一種區域水環境風險評估方法

一種區域水環境風險評估方法
【專利摘要】本發明提供了一種區域水環境風險評估方法，包括：建立基于DPSIR模型的區域水環境風險評估模型；其中所述DPSIR模型包括驅動力因子、壓力因子、狀態因子、影響因子、響應因子；構建區域水環境風險評估指標體系，所述構建區域水環境風險評估指標體系包括從不同角度反映區域水環境風險的目標層、系統層、準則層、指標層。上述方案能夠更為準確的對區域水環境進行評估，以為決策提供準確的依據。
【專利說明】
-種區域水環境風險評估方法
技術領域
[0001] 本發明設及水環境評估領域的數據分析和處理技術，特別是指一種區域水環境風 險評估方法。
【背景技術】
[0002] 由于社會經濟、工農業的迅速發展W及城市化進程的不斷加快，全球各地區環境 壓力也日益增大。20世紀70年代，美國首先提出了環境風險評估化RA)的概念，其隨后被西 方歐美等國家逐漸認可。水環境風險評估(WERA)作為環境風險評估的重要組成部分，其是 在環境風險評估的基礎上，開展水環境各種潛在風險的識別W及水環境事故發生概率評估 工作的過程。作為ERA的重要方向，其在水環境風險預測與水環境事故預防方面扮演著重要 角色。
[0003] 京津冀地區是中國北方經濟最為發達、最具發展潛力的地區，包括北京和天津兩 直轄市W及河北省11個地級市。但是，隨著區域經濟的快速發展，其環境問題逐漸演變成為 區域性難題，環境風險不斷累積，人群等風險受體不斷增加，資源環境承載力較弱，致使環 境事故一旦發生，便可能產生嚴重后果。2015年4月30日，中央政治局會議審議通過《京津冀 協同發展規劃綱要》指出，推動京津冀地區協同發展是一項重大國家戰略，是促進資源環境 統一協調的需要，此戰略的提出，加速了京津冀一體化進程，為區域發展帶來機遇的同時， 又對其可持續發展提出了更高的要求，也給區域生態環境一體化保護管理帶來了更大的挑 戰。在此背景下，在京津冀地區開展水環境風險評估工作可為管理者提供決策依據，同時能 有效預測水環境風險，W實現區域水環境與經濟的可持續發展。
[0004] 如今，WERA已被廣泛地應用于識別水環境中的高風險因子。隨著人們環保意識逐 漸增強，很多方法被用于WERA:圖形疊加方法、信息擴散方法、指標體系方法、模糊數學綜合 評估方法等。其中指標體系方法具有簡潔、快速、效率高、低耗的優點。Sun F等建立了一個 指標體系（具體請見F S,J C,Q T,S Z = Integrated risk assessment and screening analysis of drinking water safety of a conventional water supply system.Water science and Technology 2007,56:47-56.)，該方法結合篩選分析和圖形檢驗矩陣對區域 飲水安全風險進行評價，建立了風險評估程序，并對水系統脆弱性進行了表征。Wang B等在 白萍淀流域開展了環境污染風險研究（Wang B，Cheng H:Environmental Risk zoning Research in Baiyangdian Basin.Procedia Environmental Sciences 2011,10:2280- 6.)，借助GIS和RS技術，建立了一個簡單的指標體系來評估洪水和水資源短缺風險，同時完 成風險定量化和風險可視化。
