概率論和模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上提出來的，能夠建立起定性概念與定量表示之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可有效處理評(píng)估過程中的不確定性[19-20]。本文以彰武水庫為典型，以DPSIR模型來建立水庫環(huán)境安全的評(píng)估指標(biāo)體系，嘗試采用云模型對(duì)該水庫的環(huán)境安全狀況進(jìn)行評(píng)估。

2 基于DPSIR模型的彰武水庫環(huán)境安全評(píng)估指標(biāo)體系

2.1 DPSIR指標(biāo)體系

借鑒環(huán)境安全和生態(tài)安全指標(biāo)體系[21-22]，根據(jù)水庫水環(huán)境安全概念和水庫功能，確定了彰武水庫環(huán)境安全評(píng)估指標(biāo)體系：驅(qū)動(dòng)力(降雨量)、壓力(污染物入庫量)、狀態(tài)(污染物濃度)、影響(水質(zhì)狀況)、響應(yīng)(透明度、溶解氧)，共11項(xiàng)指標(biāo)，分屬5個(gè)方案層，各層間的關(guān)系為：污染物(TN、TP、高錳酸鹽指數(shù))隨降雨產(chǎn)生的地表徑流進(jìn)入水庫，增加了入庫污染物數(shù)量和濃度，影響水體水質(zhì)，使得指標(biāo)透明度和溶解氧發(fā)生相應(yīng)的變化。水庫的指標(biāo)體系詳見圖1。

圖1 彰武水庫水環(huán)境安全評(píng)估指標(biāo)體系

根據(jù)彰武水庫2015年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其水環(huán)境安全狀況進(jìn)行評(píng)估。其中雨量數(shù)據(jù)來自庫區(qū)雨量站的監(jiān)測(cè)值；污染物的入庫量則通過入庫河流的流量、入庫排污口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水庫水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到；水質(zhì)狀態(tài)指標(biāo)TN、TP、Chl-a、CODMn和響應(yīng)指標(biāo)透明度、溶解氧的數(shù)值由河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供；依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)( GB3838-2002)》中規(guī)定的II類水水質(zhì)目標(biāo)，判斷各月水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)。2015年各月水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值詳見表1。

表1 2015年彰武水庫水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

設(shè)n個(gè)評(píng)估指標(biāo)P1,P2,…,Pn，其中的m個(gè)樣本為S1,S2,…,Sm，Qij為樣本Si在指標(biāo)Pj時(shí)的實(shí)測(cè)值，這樣就產(chǎn)生了m個(gè)樣本n個(gè)指標(biāo)的矩陣(Qij)m×n。該矩陣中各指標(biāo)的數(shù)量級(jí)、量綱等差異很大，需要對(duì)該矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，處理公式見公式(1)、(2)所示[23]。

(1)

(2)

式中：Qij為第i個(gè)樣本中第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；yij為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的第i個(gè)樣本中第j個(gè)指標(biāo)的值； maxQij和minQij分別為實(shí)測(cè)值Qij的最大值和最小值。

熵值法因?yàn)槭苤饔^因素影響較小，常被研究者用于確定指標(biāo)的權(quán)重[24-26]。這里也采用熵值法，第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值Ej可由斯蒂林公式得到，詳見公式(3)。而某項(xiàng)指標(biāo)的效用價(jià)值則取決于該指標(biāo)的熵值Ej與1的差值。

(3)

式中：常數(shù)k=(lnm)-1。

hj=1-Ej

(4)

則第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重為：

(5)

各指標(biāo)經(jīng)規(guī)范化處理后，再由公式(3)～(5)計(jì)算得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，見表2所示。

3 云模型水庫水環(huán)境安全綜合評(píng)估

3.1 云模型的生成

云模型可構(gòu)建水庫環(huán)境安全評(píng)估中定性概念與定量之間的映射。設(shè)U為用精確數(shù)值表示的定量論域，C為U上水庫水環(huán)境安全的一個(gè)定性概念，當(dāng)x∈U且x為定性概念C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，則x在U上的分布顯示為云，每個(gè)x稱為一個(gè)云滴，多個(gè)云滴形成一朵云，可表征定性概念與數(shù)域空間之間的映射關(guān)系[27]。云模型以數(shù)字特征值Ex、En、He和云滴數(shù)目N作為輸入，以N個(gè)云滴數(shù)的定量值及每個(gè)云滴的隸屬度作為輸出。生成水庫水環(huán)境安全評(píng)估的云模型具體步驟如下[28]：

(3)設(shè)云滴x為定性概念的一次具體量化值，計(jì)算其確定度μ；

(6)

(4)重復(fù)步驟(1)～(3)，直到產(chǎn)生N個(gè)云滴。

3.2 水庫水環(huán)境安全的云模型評(píng)估

采用云模型建立水庫水環(huán)境安全評(píng)估模型的步驟如下：

(1)按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)( GB3838-2002)》，結(jié)合水庫功能，確定了各水質(zhì)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 水庫水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(2)按照各水質(zhì)指標(biāo)不同安全等級(jí)所在的閾值范圍，確定各級(jí)別云模型相應(yīng)的各數(shù)字特征Ex、En、He。

