基于MCW-正態云模型的黑河流域突發水污染安全評價

馬夢含，靳春玲，貢 力，逯曄坤，王 婧

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

突發水污染事故是指固定污染源由于突發事件排放污染物，或者由于自然災害導致各類型有毒有害物質進入水體或供水管網，發生水質變化，導致人類生產生活受到危害，破壞生態平衡的事故[1-2]。突發水污染事故對于人類生產生活已經逐漸造成了巨大的威脅、危害。近年來，我國突發水污染事件頻發，據全國環境統計公報統計，2012至2017年共592起突發環境污染事件，其中561起為突發性水污染事件[3]，突發性水污染事件不僅威脅當地水質安全，破壞水生生態，造成巨大的社會和經濟損失，還可能干擾當地社會秩序，引發社會恐慌[4]。因此對于突發水污染事件的研究以及治理已經迫在眉睫。

突發性水污染的綜合研究已成為水環境管理的重要課題[5]。國內外專家學者對于突發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境風險識別模型；Hou等[7]提出了一種基于不確定性分析和突發性水污染事故風險評估的動態預警模型；龍巖等[8]采用數據包絡分析方法對于突發水污染應急調控措施進行分析；練繼建等[9]對突發水污染事件進行評價以及應急調度方案研究；靳春玲等[10]采用模糊層次評價法對突發水污染進行風險評價；王永桂等[11]對流域性突發水污染事件研發了一套快速模擬與預警系統；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水污染事故級別進行預測分析。

黑河是發源于祁連山冰川的三大內陸河之一[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，存在產生突發水污染事件的潛在風險，對于祁連山黑河流域供水以及生態環境具有一定的安全隱患。由于張掖地區特殊的地理位置，使其肩負起保護祁連山生態環境的重任，但對于祁連山黑河流域張掖地區突發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為例，采用pressure-state-response(PSR)[14]環境評價模型建立突發水污染安全評價指標體系，利用MCW-正態云[15]評價模型，以張掖地區2012-2017年為例進行突發水污染安全評價，分析得出張掖地區2012-2017年間產生突發水污染事件安全評價等級，研究成果有利于提升突發水污染事件應急防控水平和安全評價能力，對后續保護祁連山生態環境有重要意義。同時，將評價結果與改進密切值法、模糊綜合評價法進行對比分析，旨在驗證MCW-正態云評價模型運用于突發水污染安全評價的準確性、可靠性以及可行性。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

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

2.2 指標體系構建及等級劃分

2.2.1 利用PSR模型構建指標體系 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成，而在本文中，筆者也將采用這2種層次構建突發水污染安全評價指標體系，其中，準則層主要是由壓力、狀態和響應[16]三者構成，其中壓力(P)主要指人類活動所引起的對于資源、環境以及經濟所帶來的壓力影響，如人口密度、工業廢水排放量等；狀態(S)指與水資源相關的各種經濟以及環境要素當前所處的狀態，如水功能區水質達標率、產(供)水模數等；響應(R)指人們在自身社會經濟活動以及政策上對于突發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能力以及自凈性，這些都是動態變化的，如防災應急能力、工業廢水排放達標率等。最后，對于各組指標體系進行數據處理，去除研究階段內變化劇烈的指標，按照客觀性、科學性、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 突發水污染安全評價指標體系

2.2.2 指標體系等級劃分 根據《突發環境事件信息報告辦法》[19]以及相關資料文獻[4,12,20-22]將突發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 突發水污染安全評價指標等級劃分

2.3 MCW-正態云評價模型

2.3.1 云模型簡介 云模型(cloud model)[23]是由中國科學院院士李德毅于1995年根據隨機數學和模糊數學理論的基礎提出的，它主要是實現客觀事物或現象的定性和定量之間不確定性轉換的數學模型[24]，這是一個具有一定隨機性和偶然性的離散轉換過程，運用該模型能夠有效解決突發水污染安全評價中有關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]三者結合組成云模型，使得不確定語言和定量數據可進行相互轉化[27]。計算過程如下：

