马梦含,靳春玲,贡 力,逯晔坤,王 婧
(兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)
突发水污染事故是指固定污染源由于突发事件排放污染物,或者由于自然灾害导致各类型有毒有害物质进入水体或供水管网,发生水质变化,导致人类生产生活受到危害,破坏生态平衡的事故[1-2]。突发水污染事故对于人类生产生活已经逐渐造成了巨大的威胁、危害。近年来,我国突发水污染事件频发,据全国环境统计公报统计,2012至2017年共592起突发环境污染事件,其中561起为突发性水污染事件[3],突发性水污染事件不仅威胁当地水质安全,破坏水生生态,造成巨大的社会和经济损失,还可能干扰当地社会秩序,引发社会恐慌[4]。因此对于突发水污染事件的研究以及治理已经迫在眉睫。
突发性水污染的综合研究已成为水环境管理的重要课题[5]。国内外专家学者对于突发水污染事件开展了一系列的研究,其中Huang等[6]提出了一种基于多指标综合评价方法的环境风险识别模型;Hou等[7]提出了一种基于不确定性分析和突发性水污染事故风险评估的动态预警模型;龙岩等[8]采用数据包络分析方法对于突发水污染应急调控措施进行分析;练继建等[9]对突发水污染事件进行评价以及应急调度方案研究;靳春玲等[10]采用模糊层次评价法对突发水污染进行风险评价;王永桂等[11]对流域性突发水污染事件研发了一套快速模拟与预警系统;逯晔坤等[12]采用和谐度方程的综合评价模型对兰州黄河段突发水污染事故级别进行预测分析。
黑河是发源于祁连山冰川的三大内陆河之一[13],张掖则是地处河西走廊中段,坐落于祁连山和黑河湿地的一座绿洲城市,人类活动频繁,对水资源利用需求较大,为主要耗水区,存在产生突发水污染事件的潜在风险,对于祁连山黑河流域供水以及生态环境具有一定的安全隐患。由于张掖地区特殊的地理位置,使其肩负起保护祁连山生态环境的重任,但对于祁连山黑河流域张掖地区突发水污染安全评价的研究不多,因此本文将以祁连山黑河流域中段张掖地区为例,采用pressure-state-response(PSR)[14]环境评价模型建立突发水污染安全评价指标体系,利用MCW-正态云[15]评价模型,以张掖地区2012-2017年为例进行突发水污染安全评价,分析得出张掖地区2012-2017年间产生突发水污染事件安全评价等级,研究成果有利于提升突发水污染事件应急防控水平和安全评价能力,对后续保护祁连山生态环境有重要意义。同时,将评价结果与改进密切值法、模糊综合评价法进行对比分析,旨在验证MCW-正态云评价模型运用于突发水污染安全评价的准确性、可靠性以及可行性。
本文研究数据主要来源于:(1)《甘肃省水资源公报(2012-2017)》《甘肃省统计年鉴(2012-2017)》《张掖市统计年鉴(2012-2017)》;(2)相关文献资料。
2.2.1 利用PSR模型构建指标体系 我国的水污染安全评价指标体系主要由准则层和指标层构成,而在本文中,笔者也将采用这2种层次构建突发水污染安全评价指标体系,其中,准则层主要是由压力、状态和响应[16]三者构成,其中压力(P)主要指人类活动所引起的对于资源、环境以及经济所带来的压力影响,如人口密度、工业废水排放量等;状态(S)指与水资源相关的各种经济以及环境要素当前所处的状态,如水功能区水质达标率、产(供)水模数等;响应(R)指人们在自身社会经济活动以及政策上对于突发水污染等水安全问题的能动反映[17],同时也包括水资源的自身恢复能力以及自净性,这些都是动态变化的,如防灾应急能力、工业废水排放达标率等。最后,对于各组指标体系进行数据处理,去除研究阶段内变化剧烈的指标,按照客观性、科学性、全面性以及实用性的原则[18],确定最终完整的指标体系,见表1。
表1 突发水污染安全评价指标体系
2.2.2 指标体系等级划分 根据《突发环境事件信息报告办法》[19]以及相关资料文献[4,12,20-22]将突发水污染安全评价等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级4个等级,具体分为特别重大(Ⅰ级)、重大(Ⅱ级)、较大(Ⅲ级)和一般(Ⅳ级)4级,各指标具体等级分级标准见表2。