[0005] 但是如果在建立指標體系是缺少一定理論依據，就會增加評價的盲目性，導致評 價結果的不合理性、不科學性。因此基于改進的PSR、DSR模型，業界提出了一種DPSI民 (Drivers Pressures States Impacts Responses;驅動、壓力、狀態、影響W及響應）模型， ^ffiiiOECD(Organization for Economic Cooperation and Development，拿圣5^^作與；^ 展組織)在上世紀90年代進行推廣，并由IGBP LOICZ進一步的發展。它可W捕捉到社會、經 濟、環境系統之間的"因果-效應"關系，因此被廣泛應用于分析人類環境系統的相互作用過 程。ZHANG S等提出了一種基于PSR模型的區域環境和健康風險評估指標體系，并結合層次 分析法(AHP)確定權重（[16]Zhang S，Wei Z，Liu W，Yao L，Suo W，Xing J，Huang BJin D, Wang J: Indicators for Environment Health Risk Assessment in the Jiangsu Province of Chin曰.Internstionsl journal of environment曰I research 曰nd public health 2015,12:11012-24.);而Xu EGB等提出了一種針對海洋保護區的、基于多層DPSIR 模型的環境風險評估方法，并生成一個數據庫來協助管理(Xu EGB，Leung KMY，Morton B， Lee JHW:An integrated environmental risk assessment and management framework for enhancing the sustainability of marine protected 曰re曰s:the Cape d'Aguil曰r Marine Reserve case study in Hong Kong.The Science of the total environment 2015,505:269-81.)。綜合來看，DPSIR模型能簡化復雜的水環境問題，使決策者更容易掌握 轄區的水環境狀況。
[0006] 在風險計算方法方面，現有的研究大部分W權重和風險值的簡單乘積代表風險水 平，降低了計算結果的精確程度。模糊數學綜合評估方法具有結構清晰和高系統性等優點 被廣泛用于風險值計算、解決模糊和不確定問題。
[0007] Peibin G等運用層次分析法和專家打分法W及模糊綜合評價法對西部地區開展 了健全的環境風險評估，并分析得出了影響結果的主要因素(PeibinG,Baojiang S,Gang L,Yong W:Fuzzy comprehensive evaluation in well control risk assessment based on AHP.AdvanceS in Petroleum Exploration and Development 2012,4:13-8.)。張海麗 等初步建立了基于模糊數學綜合評估方法的生態風險評估模型來評估大迂河污染狀況(張 海麗:大迂河口水環境污染生態風險評價指標體系與技術方法研究.青島：中國海洋大學， 2013.)。
[0008] 然而，有很少研究能綜合利用上述幾種方法，將其視為整體對區域水環境風險進 行評估。

【發明內容】

[0009] 基于上述缺陷，本發明實施例的目的是提出一種區域水環境風險評估方法，能夠 根據DPSIR模型的理論將水環境風險系統作為一個由形成和控制環境風險的各種要素有機 結合的整體，W此構建全面系統的水環境風險評估指標體系。
[0010] 為了達到上述目的，本發明實施例提出了一種區域水環境風險評估方法，包括：
[OOW 步驟1、建立基于DPSIR模型的區域水環境風險評估模型；其中所述DPSIR模型包括 驅動力因子、壓力因子、狀態因子、影響因子、響應因子;其中
[0012] 驅動力因子為推動水環境壓力增加或減小的潛在因子，是造成水環境發生變化的 間接因素，至少包括:社會經濟發展速率、人口增長速率等；
[0013] 壓力因子為產生水環境風險的直接驅動力，表征社會發展對水資源的需求及對水 環境造成的副作用，至少包括:社會用水效率、廢污水排放；
