山西省黃河流域水環境安全風險評價研究

周 璇，侯向英，郭丕斌

（1.中北大學經濟與管理學院，太原 030051；2.太原師范學院，太原 030619）

隨著全球氣候變暖，山西省降水量大幅度降低，1957—2003年山西省降水量總體呈減少趨勢，而氣溫卻呈上升態勢，減少和上升幅度均顯著高于全國水平，這種態勢在20世紀90年代以來尤為突出［1］。這就使得山西省水資源十分短缺，2007—2016年這10年中共有6年人均水資源量均徘徊在250 m3/人左右，2018年人均水資源量雖上升為328.6 m3/人，但也僅占全國平均水平的16.67%，在世界范圍內屬于極度貧水區域（圖1）。其中，太原、大同和朔州3個地級市的水資源更為緊缺。此外，山西省陸地地表水少且分布不均，河川徑流量僅為114億m3，地下水資源量僅有85.98億m3，可采水資源也僅占45%，且大多分布于省境及盆地邊緣。此外，山西作為煤炭大省，在煤炭開采過程中，破壞了煤系含水層，使得土地裂陷、巖溶泉域的泉流量減少和礦區漏水，某些破壞甚至是永久性的，這些因素均加劇了山西省水資源的匱乏程度。

圖1 2007—2016年山西省水資源情況

山西省黃河流域由汾河、沁河、涑水河以及入黃支流水系組成，流域面積為9.75萬km2，占全省土地總面積的62.2%。其獨特的四面環山地形地貌，使得盆地內的水流十分不暢，水體自凈能力較差。再加上山西省大部分人口散居在黃河兩岸，生活污水和農業退水污染在不斷加重，而以煤炭、電力、冶金、造紙和化工等高污染高能耗為主的工業結構也給黃河流域帶來了巨大環境污染。這些因素整合在一起，使得山西省黃河流域的水環境質量堪憂，污染形勢非常嚴峻。由圖2可以看出，山西省人均廢水、氨氮和COD排放量雖然總體趨勢在下降，但是人均排放總量仍處全國前列。以年均濃度來衡量，山西省106個國控斷面中，V類和劣于V類水質標準的斷面有80個，占比75.5%。山西省2019年地表水環境質量報告顯示，黃河流域中汾河水質受到重度污染，劣Ⅴ類水質斷面占比41.7%，入黃支流水系中，屈產河、三川河水質為重度污染，湫水河、涑水河水質則為中度污染。

圖2 2007—2016年山西省廢水污染物排放情況

當今水環境正面臨著資源緊缺、污染嚴重、突發環境事件頻發和水生態破壞等方面的綜合性水問題［2］。水環境事件頻發導致巨大的生命財產損失［3］，作為生態屏障和經濟地帶，黃河流域在促進經濟社會發展和生態安全方面尤為重要［4］。20世紀80年代以來，黃河流域污染源變多且復雜，污染情況越發加重。內蒙古巴彥淖爾，山西省呂梁、太原和運城三市以及陜西西安段的支流污染現象更加嚴重［5］。張寧寧等［6］對2020年黃河流域水資源承載力進行預測，認為山西省段承載力接近嚴重超載，采取措施后未來會好轉。劉衛等［7］以內蒙古段為研究對象，指出生態敏感性和風險綜合評價值較高的區域均為沿黃地區人口和工業較為集中的地區。張士鋒等［8］對北京市水資源系統風險進行研究后得出，致險因子由大到小依次為短缺性、波動性、脆弱性。梁緣毅等［9］將水資源安全風險類型劃分為水量短缺、水質污染、干旱和洪澇四大風險，山西省為水質污染型風險。劉曉暉等［10］認為，針對流域水環境污染風險的防治，建議建立流域水環境風險防控系統，以降低其風險損害。

