白洋淀上游河流水環境風險評價

任曉強，李 娜，管孝艷，3，陶 園，3，彭 舟

（1.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京100048；2.中國灌溉排水發展中心，北京100054；3.國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京100048）

隨著我國人口不斷增長、工業化進程加快以及社會經濟發展，誘使水環境問題凸顯，水環境風險分析越來越被關注，其可為水環境風險管理提供參考和依據［1］。作為“華北明珠”，白洋淀是雄安新區發展建設的重要依托，其在促進流域周邊城市生態建設、調節生態氣候、保護物種多樣性和維持華北地區的生態平衡等方面發揮著十分重要的作用［2］。上游入淀河流作為白洋淀的天然水源，其水環境質量直接影響白洋淀的環境治理和生態恢復，因此，白洋淀上游入淀河流水環境風險評價十分必要［3］。

水環境風險評價是水環境風險管理和污染防治的基礎。目前，國內外研究學者在水環境風險評價的理論基礎和實際應用方面都取得了一定的進展。20世紀80年代初，美國國家科學研究院（NAS）和環保局（USEPA）首先提出了基于危害鑒定、劑量-效應評價、暴露評價、風險表征的“四步走”方法用以評價水中污染物給人體健康所帶來的風險［4］；Nazar 等［5］較早提出了表征環境風險的量化指標，為環境風險從定性評價轉為定量評價提供了基礎；祝慧娜等［6］綜合考慮水環境污染的脆弱性和對人體健康的危害性，構建了河流水環境污染風險模糊綜合評價模型，并將其成功運用于湘江水環境風險評價中；魏娜等［7］將世界自然基金會（WWF）提出的水環境風險評估指標進行了本土化的調整，構建了適應中國國情的流域水環境風險評估指標體系。經過了多年研究發展，國內外已基本形成了比較成熟的區域水環境風險評價指標和評價體系，推動了水環境風險評價在實踐中的應用。

然而，目前水環境風險評價多以流域、水源地為研究對象［8］，對河流水環境風險的研究尚少，且大多注重水質、水量或者單一污染物的風險研究［6］，因此亟待開展綜合性河流水環境風險評價研究。本研究以白洋淀上游入淀河流為研究對象，考慮河流上下游河段風險傳遞性，從風險源、河流特性、自然地理及社會發展條件、水污染治理能力等因素出發，構建了白洋淀上游河流對白洋淀水環境影響的風險評價體系，并利用改進層次分析法（IAHP）和水污染綜合指數法對白洋淀上游入淀河流進行風險評價，為河流及白洋淀水環境污染防治和風險管理提供參考。

1 研究區概況

白洋淀流域位于華北平原中部，地處山西、河北、北京三省交界處，地理位置為東經113°39′～116°11′，北緯39°4′～40°4′，屬于海河流域大清河水系，流域面積約為3.11 萬km2［2］。白洋淀位于流域下游地區，是華北平原最大的淡水湖［2］。白洋淀上游共有8條入淀河流，分別為潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河和白溝引河（潴龍河和萍河因常年斷流，不納入研究范圍）（圖1）。白洋淀流域人口稠密，水資源總量相對匱乏，社會正常經濟活動的用水量持續增加，除府河、孝義河、白溝引河、瀑河長期有水外，其余入淀河流為季節性河流，部分依靠引黃入冀或南水北調維持水面［3］。白洋淀上游入淀河流水質較差，絕大多數河流監測斷面水質處于Ⅳ～劣Ⅴ類水平，主要污染物為化學需氧量（COD）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）等［11］。

圖1 白洋淀上游入淀河流Fig.1 The rivers into Baiyangdian Lake in upper Baiyangdian basin

2 研究方法

2.1 風險評價單元劃分

收集白洋淀流域數字高程模型（DEM）數據，并利用ArcGIS中的水文分析模塊劃分白洋淀子流域，同時考慮流域內的行政區劃、水功能區劃以及《水污染防治行動計劃》（即‘水十條’）的要求，對白洋淀子流域的邊界范圍進行修正［12］。子流域劃分完成后，將白洋淀上游入淀河流，按照縣區分成若干個河段單元，同時參考白洋淀各子流域的控制范圍，以及各個縣區的行政邊界，劃分每個河段單元的流域控制范圍，最終生成22 個水環境風險評價單元，文中以“河流名稱—縣級行政區名稱”的方式命名評價單元。

2.2 風險評價指標體系建立

水環境風險評價指標體系的建立是進行水環境風險評價的前提和基礎。考慮到風險沿河流方向的傳遞性和累積性，把一條河流相鄰兩個河段中的上游河段看作下游河段的潛在風險來源之一，在遵循科學性、代表性、全面性、可比性、方便性等原則基礎上［13］，從風險源、河流特性、自然地理及社會發展條件、水污染治理能力等因素出發，構建了考慮河流上游河段對下游河段影響的水環境風險評價體系（表1）。

