基于PSR-模糊综合评价方法的天津市水环境安全评价

董 瑞，李 霞

（天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津 300384）

水环境安全是指水系统中拥有足够的水量和安全的水质，而且水体能够维持人类社会可持续发展，满足生态系统正常持续地运转[1]。天津市河流密布，水库众多，根据2018年天津市水资源公报数据，全市总用水量28.4亿m3，全市总供水量28.4亿m3，污水排放量达到7.86亿吨，水资源总量为17.58亿m3，大中型水库年末蓄水量达到7.55亿m3，全市全年评价河长1 661.0 km，其中Ⅱ类河长占12.5%，Ⅲ类河长占11.4%，Ⅳ类河长占27.2%，Ⅴ类河长占10.4%，劣Ⅴ类河长占38.5%，全年水功能区达标率23.1%，主要饮用水源地于桥水库和团泊洼水库水质为Ⅲ类，呈“轻度富营养化”状况，尔王庄水库水质符合二类水标准，营养化程度为“中营养”，北大港水库为“中度富营养”。文献[2]利用一种新的灰色关联度算法，对长江支流汉江流域进行水环境质量评价，对整体水质进行更精确和细致地分级。田云丽[3]运用模糊综合评价方法对工业污水环境安全影响进行研究。刘禧超等[4]基于层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）的模糊综合评价模型对天津市宁河区地下水第Ⅱ含水组环境进行评价，结果判别为“基本安全”。何贝贝等[5]依据驱动力-压力-状态-影响-响应（driving forcespressure-state-impact-response，DPSIR）模型，对2009—2011年天津市水安全状况进行安全度计算，结果表明天津市水环境均处于良好等级。安全度方法简单，计算结果较模糊，不能精确地划分每年安全状况等级，因此本文采用模糊综合评价方法对天津市水环境进行安全评价。模糊综合评价方法[6]是一种基于模糊数学的综合评价方法，它把定性评价转化为定量评价，依据评价指标对被评判事物的隶属等级状况进行综合评价，能够确定水环境安全的主要影响因素，具有结果清晰和系统强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。在此方法的基础上，结合压力-状态-响应（pressure-state-response，PSR）概念模型，按照可持续性、稳定性、生态完整性和社会需求的要求构建天津市水环境安全健康评价的指标体系，选用熵权法和优序图法共同平均权重，最后确定影响城市水环境安全的主要因素，反映天津市水环境生态状况，以作为城市水环境健康管理和恢复生态安全的依据。

1 水环境安全评价体系的构建

1.1 建立评价指标体系

20世纪八、九十年代由经济合作与发展组织（OECD）和联合国环境规划署（UNEP）共同发展了用于研究环境问题的框架体系——PSR概念模型[7]，该模型对相应指标进行筛选分类，具有较强的系统性，可满足可持续性、稳定性、生态完整性和社会需求的要求，能够反映人与环境之间的复杂关系，将PSR模型与天津市水环境安全评价结合，建立水环境安全评价指标体系PSR模型。

本文利用2012—2018年的《天津市水资源公报》、《天津市统计年鉴》、《天津市生态环境健康公报》等数据来源，在PSR模型的基础上建立了3个层次25个指标的天津市水环境安全评价体系，表1为天津市水环境评价指标体系，表2为天津市各项指标原始数据。

表1 天津市水环境评价指标体系Tab.1 Tianjin water environment evaluation index system

表2 天津市各项指标原始数据Tab.2 Original data of various indicators in Tianjin

1.2 指标等级划分

综合考虑天津市水环境状况、天津市社会经济发展现状及对天津市水环境指标的分析，通过咨询专家、参考相关研究[8-10]、地表水环境标准、生活饮用水卫生标准、国家“十四五”规划、发达国家水平及全国、天津市平均水平等确定安全评价指标体系划分等级，将安全指标分为5个等级：非常安全（Ⅰ）、安全（Ⅱ）、一般（Ⅲ）、不安全（Ⅳ）和极不安全（Ⅴ），通过这5个等级能更好地反映天津市水环境安全的状况。