在流域水環境風險的研究中，大多數研究集中在風險防控方面［11］，對污染因素進行風險評價和治理效果評價的研究較少，具體到地級市的則更少。鑒于山西省黃河流域水資源短缺嚴重、工業污染源穩定達標困難、農業面源污染逐年加重的現實，本研究擬以黃河流經市域為單位，運用系統論和風險防范理論，構建科學的評價指標體系，對山西省黃河流域水環境存在的問題進行探究，以期能在山西省黃河流域水資源系統風險預警及防范方面起到一定的作用。

1 研究方法與數據來源

1.1 水環境安全風險評價理論模型

水環境安全風險評價即識別風險因子，對水環境的安全風險進行定量化估算［12］。鑒于水環境風險的自然屬性，根據史培軍［13］的災害系統風險理論，水環境風險由致災因子、承災體和孕災環境組成，本研究將水環境安全風險進行量化，得到水環境安全風險計算模型，水環境安全風險可表示為危險性（W）、暴露性（B）和脆弱性（C）的函數［14］，如下所示。

式中，WR代表目標風險，即水環境安全風險；W代表致災因子的危險性；B代表承災體的暴露性；C代表承災體的脆弱性。他們之間的函數關系一般通過乘法來進行計算［15］，可表示如下。

致災因子的危險性（W）是指水環境系統不安全事件的導致因素，本研究主要探究水環境質量的安全風險，因此危險性指標選取了主要污染因子，即人均廢水排放量（W1）、人均氨氮排放量（W2）和人均COD排放量（W3）這3個指標。承災體暴露性指標是指人口、經濟和水體自然因素，本研究選取人均GDP（B1）、人口密度（B2）、最小3 d流量千分比（B3）、水域面積率（B4）和濕地保留率（B5）這5個指標進行表征。根據IPCC的定義，脆弱性是指系統容易受到無法應對的不利影響程度［16］。本研究選取水環境系統無法承受的壓力因素，即降水量（C1）、人均水資源量（C2）、地下水開采系數（C3）、人均生活用水量（C4）、萬元農業產值用水量（C5）、萬元工業增加值用水量（C6）、農林牧漁總產值與地區生產總值之比（C7）和生態環境用水率（C8）這8個指標對其進行表征（圖3）。

1.2 水環境風險權重構建（AHP）

AHP（層次分析法）最早由美國學者賽惕（T.L.Satty）提出，目的是對難量化且構造混亂的多目標問題加以分析，從而獲得最優決策［17］。本研究擬利用AHP定性與定量相結合的優點，遵循科學性、客觀性與數據可得性的原則，對山西省黃河流域水環境風險因素加以提煉，設置了目標層、風險屬性層和評價指標層，最后對層面指標之間的致險因素、承險因子以及暴露性進行進一步的分析，來構建風險防范體系。

1.3 水環境安全風險評價

進行水環境安全風險評價，首先需要通過指標體系（圖3）找到相應的原始數據，根據評價目標的正、負相關關系，將原始數據分為成本型和效益型兩類。為了去除評價指標的量綱影響，以及更好地進行污染治理效果前后對比，本研究采用增長率（Z）的方式（基期為2010年，限于數據的取得性和一致性，對比年份設為2015年），然后通過層次分析法得到的權重向量W和增長率評價指標進行加權，得到危險性、暴露性和脆弱性風險屬性層的計算值。

式（3）至式（5）分別是水環境危險性、暴露性和脆弱性的計算模型。WW、WB和WC是各風險屬性層的權重；ZijWT、ZijBT和ZijCT是風險屬性層增長率指標的轉置矩陣。按照式（2）對水環境安全風險進行計算，得出每個研究對象的綜合風險評價值。運用Arc?GIS自然斷點法把風險劃分為極高、高、中等、低和極低5個等級［9］。

1.4 數據來源

本研究以黃河流經的9個山西省地級市為評價單元，涉及的降雨量數據來源于中國氣象科學數據共享網。其他數據來源于2008—2018年的中國和山西省統計年鑒、中國環境年報以及相關研究成果［6］。需要說明的是，本次研究對象不包括黃河未流經的陽泉市和大同市。