[0014] 狀態因子為描述區域水環境狀況W及推動水環境保護工作進行所需的前提條件， 即社會經濟發展狀況，至少包括:水質、水量、水生態狀況；
[0015] 影響因子為在直接、間接驅動力推動下對區域水環境W及居民生活造成的影響；
[0016] 響應因子為對水環境面臨的各種風險所采取的管理措施；
[0017] 步驟2、構建區域水環境風險評估指標體系，所述構建區域水環境風險評估指標體 系包括從不同角度反映區域水環境風險的目標層、系統層、準則層、指標層；
[001引其中所述系統層包括至少W下五個參數:驅動力、壓力、狀態、影響、響應；
[0019] 其中驅動力對應=個準則層參數:人口增長、經濟發展、社會發展;其中人口增長 對應的指標層包括:人口自然增長率、人口密度;經濟發展對應的指標層包括:GPD年增長 率、人均GDP;社會發展對應的指標層包括:恩格爾系數；
[0020] 其中壓力對應兩個準則層參數:環境壓力、資源壓力;其中環境壓力對應的指標層 包括：國家重點監控企業密度、工業廢水排放量、生活污水排放量、COD年排放量、農藥化肥 使用量;其中資源壓力對應的指標層包括:萬元GDP用水量、人均用水量；
[0021] 其中狀態對應四個準則層參數:水量、水質、水生態、受體;其中水量對應的指標層 包括:人均水資源占有量;水質對應的指標層包括:水功能區水質達標率;水生態對應的指 標層包括:濕地面積占轄區面積比；受體對應的指標層包括:敏感人群比重；
[0022] 其中影響對應=個準則層參數:水環境、水生態、居民生活;其中水環境對應的指 標層包括:河流、湖泊劣于III類水質占比；水生態對應的指標層包括:水±流失面積比例； 居民生活對應的指標層包括:集中水源地水質達標率、人口平均壽命、居民生活水費；
[0023] 其中響應對應=個準則層參數:水資源管理、水資源監測、污廢水處理;其中水資 源管理對應的指標層包括:人均水利、環境、公共基礎設施投資；水資源監測對應的指標層 包括:地表水水質監測斷面點位數;污廢水處理對應的指標層包括:污水集中處理率、工業 廢水處理率。
[0024] 其中，所述方法還包括：
[0025] 步驟3、采用層次分析法計算各指標權重并賦值，然后將各指標體系量化分級;然 后通過模糊綜合評價法，計算區域水環境的風險值。
[0026] 其中，步驟3中的通過模糊綜合評價法，計算區域水環境的風險值，具體包括：
[0027] 步驟31、根據目標層、系統層、準則層、指標層間層次結構關系，建立隸屬度函數， 并計算出各指標對于評價等級的隸屬度；
[0028] 步驟32、根據指標體系各層級關系，建立結構模型，通過相對隸屬度函數建立模糊 關系矩陣;根據最大隸屬度的原則確定最終評價結果。
[0029] 其中，所述步驟31具體包括：
[0030] 對于逆向指標，指標值越小，水環境風險越高：
[0032] 對于正向指標，指標值越大，水環境風險越高：
[0031] CD
[00削
傑
[0034] 其中Xi指第i項指標;曰1和k為第i項指標的第k級評價標準;rik指第i項指標對于第 k級標準的相對隸屬度。
[0035] 其中，所述步驟32具體包括：
[0036] 步驟321、根據指標體系各層級關系，建立結構模型，通過相對隸屬度函數建立模 糊關系矩陣：
[0037] (3)
[0038] 其中m為該等級所含指標數;n為評價等級數；
[0039] 步驟322、由于區域水環境風險評估指標體系分為4層，因此n = 4;根據權重集W及 模糊關系矩陣依次進行第一、二、=級評判：
[0040] (4)
[0041] 其中bi為評價指標對第i個等級的隸屬度；
[0042] 根據最大隸屬度的原則，取與思對應的風險等級作為該要素的最終評價結 果。
[0043] 本發明的上述技術方案的有益效果如下：
[0044] 上述技術方案能夠更為準確的對區域水環境進行評估，W為決策提供準確的依 據。
【附圖說明】
[0045] 圖I為本發明實施例的區域水環境風險評估分區思路圖；