表2 突发水污染安全评价指标等级划分
2.3.1 云模型简介 云模型(cloud model)[23]是由中国科学院院士李德毅于1995年根据随机数学和模糊数学理论的基础提出的,它主要是实现客观事物或现象的定性和定量之间不确定性转换的数学模型[24],这是一个具有一定随机性和偶然性的离散转换过程,运用该模型能够有效解决突发水污染安全评价中有关离散性和随机性等问题[25]。期望Ex(expected value)、熵En(entropy)以及超熵He(hyper entropy)[26]三者结合组成云模型,使得不确定语言和定量数据可进行相互转化[27]。计算过程如下:
(1)利用正向云发生器生成正态随机数Eni,其期望值为En,方差为He2。
(2)再次生成一个正态随机数xi,以Ex为期望值,En2为方差。
(3)计算u(x)=e(-x-Ex)2/(2(En)2),其中(xi,u(xi))为数域中任意一个云滴。
(4)重复以上几个步骤,直至产生满足要求数目的n个云滴为止。
2.3.2 MCW确定指标权重 本文权重采用混合交叉赋权(mixed cross-weighting,MCW)进行计算,主要采用主观赋权G1法与客观变异系数法进行组合确定权重,旨在减少G1法的主观性。具体计算步骤如下:
(1)专家完成各个评价指标的打分与排序。
(2)对评价指标序列Xk计算指标变异系数:
(1)
(k=1,2,…,n)
(2)
式中:σk为第k个评价指标的标准差;Ck为第k个评价指标的变异系数值。
(3)计算两相邻指标的重要性程度比值rk:
(3)
(4)根据上述确定的重要性程度比值,计算第m个评价指标的权重wm:
(4)
(5)依次计算第m-1,m-2,…,3,2个指标的权重。
wk-1=rkwk(k=m,m-1,…,3,2)
(5)
(6)重复以上权重计算步骤,确定准则层权重,最终计算指标对目标层的权重。
(6)
2.3.3 突发水污染综合评价步骤 对突发水污染的安全评价是一个复杂定性的多属性指标评价,结合对于水污染安全评价的各项指标以及实际情况,将目标层进行逐层细化用来构建指标体系。结合云模型理论,笔者将评价过程大致分为4个步骤。步骤1:构建指标体系;步骤2:利用合理的算法构造关于危害评价的云模型(评价指标云);步骤3:利用混合交叉赋权法计算指标权重;步骤4:计算突发水污染危害云。
具体流程如图1所示。
(1)确定评价指标权重
①利用公式进行正负指标处理
正向指标:
(7)
负向指标:
(8)
②基于混合交叉赋权(MCW)的基本原理以及公式(1)~(6),求出突发水污染安全评价指标权重矩阵W=(w1,w2,…,wn),其中n为总共的评价指标个数。
(2)确定隶属度矩阵
①云模型参数的计算。云模型参数依据以下公式计算:
(9)
(10)
He=n
(11)
式中:n为任意常数,通常通过经验以及试算进行确定,主要反映云模型的离散程度。
根据公式(9)~(11),可以确定出突发水污染安全评价云模型的特征参数(Ex,En,He),利用云模型特征参数数据,并使用Matlab软件进行编程,利用正向云发生器对人口密度、人均水资源量等15个指标生成正态云图,由于篇幅原因,本文仅给出压力状态下人口密度、人均水资源量、工业废水排放量、沿河危险企业数和水资源开发利用率5个指标的云模型特征参数以及正态云图,见表3和图2。其中,设置云滴数n=2 000,以平均值为最后的度量值。
②隶属度矩阵的确定。通过收集资料确定各个指标体系原始数据,对每一项指标数据运用正向云发生器进行处理,即u(x)=e(-x-Ex)2/(2(En)2),重复计算N=500次,计算所得指标数据隶属于不同突发水污染安全评价等级下的平均隶属度,构成隶属矩阵R=(ri,j)n×m。
图1 突发水污染安全综合评价流程
表3 水污染系统安全评价压力状态下5个指标不同评价等级的正态云模型特征参数
图2 压力状态下5个指标的评价等级正态云图
③突发水污染安全评价
利用MCW确定出的权重集W和指标云隶属矩阵R,利用公式U=WT×R,计算获得U=[u1,u2,u3,u4]。并且结合最大确定度原则,计算得出突发水污染安全评价分级。
