汉江干流城市水环境安全评估研究

涂 燕,张 稳,李宗敏,聂 玲

(1.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070；2.四川大学 商学院，四川 成都 610065；3.成都大学 商学院，四川 成都 610106)

水环境安全管理一直是研究的热点话题，而水环境安全评估是开展水环境安全管理与调控的前提和基础，备受学者关注。近年来，随着城市人口的逐渐增多和城市的快速发展，水污染问题不断加重，甚至发生了水资源短缺现象，使得区域的可持续协调发展受到制约[1]，在此背景下，国家加强了对水资源的管理，党的十八大召开为生态文明建设拉开了新的帷幕，其中水资源管理更是生态文明建设的主要内容，国家和地方政府相继出台了关于水资源保护和综合治理的政策，水资源管理问题成为了当下研究的热点。

汉江是长江中游的主要支流，推动了多个城市的发展，但是城市的高速发展也给汉江的水环境安全带来了许多压力，城市发展带来的水污染问题在不断加深，水资源容量也在锐减[2]；汉江是南水北调工程的重要基地，随着南水北调工程的开展，汉江的水环境安全状态也发生了改变，汉江流域的水资源容量下降，自身净水调节能力减弱。同时，汉江水体中的污染物浓度增加，干流城市的水质也不达标，在如此严峻的形势下，汉江流域城市缺乏健全的水资源安全管理体系，在水资源的安全管理方面也存在不足，这些都严重阻碍了汉江流域的持续发展，因此关注汉江流域主要城市的水环境安全状况从而进行合理管控至关重要。

1 文献综述

“水安全”一词在2000年斯德哥尔摩水论坛上被首次提出，随后学者们就水环境安全开展了大量研究[3]，主要集中在研究水质、水环境管理和地区可持续性发展3方面。如陈慧源等[4]以水环境安全治理工程为基准，针对城市水环境安全的现状，提出了水环境安全工程的管理经验；冯庆[5]从水质、水量、生态和社会经济4个方面研究滇池流域的水污染状况，并提出加强风险管控的建议；刘录三等[6]研究了长江流域的水生态环境安全问题，着眼于水资源的质量，提出了治理建议；李艳丽等[7]采用模糊综合评价法对重庆市的水环境安全进行评价，得到了其评价等级；张宁宁等[8]从量-质-流-域4个维度对黄河流域61个地市的水资源承载力进行评估，得到了各地区承载力的分布结果。ZHAO等[9]在淡化海水进入城市管网的背景下，研究城市水质安全变化对城市水环境安全的影响，提出了完善安全监管体系的建议；JEANDRON等[10]对城市水的水质和水量之间的关系进行了研究，提出了水质和水量对城市水环境安全的重要性，水质和水量的不达标甚至会直接影响城市居民的健康；TANG等[11]对安徽地区的水资源绩效进行了评估，描述了水资源短缺风险对城市水环境安全带来的挑战。

综上所述，如何有效评估城市的水环境安全问题是研究的重点，但目前已有研究对城市水环境安全评估尚没有形成一个系统的指标体系，且综合分析多个城市的水环境安全评估状况的研究也较少。因此，笔者针对水环境状况不容乐观的汉江干流城市，建立了城市水环境安全评估的三维指标体系，运用博弈论思想来综合主客观权重，采用正态云模型对汉江干流多个城市的水环境安全进行评估，得到了各个城市水环境安全状况的分级结果，并提出了相应建议，以期为水环境安全管理提供参考。

2 研究方法

2.1 城市水环境安全评价指标体系构建

笔者研究的水环境安全是指水环境、社会经济、生态环境之间的循环状况以及水资源的可持续发展的状态。基于水环境安全的定义和文献调研[12-13]，初步建立了水环境安全评价准则，分别为社会经济、水量和生态环境3个方面，即从经济效益、可持续性发展和生态效益3个角度来衡量城市总体水环境安全状况。通过文献梳理，去除共线性较大的指标，最终得到14个相关指标，如表1所示。

表1 城市水环境安全评估指标体系

2.2 博弈论视角下的综合赋权法

确定指标权重的方法分为客观赋权法和主观赋权法两大类，这两种方法都有各自的优点和缺点。客观赋权方法主要依赖完备的数学理论和方法，而往往忽略决策者的主观信息，从静态数据着手，不符合动态的实际情形；主观赋权法反映了决策者主观性的意愿，但可能与实际情况存在偏差。为了使指标权重的计算更加合理，笔者引入了一种基于博弈论的组合权重分配思想，即将客观赋权法(熵权法)与主观赋权法(犹豫模糊算子赋权)相结合，合理地组合权重信息，避免了客观赋权法的绝对客观性和主观赋权法的主观性给结果带来的偏差。

2.2.1 客观赋权-熵权法

(1)

(2)

(3)

