山西省黄河流域水环境安全风险评价研究

周 璇，侯向英，郭丕斌

（1.中北大学经济与管理学院，太原 030051；2.太原师范学院，太原 030619）

随着全球气候变暖，山西省降水量大幅度降低，1957—2003年山西省降水量总体呈减少趋势，而气温却呈上升态势，减少和上升幅度均显著高于全国水平，这种态势在20世纪90年代以来尤为突出［1］。这就使得山西省水资源十分短缺，2007—2016年这10年中共有6年人均水资源量均徘徊在250 m3/人左右，2018年人均水资源量虽上升为328.6 m3/人，但也仅占全国平均水平的16.67%，在世界范围内属于极度贫水区域（图1）。其中，太原、大同和朔州3个地级市的水资源更为紧缺。此外，山西省陆地地表水少且分布不均，河川径流量仅为114亿m3，地下水资源量仅有85.98亿m3，可采水资源也仅占45%，且大多分布于省境及盆地边缘。此外，山西作为煤炭大省，在煤炭开采过程中，破坏了煤系含水层，使得土地裂陷、岩溶泉域的泉流量减少和矿区漏水，某些破坏甚至是永久性的，这些因素均加剧了山西省水资源的匮乏程度。

图1 2007—2016年山西省水资源情况

山西省黄河流域由汾河、沁河、涑水河以及入黄支流水系组成，流域面积为9.75万km2，占全省土地总面积的62.2%。其独特的四面环山地形地貌，使得盆地内的水流十分不畅，水体自净能力较差。再加上山西省大部分人口散居在黄河两岸，生活污水和农业退水污染在不断加重，而以煤炭、电力、冶金、造纸和化工等高污染高能耗为主的工业结构也给黄河流域带来了巨大环境污染。这些因素整合在一起，使得山西省黄河流域的水环境质量堪忧，污染形势非常严峻。由图2可以看出，山西省人均废水、氨氮和COD排放量虽然总体趋势在下降，但是人均排放总量仍处全国前列。以年均浓度来衡量，山西省106个国控断面中，V类和劣于V类水质标准的断面有80个，占比75.5%。山西省2019年地表水环境质量报告显示，黄河流域中汾河水质受到重度污染，劣Ⅴ类水质断面占比41.7%，入黄支流水系中，屈产河、三川河水质为重度污染，湫水河、涑水河水质则为中度污染。

图2 2007—2016年山西省废水污染物排放情况

当今水环境正面临着资源紧缺、污染严重、突发环境事件频发和水生态破坏等方面的综合性水问题［2］。水环境事件频发导致巨大的生命财产损失［3］，作为生态屏障和经济地带，黄河流域在促进经济社会发展和生态安全方面尤为重要［4］。20世纪80年代以来，黄河流域污染源变多且复杂，污染情况越发加重。内蒙古巴彦淖尔，山西省吕梁、太原和运城三市以及陕西西安段的支流污染现象更加严重［5］。张宁宁等［6］对2020年黄河流域水资源承载力进行预测，认为山西省段承载力接近严重超载，采取措施后未来会好转。刘卫等［7］以内蒙古段为研究对象，指出生态敏感性和风险综合评价值较高的区域均为沿黄地区人口和工业较为集中的地区。张士锋等［8］对北京市水资源系统风险进行研究后得出，致险因子由大到小依次为短缺性、波动性、脆弱性。梁缘毅等［9］将水资源安全风险类型划分为水量短缺、水质污染、干旱和洪涝四大风险，山西省为水质污染型风险。刘晓晖等［10］认为，针对流域水环境污染风险的防治，建议建立流域水环境风险防控系统，以降低其风险损害。