(1)指标权重计算。利用上述公式对原始数据进行归一化处理以及权重计算,计算结果见表4。
表4 2012-2017年各评价指标归一化及处理及权重计算结果
注:C10和C11采用专家打分法确定权重。
利用上述MCW权重计算方法,经计算,求得张掖地区突发水污染安全评价各指标权重,即:
W=[0.0902,0.0902,0.0561,0.0561,0.0479,0.0653,0.0653,0.0801,0.0649,0.0649,0.0617,0.0617,0.0677,0.0639,0.0639]T
(2)隶属度计算。
采用云模型正向发生器计算隶属度,以2012年为例,所求矩阵如下:
同理,可计算得出2013-2017年隶属度矩阵。
(3)分级对比评价。
根据最大确定度原则,对综合确定度U进行评价,获得突发水污染安全评价最终结果,其中采用公式U=WT×R计算综合确定度U=[U1,U2,U3,U4],并利用本文权重使用改进密切值法、模糊综合评价法对本文原始数据进行评价分析,分析结果与本文结果进行比较(鉴于篇幅,上述两者辅助对比分析方法评价过程从略)评价结果见表5。
表5 基于MCW-正态云模型对2012-2017年黑河流域张掖地区突发水污染安全评价结果及比较
(1)本文评价方法与改进密切值法、模糊综合评价法评价结果大致相同,表明本文所用MCW-正态云模型对于突发水污染进行安全评价是可行的,可作为一种新的突发水污染安全评价模型。其中,改进密切值法与本文评价结果一致;模糊综合评价法与本文评价结果在2013和2017年存在一个等级差异,这是由片面性和主观性造成的。表明MCW-正态云模型这一评价方法更为详细,具有一定的合理性、可操作性和可信性。
(2)采用MCW-正态云模型对于黑河流域张掖地区2012-2017年突发水污染进行安全评价,结果为:2012年突发水污染安全评价等级为Ⅱ级重大危险;2013-2017年突发水污染安全等级均为Ⅲ级较大危险。其中从确定度来看,在2012年Ⅱ级与Ⅲ级确定度相差不大,且二者随时间均呈下降趋势;2013-2017年Ⅲ级与Ⅳ级确定度随时间呈上升趋势。由此说明黑河流域张掖地区对突发水污染安全治理的能力随时间逐步提升。
(3)从表4的计算结果来看,黑河流域张掖地区在2012-2017年间,由于受气候因素以及当地发展状况的影响,在压力范围内的评价指标值具有较大的不确定性和随机性,对于突发水污染安全评价的影响也显现出较强的随机性;状态范围内的评价指标中,产、供水量模数以及水生生态变化不是很明显,水功能区水质达标率呈明显上升趋势,水质类别随时间变化整体趋于变好状态;响应指标中,工业废水排放达标率以及工业用水重复利用率呈明显上升趋势,其余指标随时间变化整体也呈现上升或波动上升趋势。
综合来看,压力指标对突发水污染安全水平的提升贡献不大。2012-2017年由于张掖地区经济水平的快速发展、民生水平的逐渐提升以及环境保护治理措施日渐完善,因此响应体系指标对于突发水污染安全评价尤为重要,需进一步加大对于工业、农业用水的节水力度,完善突发水污染应急措施,加大惩戒力度,从根源上解决突发水污染安全问题。
(1)本文通过突发水污染安全评价的定义及其影响因素,构建了黑河流域张掖地区突发水污染安全评价指标体系以及分级标准,将正态云模型运用到评价体系中,建立MCW-正态云突发水污染安全评价模型。通过正向云发生器生成等级云图和分级评价指标的隶属度,再结合权重计算得出各指标权重,确定突发水污染安全评价结果。并将结果与其他评价方法进行对比分析,证明其用于突发水污染安全评价的合理性和可行性。
(2)利用G1法与变异系数法组合的形式计算权重,减少主观性,使权重确定结果更加客观,从而突出当前黑河流域张掖地区突发水污染各评价指标的相对性,符合实际。
(3)基于MCW-正态云模型对于黑河流域张掖地区2012-2017年突发水污染安全进行评价,结果为2012年处于Ⅱ级重大危险,2013-2017年处于Ⅲ级较大危险,表明对突发水污染安全的治理正在进一步向完善的趋势发展,应继续加强改革措施,提高突发水污染防治能力。同时,本文模型评价结果有效合理可靠,对其他不同类型的体系综合评价同样适用。