2.2.2 主观赋权-犹豫模糊算子

专家对于指标的重要性进行判断，但是受到自身经验和知识水平的限制，往往不能给出一个确切的值来表达其偏好，只能给出一个大概的区间或者可能性的判断，因此采取模糊语言可以更好地描述专家的判断[15]。犹豫模糊算子的计算步骤如下：

(1)计算专家权重。专家对指标的重要性进行判断，不同专家对同一个指标会有不同的意见，因此需要计算合适的专家权重来综合专家的意见。传统的等专家权重的线性组合忽略了专家自身知识和经验水平的差异，因此采取最大共识和最小犹豫度优化模型计算专家权重。

(4)

s.t.

j=1,2,…,m}

j=1,2,…,m,o≠s}

(5)

(6)

2.2.3 博弈论理论下的综合赋权

博弈论的思想是在不同个体中寻找最一致的解决方法，使得双方的利益最大化，因此笔者利用博弈论综合指标权重以求达到满足双方意愿的效果。

(1)采用线性组合的方式构建综合权重向量W：

(7)

式中：wt为第t种方法下的权重集，wt=(wt1,wt2,…,wtm)；at为权重组合系数。

(2)利用博弈论在可能的权重向量集中找到最优权值。其基本思想是找到不同权重之间的一致性或折中，尽量减少最优权重与单个权重之间的偏差，将求出的最满意的权值向量转化为优化线性组合系数at。优化的目标是组合权重和参与的权重之间的偏差达到最小：

(8)

(9)

(4)通过计算出的标准化权重组合系数，对主客观赋权方法计算出来的权重进行组合，得到综合后各个指标的权重向量W:

(10)

2.3 基于云模型的水环境安全评估模型

(1)因素集U与评价集C的建立。汉江干流城市的水环境安全评价分为社会经济子集(U1)、水环境子集(U2)、生态环境子集(U3)，构成了因素集U={U1，U2，U3}。根据汉江流域的实际情况和国家水质量评价标准，邀请水资源管理和应急管理方面的专家对汉江流域的水环境安全分为5个等级：Ⅰ(非常安全)、Ⅱ(安全)、Ⅲ(基本安全)、Ⅳ(不安全)、Ⅴ(非常危险)，据此建立评价集C={C1，C2，C3，C4，C5}，具体含义如表2所示。

表2 评价等级划分及含义

(2)模糊关系矩阵的建立。矩阵R=(rkj)5×m表示因素集U与评价集C的模糊关系：

(11)

其中，rkj表示第j个指标被评价为第k类安全等级的可能性，即因素Uj对等级Ck的隶属度。

(3)确定评估等级的上下边界值xij和x′ij，计算云模型的特征值EX、EN和HE[17]。为了得到合适的取值，令N=3 000次，得到平均的隶属度，从而确定a=0.01。

EX=(xij+x′ij)/2

(12)

EN=(xij-x′ij)/2.335

(13)

HE=a

(14)

式中：EX为期望，是云层空间的中间值；EN为熵，是云图中的取值范围；HE为超熵，表示云滴的凝聚度；N为云模型的循环计算次数；a为常数。

(4)模糊综合评价模型的构建。由各指标权重向量W和单因素评价矩阵R，根据模糊综合评价模型B=W·R，计算模糊综合评价向量B=(b1，b2，…，bm)，进而可确定水环境安全等级。

B=W·R=(w1,w2,…,wm)·

(15)

3 案例研究

3.1 研究区域概况

汉江是长江中游的一级支流，全长1 577 km，其发源地在陕西省西南部秦岭与米仓山之间的宁强县冢山，在汉中称为汉水，流经安康市，又名沧浪水，而后流经湖北省的十堰、襄阳、荆门、仙桃、武汉等城市，最后在武汉市汇入长江。汉江流域极大地推动了区域的经济发展，但其流域内水环境安全状况一直受到广泛关注。汉江流域中的丹江口水库是亚洲第一大人工湖，同时也是中国南水北调中线工程的水源地，近年来受南水北调的影响，汉江流域的水资源容量减少，流域内主要城市由于经济发展而带来的工业排污等现象给流域的水环境安全带来严重的负担，造成襄阳等地区出现了干旱和水质不达标等现象。故对汉江干流的主要城市进行水环境安全评估具有重要的意义。汉江干流城市水域分布状况如图1所示。

图1 汉江干流城市水域分布

3.2 数据来源

关于汉江干流城市水安全评估指标的原始数据主要来自于《中国统计年鉴》、湖北省和陕西省的《水资源公报》、《社会和经济发展统计公报》、《生态环境统计年报》等资料以及各市统计局官网。

3.3 汉江干流城市水环境安全评估

各指标的等级划分标准如表3所示，该标准参照了相关文献，根据全国的平均水平数据和国家“十三五”规划要求等信息确定。制定出等级的划分标准后，计算各个指标的正态云特征值，如表4所示。在Matlab中构建正向云的计算模型，