[0046] 圖2為本發明實施例的DPSIR模型評估框架示意圖；
[0047] 圖3為本發明實施例的模糊綜合評價法評估框架示意圖。
【具體實施方式】
[0048] 為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具 體實例進行詳細描述。
[0049] 水環境風險評估是確定水環境風險發生的概率、水環境的脆弱性W及預測事故發 生對水環境造成的影響的過程。目前，水環境風險評估方法主要有指標體系法、神經網絡 法、灰色模型法、加權風險分析法、事故樹法等。而現如今，水環境風險的高低與社會經濟發 展水平息息相關。因此，與其他方法相比，構建DPSIR模型法能綜合考慮環境與經濟兩大因 素，其目前已應用于環境管理和水資源可持續利用等領域。DPSIR模型是在PSR模型和DSR模 型修訂的基礎上發展而來，它描述了一條引發環境問題的起源和結果之間的因果鏈。本發 明實施例WDPSIR模型為基礎，綜合考慮導致水環境風險發生的驅動力及人類社會對水環 境施加的壓力，進而評估風險發生對水環境狀態產生的影響，及人類對此影響做出的積極 響應，W完成水環境風險評估。
[0050] 本發明實施例的區域水環境風險評估與分區的設計思路如圖1所示的，本發明實 施例通過指標體系法、模糊數學法、層次分析法的有機結合，構建水環境風險評估綜合方法 體系，從而將復雜的環境條件進行綜合、簡化。
[0051] 1、建立基于DPSIR模型的區域水環境風險評估：
[0052] DPSIR模型分別W驅動力因子、壓力因子、狀態因子、影響因子、響應因子為出發 點，五因素相鋪相成，對水環境風險進行評估。首先，在指標體系法指導下，根據環境風險評 估理論建立評估框架W及指標體系；
[0053] 其次，進行定量化計算，即W模糊綜合評價法為基礎計算系統風險值，結合AHP計 算各指標權重并賦值，將各指標體系量化分級；
[0054] 最后，依據結果，WArcGIS為輔助工具，按風險從高到低劃分為高風險區、中風險 區、低風險區、無風險區。
[0055] 2、構建水環境風險評估指標體系
[0056] 本發明實施例從區域環境風險系統理論出發，構建區域水環境風險指標體系；該 指標體系由目標層、系統層、準則層和指標層構成，W從不同角度反映研究區水環境風險。 捜集的原始數據需根據計算來達到表征風險的目的，考慮到數據的可獲取性，對數據缺乏 的指標，采用等效替代的方式。本發明實施例針對推動風險發生的驅動力、壓力因子，偏重 考慮對研究區影響最大的工業、農業、生活污染源，對水環境狀態、風險影響的評估W地表 水為主。
[0057] 本發明實施例的評估指標體系具體內容詳見表1，表1中從前述的四個層次（目標 層未列出）出發，圍繞DPSIR模型，建立水環境風險評估指標體系。該表W原始數據為基礎， 明確各指標的計算方法，將數據疊加整合，同時闡明了各指標的作用地位及原始數據的捜 集來源。
[005引表1水環境風險評估指標體系
[0化91
[(
[0061] 注：[a]評估區當地統計年鑒；[b]評估區當地環境保護年鑒；^]評估區當地環境 狀態公報；
[0062] [d]評估區當地環境保護廳網站；[e]評估區當地水資源公報；[門中國統計年鑒；
[0063] [g]中國環境狀況公報；比]中國水資源公報；[i]文獻、數據檢索
[0064] 3、數據來源
[0065] 通過查閱各省市年鑒、環境狀況公報等資料，文獻檢索，數據查詢等方式，針對指 標體系所設及的內容，整理出各評估單元的相關數據。考慮數據的可獲取性及全面性，本發 明實施例中W2012年數據作為基礎數據，當然運只是實現本發明的一種形式而已。驅動力 因子指標數據主要通過查閱各省市年鑒、中國城市年鑒及文獻檢索的方式獲取;壓力因子 指標數據除通過上述渠道外，還通過查閱環境保護年鑒獲取。其他因子指標數據獲取方式 詳見表1。
[0066] 4、權重設置