2 結果與分析

根據本研究所構建的水環境安全風險評價指標體系，結合各市域的實際數據，對山西省黃河流域水環境安全進行風險定量化估算。

2.1 確定山西省黃河流域水環境風險因素的權重

2.1.1 AHP指標體系的構建 水環境是一個復雜的系統，受自然、生態、人類社會和經濟發展的影響，系統中的不確定性彼此作用、相互影響?；诹壕壱愕龋?］對水資源安全風險評價指標體系的劃分，本研究根據實地調研結果和專家建議，依據客觀、科學、獨立和數據可得性等原則，選擇目標層、風險屬性層和評價指標層各層次要素，構建風險防范體系。在圖3中，由左向右看，左邊山西省黃河流域水環境風險評價是目標層，中間WBC是風險屬性層，分別代表致險因素（危險性）、承險因子（暴露性）、承險因素（脆弱性），右邊是評價指標層，是W、B、C所包含的各要素，其中，危險性包含W1至W3 3個要素，暴露性分別包含B1至B5 5個要素，脆弱性分別包含C1至C8 8個要素。

圖3 山西省黃河流域水環境系統風險評價指標體系

2.1.2 確定指標的權重 AHP法通過采用專家的經驗判斷，來確定相關指標的權重，因此專家的態度和專業水平、問卷的設計水平就變得非常重要。本研究采用實地調研法，專家分別選擇了山西省水利廳政府官員（2人）、研究山西省黃河流域的高校教師（3人）、山西省發改委官員（5人）、黃河流經山西段9市（各2人，共計18人）、隨機走訪調查黃河沿線縣鎮村民（36人）、游客（10人），總計74人，共收回有效問卷74份。首先請每位專家依據重要性程度對判斷矩陣的指標進行賦值（表1），接著根據判斷矩陣進行層次排序，并對相鄰層級之間的隸屬關系構造矩陣，最后運用式（6）來分別計算各自的相對權重W。

表1 判斷矩陣的指標與尺度

2.1.3 指標總排序 判斷矩陣需要通過一致性檢驗才可以進行下一步分析。因此，需要通過式（7）來計算其一致性指標，R.I.可以通過查表得到。根據C.R.是否小于0.1來判斷其一致性，如果C.R.小于0.1，則可以認定判斷矩陣具有一致性，否則需要進行重新調整（表2）。由表2可以看出，所有的C.R.＜0.1，說明這些判斷矩陣均具有一致性，可以進行下一步的層次總排序（表3）。

表2 判斷矩陣一致性檢驗結果

由表3可以看出，危險性、暴露性和脆弱性的權重值分別為0.648、0.122和0.230，說明山西省黃河流域水環境面臨的危險性重于脆弱性，也重于暴露性，山西省天然的地理位置和水文情況也驗證了這種趨勢，但各因素的重要程度并不一致。結合要素層的比重來看，隸屬于危險屬性的人均廢水排放量（W1）權重最大，人均氨氮排放量（W2）次之，隸屬于脆弱性的降水深（C1）排第三位，屬于暴露性的水域面積率（B4）則排在第四位。

表3 評價層對目標層總排序

2.2 以市域為視角進行黃河流域水環境風險評價

結合黃河流經山西省的9個地級市來看，目前權重最大的危險性，不管是人均廢水排放量、人均氨氮排放量，還是人均COD排放量，在“十二五”期間，經過5年的治理，太原、忻州、呂梁、晉中、臨汾和運城這6市的水污染局面已經得到了較好的控制，尤其是排放總量最大的朔州市，人均廢水和COD排放量都有所下降，但值得注意的是人均氨氮排放量指標在這5年內并沒有發生變化。此外，需要重點關注的是長治市和晉城市的廢水污染指標，不管是人均廢水、人均氨氮還是人均COD排放量在這5年內均不降反升，尤其是人均氨氮和人均COD排放量這2個指標增長幅度非常大。長治市有潞安集團，晉城市有山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，均為大型國有煤炭企業，由此延伸的上下游排污企業眾多，對黃河造成的污染便不言而喻。

