尚彦辰， 郭秋岑， 曹雨， 王鑫玉

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院, 辽宁 沈阳 110168)

水环境风险问题受多方面因素影响，具有风险源种类繁多、空间分布复杂、容易受上下游累积传输物质影响等特点，所以对水环境风险进行评价有一定困难。而水环境风险评价中较为复杂的便是水环境累积风险评估，由于不同风险源的累加效果对水环境造成的影响存在区别，量化表征此影响更为困难，但其对于环境保护和环境问题决策有重要意义[1-2]。

目前，国内对水环境累积风险问题的研究较少，起步较晚。在国外，美国是第一个进行累积风险评估的国家，在2003年，美国国家环保局(USEPA)颁布了累积性环境风险评估框架[3]，确立并划分了3个阶段，即规划构建、分析与表征，并且对每个阶段进行了详细说明，这是累积风险研究的基础。2004年，欧洲科学家发起第六框架计划(the European Sixth Framework Integrated Research Project)，其中包括欧洲累积风险评估方法[4]。同年，我国环保总局发布了《建设项目环境风险评价技术导则》。2007年，USEPA提出了一款用于污染地累积风险资源的工具箱，MACDONELL M M等[5]在2013年提出更新，加入了累积风险应用的实用说明，这是累积风险理论的首次应用。2010年，SEXTON K等[6]提出累积风险评估可以为政策决策提供一种系统的、公正的环境评估信息，这使得累积风险的研究更趋向人性化。2012年，世界自然基金会(World Wide Fund for Nature,WWF)和德国投资与开发有限公司(Deutsche Investitions-und Entwicklungsge sellschaft mbH，DEG)共同发布了全球水风险评估工具(Water Risk Filter)，该方法考虑了流域和国家等因素，使其更偏向于实际应用。同年，国内陈凯等[7]构建了累积性水环境风险评价指标体系并利用主成分分析法和MATLAB 建立了遗传神经网络综合评价模型，并对太湖进行了评估。2017年，罗昊等[8]建立了基于16项底层指标的流域水环境累积风险评估综合指标体系，同时还应用突变理论量化表征累积环境风险。

水环境累积风险问题与经济发展、社会活动、水环境现状、国家监管、对水资源的认知等多方面有关。2013年，王浩等[9]对WWF和DEG提出的风险评价工具进行了中国化，使各项评价指标更适用于中国实际应用。目前，该风险模型已被应用于长江流域水环境风险评估[10]。本文结合美国环保局颁布的累积性环境风险评估框架，对WWF与DEG提出的水风险评估方法进行耦合，并引入层次分析法，形成了一套水环境累积风险评价工具。

1 研究方法

1.1 水环境累积风险评估工具

流域水环境累积风险评估需要考虑自然、经济、社会、监管、宣传等方面的影响。本文参考WWF与DEG提出的水风险评估工具中对流域的物理风险、监管风险、声誉风险3个方面进行分析，按照USEPA提出的规划和问题的构建、风险的分析、风险的表征三大步骤[3]对水环境累积性风险问题进行评估。其中，物理风险指由人类活动所引起或受自然因素影响而造成流域内存水量和水环境质量的风险；监管风险是指政府对流域及水体管理的执行情况，包括法规的执行情况和水环境管理投资等；声誉风险是指负面的流域内居民对流域环境评论带来的潜在风险。最终形成属于辽河流域的水环境累积性风险评估体系，并对水环境累积风险进行评估，筛选出最主要的影响因素，为辽河流域的水环境管理与开发提供科学依据。

1.2 水环境累积风险评价指标体系

构建指标评价体系，需要在已有的模型中选取合适的指标。对于WWF水风险评估工具已有的指标，按照EPA提出的累积性环境风险评估框架对其进行完善和修改，使其能够准确地对水环境累积风险进行评估。