表3 指标等级划分标准

表4 各等级下的云特征值

设定随机数数目即云滴的数目N=3 000，输入正态云特征值，可得到正态云图，水体COD浓度u32的正态云图示例如图2所示。

图2 水体COD浓度u32正态云图示例

将汉江支流主要城市的指标数据输入正向云发生器，计算各指标对应安全等级下的隶属度，将指标权重和隶属度矩阵进行模糊关系转化，得到各个安全等级下的综合隶属度，然后根据最大隶属度原则，确定城市的分级结果。以安康市为例，得到其指标数据的分级结果，如表5所示。

表5 安康市各指标评级结果

各个城市的隶属度分布情况和最终分级结果分别如图3和表6所示，可以看出汉江干流中上游主要城市的水环境安全状态较差，除安康市外，大部分城市分级处于IV级和V级；汉江干流中下游城市(如仙桃、武汉)的水环境安全状况较好。

图3 各城市等级隶属度分布情况

表6 各城市最终分级结果

3.4 结果分析

研究结果表明，在汉江干流上游的城市中，汉中市的水环境安全状况较差。从各个一级指标的分级结果来看，汉中市的社会经济状况属于中等水平，这是因为汉中市人口自然增长率较高，给城市可持续发展带来一定负担；青壮年流失较多，使得60岁以上老人占较大比例，导致社会劳动力不足，经济发展受阻。此外，汉中市的生态环境总体评估结果较差，废水中NH3-N的排放量较多，而汉中市对于环保的投资力度较其他城市略有不足，使得废水的处理没有达到最大效率。安康市的社会经济和水环境都处于中等水平，但安康市的生态环境处于一个较高等级。这是由于安康市废水排放的管控政策较严，废水排放量较少；安康市的水资源量是陕西省之首，占据全省约61%的量，因此其人均水资源水平较高，总体来说具有较大可持续发展潜力。

汉江干流中游城市都处于一个中等偏下的安全状态，十堰、襄阳和荆门政府都在促进自身的经济发展，但因此出现许多废水排放没有得到有效处理，废水处理能力处于一个亟需发展的阶段，不能达到很高的废水处理率；此外，中游地区的水资源量并不充足，如襄阳等地甚至出现过干旱的现象，其降雨量为省内之末，生活用水比较紧张。

汉江下游城市中，仙桃市的总体水质较好，其经济发展和生态环境都处于中等水平。仙桃市近年来大力开展水环境状况改善工程，逐步加大了对环境的投资力度，使得水环境安全状态获得提升。武汉市是汉江支流带上的经济发展重镇，作为汉江和长江的分支口，水资源量充足，经济高速发展，总体经济实力较强，具有较大发展潜力；武汉市常年遭受洪涝灾害的影响，对于水资源的管理高度重视，每年的水资源投入较多，同时城市管网等设施完善，对废水的处理率处于较高水准，因此其评价等级较高。

3.5 建议

通过评估发现，汉江干流城市的水环境安全状态总体偏差，基于上述研究结果，提出以下建议：

(1)汉江上游地区的经济发展状况较弱，废水难以得到及时有效的处理，但水资源量比较足，因此可以加大汉中市的人才引进，调动城市的经济发展；增加对废水处理的财政投入，推动污水处理厂的建设，实现污水处理全覆盖，提高废水处理的效率；在生态保护方面，可以加强跨省流域生态补偿机制，如安康市可以通过开发、利用和保护充足的水资源，建设水利工程，使得水资源实现可持续发展。

(2)汉江中游地区城市，如十堰、襄阳和荆门，在关注自身经济发展的同时，财政投入和政策导向也要向水资源管理倾斜，在建设经济的同时，加强市政工程建设，完善城市污水管网的铺设；面对汉江中游城市水资源较少的状况，各城市应该利用已有水利工程的基础条件，有计划地建设新的水利工程。

(3)汉江下游地区的水环境安全状况在逐渐改善，完善自身应急管理体系和推动水源工程的建设缺一不可。仙桃市可从加大水环境改善的财政投入着手，进一步改善水环境安全状况，同时提高废水处理效率；武汉市的水资源可持续发展能力较强，但也要在合理利用水资源的同时加强对水资源的风险管控。

4 结论

(1)在城市水环境安全状况评价指标确定方面，采取熵权法和犹豫模糊算子赋权法进行综合赋权，并在博弈论的视角下进行权重综合因子的选取。

(2)对汉江干流城市的水环境安全状况进行了分级评估，采取正态云模型的方法进行分级评价，根据隶属度结果得到了上、中、下游各个城市的分级结果，并提出了管理建议，该评价结果可以为汉江流域城市水资源的管理提供参考。

(3)文章未考虑指标之间的相互作用，未来将对指标之间的关联性进行研究。同时，各个城市之间水环境安全的相互影响也将是未来的研究方向。