暴露性權重最大的是水域面積率，受限于地下開采、降水稀少和工農業用水等因素，位處山西省西北面的朔州市和忻州市在“十二五”期間水域面積率減少，這對減輕環境污染相當不利。脆弱性權重最大的是降水深，由表4可以看出，位處黃土高原的山西省降水量（C1）總體呈減少趨勢，除了朔州和晉中2市有所增加外，其他7市都在減少，這對環境污染的稀釋凈化非常不利。

表4 2015年相對2010年山西省黃河流域現狀水環境危險性以及危險性指標貢獻大小

根據山西省黃河流域“十二五”期間各項指標的增長率變化，再結合WBC權重來看流經城市的風險性大小，對黃河流經的9個市域進行風險劃分（表5）。由ArcGIS自然斷點法進行風險等級劃分，分為極高、高、中等、低和極低風險5個等級。在致災因子危險屬性里，晉城市因為人均廢水和人均氨氮排放量增加幅度極大而導致風險極大，W高達131.78，排在第一位，長治市W為61.17，排在第二位，屬于高風險，省會城市太原W為-73.37，屬于極低風險，說明經過5年的水污染治理，太原市取得了較大的進步。在承災體暴露性（B）里，忻州市的水源面積率和濕地保留率都在下降，人口密度和人均GDP卻在增加，導致其風險屬于極高等級。運城市和晉城市兩市雖然人口密度和人均GDP均在增加，但是水域面積率、最小3 d流量千分比和濕地保留率卻在大幅增加，因此，屬于極低風險。在承災體脆弱性里（C），運城市降水減少，凡是效益指標均為負數，說明環境脆弱性極大，風險相應極高，高風險的是晉城市和臨汾市兩市。長治市因為人均水資源量大幅增加使得C為136.50，降水量也只是輕微減少，環境風險極低。

表5 2015年相對2010年山西省黃河流域水環境風險性

3 小結與討論

基于災害風險理論和水環境安全概念內涵，本研究構建了水環境安全風險評價體系，對山西省黃河流域水環境安全風險狀況進行了量化評價，得到了較為全面的反映。采用專家賦權法估算了指標權重，使權重的信息更具客觀性；采用增長率指標既消除了量綱，又反映了水環境的治理效果，結合專家賦予的權重能更好地反映出風險的特性；構建指標體系時，充分考慮了各指標之間的制約和影響關系，以期能更好地反映各指標與水環境風險目標層的因果關系。

基于上述方法對山西省黃河流域水環境安全風險進行了綜合評價，根據水環境安全風險評價結果對黃河流經的9個地級市進行了風險等級劃分。由于低和極低風險對經濟、人類生活和水環境安全的影響較小，水污染后恢復快，因此僅對極高、高和中等風險進行分析，并提出相應風險預警。①極高和高危險等級為晉城和長治兩市，中等風險的是朔州市，主要由水質惡化所致；②極高和高暴露等級分別分布于忻州市和朔州市；中等暴露等級則分布于晉中市和臨汾市，主要是由水量減少、人口密度增加所致；③極高和高脆弱等級分別分布于運城市、晉城市和臨汾市，中等脆弱等級的是呂梁和朔州兩市，主要原因是降水量減少、人均水資源量變少。

本研究在災害風險理論的基礎上，從水環境安全內涵展開分析，構建了3層次16個指標的水環境安全風險評價體系，從水質、水量、經濟生活層面分析其對水環境的影響，結合專家賦權法進行水環境安全風險評價，從而有效避免了信息的流失。從分析結果來看，不論是致災因子的危險性，還是承災因子的暴露性和脆弱性，晉城市的綜合風險均為最高，需要重點關注。但值得注意的是，國家公布的2019年1—12月地表水考核斷面水環境質量狀況顯示，排名后30位的城市就有呂梁市、臨汾市、晉中市和太原市，說明這4個地級市水質狀況仍待改善。

總之，山西省只有充分注意自身劣勢，積極構建風險防范體系，盡可能采取措施應對外在威脅，才能使黃河水得到進一步的凈化。