基于甘肃省73个村庄的农村环境质量评价研究

程慧波,王乃昂,李晓红,王婷,李媛，高翔,黄银洲

(1.兰州大学资源环境学院,甘肃 兰州　730000；2.甘肃省环境监测中心站，甘肃 兰州　730000)



基于甘肃省73个村庄的农村环境质量评价研究

程慧波1,2,王乃昂1,李晓红2,王婷2,李媛2，高翔1,黄银洲1

(1.兰州大学资源环境学院,甘肃 兰州730000；2.甘肃省环境监测中心站，甘肃 兰州730000)

摘要：选取了甘肃省73个村庄作为研究对象，对农村环境中的空气、地表水、地下饮用水、畜禽养殖周边土壤、农田、菜地等要素进行单一评价和综合评价.结果表明：甘肃省农村环境空气最主要的污染物为PM10，隶属程度为0.62,环境空气质量为良好；氨氮、粪大肠菌群是甘肃省农村地表水污染的主要因子，总硬度是影响甘肃省农村地下饮用水的主要因子，甘肃省农村地表水隶属程度为0.5，质量较差；地下饮用水隶属程度0.61，质量一般，畜禽养殖地周边、农田、菜地土壤质量隶属程度分别为0.80、0.975、0.96.根据最大隶属原则判断得出甘肃省农村整体环境质量级别为良好.

关键词：农村；环境质量；评价；隶属度；多级模糊

第一作者：程慧波(1984-)，男，博士生，主要研究方向为农村环境变化和生态环境监测.E-mail：chengjiahe215310@163.com

长期以来，我国高度重视城市环境质量的监测和评价工作，而农村环境质量评价几乎处于初始阶段，至今尚未建立起系统完善的农村环境质量评价的技术方法体系.农村环境质量评价指标涉及多个领域，多个学科，多个种类，多个方面.指标体系是否涵盖的综合全面、结构层次是否清晰合理、数理运算是否恰当准确都直接关系到农村环境质量评价的结果[1-3].欧洲、美国、日本等发达国家在农村环境质量控制方面进行了很多研究和探索，在农村环保方面，多采用最佳可用术(BAT)和限制污染物排放指等手段对农业生产过程和农村生活方式进行管控[4-7].苏杨等对我国农村现代化进程中的环境污染问题及对策进行了研究，提出农村环境应加强基础体系建设，采用多种手段来扶持有关环境保护基础设施的建设和运行，提倡农业在生产过程中要遵循循环经济的发展理念和污染几种治理的除污模式[8-9].刘福兴等对农村面源污染的理论和治理工程实践进行了研究，指出农村水环境生态修复技术对治理农村面源污染有着重要的现实意义[10].刘莹等对农户生活垃圾的处置方式进行了实证分析，指出农户倾倒垃圾的方式与处置点和当地的地理环境和社会环境密切相关[11].李颖明等对农村环境自主治理模式的研究路径进行了分析，构建了农村环境治理模式的研究框架和路径，研究了自主治理的博弈均衡结构和基本条件[12].张燕等对农村环境责任保险制度的动因和策略进行了研究，对我国农村环境的治理方式提出建议，并对土地流转制度下的农村环境模式进行了深入分析[13].现有的研究主要集中在对农村环境污染的治理以及农村环境保护措施等方面，对环境质量的评价体系指标选取提供了参考性意见.本文拟在结合污染指数法、质量指数法、特尔斐层次分析法、模糊物元法的基础上，采用多要素模糊综合评价法来对农村环境质量状况进行评价，以期为农村环境质量状况评价体系的建立提供一定参考.