在流域水环境风险的研究中，大多数研究集中在风险防控方面［11］，对污染因素进行风险评价和治理效果评价的研究较少，具体到地级市的则更少。鉴于山西省黄河流域水资源短缺严重、工业污染源稳定达标困难、农业面源污染逐年加重的现实，本研究拟以黄河流经市域为单位，运用系统论和风险防范理论，构建科学的评价指标体系，对山西省黄河流域水环境存在的问题进行探究，以期能在山西省黄河流域水资源系统风险预警及防范方面起到一定的作用。

1 研究方法与数据来源

1.1 水环境安全风险评价理论模型

水环境安全风险评价即识别风险因子，对水环境的安全风险进行定量化估算［12］。鉴于水环境风险的自然属性，根据史培军［13］的灾害系统风险理论，水环境风险由致灾因子、承灾体和孕灾环境组成，本研究将水环境安全风险进行量化，得到水环境安全风险计算模型，水环境安全风险可表示为危险性（W）、暴露性（B）和脆弱性（C）的函数［14］，如下所示。

式中，WR代表目标风险，即水环境安全风险；W代表致灾因子的危险性；B代表承灾体的暴露性；C代表承灾体的脆弱性。他们之间的函数关系一般通过乘法来进行计算［15］，可表示如下。

致灾因子的危险性（W）是指水环境系统不安全事件的导致因素，本研究主要探究水环境质量的安全风险，因此危险性指标选取了主要污染因子，即人均废水排放量（W1）、人均氨氮排放量（W2）和人均COD排放量（W3）这3个指标。承灾体暴露性指标是指人口、经济和水体自然因素，本研究选取人均GDP（B1）、人口密度（B2）、最小3 d流量千分比（B3）、水域面积率（B4）和湿地保留率（B5）这5个指标进行表征。根据IPCC的定义，脆弱性是指系统容易受到无法应对的不利影响程度［16］。本研究选取水环境系统无法承受的压力因素，即降水量（C1）、人均水资源量（C2）、地下水开采系数（C3）、人均生活用水量（C4）、万元农业产值用水量（C5）、万元工业增加值用水量（C6）、农林牧渔总产值与地区生产总值之比（C7）和生态环境用水率（C8）这8个指标对其进行表征（图3）。

1.2 水环境风险权重构建（AHP）

AHP（层次分析法）最早由美国学者赛惕（T.L.Satty）提出，目的是对难量化且构造混乱的多目标问题加以分析，从而获得最优决策［17］。本研究拟利用AHP定性与定量相结合的优点，遵循科学性、客观性与数据可得性的原则，对山西省黄河流域水环境风险因素加以提炼，设置了目标层、风险属性层和评价指标层，最后对层面指标之间的致险因素、承险因子以及暴露性进行进一步的分析，来构建风险防范体系。

1.3 水环境安全风险评价

进行水环境安全风险评价，首先需要通过指标体系（图3）找到相应的原始数据，根据评价目标的正、负相关关系，将原始数据分为成本型和效益型两类。为了去除评价指标的量纲影响，以及更好地进行污染治理效果前后对比，本研究采用增长率（Z）的方式（基期为2010年，限于数据的取得性和一致性，对比年份设为2015年），然后通过层次分析法得到的权重向量W和增长率评价指标进行加权，得到危险性、暴露性和脆弱性风险属性层的计算值。

式（3）至式（5）分别是水环境危险性、暴露性和脆弱性的计算模型。WW、WB和WC是各风险属性层的权重；ZijWT、ZijBT和ZijCT是风险属性层增长率指标的转置矩阵。按照式（2）对水环境安全风险进行计算，得出每个研究对象的综合风险评价值。运用Arc⁃GIS自然断点法把风险划分为极高、高、中等、低和极低5个等级［9］。

1.4 数据来源

本研究以黄河流经的9个山西省地级市为评价单元，涉及的降雨量数据来源于中国气象科学数据共享网。其他数据来源于2008—2018年的中国和山西省统计年鉴、中国环境年报以及相关研究成果［6］。需要说明的是，本次研究对象不包括黄河未流经的阳泉市和大同市。