1.3 权重的计算

权重的计算方法分为主观和客观方法。运用一种方法不能体现计算结果的准确性使其符合事实，因此，本文将主、客观方法结合计算权重，选用优序图法[11]和熵权法[12]分别计算权重，最后计算两种方法的平均权重ω，其计算公式为：

式中，ω1为优序图法权重计算值，ω2为熵权法权重计算值。

2 天津市水环境安全评价

2.1 因素集和评价集的构造

根据天津市状况，在PSR模型的压力、状态和响应3个准则层下分别建立2个要素，即水资源要素与社会要素，构建天津市水环境安全因素集U，U=(U1,U2,U3,U4,U5,U6)，其中Ui代表影响评价对象的第i个因素，分别为P1、P2、S1、S2、R1、R2。根据指标评级等级确定评价集为V=(V1,V2,V3,V4,V5)，其中Vj代表第j种评价等级，分别为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级，水环境安全等级划分标准如表3所示。

表3 水环境安全等级划分标准Tab.3 Standards for classification of water environment safety

2.2 单因素评价矩阵

若因素集U中第i个元素对评价集V中第1个元素的隶属度为ri1，则对第i个元素单因素评价的结果用模糊集合表示为R=(ri1,ri2,…,rin)，以m个单因素评价集R1,R2,…,Rm为行组成矩阵Rm×n，称为模糊综合评价矩阵。因此，可以得到每个因素相对应的单因素模糊评价集。

由各单因素评价集，得到单因素评价矩阵R，模糊关系R可以诱导出从U到V的模糊线性变换，R∈F（U×V），即(Ui,Vj)=f(Ui)(Vj)=rij，于是（U，V，R）构成了一个模糊综合评价模型，Rj可以由模糊矩阵R∈μmn表示。

2.3 隶属度的确定

模糊综合评价中常用的隶属度函数主要有梯形隶属度函数、三角隶属度函数、S形隶属度函数等，本文采用梯形隶属度函数[13]进行计算，根据梯形隶属度函数，确定指标的隶属度函数。

根据确定的隶属度函数，计算得到2018年水环境安全评价各项指标的隶属度向量，表4为2018年各指标隶属度函数向量。

表4 2018年各指标隶属度函数向量Tab.4 Membership function vector of each indicator in 2018

2.4 确定因素权重向量

在因素集U中，每个Ui分别代表不同因素，每个因素的重要性不一样，因此要根据重要程度确定每个因素的权重，权重越大，说明该指标的影响越大。构成权重集ω，ω=(ω1,ω2,…,ωn)且

2.5 模糊综合评价

根据模糊综合评价模型B=ω·R，计算模糊综合评价向量B=(b1,b2,b3,…,bn)，对向量B采用加权平均的原则计算得到B*，确定安全等级。

1）单级模糊综合评价。对2018年各个子集进行计算，结果如下。

压力层水资源要素：

B1=(0.331 0,0.257 7,0.336 8,0.334 0,0.026 3)

压力层社会因素：

B2=(0.188 2,0.480 0,0.280 5,0.354 7,0.000 0)

状态层水资源要素：

B3=(0.180 5,0.553 2,0.672 1,0.209 6,0.000 0)

状态层社会因素：

B4=(0.346 9,0.702 6,0.083 1,0.297 4,0.015 2)

响应层水资源要素：

B5=(0.581 3,0.605 1,0.138 4,0.346 0,0.000 0)

响应层社会要素：

B6=(0.805 0,0.145 1,0.158 5,0.195 1,0.034 4)

2）多级模糊综合评价。第2层模糊关系矩阵R由B1、B2、B3、B4、B5、B6组成，模糊综合评价向量B=ω×R=（0.196 9，0.212 6，0.154 8，0.144 0，0.006 4）。计算得到各子集综合评价值：综合评价值B*=2.37。

根据以上计算结果，将评价结果根据相关要求和国内外文献[8，14]研究结果分为5个等级，可以得到天津市2018年水环境状况综合评分等级属于第Ⅱ等级，水环境安全等级划分标准如表3所示。

根据表3和表4，可以分别计算得到2012—2018年天津市各要素层评价值和水环境综合评价值及安全等级，表5为2012—2018年天津市水环境安全评价值-安全等级。