1材料与方法

1.1数据来源

本研究的基础数据选取甘肃省14个地州市的73个村庄，基本上涵盖了甘肃省所有的县级领域，包含了生态旅游型、畜禽养殖型、果蔬种植型、粮食种植型、药材种植型以及其它类型[14-17].数据采集整理分析时间为2014年6月10日，在实地环境监测过程中，农村环境空气选取指标为PM10、SO2、NO2.监测方法采用手工监测，2013年每个季度各选月初的1～5日连续5天监测，SO2、NO2每天进行不少于18 h的采样，PM10每天进行不少于12 h的采样，每次采样前进行了采样系统的气密性检查，对采样总管、采样支管及临界限流孔进行定期清洗和校准，确保数据的准确性.地表水监测选取指标为硒、氨氮、总磷、总铜、总锌、总砷、总镉、总汞、总铅、总氰化物、硫化物、氟化物、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、粪大肠菌群，在各地表水河流设置一个监测断面，2013年各季度月初1～5日监测1次(对未有地表水如河流、湖泊等的村庄不进行地表水监测).地下饮用水监测选取指标为锰、铁、铅、镉、汞、砷、硒、锌、铜、氨氮、总硬度、高锰酸盐指数、氟化物、六价铬、氰化物、挥发酚、阴离子合成洗涤剂、总大肠菌群、硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮.在各村庄地下饮用水的水井处布设1个监测点位，2013年各季度月初1～5日监测1次.畜禽养殖周边土壤、菜地土壤、农田土壤选取指标为砷、汞、铅、锌、镉、镍、铜、‘六六六’、DDT，在农田、菜地、畜禽养殖场周边各布设3个点位，2013年10月15日～20日采样监测1次.选取村庄位置如图1所示.

图1　选取村庄采样位置Fig.1　The point location picture of village

为了便于对单个监测因子的环境质量影响状况进行分析说明，根据国家颁布的已有环境质量标准对农村环境质量标准进行了分级划分，本文对农村环境质量分级标准的划分如下表1所示.

1.2研究方法

模糊综合评价是应用模糊数学原理对多种因素所影响的事物或现象进行综合评价的放吧，本文采用该方法对农村环境要素中的水、空气、土壤进行单一要素评价和综合评价.

1.2.1单一要素评价假设评价对象为F，评价因子集合为：M={m1,m2,…,mq}，评价的等级为：N={n1,n2,…,np}，根据评价等级标准限值对每一个评价因子进行模糊评价，得到了隶属度函数：

表1　农村环境质量分级标准

表2　隶属度函数计算公式

式中：aij表示Mi关于Ni的隶属度.(M,N,A)构成模糊综合评价模型.为了反映农村环境质量的整体情况，本文评价等级分为5级(p=5)，采用降半梯形隶属度函数来计算隶属度，公式见表2.

在综合考虑各评价因子的基础上确定个评价因子的权重，记为E={ei,e2，…，en}，经加权平均运算，可得到评价特征的集合为：

1.2.2多要素模糊评价假设农村环境质量由L个单一环境因子来构成因子集合：K′={k1,k2,…,kl}.将每个环境因子作为一个因子，用表1中要素评价结果F构成总的模糊矩阵A′：

确定环境因子的权重值：E′={E1,E2,…,El,}，经综合加权平均运算得出：

根据最大隶属度原则，求出农村环境质量质量评价的结果.

采用相对污染值方法进行计算，然后归一化处理，对单因子的权重进行确定：

式中：Mi为参数i的监测值，Ni为参数i的每一级环境质量标准值的平均值，Ei为i参数的权重.

根据实验室分析结果以及土壤污染普查分析，确定农村空气、地表水、饮用水、畜禽养殖场周边土壤、农田土壤、菜地土壤的权重为：

E′=(0.25空气,0.2地表水,0.3饮用水,0.05畜禽养殖周边土壤,0.1农田土壤,0.1菜地土壤)

在多级模糊综合评价中，需要用最大隶属度原则来推出评判的结果，因此应考虑最大隶属原则的有效性问题.假设评判结果F′=(f1′,f2′,…，fp′)，其中0

2结果与分析

2.1环境空气的评价结果

对甘肃省73个行政村环境空气质量监测，监测结果发现：可吸入颗粒物(PM10)最大值(0.625mg/m3)出现在金昌市永昌县的北海子村，日均值为0.342 mg/m3，在农村环境质量分级表中属于差类级别；二氧化氮最大值(0.058 mg/m3)出现在酒泉市肃州区泉湖乡四坝村，日均值为0.034 mg/m3，在农村环境质量分级表中属于优类级别；二氧化硫最大值(0.048 mg/m3))出现在陇南市成县店村镇张寨村，日均值为0.011 mg/m3，在农村环境质量分级表中属于优类级别.73个村庄可吸入颗粒物(PM10)平均值为0.126m3，在农村环境质量分级表中属于一般级别.结果表明：对甘肃省农村环境空气而言，其最主要的污染物为可吸入颗粒物(PM10)，其主要原因为甘肃省农村相对于东部发达地区农村较为落后，农村道路以土路为主，加之西北地区农村风力较大且干旱少雨等原因，造成了甘肃省农村地区可吸入颗粒物(PM10)在环境空气中占有很大的比重，对农村环境质量造成了重大影响.由于甘肃省农村地区本身工业较少，机动车辆较少，二氧化硫和二氧化氮污染源少，因此，甘肃省农村地区二氧化硫和二氧化氮在环境空气中含量很低，在环境质量分级中处于优类级别.根据73个行政村对甘肃省农村地区进行克里格差值得出大气环境污染因子空间分布如图2所.根据隶属度公式计算，得到甘肃省农村环境空气的隶属度函数为：

