基于改进模糊综合评价的河流型水源地风险评估

王逸可，方国华，张 钰，黄显峰

（河海大学水利水电学院，南京 210098）

饮水安全是一项关系国计民生的重要工作，如何全面识别水源地面临的各种风险源，并通过有效的风险评估手段，量化分析水源地风险并加以防控，实现水源地健康平移运行与功能永续利用，是全社会共同关注的热点问题［1］。在我国，河流型水源地供水量最大，同时由于流域时空跨度大、污染物成分复杂、污染源分布广泛、污染事故突发性较强而受到重点关注。河流长期受到工业污水、农业面源和居民生活废水等常规污染，通航河段上可能还会面临船舶化学品和石油泄漏、暴雨径流污染和工业事故排放等突发性水污染风险［2］。因此，开展河流型水源地风险综合评估研究，进而提高水源地风险管理水平，对保障饮水安全具有重要的现实意义［3］。

国内外关于水源地风险的研究与实践始于20世纪末至21世纪初。2005年以来，用于水源地风险评估的水环境质量评价方法主要有单因子评价法、模糊综合评价法、灰色关联分析法、人工神经网络法等。衷平等［4］采用主成分分析法和改进灰色关联度法对石羊河流域水资源短缺风险指标进行定量筛选，为进一步的风险评价奠定了基础；祝慧娜等［5］从河流水环境脆弱性和危害性的角度出发，采用模糊综合评价法求得湘江14个断面的水环境污染风险水平；毛飞剑等［6］采用单因子水质标识指数法分析评价东江河源段的水质并确定其污染风险；Li等［7］提出一个基于k均质聚类分析和集对分析的综合模型来评估水源地丹江口十堰地区的水污染风险；Cordão等［8］提出一种结合多准则决策分析（MCDA）和地理信息系统（GIS）的方法来评估巴西Campina Grande城市水资源短缺风险的水平。可以看出，目前的水源地风险评估研究大多集中在水环境风险，而河流型水源地存在多种风险类型［9］，针对河流型水源地开展的综合风险评估及实例分析还比较少。

河流型水源地涉及的风险因素众多，具有较强的不确定性和随机性，各个指标的风险度划分、评价等级确定都具有一定的模糊性。模糊综合评价法以模糊推理为基础，能同时应用于主、客观指标的分析评价，能对评价问题中的模糊性特征进行很好的描述，适用性较强，可应用于水源地的多要素、多层次风险评估中。但传统模糊综合评价方法中采用的最大隶属度原则忽略了最大隶属度外其他指标的综合作用，与多指标综合评价的全面性原则背离，评价过程存在信息的丢失，导致评价结果不够合理。为此，本文以河流型水源地为研究对象，引入风险评估理论，识别潜在的污染源，构建层次分明、逻辑清晰的3层递阶结构风险评价指标体系，并在传统模糊综合评价模型的基础上，引入有效度原则和加权平均原则，提出改进的模糊综合评价方法对河流型水源地风险进行评估。以南京市长江子汇洲水源地为例进行研究，研究结果可为河流型水源地的饮水安全保障提供科学支撑。

1 河流型水源地风险评价指标体系及评价标准

1.1 评价指标体系

风险评估是选取切实的评价指标和准则、制定相关评估体系的过程，并系统地对环境潜在的风险与危害进行定性或定量的评估。开展水源地风险评估能够量化水源地及周边区域的风险，可定量管理水源地风险，实现风险分级，对风险管理进行优先性排序［10］。评价指标体系的构建从水源地风险评估基本内容出发，对水源地的风险影响机制、风险源分布和风险可能产生的后果进行梳理，考虑水源地结构和功能特性，使评价指标体系能全面合理地体现水源地风险综合情况［11］。

河流型水源地系统是由资源、环境、经济、社会等因素相互制约、相互联系、相互支持的有机开放系统。2011年，水利部印发水资源〔2011〕329号文件，指出全国重要饮用水水源地达标建设的总体目标是：水量保证，水质合格，监控完备，制度健全。结合水源地本身的自然属性、社会属性及其对应的功能特性，本文从水质污染、水量短缺、生态环境与管理保护等4个方面分析河流型水源地风险，依据综合性、科学性、系统性、可操作性、定性与定量结合等原则，识别河流型水源地风险源，系统分析对水源地风险状态产生影响的各个因素，基于压力-状态-响应概念模型（Pressure-State-Response），建立水质污染-水量短缺-生态环境-管理保护复合系统，见图1，查询相关资料并通过专家咨询的方法，去除难以获取、可操作性低的定量指标和无法构成数据序列的冗余指标，建立由目标层、准则层、指标层组成的河流型水源地风险评价指标体系，见表1。

