基于物元可拓模型的黃河蘭州段突發水污染安全評價

崔文祥, 靳春玲, 貢 力, 劉晶晶, 蘇 旸

(蘭州交通大學 土木工程學院, 蘭州 730070)

突發水污染指水體因固定污染源或移動污染源排放的污染物的介入，而引起水質變化，影響水的有效利用，危害人體健康或破壞生態環境的現象。近年來，伴隨著經濟快速增長，中國突發水污染事件頻發。據統計，2014—2019年全國共發生突發環境事件1 900余起，其中生態環境部直接調度、指導處置的突發環境事件434起，水污染事件占60%左右[1]。2016年陜西省漢中市發生交通事故，30 t柴油泄漏流入嘉陵江支流，對該水源地居民飲水安全問題造成重大安全隱患；2017年漢中鋅業銅礦違法加工并排放廢水，導致嘉陵江廣元段水質受到污染，鉈濃度嚴重超標，對水源地水質安全造成了巨大影響[2]。因此建立科學、合理、有效的突發水污染評價指標體系及評價方法，對提高水環境風險應對能力、保障水生態環境安全具有重大意義。

針對突發水污染事件風險評價方面的研究，國內外專家、學者已取得了一定成果。國際上關于突發水污染風險評價的研究始于對海上溢油事故后果的定性評價，Canelas[3]首次對溢油事故風險狀況進行了定性分析；Rebelo等[4]為向決策者評估污染風險提供技術支撐，提出了一種多準則概念模型；Fuhrer等[5]對因泄漏事故而存在于水體中的有毒化學物苯乙烯進行分析評價；國內的相關研究起始于2005年松花江重大突發水污染事件，如龍巖等[6]采用數據包絡分析對突發水污染應急調控措施進行了探討；練繼建等[7]利用層次分析法構建了指標體系，對區域風險進行了分級；靳春玲等[8]通過研究流域突發水污染事故的特點及發生機理，從風險源、控制機制和風險受體出發，構建指標體系并進行黃河蘭州段流域突發水污染風險評價；許靜等[9]對流域突發水污染事件研發了一套快速模擬與預警系統；貢力等[10]引入ERG需求模型，構建幸福河評價指標體系，開展對幸福河(黃河蘭州段)等級的定量評價。

總結前人研究發現，專家學者針對突發水污染的研究主要集中于風險識別和預警等方面，而對風險評價方面研究較少；傳統的權重確定方法是將兩種具有主觀性和客觀性的賦權方法組合，但過于主觀或客觀的方法在確定組合權重時并不能有效地避免誤差產生。因此本文在明確界定突發水污染概念的基礎上，運用壓力—狀態—響應(pressure-state-response, PRS)模型構建突發水污染風險評價指標體系，通過灰色關聯分析法(grey relational analysis， GRA)和主成分分析法(principle component analysis， PCA)組合確定各指標權重，克服了主客觀組合賦權法會產生誤差的缺點，最后引入物元可拓模型，以黃河蘭州段2014—2019年為例，分析得出其對應風險等級。對黃河蘭州段的突發水污染安全等級劃分，以期為黃河其他流域段全及國其他流域突發水污染風險的評價提供參考。

1 研究區概況及數據來源

黃河蘭州段位于黃河上游，西起永靖縣境內的劉家峽水庫，東至景泰縣的五佛寺，全長358 km。黃河從蘭州市穿城而過，是蘭州人民生活用水和工農業用水的重要水源，且城市人口密集、工礦產業眾多導致了黃河水體脆弱性較強，其水質狀況、水生態安全狀況對蘭州居民的健康及環境安全有著直接且重大影響。因此，對黃河蘭州段進行突發水污染事故風險評價是必須且必要的。

本文在對黃河蘭州段調研的基礎上，通過查閱《中國水資源公報(2014—2019)》《甘肅省水資源公報(2014—2019)》《甘肅省統計年鑒(2014—2019)》《蘭州市環境狀況公報(2014—2019)》《蘭州市統計年鑒(2014—2019)》及相關科研文獻等方式獲取數據資料。

2 研究方法

2.1 利用PSR模型構建指標體系

PSR模型[11]是20世紀80，90年代經濟合作與發展組織(OECD)和聯合國環境規劃署(UNEP)提出，該模型針對：“壓力—狀態—響應”這一因果邏輯關系，反映了人類與社會之間的相互作用關系，可廣泛應用于環境問題的相關研究[12-13]。如圖1所示，通過對黃河蘭州段的自然地理環境和社會經濟狀況調研，在遵循科學性、整體性、代表性、數據可獲得性等指標體系構建原則基礎上，從壓力層、狀態層、響應層3個層級綜合確定指標體系，最終選取了人均水資源量、工業產值萬元用水量、水質類別、城市人口密度、污水處理率、流域管理制度等16個相關指標構建了黃河蘭州段突發水污染風險評價指標體系[14-15]。