2 结果与分析

根据本研究所构建的水环境安全风险评价指标体系，结合各市域的实际数据，对山西省黄河流域水环境安全进行风险定量化估算。

2.1 确定山西省黄河流域水环境风险因素的权重

2.1.1 AHP指标体系的构建 水环境是一个复杂的系统，受自然、生态、人类社会和经济发展的影响，系统中的不确定性彼此作用、相互影响。基于梁缘毅等［9］对水资源安全风险评价指标体系的划分，本研究根据实地调研结果和专家建议，依据客观、科学、独立和数据可得性等原则，选择目标层、风险属性层和评价指标层各层次要素，构建风险防范体系。在图3中，由左向右看，左边山西省黄河流域水环境风险评价是目标层，中间WBC是风险属性层，分别代表致险因素（危险性）、承险因子（暴露性）、承险因素（脆弱性），右边是评价指标层，是W、B、C所包含的各要素，其中，危险性包含W1至W3 3个要素，暴露性分别包含B1至B5 5个要素，脆弱性分别包含C1至C8 8个要素。

图3 山西省黄河流域水环境系统风险评价指标体系

2.1.2 确定指标的权重 AHP法通过采用专家的经验判断，来确定相关指标的权重，因此专家的态度和专业水平、问卷的设计水平就变得非常重要。本研究采用实地调研法，专家分别选择了山西省水利厅政府官员（2人）、研究山西省黄河流域的高校教师（3人）、山西省发改委官员（5人）、黄河流经山西段9市（各2人，共计18人）、随机走访调查黄河沿线县镇村民（36人）、游客（10人），总计74人，共收回有效问卷74份。首先请每位专家依据重要性程度对判断矩阵的指标进行赋值（表1），接着根据判断矩阵进行层次排序，并对相邻层级之间的隶属关系构造矩阵，最后运用式（6）来分别计算各自的相对权重W。

表1 判断矩阵的指标与尺度

2.1.3 指标总排序 判断矩阵需要通过一致性检验才可以进行下一步分析。因此，需要通过式（7）来计算其一致性指标，R.I.可以通过查表得到。根据C.R.是否小于0.1来判断其一致性，如果C.R.小于0.1，则可以认定判断矩阵具有一致性，否则需要进行重新调整（表2）。由表2可以看出，所有的C.R.＜0.1，说明这些判断矩阵均具有一致性，可以进行下一步的层次总排序（表3）。

表2 判断矩阵一致性检验结果

由表3可以看出，危险性、暴露性和脆弱性的权重值分别为0.648、0.122和0.230，说明山西省黄河流域水环境面临的危险性重于脆弱性，也重于暴露性，山西省天然的地理位置和水文情况也验证了这种趋势，但各因素的重要程度并不一致。结合要素层的比重来看，隶属于危险属性的人均废水排放量（W1）权重最大，人均氨氮排放量（W2）次之，隶属于脆弱性的降水深（C1）排第三位，属于暴露性的水域面积率（B4）则排在第四位。

表3 评价层对目标层总排序

2.2 以市域为视角进行黄河流域水环境风险评价

结合黄河流经山西省的9个地级市来看，目前权重最大的危险性，不管是人均废水排放量、人均氨氮排放量，还是人均COD排放量，在“十二五”期间，经过5年的治理，太原、忻州、吕梁、晋中、临汾和运城这6市的水污染局面已经得到了较好的控制，尤其是排放总量最大的朔州市，人均废水和COD排放量都有所下降，但值得注意的是人均氨氮排放量指标在这5年内并没有发生变化。此外，需要重点关注的是长治市和晋城市的废水污染指标，不管是人均废水、人均氨氮还是人均COD排放量在这5年内均不降反升，尤其是人均氨氮和人均COD排放量这2个指标增长幅度非常大。长治市有潞安集团，晋城市有山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，均为大型国有煤炭企业，由此延伸的上下游排污企业众多，对黄河造成的污染便不言而喻。