表1 河流型水源地风险评价指标体系Tab.1 Risk evaluation index system for river-type water source areas

图1 水质污染-水量短缺-生态环境-管理保护复合系统Fig.1 Water quality pollution-water shortage-ecological environment-management and protection composite system

1.2 评价等级与标准

参考国内外划分标准和水源地实际情况，结合水源地风险内涵与特性，将指标划分为5个等级，分别用低、较低、一般、较高、高风险度来描述，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示［12］。Ⅰ说明水源地受到风险因子的影响非常小，带来的影响可以忽略不计；Ⅲ说明水源地受到风险因子的影响一般，通过一定的风险控制措施可将风险水平降低在可接受范围内；Ⅴ说明水源地受到风险因子的影响极大，一旦风险发生，会对社会、经济、环境产生严重影响；Ⅱ和Ⅳ分别表示介于低和一般、一般和高之间。另外，为便于定量描述指标，引入风险度值来表示指标等级标准，具体分级界限为：0＜Ⅰ≤0.2，0.2＜Ⅱ≤0.4，0.4＜Ⅲ≤0.6，0.6＜Ⅳ≤0.8，0.8＜Ⅴ≤1.0。

针对河流型水源地，参考国内外已有的评价标准，如：国际、国家、行业和地方规定的标准；背景和本底标准；类比标准；科学研究中被广泛使用，得到公认的标准；通过专家咨询方法获得的其他标准；等等。确定河流型水源地风险评价指标体系对应不同等级（低风险度、较低风险度、一般风险度、较高风险度及高风险度）的划分标准，见表2。

表2 河流型水源地风险评价指标标准值Tab.2 Standard value of risk assessment index for river-type water source areas

2 河流型水源地风险评估模型

河流型水源地风险评估属于典型的多因素评价问题，通过熵权-层次分析法对各指标进行组合赋权，充分考虑指标隶属度间的差距，对常规的模糊综合评价方法进行改进，并运用改进的模糊综合评价方法评估水源地风险等级。

2.1 熵权-层次分析法组合赋权

目前用于确定权重的方法主要有主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法与决策专家具备的专业素质和知识经验息息相关，可能因主观人为因素导致评估结果具有波动性；客观赋权法能修正主观赋值法计算的偏差，但无法表现出指标之间的重要性程度［13-14］。

为兼顾主观偏好和客观存在属性［15］，使评估结果更具可靠性，采用主客观组合权重。主客观组合权重指融合专家或者决策者的知识、经验及偏好主观信息，同时结合评价指标原始数据等客观信息计算得到的相对重要性程度，能较全面地反映决策偏好与评价指标历史数据等主客观信息。采用Delphi-AHP法计算主观权重，采用熵值法计算客观权重，继而得到水源地风险评价指标组合权重。

Delphi建立在专家组给定的指标权重基础上，经过互相之间的反馈和对权重的修改确定符合实际的结果。AHP是一种实用的多准则决策方法，将复杂问题分解成各个组成因素，又将这些因素按照支配关系分组，组成具有层次性的递阶结构，通过两两比较的方式确定各层次中各因素的相对重要性，避免了赋权过程中的任意性［16］。Delphi-AHP法计算主观权重w i的步骤包括［17］：构建递阶层次结构；构建比较判断矩阵；根据判断矩阵确定权重；层次单排序及一致性检验；层次总排序及一致性检验。

熵值法通过计算熵值来对事件的无序程度与随机性产生判断，权重计算结果可信程度高。计算客观权重v i的步骤［18］包括指标标准化处理、计算第j个指标的熵值和熵权。

最后，综合主客观权重可得到组合权重［19］，即先采用AHP法计算评价指标体系中二级指标的主观权重w i，再采用熵值法计算二级指标的客观权重v i。指标体系中一级指标权重采用AHP法计算，二级指标权重采用组合赋权法计算，得到组合权重a，计算公式为