云模型數(shù)字特征的計(jì)算公式如下[29]：

(7)

式中：umax、umin分別表示變量的最大和最小邊界；k為常數(shù)，令k=0.1。若評(píng)估指標(biāo)的評(píng)估等級(jí)區(qū)間為：Ⅰ(0，a)、Ⅱ(a，b)、Ⅲ(b，c)、Ⅳ(c，+∞)，則各等級(jí)云模型數(shù)字特征的計(jì)算如表4所示，參數(shù)a、b、c的取值是根據(jù)表3中設(shè)置的各評(píng)估指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)而定，具體詳見表5。

表4 云模型數(shù)字特征的計(jì)算規(guī)則

根據(jù)表4，當(dāng)評(píng)估因子的取值范圍為有界區(qū)域時(shí)，可通過正態(tài)云發(fā)生器生成正態(tài)云模型；當(dāng)評(píng)估因子的取值無限制范圍時(shí)，可通過正態(tài)云、半升云、半降云發(fā)生器形成組合云。

(3)計(jì)算各指標(biāo)不同評(píng)估等級(jí)的確定度，并乘以相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重，再將各指標(biāo)同等級(jí)別的確定度與其權(quán)重的乘積相加，所在級(jí)別中的最大值就是水庫水環(huán)境對(duì)應(yīng)的安全等級(jí)。

4 評(píng)估結(jié)果與分析

根據(jù)確定的評(píng)估指標(biāo)和安全等級(jí)，分別計(jì)算了相應(yīng)的3個(gè)數(shù)字特征值，生成各指標(biāo)在不同等級(jí)下的云模型。

結(jié)合2015年彰武水庫水質(zhì)實(shí)測(cè)平均數(shù)據(jù)，得到了不同等級(jí)下各指標(biāo)的確定度，再根據(jù)指標(biāo)權(quán)重，加權(quán)求和得到了不同安全等級(jí)的綜合確定度，其最大值即為水庫2015年所處的安全等級(jí)。

彰武水庫各評(píng)估指標(biāo)相應(yīng)的云模型評(píng)估等級(jí)下的確定度如表6所示， 2015年不同安全等級(jí)的綜合確定度詳見表7。

表5 各評(píng)估指標(biāo)中參數(shù)a、b、c的取值

表6 各評(píng)估指標(biāo)相應(yīng)等級(jí)下的確定度

表7 不同安全等級(jí)的綜合確定度

由表6、7可知：2015年彰武水庫水環(huán)境安全評(píng)估等級(jí)為較安全，但有3個(gè)指標(biāo)為不安全級(jí)別，分別為TN濃度、TP濃度、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，降雨量指標(biāo)處于較不安全級(jí)別,這正是其水質(zhì)為劣V類的原因所在。彰武水庫周邊廢棄的煤礦礦山較多，屬于計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代的歷史遺留問題，這些工業(yè)廢水、廢渣沿著溝道排放、堆積，再加上農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥在降雨和灌溉退水作用下排入水體，使水中N、P含量增加[30]；水產(chǎn)養(yǎng)殖尤其是大量的網(wǎng)箱養(yǎng)殖[31]，加大了水體中自源性污染，養(yǎng)殖飼料、魚類排泄物及人為無序開發(fā)，增加了水體中TN含量，使藻類等浮游生物大量繁殖，溶解氧含量降低。上述原因?qū)е抡梦渌畮焖|(zhì)難以達(dá)標(biāo)。

5 結(jié)論與建議

通過DPSIR模型建立了彰武水庫水環(huán)境安全評(píng)估的指標(biāo)體系，采用熵值法確定了各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，應(yīng)用云模型對(duì)其2015年的水環(huán)境安全進(jìn)行了評(píng)估，主要結(jié)論如下：

(1)該水庫水環(huán)境處于較安全等級(jí)，但存在安全隱患；由于廢棄的工礦企業(yè)較多，其工業(yè)廢水和周邊農(nóng)田中化肥農(nóng)藥在降雨徑流和灌溉退水作用下進(jìn)入水體，再加上傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式，造成水庫N、P濃度增加，水質(zhì)全年為劣V類，水庫管理部門應(yīng)引起重視。

(2)云模型能夠揭示事物的隨機(jī)性與模糊性，對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，利用熵值法確定各指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)各指標(biāo)不同等級(jí)的綜合確定度，實(shí)現(xiàn)了定性概念與定量數(shù)值表達(dá)之間的轉(zhuǎn)換，在一定程度上克服了評(píng)估過程中的不確定性。

針對(duì)水庫周邊廢棄的工礦企業(yè)，一方面需對(duì)其治理整頓、拍賣或者租售，使其能發(fā)揮效益，對(duì)其廢污水實(shí)施總量控制、達(dá)標(biāo)排放，另一方面采取水土保持措施治理水土流失和面源污染，同時(shí)倡導(dǎo)生態(tài)健康養(yǎng)殖，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖，確保水庫水質(zhì)安全。