表5 2012—2018年天津市水环境安全评价值-安全等级Tab.5 2012—2018 Tianjin water environment safety evaluation value-safety level

3 结果分析

从表5可知，2012—2017年天津市处于一般安全状态。通过原始数据可知，2012—2015年天津市氨氮排放量、化学需氧量等数值较高，是由于食品和化工的快速发展，污水废水等排放量较多等原因，造成水体污染比较严重。2018年天津市综合评价处于第Ⅱ等级，这是由于2018年是全面打响污染防治攻坚战的第1年，天津市扎实推进污染防治攻坚战，系统整治和深入推进水污染治理，重点防治工业废污水、城市生活污水等，主要污染物达到地表水Ⅳ类或Ⅴ类水质标准，强化农村污染治理和对黑臭水体进行治理，完成25条黑臭水体的治理和检测任务，建成区基本消除黑臭水体，劣Ⅴ类比例降至25%、同比减少15个百分点，污水回用量达到4.139 6亿m3。

根据表5可知，压力层水资源要素在2012—2018年内浮动范围较大，从原始数据看，全市入境水量逐年减少，总用水量逐年增加，其中人均日生活用水量和工业用水量处于下降趋势，生态环境用水量逐年增加，当农业用水量减少时，生态环境用水量增加，影响因素为生态环境用水。2018年生态环境用水减少，水环境安全综合评价等级从第Ⅳ级变为第Ⅱ级。2012—2018年压力层社会要素一直处于第Ⅲ级，但整体处于上升趋势，人口自然增长率、氨氮排放量和化学需氧量减少，人口密度和废污水排放量增加，主要影响因素为人口密度。随着外来人口增多，人口密度逐年增大，废污水排放量随之增多，2012—2015年天津市发布污染减排任务，2016-2018年进行污染防治工作，狠抓“工业污水、生活废水、养殖废水”，改善天津市水环境污染状况。

状态层水资源要素评价值2018年评价值降低，但依然是处于一般状态，2012年处于第Ⅱ等级，各项指标数值均高于其他年份。从数据看，水库蓄水量和引水工程蓄水量浮动范围较小，年平均降水量影响着水资源总量，年平均降水量增多，水资源总量也增多，2012年、2016年和2018年，在其他指标基本没有变化，这两项指标值增加时，综合评价值也随之降低，因此年平均降水量是主要影响因素。社会要素评价等级在Ⅱ-Ⅲ等级之间变化，2015年和2018年评级为安全状态，根据表2各项指标数据，人均国内生产总值和近海海域水功能区达标率逐年增加，城镇化率值在2015年和2018年较大，因此主要影响因素为城镇化率。

响应层水资源要素评价等级在Ⅱ-Ⅳ级之间，变化范围较大，整体呈上升趋势，到2018年达到第Ⅱ等级。根据表2数据可知，海水淡化量变化幅度较小，污水处理率和污水处理回用量逐年增加，随着社会经济和科技的快速发展，污水处理设备的不断更新，提高了污水处理技术，主要影响因素是污水处理率和污水处理回用量。社会要素在评价期间一直处于较高状态，根据表2和表5数据可知，生活垃圾无害化处理率和工业固体废物综合利用率一直处于稳定状态，建成区排水管道密度数值逐年减少，环保投资占验收项目总投资百分比在2014年和2015年增加较大，2014年天津市加强饮用水源保护、实施清水河道行动和加强污水处理厂管理，处于非常安全状态，主要影响因素为环保投资占验收项目总投资百分比。

4 结论

本文采用模糊综合方法对天津市水环境安全进行评价，共选用25个指标，评价结果显示，除2018年综合评价等级为Ⅱ级外，其余年份均处于Ⅲ级状态，整体评价值呈下降趋势。通过评价结果，可以看出生态环境用水、人口密度、年平均降水量、城镇化率、污水处理率、污水处理回用量、环保投资占验收项目总投资百分比等7个指标为影响天津市水环境安全的主要因素，这是未来天津市应该重点解决的方向，应针对评价结果采取相应的评价措施，实现水资源可持续发展。