圖1 黃河蘭州段突發水污染安全評價指標體系

2.2 指標體系等級劃分

根據《突發環境事件信息報告辦法》《全國環境統計公報》《國家突發環境事件預案》以及相關文獻資料[16-17]，將突發水污染安全評價等級劃分為4個等級，具體為：特別重大(Ⅰ級)、重大(Ⅱ級)、較大(Ⅲ級)、一般(Ⅳ級)，各指標等級劃分標準見表1。

表1 黃河蘭州段突發水污染安全評價指標體系劃分

2.3 灰色關聯分析法

灰色關聯分析法(GRA)是基于鄧聚龍教授提出的灰色理論基礎上優化得到的一種多因素數據統計分析方法[18]。其根據序列對應指標之間變化趨勢的相似性來判斷序列的關聯度，其具體步驟如下：

2.3.1 確定分析數列

①參考數列：反映各指標標準值的數據序列。

Y=Y(k)(k=1,2,…,n)

(1)

②比較數列：由各樣本指標實際數據組成的數據序列。

Xi=Xi(k)(k=1,2,…,n;i=1,2,…,m)

(2)

2.3.2 變量歸一化 為避免不同量綱帶來的計算不便，需對指標數據進行規范化處理。

式中：k表示指標個數;i表示樣本個數。

2.3.3 計算關聯系數

ξik=

式中：ρ為分辨系數,表示兩個數據序列在某個具體時刻關聯度的大小。一般情況其值越小分辨力越佳,取值介于0到1較為合適,一般取值為0.5。

2.3.4 計算權重

2.4 主成分分析法確定權重

主成分分析法(PCA)是常用的線性降維數據處理方法，其主要思想是將原始數據中有一定相關性的變量重新組合成一組新的相互無關的綜合變量來替代原始變量[19]。設該方法確定出的權重為W2，具體計算步驟如下：

(1) 假設存在m個待評對象，對每個待評對象有n個評價指標，組成一個m×n的數據分析矩陣Z。

式中：Zij為第i個待評對象的第j個指標,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。

(2) 對分析矩陣進行標準化處理并計算其相關系數矩陣R，通過解方程|λL-R|=0(L為特征向量矩陣)，求出R的特征值及特征向量，其中特征向量為：λ1>λ2>…>λm，其對應的特征向量為：l1>l2>…>ln。

2.5 組合權重的確定

通過上述兩種方法分別得到權重W1，W2。運用矩估計理論對以上兩種權重結果進行組合賦權，既可以保持灰色關聯分析法對指標客觀描述的特點，同時可利用主成分分析法修正其對指標特點描述不強的缺陷[20]。

組合權重為：

W=αW1+βW2

(8)

式中：0≤W≤1,α+β=1。

又由于組合權重分別由上述兩種的權重求得，則可計算出其對應的權重期望值為：

則有：

則α，β的表達式可寫為：

根據公式(9)—(11)可得α=0.512 6，β=0.487 4，將系數和W1，W2代入公式(8)可得組合權重，具體為：W=0.512 6W1+0.487 4W2。

2.6 物元可拓模型

物元模型由20世紀80年代中國學者蔡文提出的可拓理論發展而來，其優于解決不相容的復雜問題，可從定性和定量兩個角度進行分析，適合多因子評價[21-23]。突發水污染問題可以看做一個不相容問題，根據物元分析法構建突發水污染安全評價模型，具體步驟如下：

2.6.1 確定經典域、節域和評價物元 該理論以3個基本量組成一個有序組R=(N，C，V)來表征待評對象特征，其中N代表待評對象名稱，C為對象指標值，V為指標等級劃分區間。其中經典域表示為Rj：

式中：Rj為經典域,是由Nj,Cj,Vij組成的物元;Nj表示突發水污染安全等級的第j個等級,即為特別重大(Ⅰ級)、重大(Ⅱ級)、較大(Ⅲ級)、一般(Ⅳ級);Cj表示第j個等級Nj的特征,即指標因素;Vij表示第i個指標第j個分級取值范圍,aij,bij分別表示各等級取值的上限值和下限值。

節域表示為RP：

式中：RP為節域,aij,bij分別表示各等級下指標的全部取值范圍的上限值和下限值。

待測對象可以組成物元R：

式中：Vi為指標對應的實測值。

2.6.2 關聯函數的計算 物元可拓的關聯函數的值域為(-∞，+∞)，極大地擴大了研究范圍，可得到更多的分異信息；在等級確定上結合某些客觀標準先對評價指標的經典域進行區間界定，之后通過各指標的關聯函數計算得到其對應狀態，最后利用模型集成得到所有指標的綜合水平，提高了等級判定的客觀性和科學性。

關聯度K可以表示為：

式中：|Vji|=bij-aij。Kj(vi)代表各指標關聯度。ρ(vi,Vji)；ρ(vi,Vji)分別代表vi與有限區間Vji,Vpi的距離。

2.6.3 等級判斷 綜合關聯度計算公式為：

式中：Kj(q)代表綜合關聯度;Wi為指標權重。

3 結果與分析

3.1 權重計算

參考相關科研文獻及查閱2014—2019年公報年鑒，獲取了16個突發水污染安全評價指標2014—2019年的詳實數據，采用Matlab編程計算GRA權重W1，采用SPSS 22.0軟件計算PCA權重W2，利用GRA-PCA組合賦權法確定各指標綜合權重，具體結果見表2。