表1 河流水環境風險評價指標體系Tab.1 River water environment risk assessment index system

（1）風險源子系統。風險源的有效辨識是水環境風險評價的前提和基礎。風險源子系統中選擇單位耕地面積化肥施用量、畜禽糞便排泄量、農村生活污水排放量、農村人體糞尿排泄量作為面源污染的評價指標。其中，單位耕地面積化肥施用量反映研究區域種植業污染程度，畜禽糞便排泄量反映研究區域畜禽養殖業污染程度，農村生活污水排放量、農村人體糞尿排泄量反映研究區域農村生活源污染程度［14］。選取單位GDP 工業廢水排放量作為點源污染的評價指標。此外，在河流下游河段水環境風險評價中，還需考慮來自相鄰上游河段的水環境影響，因此，選擇相鄰上游河段的風險值及其到相鄰上游河段的距離作為下游河段污染的評價指標。

（2）河流特性子系統。河流特性可以直接反映河流水資源與水環境現狀，也是水環境評價系統的重要組成部分。以河流水質現狀、河流水功能區達標率指標直接反映河流水環境現狀，多年平均年排水量或徑流深×流域面積直接反映河流水資源現狀以及其對污染物濃度及污染物遷移的影響。

（3）自然地理及社會發展條件子系統。自然地理及社會發展條件是水環境風險的間接驅動要素。在流域的發展過程中，人類的社會經濟活動起主導作用。選取人口數量、人口自然增長率和人均GDP 作為社會發展的評價指標，其中人口數量、人口自然增長率反映研究區域人口規模和變化情況，人均GDP 反映研究區域經濟發展水平的高低［15］。選取污染源到白洋淀的距離指標來反映研究區域內污染物遷移到流域出口-白洋淀的衰減作用。

（4）水污染治理能力子系統。水污染治理能力是河流水環境污染防治和風險管理的主要驅動要素。采用工業廢水排放達標率反映工業點源污染控制和治理水平，采用城鎮生活污水集中處理率反映研究區域內城鎮生活污水集中收集處理設施的配套程度，采用城鎮垃圾收集率反映研究區域內對城鎮生活垃圾的處理能力［16］，采用環保投資占GDP比重以反映研究區域內對環境保護投入的重視程度。

2.3 評價指標權重的確定

層次分析法（AHP）是一種較為常見的賦權方法。然而，傳統層次分析法（AHP）采用Saaty［17］提出的1～9 標度法來構造判斷矩陣。當評價體系中指標較多時，不僅迭代次數較多，運算量大，而且判斷矩陣很可能因一致性較差（甚至不具有一致性）而導致計算出的指標權重可靠性較低。因此，本研究運用已有的改進層次分析法（IAHP）［17，18］，采用三標度法（0，1，2），對指標進行兩兩比較，建立比較矩陣，進而確定判斷矩陣。該方法具有自調節功能，不需要進行一致性檢驗，與傳統層次分析法（AHP）相比，標度值具有合理性和良好的判斷傳遞性，在比較判斷過程中提高了準確性。該方法計算步驟包括構建風險評估指標體系、建立調查問卷并邀請水環境領域的專家對各評價指標的相對重要性給予判斷、構造判斷矩陣、求解特征向量、層次單排序、層次總排序確定各評價指標的最終權重。最終的計算結果見表1。

2.4 數據來源及處理

研究區域內各縣區的人口數量、經濟生產總值（GDP）、人口自然增長率、耕地面積、化肥施用量（折純量）、畜禽養殖量、工業廢水排放達標率、城鎮生活污水集中處理率、城鎮垃圾收集率、農村人口數量等數據主要來自于各地區2017年年鑒或經濟統計年鑒；水質數據主要來自于2017年政府網站發布的部分斷面水環境質量以及實地采樣檢測數據；節能環保支出數據主要來自于2017年各縣區政府公共預算支出；工業廢水數據主要來自于生態環境廳/局給出的污染重點監測企業相關信息；畜禽糞便排泄系數、農村人體糞尿產生系數主要來自于文獻［19］、農村人均生活污水產生系數主要來自于文獻［20］。

畜禽糞便排泄量、農村生活污水排放量、農村人體糞尿排放量等面源污染指標采用輸出系數模型來計算［21，22］。研究單元到上游河段的距離、污染源到白洋淀的距離等指標利用河流水系圖以及ArcGIS 軟件來實現。上游河段的風險值是采用綜合指數加權求和法來實現［7］。

2.5 評價指標等級及水環境風險等級劃分

白洋淀上游入淀河流水環境風險評價指標等級劃分的依據是：①優先采用國家標準或者省、市標準規定的等級分類值；②相關研究領域的參考文獻較多時，參照文獻中指標的分級標準，并結合研究區域的實際情況來對指標的評價等級進行劃分［23］；③當沒有國家、省市標準或者相關的參考文獻分級數據可以參考的情況下，使用韋伯-費希納定律（W-F 定律）來計算指標的分級標準界限值［24］。白洋淀上游入淀河流水環境風險評價指標分級標準見表2。

表2 河流水環境風險評價指標分級標準Tab.2 Classification standard of river water environment risk assessment index