同理，可得出地表水、地下饮用水、畜禽养殖土壤、农田土壤、菜地土壤的隶属度函数.根据相对污染值法进行计算，归一化处理后能够得到农村空气的权重向量为：

E空气=(0.72PM10,0.13NO2,0.15SO2)

经加权后平均综合运算，得到甘肃省农村环境空气的评价向量为：

根据最大隶属原则可以判断，甘肃省农村环境空气的隶属程度为0.62，环境空气质量为良好.

图2　甘肃省农村大气环境污染因子的克里格空间插值分布Fig.2　The Kriging of rural atmospheric environmental pollution in Gansu Province

2.2水和土壤的评价结果

对甘肃省73个行政村进行水和土壤监测，监测项目为数据来源中所列项目.监测结果表明，73个行政村的地下水全部达到了Ⅲ类标准；地表水的监测中发现除临夏州临夏市折桥镇罗家湾村地表水水质类别为V类外，其余村庄地表水均达到了Ⅲ类标准，罗家湾村主要超标项目为粪大肠菌群，这是因为大夏河经上游甘南州流入罗家湾村过程中，上游地区和本地区的生活污水管网不完善、加之农灌、草原畜牧等等原因，造成此地表水的粪大肠菌群超标，影响水质.地表水监测数据表1中表明，氨氮和粪大肠菌群平均数值分别为1.38 mg/L，属于较差级别.对73个行政村的畜禽养殖周边土壤、农田土壤、菜地土壤的监测结果表明，73个村庄除酒泉市泉州区泉湖乡四坝村镍(18.3～60 mg/kg)的结果在表1中为一般外，其余监测因子都为优.根据73个行政村对甘肃省农村地区进行克里格差值得出地下水和土壤空间分布如图3所示.

根据单一要素隶属度函数，结合表1中所列73个村庄实际监测数据，按照环境空气评价向量的求法，可以计算出地表水、地下饮用水、畜禽养殖周边土壤、农田土壤以及菜地土壤的评价向量为：

图3　甘肃省农村地下水和土壤污染指数的克里格空间插值分布Fig.3　The Kriging of groundwater and soil pollution index in Gansu Province

E地表水′=(0.15,0.11,0.11,0.5,0.13)

E地下饮用水′=(0.20,0.19,0.61,0,0)

E畜禽养殖周边土壤′=(0.80，0.20,0,0,0)

E农田′=(0.975,0.025,0,0,0)

表1中农村环境质量分级标准可以看出：氨氮、粪大肠菌群是甘肃省农村地表水污染的主要因子；总硬度是影响甘肃省农村地下饮用水的主要因子.根据最大隶属原则可以判断，甘肃省农村地表水隶属程度为0.5，地表水质量为较差；地下饮用水隶属程度为0.61，地下饮用水质量为一般；畜禽养殖周边土壤、农田土壤和菜地土壤质量隶属程度分别为0.80、0.975、0.96，农村土壤质量级别为优类.

2.3多因子综合评价

以甘肃省农村环境单一因子(环境空气、地表水、地下饮用水、畜禽养殖周边土壤、菜地土壤、农田土壤)的评价结果作为评价向量，构成模糊关系的矩阵，与各环境因子的权重进行加权平均后综合运算，归一化处理后，可以计算出甘肃省农村的综合环境质量：

E综合=E′·A′=(0.25,0.2,0.3,0.05,0.1,0.1)

(0.394,0.435,0.230,0.100,0.026)

根据最大隶属原则有效性判断，β=0.394，在[0.14,1]之间，最大隶属原则有效.按照最大隶属原则确定评价的结果可以得出，甘肃省农村整体环境隶属度为0.135，环境质量级别为良好.