表2 黃河蘭州段突發水污染安全評價指標體系及權重

3.2 模型評價過程

基于得到的權重計算結果，將其代入到物元可拓模型計算，步驟如下。

3.2.1 計算各指標關聯度 將各指標2014—2019年對應數據代入物元可拓模型中計算，其中物元可拓模型通過Matlab編程實現，通過計算可得2014—2019年各指標對應的關聯度，計算結果見表3。以2014年C1指標(人均水資源量)舉例展示模型計算過程，將指標C1對應2014年數據v1=891代入式(12)—(16)，可得該指標對應各評價等級的關聯度分別為：k1(v1)=0.045，k2(v2)=-0.045，k3(v3)=-0.523，k4(v4)=-0.682，從而判定該指標安全等級為Ⅰ級，即屬于“特別重大”水平。同理可得到其他指標對應關聯度，鑒于篇幅所限，文中只列舉了2014年各指標對應關聯度，表3中列出了2014—2019年指標關聯度確定的安全等級。

3.2.2 計算綜合關聯度 將得到的各項指標對應各等級的關聯度(表3)與其對應的權重(表2)輸入式(17)求出所有指標的綜合關聯度(表4)，分別為k1(N2014)=-0.333，k2(N2014)=-0.112，k3(N2014)=0.126，k4(N2014)=-0.412。由此可判定2014年黃河蘭州段突發水污染安全等級為Ⅱ級，即“重大”級別。同樣的方法求得黃河蘭州段2015—2019年突發水污染安全等級。

表3 黃河蘭州段2014-2019年突發水污染安全評價指標關聯度

由表4中可以看出，黃河蘭州段突發水污染安全評價等級2014年為Ⅱ級(重大危險)，2015，2017，2018年為Ⅲ級(較大危險)，2016年為Ⅰ級(特別重大危險)，2019年為Ⅳ級(一般危險)；從時間順序上來看，黃河蘭州段突發水污染安全評價等級由Ⅱ級(重大危險)上升到Ⅳ級(一般危險)，對應危險程度在逐年降低；對上表中得到的關聯度確定的安全等級進行分析，可以看出，C4(污水排放量)、C13(事故應急響應能力)、C15(污水處理率)等指標對于當前年份安全等級的影響程度較大，而這些指標對應的安全等級多為Ⅲ級(較大危險)、Ⅳ級(一般危險)，屬于“良性”指標，從這些指標的實際意義出發可以反映出近年來關于黃河蘭州段突發水污染狀況在逐年改善；從上述分析可見，做好對污染源的排放質量的控制、加強對流域水安全相關制度的完善等措施對減少突發水污染影響具有非常顯著的效果。2016年安全評價等級為Ⅰ級，2015，2017年均為Ⅲ級，但k1(N2016)=-0.241與k3(N2015)=-0.24非常相近，分析造成該年份安全評價等級與其他年份產生較大差異的原因是其他相關指標的片面性造成的，總體來看黃河蘭州段突發水污染危險程度在逐年降低，水安全狀況在逐年變好。

表4 黃河蘭州段2014-2019年突發水污染安全等級對比

據滕汶瑾[25]在《筑牢生態安全屏障推動黃河蘭州段生態保護和高質量發展》及王云祥[26]在《巧做山水文章筑牢生態屏障》中指出，截止2020年上半年，黃河蘭州段干支流水質保持優良、出境水質評價穩定達到Ⅱ類、轄區內水質達標率及全市縣級以上飲用水水源地水質達標率均為100%，以上報道也能對本研究結果的可靠性和準確性進行佐證。

4 結 論

(1) 為保證對黃河蘭州段突發水污染安全評價的全面性、客觀性、準確性，本文利用PSR模型建立評價指標體系，通過GRA-PCA組合賦權法確定各指標綜合權重，考慮到突發水污染安全評價是一個復雜定性多指標評價，引入物元可拓模型建立黃河蘭州段突發水污染安全評價模型，實現對黃河蘭州段突發水污染安全的定量評價。

(2) 通過GRA-PCA組合賦權法確定各指標權重，利用物元可拓模型構建黃河蘭州段突發水污染安全評價等級模型，計算得到黃河蘭州段2014—2019年的突發水污染安全評價等級由Ⅱ級(較大危險)向Ⅳ級(一般危險)躍升，評價結果與近年來黃河蘭州段突發水污染治理效果基本一致，這表明該模型對黃河蘭州段突發水污染安全等級評價的結果合理可靠。

(3) 限于資料收集不夠充分，本文只針對了黃河蘭州段進行了模型的應用評價。研究表明，黃河蘭州段突發水污染安全的評價結果是非常貼合實際的。鑒于本文研究實例隸屬黃河流域范圍，因此該模型可擴展應用于黃河其他流域段突發水污染評價，亦可為全國其他流域突發水污染風險的評價提供借鑒。