[0067] 指標體系建成之后，需確定各指標在指標體系中的權重，W此來表征各指標對環 境風險的貢獻程度。目前，權重計算方法有層次分析法（Analytic化erarchy Process， AHP)、主成分分析法、賭值法、狀態最優化法等。其中層次分析法作為目前普遍運用的權重 計算方法，結合專家打分法及定性定量方法，使決策層次化、結構化。
[0068] 層次分析法：Saaty TL:A scaling method for priorities in hierarchical structures.Journal of Mathematical Psychology 1977,15:2:34-81.運種算法根據指標 體系層次結構關系及各元素間影響程度，確定指標之間相對重要性，參照1-9標度含義，構 建判斷矩陣。采用幾何平均法計算指標層相對于準則層、準則層相對于系統層、系統層相對 于目標層，共=級權重值，并W向量形式表示。最后對計算結果進行一致性檢驗，保證C.R. <0.1即判斷矩陣具有較好傳遞性、一致性。該方法具體計算步驟可W參考:Tesfamariam S,Sadiq R:Risk-based environmental decision-making using fuzzy analytic hierarchy process(F-AHP).Stochastic Environmental Research and Risk Assessment 2006,21:35-50.。針對本發明實施例的指標權重計算結果詳見表2。
[0069] 表2水環境風險評估指標體系量化分級及權重
[0070]
[0071] 5、指標量級分化
[0072] 選定研究區，并W查閱獲取的數據為基礎，結合各指標數據的表征意義，W最大程 度表征各研究單元在驅動力、壓力、狀態、影響、響應五個因子的差異性為出發點，同時結合 國家相應規范、標準中所規定的分級標準，對指標體系進行量化分級，從而完成對各指標的 評分，量化分級結果詳見表2。
[0073] 6、模糊綜合評價法
[0074] 基于模糊綜合評價模型，對研究區水環境風險進行評估。首先根據目標層、系統 層、準則層、指標層間層次結構關系，建立隸屬度函數，進而計算出各指標對于評價等級的 隸屬度。各評價指標隸屬度計算方法如下：
[0075] (1)對于逆向指標，指標值越小，水環境風險越高：
[0076]
(1)
[0077] (2)對于正向指標，指標值越大，水環境風險越高：[007只1
貸）
[00巧」 其甲Xi指弟i項指你；ai、時旨弟i項指你的弟k繳評價你準；nk指弟i項指標對于第k 級標準的相對隸屬度。
[0080] 根據指標體系各層級關系，建立結構模型，通過相對隸屬度函數建立模糊關系矩 陣：
[0081]
(3)
[0082] 其中m為該等級所含指標數;n為評價等級數。
[0083] 本研究區水環境風險評估指標體系分為4層，因此如圖3所示的需進行=級評判， 評價等級為4(即n = 4)。根據權重集W及模糊關系矩陣，依次進行第一、二、=級評判：
[0084； (4)
[0085] 其中bi為評價指標對第i個等級的隸屬度；
[0086] 根據最大隸屬度的原則，取與思質對應的風險等級作為該要素的最終評價結 果D
[0087] 本發明實施例涉及的參考文獻如下，本發明實施例將W下列出的參考文獻全文運 用于此：