对权重归一化处理后为

2.2 改进的模糊综合评价模型构建

2.2.1 传统模糊综合评价模型

在河流型水源地风险评估的过程中，应急水源地建设情况、应急监测系统建设情况等定性指标难以准确量化，无法做到精准地进行定量考核，而模糊综合评价理论能将定性评价转为定量评价，并根据模糊因素的评判得到评估结果。因此，本文采用模糊综合评价对水源地存在的风险展开评估。

模糊综合评价模型构建与计算步骤如下［20-21］：

步骤1。确定评判因素集：u在文中为河流型水源地综合风险，ui（i＝1，2，…，22）为影响事物评判值的第i个因素，即指标体系中的22项指标。

步骤2。确定评语集：根据水源地的风险特征将水源地风险评估标准分为5个等级，为方便量化，引入风险度来对应风险等级评语集：

步骤3。确定隶属度，进而确定模糊判断矩阵R。

模糊综合判断矩阵R中r nm是依据各评价指标的实际值对照其各自的分级标准，通过各评价指标对应于各等级的隶属函数推求而得的。定性指标依据专家打分表计算得各评价因素的隶属度向量。定量指标则是根据降半梯形公式建立隶属函数，将模糊评价指标转变成直观的评价指标。假设v j和v j＋1为相邻两级标准值，v j＋1＞v j，x i为指标实测值，并将评价指标分为正向指标和逆向指标来计算隶属度。

正向指标，即指标实际值越大、综合评判程度越好的指标。计算公式为

逆向指标，即指标实际值越小、综合评判程度越好的指标。计算公式为

步骤4。确定指标的权向量。

评价指标的权向量为Ai＝｛a1，a2，…，an｝。其中，ai是因素u i对模糊子集的隶属度，且需归一化，。根据前述，本文采用组合赋权法来确定权重，将AHP法与熵值法结合。

步骤5。模糊综合评价。

合成各子集的权向量A i与模糊综合矩阵Ri，得到每一类风险的模糊综合评价结果向量Bi：

根据最大隶属度原则对评估结果进行判定，b k＝max｛b1，b2，…，bm｝，k＝1，2，…，m，b k所 对应的评估等级就是每一类风险的最终评估结论。

由各子集的模糊综合矩阵Ri建立模糊综合矩阵R。设u1，u2，…，u k的权向量为ω，ωi＝（ωi，ω2，…，ωk），且满足，合成u1，u2，…，u k的权向量ω和模糊综合矩阵R，得到多层次的模糊综合评价结果向量B：

同样根据最大隶属度原则对计算结果进行判定，得到最终评估结果。

2.2.2 改进的模糊综合评价模型

最大隶属度原则适用于综合评价矩阵中各隶属度相差较大时的情况，而综合评价矩阵中各隶属度相差较小时，最大隶属度原则会因舍弃其他隶属度的客观存在而失效或低效，难以反映真实的评价结果。因此，为更加真实地反映评价结果等级，定义最大隶属度原则的有效度α［22］为

式中：n为综合评价矩阵中的元素个数；β为最大隶属度；γ为第二大隶属度。

当α≥0.5时，依据最大隶属度原则较可靠；当α＜0.5时，若仍依据最大隶属度原则易导致结果真实性下降，因此可以采用加权平均原则，既能强调最大隶属度的影响，又能兼顾所有隶属度应有的作用。该原则是对加权平均算子计算出的基于隶属度和待定系数的综合数值进行加权运算，从而确定风险等级，能充分保留原始和过程数据，避免评价信息的丢失，并能将风险等级进行量化处理，使评价结果更为直观［23-24］。可表示为

式中：E为指标模糊综合评价结果；bm为隶属于第m等级的隶属度；em为指标不同等级的具体分值，5个等级从低到高分别取风险区间边界值0、0.2、0.4、0.6、0.8；k′为待定系数，取k′＝1，且由上式可看出当k'趋近于无穷大时，上式转化为最大隶属度原则的计算公式。

3 实例研究

3.1 研究区概况

长江流域是我国重要的水源地、水电能源基地、黄金水道和生物宝库［25］。长江南京段位于长江下游中段靠下部，从安徽省东部贯入南京市境内，长约97 km。分布在长江南京段的六大河流型水源地，其供水量占南京市城区及郊区集中式供水总量的80%［26］。同时，长江是南水北调东线工程的引水来源，其水质变差、突发污染事故等问题的产生会严重影响流域及更广范围的人民生活安全、社会经济发展和稳定。