白洋淀上游入淀河流水環境風險綜合評分值的計算采用綜合指數加權求和法，即用各評估指標的評分值與它的權重系數相乘并求和來反映河流水環境風險的大小。其數學表達式為：

式中：R為水環境風險綜合評分值；Si為各評價指標的評分值；Wi為各評價指標的權重值；i為各評價指標；n為評價指標的個數。

河流水環境風險綜合評分值的計算結果越大，水環境風險程度越大，反之越小。若最終計算結果屬于（0，1］，則風險等級為Ⅰ（無風險或者可接受風險），風險產生概率極低或破壞性極弱；屬于（1，2］，風險等級為Ⅱ（低風險），要約束用水行為來防范風險；屬于（2，3］，風險等級為Ⅲ（中風險），風險發生或者潛在存在造成一定損害；屬于（3，4］，風險等級為Ⅳ（高風險），風險極易發生并造成極大破壞；屬于（4，5］，風險等級為Ⅴ（極高風險），風險發生頻繁且造成不易恢復性破壞［7］。

3 水環境風險評價結果與分析

2017年白洋淀上游入淀河流水環境風險評價計算結果如圖2 和表3、4所示。從計算結果（圖2 和表3）來看，2017年白洋淀上游入淀河流總體風險等級為Ⅲ級（個別河段除外），屬于中風險區域，即存在潛在風險并會給下游的白洋淀造成一定損害。孝義河的定州段、安國段、博野段及蠡縣段風險等級為Ⅳ級，屬于高風險區域，該區域極易發生水環境風險并會對下游的白洋淀造成極大影響；唐河—淶源段風險等級為Ⅱ級，是研究區域內唯一的低風險區域。

表3 河流水環境風險評估結果Tab.3 Assessment results of water environment risk of the rivers

圖2 河流水環境風險分布Fig.2 Distribution of water environment risk of the rivers

對不同河段水環境風險評價指標得分熱力圖（表4）進行分析可知，影響白洋淀上游入淀河流水環境風險水平的主要原因在于環保投資占GDP 比重、單位耕地面積化肥施用量、河流水質現狀和河流水功能區達標率等指標。白洋淀上游入淀河流周邊多數縣區對水環境保護的重視程度稍顯不足，環保投資占GDP 比重較低，按照國際經驗，當地區的環保投資占GDP 比重小于1%時，難以控制環境惡化的趨勢。白洋淀上游入淀河流主要分布在大清河淀西平原內部，其農業生產條件很好、農業經濟比較發達，是我國的主要產糧區［25］。絕大多數風險評估單元控制的流域范圍內化肥施用強度達到國際公認化肥施用安全上限（225 kg/hm2）的3～5倍之多，給周邊河流帶來較大的環境壓力。此外，白洋淀上游入淀河流多數河段的水質現狀較差，河流水功能區達標率較低，河流水環境長期面臨較大的風險壓力，特別是對孝義河定州段、安國段、博野段及蠡縣段等水環境高風險河段。

表4 不同河段水環境風險評價指標得分熱力圖Tab.4 The height map of water environment risk assessment index scores in different river sections

除上述評價指標影響外，孝義河—曲陽段、唐河—渾源段、唐河—靈丘段和唐河—安新段的主要風險成因還包括這些河段控制范圍內人均GDP 指標水平比較低；漕河—易縣段、漕河—徐水段、唐河—靈丘段、唐河—唐縣段和唐河—定州段等河段控制范圍內畜禽養殖業較發達，畜禽糞便排泄量指標處于較高水平，加之基礎設施的不完善，畜禽糞便無法得到妥善處理，給周邊的河流水環境帶來較大風險。

通過上述分析，在白洋淀上游入淀河流生態環境的治理與修復方面，未來應進一步加大環境保護投資，妥善處理經濟增長與農業面源污染的關系，降低化肥施用強度，優化畜禽養殖模式，實施畜禽糞便資源化利用，同時進一步加強對河流水體的治理力度，改善河流水質條件。

4 結 語

構建了考慮河流上下游河段風險傳遞性的白洋淀上游入淀河流水環境風險評價指標體系，并運用改進層次分析法（IAHP）和綜合指數加權求和法計算了各評估單元的水環境風險綜合評分值。結果顯示。

（1）2017年，白洋淀上游入淀河流總體處于中風險區域，孝義河—定州段、安國段、博野段和蠡縣段屬于高風險區域，極易發生水環境風險并會對白洋淀區域造成極大破壞；唐河—淶源段是研究區域內僅有的低風險區域。

（2）影響白洋淀上游入淀河流水環境風險等級的主要原因是環保投資占GDP比重、單位耕地面積化肥施用量和河流水質現狀等指標。

（3）在白洋淀上游入淀河流生態環境的治理與修復方面，應加大環境保護投資，妥善處理經濟增長與農業面源污染的關系，降低化肥施用強度，優化畜禽養殖模式，實施畜禽糞便資源化利用，同時加強對河流水體的治理力度，改善河流水質條件。□