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[0125] W上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種區域水環境風險評估方法，其特征在于，包括： 步驟1、建立基于DPSIR模型的區域水環境風險評估模型；其中所述DPSIR模型包括驅動 力因子、壓力因子、狀態因子、影響因子、響應因子;其中 驅動力因子為推動水環境壓力增加或減小的潛在因子，是造成水環境發生變化的間接 因素，至少包括:社會經濟發展速率、人口增長速率等； 壓力因子為產生水環境風險的直接驅動力，表征社會發展對水資源的需求及對水環境 造成的副作用，至少包括:社會用水效率、廢污水排放； 狀態因子為描述區域水環境狀況以及推動水環境保護工作進行所需的前提條件，即社 會經濟發展狀況，至少包括:水質、水量、水生態狀況； 影響因子為在直接、間接驅動力推動下對區域水環境以及居民生活造成的影響； 響應因子為對水環境面臨的各種風險所采取的管理措施； 步驟2、構建區域水環境風險評估指標體系，所述構建區域水環境風險評估指標體系包 括從不同角度反映區域水環境風險的目標層、系統層、準則層、指標層； 其中所述系統層包括至少以下五個參數:驅動力、壓力、狀態、影響、響應； 其中驅動力對應三個準則層參數:人口增長、經濟發展、社會發展;其中人口增長對應 的指標層包括:人口自然增長率、人口密度;經濟發展對應的指標層包括:Gro年增長率、人 均GDP;社會發展對應的指標層包括:恩格爾系數； 其中壓力對應兩個準則層參數:環境壓力、資源壓力；其中環境壓力對應的指標層包 括：國家重點監控企業密度、工業廢水排放量、生活污水排放量、COD年排放量、農藥化肥使 用量;其中資源壓力對應的指標層包括:萬元GDP用水量、人均用水量； 其中狀態對應四個準則層參數：水量、水質、水生態、受體；其中水量對應的指標層包 括:人均水資源占有量;水質對應的指標層包括:水功能區水質達標率;水生態對應的指標 層包括:濕地面積占轄區面積比；受體對應的指標層包括:敏感人群比重； 其中影響對應三個準則層參數:水環境、水生態、居民生活;其中水環境對應的指標層 包括:河流、湖泊劣于III類水質占比；水生態對應的指標層包括:水土流失面積比例；居民 生活對應的指標層包括:集中水源地水質達標率、人口平均壽命、居民生活水費； 其中響應對應三個準則層參數:水資源管理、水資源監測、污廢水處理;其中水資源管 理對應的指標層包括:人均水利、環境、公共基礎設施投資;水資源監測對應的指標層包括： 地表水水質監測斷面點位數;污廢水處理對應的指標層包括:污水集中處理率、工業廢水處 理率。2. 根據權利要求1所述的區域水環境風險評估方法，其特征在于，所述方法還包括： 步驟3、采用層次分析法計算各指標權重并賦值，然后將各指標體系量化分級;然后通 過模糊綜合評價法，計算區域水環境的風險值。3. 根據權利要求2所述的區域水環境風險評估方法，其特征在于，步驟3中的通過模糊 綜合評價法，計算區域水環境的風險值，具體包括： 步驟31、根據目標層、系統層、準則層、指標層間層次結構關系，建立隸屬度函數，并計 算出各指標對于評價等級的隸屬度； 步驟32、根據指標體系各層級關系，建立結構模型，通過相對隸屬度函數建立模糊關系 矩陣;根據最大隸屬度的原則確定最終評價結果。4. 根據權利要求3所述的區域水環境風險評估方法，其特征在于，所述步驟31具體包 括： 對于逆向指標，指標值越小，水環境風險越高：其中Xi指第i項指標;ai和k為第i項指標的第k級評價標準;rik指第i項指標對于第k級標 準的相對隸屬度。5. 根據權利要求3所述的區域水環境風險評估方法，其特征在于，所述步驟32具體包 括： 步驟321、根據指標體系各層級關系，建立結構模型，通過相對隸屬度函數建立模糊關 系矩陣：其中m為該等級所含指標數;η為評價等級數； 步驟322、由于區域水環境風險評估指標體系分為4層，因此η = 4;根據權重集W及模糊 關系矩陣依次進行第一、二、三級評判：其中匕為評價指標對第i個等級的隸屬度； 根據最大隸屬度的原則，取與對應的風險等級作為該要素的最終評價結果。
【文檔編號】G06Q10/06GK106022635SQ201610371165
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】翟遠征, 冷蘇婭, 蔣世杰, 王金生, 滕彥國
【申請人】北京師范大學