南京市长江子汇洲水源地位于长江江宁铜井保留区，该保留区位于铜井河口至江宁河口，总长度13 km。子汇洲水源地地理位置见图2。在长江子汇洲水源地内有滨江水厂取水口，处于新济州河段新生洲右汊南岸，上承马鞍山河段，下连南京河段。滨江水厂供水能力为45万m3／d，与江宁水务集团有限公司的另外一座开发区水厂供水管网形成了互通，供水范围为江宁区东部、南部（江宁街道、禄口街道、淳化街道、湖熟街道、横溪街道、谷里街道）和溧水区、镇江市部分区域。

图2 南京市长江子汇洲水源地地理位置Fig.2 Geographical location of Zihuizhou water source area of Yangtze River in Nanjing

3.2 风险评估范围、时段及指标数值

将水源地准保护区外20 km缓冲区内的陆域、水域作为风险评价范围，子汇洲水源地保护区范围见图3，选取2019年作为水源地风险评价时段。据《南京市统计年鉴（2019）》《南京市水资源公报（2019）》等相关资料，确定长江子汇洲水源地风险评价指标中的定量指标数据见表3，定性指标数据是邀请10位经验丰富且具有权威性的专家根据评价等级并结合子汇洲水源地定性指标的实际情况打分评定后取的加权平均结果，见表4。

表3 长江子汇洲水源地风险评价定量指标Tab.3 Numerical value of quantitative index for risk assessment of Zihuizhou water source area of Yangtze River

表4 长江子汇洲水源地风险评价定性指标数值Tab.4 Numerical value of qualitative index for risk assessment of Zihuizhou water source area of Yangtze River

图3 南京市长江子汇洲水源地保护区范围Fig.3 Protected area of Zihuizhou water source area of Yangtze River in Nanjing

3.3 指标权重计算

借助MATLAB编程软件，采用AHP法确定一级指标的主观权重，采用AHP法和熵值法分别确定二级指标的主观和客观权重，并利用式（1）、式（2）对应的组合赋权方法确定二级指标的综合权重，计算结果见表5和图4。

图4 长江子汇洲水源地风险评价体系指标权重Fig.4 Index weight of risk assessment system for Zihuizhou water source area of Yangtze River

表5 长江子汇洲水源地风险评价体系中各指标权重Tab.5 Weight of each index in risk assessment system for Zihuizhou water source area of Yangtze River

3.4 评价指标模糊综合隶属度矩阵计算

根据长江子汇洲水源地风险评价指标体系中各评价指标的实际值对照其各自的分级标准，依据2.2中的公式确定模糊综合隶属度矩阵R，计算结果见表6。

表6 长江子汇洲水源地风险指标模糊综合隶属度矩阵RTab.6 Fuzzy comprehensive membership degree matrix R of risk index of Zihuizhou water source area of Yangtze River

3.5 评价结果及分析

根据改进模糊综合评价模型公式计算长江子汇洲水源地风险等级，结果见表7。

表7 长江子汇洲水源地风险等级计算结果Tab.7 Calculation results of risk levels of Zihuizhou water source area of Yangtze River

从总体上看，长江子汇洲水源地风险度综合评估结果为0.216 7，属于较低风险。长江子汇洲水源地建设完善、管理到位，计算结果与实际情况符合，有较高可信度。

具体来看，水质污染风险度处于较低水平，指标层6个指标中突发污染事故发生概率A3的风险等级为一般，其余指标均为低或较低风险。长江子汇洲水源地保护区附近存在功能多样的码头渡口和水源地取水口工厂企业，包括滨江码头、华能码头、中储货运码头和南华码头等，且航线繁忙，货物吞吐量大。在交通布局方面，长江南京段需承担航运等任务，所以船运船舶等移动风险源也是不容忽视的潜在风险。目前园区内尚未发生造成重大污染的突发性事故。另外，水源地一、二级保护区内没有任何排污口，但准保护区外存在码头、企业、排污口和可能对水体产生污染的建设设施，也会对水源地水质造成一定的污染。为加强水质风险管控，水源地水质监测在进行实验室水质取样抽检的同时，江宁区水务局、环保局在滨江水厂取水口附近安装了水质自动监测系统，可实现10个参数24 h的连续动态监测，基本满足子汇洲水源地全方位的水质监控需求。