(1)利用正向云發生器生成正態隨機數Eni，其期望值為En，方差為He2。

(2)再次生成一個正態隨機數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))為數域中任意一個云滴。

(4)重復以上幾個步驟，直至產生滿足要求數目的n個云滴為止。

2.3.2 MCW確定指標權重 本文權重采用混合交叉賦權(mixed cross-weighting，MCW)進行計算，主要采用主觀賦權G1法與客觀變異系數法進行組合確定權重，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：

(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值。

(3)計算兩相鄰指標的重要性程度比值rk：

(3)

(4)根據上述確定的重要性程度比值，計算第m個評價指標的權重wm：

(4)

(5)依次計算第m-1,m-2,…,3,2個指標的權重。

wk-1=rkwk(k=m,m-1,…,3,2)

(5)

(6)重復以上權重計算步驟，確定準則層權重，最終計算指標對目標層的權重。

(6)

2.3.3 突發水污染綜合評價步驟 對突發水污染的安全評價是一個復雜定性的多屬性指標評價，結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建指標體系。結合云模型理論，筆者將評價過程大致分為4個步驟。步驟1：構建指標體系；步驟2：利用合理的算法構造關于危害評價的云模型(評價指標云)；步驟3：利用混合交叉賦權法計算指標權重；步驟4：計算突發水污染危害云。

具體流程如圖1所示。

(1)確定評價指標權重

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(MCW)的基本原理以及公式(1)～(6)，求出突發水污染安全評價指標權重矩陣W=(w1,w2,…,wn)，其中n為總共的評價指標個數。

(2)確定隸屬度矩陣

①云模型參數的計算。云模型參數依據以下公式計算：

(9)

(10)

He=n

(11)

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

根據公式(9)～(11)，可以確定出突發水污染安全評價云模型的特征參數(Ex,En,He)，利用云模型特征參數數據，并使用Matlab軟件進行編程，利用正向云發生器對人口密度、人均水資源量等15個指標生成正態云圖，由于篇幅原因，本文僅給出壓力狀態下人口密度、人均水資源量、工業廢水排放量、沿河危險企業數和水資源開發利用率5個指標的云模型特征參數以及正態云圖，見表3和圖2。其中，設置云滴數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據，對每一項指標數據運用正向云發生器進行處理，即u(x)=e(-x-Ex)2/(2(En)2)，重復計算N=500次，計算所得指標數據隸屬于不同突發水污染安全評價等級下的平均隸屬度，構成隸屬矩陣R=(ri,j)n×m。

圖1 突發水污染安全綜合評價流程

表3 水污染系統安全評價壓力狀態下5個指標不同評價等級的正態云模型特征參數

圖2 壓力狀態下5個指標的評價等級正態云圖

③突發水污染安全評價

利用MCW確定出的權重集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]。并且結合最大確定度原則，計算得出突發水污染安全評價分級。

3 結果分析與討論

3.1 評價結果與分析

(1)指標權重計算。利用上述公式對原始數據進行歸一化處理以及權重計算，計算結果見表4。

表4 2012-2017年各評價指標歸一化及處理及權重計算結果

注：C10和C11采用專家打分法確定權重。

利用上述MCW權重計算方法，經計算，求得張掖地區突發水污染安全評價各指標權重，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。

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

表5 基于MCW-正態云模型對2012-2017年黑河流域張掖地區突發水污染安全評價結果及比較

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果大致相同，表明本文所用MCW-正態云模型對于突發水污染進行安全評價是可行的，可作為一種新的突發水污染安全評價模型。其中，改進密切值法與本文評價結果一致；模糊綜合評價法與本文評價結果在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-正態云模型對于黑河流域張掖地區2012-2017年突發水污染進行安全評價，結果為：2012年突發水污染安全評價等級為Ⅱ級重大危險；2013-2017年突發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對突發水污染安全治理的能力隨時間逐步提升。

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

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

4 結 論

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

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

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