暴露性权重最大的是水域面积率，受限于地下开采、降水稀少和工农业用水等因素，位处山西省西北面的朔州市和忻州市在“十二五”期间水域面积率减少，这对减轻环境污染相当不利。脆弱性权重最大的是降水深，由表4可以看出，位处黄土高原的山西省降水量（C1）总体呈减少趋势，除了朔州和晋中2市有所增加外，其他7市都在减少，这对环境污染的稀释净化非常不利。

表4 2015年相对2010年山西省黄河流域现状水环境危险性以及危险性指标贡献大小

根据山西省黄河流域“十二五”期间各项指标的增长率变化，再结合WBC权重来看流经城市的风险性大小，对黄河流经的9个市域进行风险划分（表5）。由ArcGIS自然断点法进行风险等级划分，分为极高、高、中等、低和极低风险5个等级。在致灾因子危险属性里，晋城市因为人均废水和人均氨氮排放量增加幅度极大而导致风险极大，W高达131.78，排在第一位，长治市W为61.17，排在第二位，属于高风险，省会城市太原W为-73.37，属于极低风险，说明经过5年的水污染治理，太原市取得了较大的进步。在承灾体暴露性（B）里，忻州市的水源面积率和湿地保留率都在下降，人口密度和人均GDP却在增加，导致其风险属于极高等级。运城市和晋城市两市虽然人口密度和人均GDP均在增加，但是水域面积率、最小3 d流量千分比和湿地保留率却在大幅增加，因此，属于极低风险。在承灾体脆弱性里（C），运城市降水减少，凡是效益指标均为负数，说明环境脆弱性极大，风险相应极高，高风险的是晋城市和临汾市两市。长治市因为人均水资源量大幅增加使得C为136.50，降水量也只是轻微减少，环境风险极低。

表5 2015年相对2010年山西省黄河流域水环境风险性

3 小结与讨论

基于灾害风险理论和水环境安全概念内涵，本研究构建了水环境安全风险评价体系，对山西省黄河流域水环境安全风险状况进行了量化评价，得到了较为全面的反映。采用专家赋权法估算了指标权重，使权重的信息更具客观性；采用增长率指标既消除了量纲，又反映了水环境的治理效果，结合专家赋予的权重能更好地反映出风险的特性；构建指标体系时，充分考虑了各指标之间的制约和影响关系，以期能更好地反映各指标与水环境风险目标层的因果关系。

基于上述方法对山西省黄河流域水环境安全风险进行了综合评价，根据水环境安全风险评价结果对黄河流经的9个地级市进行了风险等级划分。由于低和极低风险对经济、人类生活和水环境安全的影响较小，水污染后恢复快，因此仅对极高、高和中等风险进行分析，并提出相应风险预警。①极高和高危险等级为晋城和长治两市，中等风险的是朔州市，主要由水质恶化所致；②极高和高暴露等级分别分布于忻州市和朔州市；中等暴露等级则分布于晋中市和临汾市，主要是由水量减少、人口密度增加所致；③极高和高脆弱等级分别分布于运城市、晋城市和临汾市，中等脆弱等级的是吕梁和朔州两市，主要原因是降水量减少、人均水资源量变少。

本研究在灾害风险理论的基础上，从水环境安全内涵展开分析，构建了3层次16个指标的水环境安全风险评价体系，从水质、水量、经济生活层面分析其对水环境的影响，结合专家赋权法进行水环境安全风险评价，从而有效避免了信息的流失。从分析结果来看，不论是致灾因子的危险性，还是承灾因子的暴露性和脆弱性，晋城市的综合风险均为最高，需要重点关注。但值得注意的是，国家公布的2019年1—12月地表水考核断面水环境质量状况显示，排名后30位的城市就有吕梁市、临汾市、晋中市和太原市，说明这4个地级市水质状况仍待改善。

总之，山西省只有充分注意自身劣势，积极构建风险防范体系，尽可能采取措施应对外在威胁，才能使黄河水得到进一步的净化。