3讨论与结论

农村环境质量评价涉及多方面的要素和指标体系，甘肃省地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原三大高原的交汇地带，且包含了亚热带季风气候和温带大陆性两种气候类型，因此本研究选取甘肃省73个不同类型的村庄(畜禽养殖型、果蔬种植型、药材种植型、粮食种植型、生态旅游型)具有代表性.在评价方法方面，选取多要素模糊综合评价可以将农村环境质量指标体系的某一属性分成若干个层次，先进行单一环境要素的评价，然后对各个层次进行综合评价，再次对初级评价的结果进行高层次的综合分析评价.以此方法对甘肃省农村环境质量进行评价乃至全国农村环境质量评价有助于形成一套更加功能完善、科学合理、操作简便的综合评估指标体系和技术方法.采用多要素模糊综合评价需要对不同村庄类型的指标体系进行量化，但是甘肃省农村乃至中国农村的环境监管几乎处于空白状态，一方面农村环境的差异性大，另一方面农村污染具有排放主体分散、隐蔽，排污随机、不确定、不易监测等特征，因此要全面、准确地评价农村环境质量需要加强农村环境监测工作，以便获得更加全面和准确的监测数据.不论什么性质的环境影响评价，公众满意度的调查是不可或缺的一项，本研究由于时间和人力等方面的原因，未进行公众满意度这项指标的调研取证工作，在未来的科研工作中，需要将公众满意度这个指标纳入到农村环境质量评价研究中去，使农村环境质量评价体系更加完善.

环境空气方面，可吸入颗粒物(PM10)是甘肃省环境空气的主要污染因子，在环境空气中所占权重为0.72，根据最大隶属原则可以判断，甘肃省农村环境空气质量整体为良.从环境空气污染因子空间分布看出，甘肃省农村地区PM10、二氧化硫和二氧化氮呈现出了不规律分布.PM10和二氧化氮污染主要分布在甘肃省西北农村地区，二氧化硫污染程度在全省相对均一.二氧化氮具有较强的空间聚集分布态势，形成了以嘉峪关地区农村和金昌地区农村为主的显著高高区域，空间趋同性较强，空间集聚区的形成有利于区域环境污染防治的开展.

地表水方面，氨氮、粪大肠菌群、硫酸盐是主要的污染因子，这主要同农村地区没有进行污水集中处理，大量生产生活污水以及畜禽粪便污水直接排入地表河流密切相关；地下饮用水方面，总硬度是影响甘肃省农村地区饮用水的主要因子，这主要是因为甘肃省农村地区普遍饮水以深层地下水为主，饮用水总硬度大，其分布规律主要是从西北向东南逐渐降低.土壤方面(畜禽养殖周边土壤、农田、菜地)监测因子都为优，很好地保持了农村土壤的原生性.根据最大隶属原则可以判断，甘肃省农村地表水质量为一般，地下饮用水质量级别为良，畜禽养殖周边土壤、农田土壤和菜地土壤质量级别为优类.为了以后更加完善地对甘肃省农村地区环境质量评价，掌握农村环境污染态势，需要增加农村环境监测点位，建立农村环境监测网，保证评价结果的全面性和准确性.

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(责任编辑李辛)

A study of rural environmental quality assessment in

Gansu Province based on 73 villages

CHENG Hui-bo1,2,WANG Nai-ang1,LI Xiao-hong2,WANG Ting2,LI Yuan2,

GAO Xiang1,HUANG Yin-zhou1

(1.College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China;2.Gansu Province

Environmental Monitoring Center,Lanzhou 730000,China)

Abstract：This paper selects 73 villages in Gansu Province as the research objects.The single and comprehensive evaluation are assayed on environmental air,surface water,underground water,livestock and poultry breeding surrounding soil,farmland,vegetable and other factors.Results show that PM10 is the main pollutant in the air in the rural environment in Gansu Province;ammonia nitrogen and fecal coliform bacteria are the main pollution factor in rural surface water in Gansu Province;Total hardness is the main factor affecting rural underground drinking water in Gansu province.The rural environmental quality is better in Gansu province by the maximum membership principle and judgment.

Key words：rural;environment quality;evaluation;membership grade;multilevel fuzzy

收稿日期：2014-11-05；修回日期：2015-04-30

基金项目：教育部人文社科一般项目(10YJCZH053)；中国博士后面上基金项目(2012M512051)；甘肃省科技厅立项项目(GHJ2013007).

中图分类号：X24

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)06-0112-07