水量短缺风险处于低风险水平，指标层6个指标中人口自然增长率B1为较高风险，工程供水能力B6为一般风险，其余指标均为低风险。随着现代社会经济高质量、跨越式发展，工农业发展和人民生活的需水量都日益增加，人口自然增长率较大也对水量供需平衡造成一定影响。同时，选取的2019年为60年一遇干旱年份，降水量大幅降低，而长江子汇洲水源地的供水规模依然能够满足城市居民生活用水需求，供水情况较稳定，并且长江水量丰富，在枯水年来临时也能确保水源地的年度引水量，未来应进一步考虑供水区域人口数量、经济体量持续增加而带来的潜在水资源短缺风险。

生态环境风险处于较低风险水平，指标层的植被覆盖率C2和水环境自净能力C4为一般风险，其余指标为低或较低风险。子汇洲水源地一级保护区内植被覆盖率达90%以上，水源地保护区外20 km缓冲区域的土地开发利用率较高，导致植被覆盖率一定程度偏低，存在土壤侵蚀和水土流失现象，致使水源地附近生态环境承受一定程度破坏，进而对水源地安全造成负面影响，应继续做好水土流失治理工作，采取建设生态环境保障工程等措施。水环境自净能力受年度来水量影响，2019年为枯水年，来水量较小导致其具有较大风险，丰水年的风险会相应降低。

管理保护风险处于低风险水平，指标层的6个指标均为低或较低风险，说明子汇洲水源地在水源地管理方面做得比较全面和完善，对应的风险度值为4个方面中最小。子汇洲水源地设置了专门的管护机构，同时实行行政首长负责制，各部门启动联动机制，针对子汇洲水源地出台了水源地安全评估制度和长效管护制度。关于应急能力方面，布局了夹江双闸水源和赵村水库备用水源地，能满足应急用水需求，也制定了专门的应急预案，应急监测能力达到规范要求。

子汇洲水源地综合风险处于较低风险水平，水源地安全状况良好。目前生态环境风险度评价结果为0.322 1，与水质污染、水量短缺、管理保护相比，问题较为明显，应不断增加环保投资力度，为水源地周边生态环境提供切实的保障。水源地管护机构滨江水厂应积极联合其他部门，针对具体现象实施相应风险控制措施，最大程度降低存在的水污染风险，同时强化水源地长效管护机制，不断提高原水水质应急与常规监控水平，定期实施应急演练，保障水源地安全。

对比传统与改进的模糊综合评价结果，生态环境风险、管理保护风险的传统模糊综合评价风险等级为一般和较低，改进模糊综合评价风险等级为较低和低，综合风险的传统与改进模糊综合评价风险等级相同，均为较低等级，改进后的综合风险度结果为0.216 7，位于低和较低等级的过渡位置。结合子汇洲水源地风险现状可知，传统模糊综合评价会造成风险等级偏高，偏离实际数值，而改进的模糊综合评价结果更贴近实际情况。这是因为传统模糊综合评价法采用取大取小算子和最大隶属度原则，使最终的评价结果仅保留权重系数或隶属度，造成另一部分隶属度丢失，影响评价的准确性。改进的模糊综合评价方法采用相乘相加算子与加权平均原则，综合分析与处理权重矩阵和隶属矩阵，能避免隶属度丢失并可对评价风险等级进行量化，得到的评价结果更趋于实际，改进方法在评估水源地风险时更加科学、合理。

4 结 论

从水质污染、水量短缺、生态环境、管理保护等4个方面构建了河流型水源地风险评价指标体系。基于模糊综合评价理论，依据有效度原则和加权平均原则，对传统模糊综合评价模型加以改进，建立河流型水源地风险模糊综合评价模型，充分考虑了所有指标隶属度的作用，减小了误差，提高了评价风险等级的科学性和客观性。

以改进模糊综合评价模型对长江子汇洲水源地进行实例研究，确定其风险评估结果等级处于较低风险水平，总体状况表现良好。从结果可知，现存隐患主要为子汇洲水源地的码头企业分布紧密、植被覆盖率较低等风险因子，在生态环境风险控制上有较大进步空间，可通过采取工业及生活污水处理工程建设、及时排查突发性水污染事故隐患、建设生态环境保障工程等风险管控措施降低子汇洲水源地的风险水平。