1.2.1 物理风险分析

物理风险包括3类：水资源稀缺、水污染情况、水生态系统健康。在分析WWF风险评估方法已有的指标条件的基础上，对这3类物理风险的某些指标进行合理的修正。

1)对于水资源稀缺风险，考虑累积风险时，本文选取了人均水资源盈余率和气候影响2个基本指标。

人均水资源盈余率反映该地区人均水资源盈余情况，具体量化为如下公式：

(1)

气候影响反映该地区温度变化对环境造成的影响，具体量化为如下公式：

(2)

2)对于水污染情况，考虑水系水质状况评价结果，将其量化为当地水环境中Ⅲ类及以上水质占全流域水环境的比重。

3)对于水生态系统健康，考虑累积风险时，本文从水生态系统的危险性、暴露性、脆弱性3个方面进行评估。①危险性主要分析风险的来源，其中最具代表性的指标有生活方面的生活污水排放量、生产方面的工业废水排放量、农业方面的化肥使用强度以及城市污水处理率4个指标。②暴露性主要分析风险受体的数量以及状态：农业方面，主要分析灌溉面积；居民生活方面，主要考察人口密度；卫生环境方面，主要分析农村卫生厕所普及率。③脆弱性是要综合考虑水体的水生物多样性威胁、万元GDP耗水量、GDP增长率，其中水生物多样性威胁采用VÖRÖSMARTY C J等[11]提出的淡水生物多样性威胁指数进行评估。

1.2.2 监管风险分析

从3个角度进行监管风险分析：①与水环境相关的资金投入，主要通过分析环保投资占GDP的百分比、污水处理投资额2个基本指标作出相应判断；②与水环境相关的法律法规体系的复杂性和透明度，主要对不同区域的法律法规体系以及实施过程中的举措进行评估；③与水环境相关的法律法规体系的实施，主要考虑在整个流域内的实施情况，结合成果进行分析评价。

1.2.3 声誉风险分析

从2个层面进行声誉风险分析：①当地人对水环境问题的重视程度，主要通过当地的文化风俗或宗教活动分析其对水环境保护、节约用水等方面问题的关注程度并进行评估；②国内外媒体对流域水问题的报道情况，主要通过收集国内外主流媒体对水问题的报道情况对其进行分析并评估。具体指标体系如图1所示。

图1 累积风险综合指标体系图

1.3 各指标等级划分

在水环境累积风险等级评分标准中，将指标等级划分为5级，即：无风险或者可接受风险、低风险或者约束性风险、中风险、高风险和极高风险，具体分级见表1。

表1 水环境累积风险等级评分标准

风险等级划分主要依据国家标准或地方标准、与指标相关的已有研究、全国各省指标数据分析和专家经验值。首先在有国标的条件下尽量采取国标分级标准，其次考虑已有发表文献的分级标准，之后再考虑2008—2018年统计年鉴的数据。排序后，选取5%到95%作为数据范围，然后在该数据范围内划分成5个等级，最后参考专家意见进行分级[12]。指标分级见表2。

表2 流域水环境累积风险评价指标分级

续表

1.4 层次分析法

采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)进行权重确定。首先，对子系统进行权重分配；然后，对各子系统中的风险因子进行权重分配；最后，对各风险因子中的指标进行权重分配。根据AHP计算过程，应用九级标度法，构造判断矩阵Pk(k=1、2、3)，如下所示：

式中：i=1、2、…、n，j=1、2、…、n；当k=1时，P1为风险子系统判断矩阵，其中U1ij为物理风险子系统、监管风险子系统和声誉风险子系统间两两比较的结果；当k=2时，P2为各风险子系统中各风险因子判断矩阵，其中U2ij为子系统中各风险因子间两两比较的结果；当k=3时，P3为风险因子中各指标的判断矩阵，其中U3ij为风险因子中各指标间两两比较的结果。

利用方根法求解P1中各风险系统权重ω1i、P2中各风险因子权重ω2i和P3中各指标权重ω3i。为了检验权重分配是否合理，需要对Pk进行一致性检验，检验公式为:

CR=CI/RI；

(3)

CI=(λmax-n)/(n-1)。

(4)

式中：CR为Pk的随机一致性比率；CI为Pk的一致性指标；RI为Pk的平均随机一致性指标；λmax为Pk的最大特征根；n为矩阵阶数。

当Pk的CR小于0.1时，一致性检验通过；当CR大于0.1时，则需对Pk进行调整[13]。

以第一层物理风险、监管风险和声誉风险为例，构建矩阵P1：

应用方根法求解各指标的权重分配值，计算得出各指标的权重分配值分别为0.707 1，0.222 7，0.070 2。求得最大特征根λmax=3.053 6,将其代入公式(4)求得CI=0.026 8，由于P1为三阶矩阵，所以其对应的RI=0.52。将其代入公式(3)中得出CR=0.051 5≤0.1，该一致性检验结果可以接受。即物理风险、监管风险、声誉风险的权重分别为0.707 1、0.222 7、0.070 2。其余各层依次按照该方法分析。同时本文中采用MATLAB软件极大地简化了计算过程，经计算后权重结果如图2所示。

图2 累积风险评估指标权重

从图2中可以看出，指标对水环境累积风险的影响程度依次为：水系水质状况>人均水资源盈余率>污水处理投资=与水环境相关的法律法规体系的复杂性和透明度=与水环境相关的法律法规体系的实施>媒体对水环境问题的报道>环保投资占GDP比重。其中，水系水质状况和人均水资源盈余率都是物理风险的指标，这表明物理风险指标对水环境累积风险的影响最明显。

2 结果与讨论

2.1 辽河流域水环境累积风险实例分析

辽河流域是我国七大流域之一，位于我国东北部的西南地区，全长1 345 km，流经吉林、辽宁、河北、内蒙古4个省份，流域面积(包括浑河、太子河)21.9万km2，由北向南纵贯辽宁省中部，最后于辽东湾入海[14]。辽宁省境内的辽河流域面积为6.9万km2，由大辽河、太子河、浑河和辽河等水系组成。辽宁省沿河地区发展迅速，大量工厂聚集，该流域大部分河段的水质长期处于劣Ⅴ类。因此，本文主要以辽宁省境内辽河流域的支流、干流为研究对象，暂不考虑其他省内流域。

2.2 数据来源

本文主要分析该地区的社会经济发展数据、气象数据、社会基本情况数据、政府监管数据和媒体数据等，这些数据主要来源于《中国统计年鉴》《中国气象年鉴》《中国水利年鉴》《中国第三产业统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《辽宁省统计年鉴》等，部分来自有关部门的网站、水文化建设方面的活动、国内主流纸质及网络媒体对水环境问题的报道等信息。具体数据来源见表3。

表3 数据来源表

2.3 水环境累积风险评估结果分析

按照表2确定各项指标评分，结合层次分析法计算确定的权重，得到辽河流域累积风险综合评价结果，如图3所示。

图3 辽河流域累积风险综合评价结果

由图3可以看出：2014—2017年辽河流域水环境累积风险逐年提升，2014年为Ⅲ级中风险，在2015年以后就上升为Ⅳ级高风险；而且2016—2017年风险等级的增长比较明显。经分析发现，自2017年开始辽宁地区对水质检测采取采、测分离的方法，通过引入第三方检测，使测试结果更为客观准确。同时，2017年年内水环境质量有一定程度的下降，最终导致2016—2017年水环境累积风险上升趋势增大。

分别计算、评估3个子系统对水环境累积风险的影响，结果如图4所示。

图4 各子系统评价结果

由图4可以看出：物理风险对水环境累积风险的影响最大，其次是监管风险，最后是声誉风险；2017年，物理风险子系统对累积风险的影响最高为2.575；声誉风险子系统对水环境累积风险影响最小，最高影响值为0.231 7；监管风险子系统对水环境累积风险影响较为稳定，其影响值在0.55附近。

2.3.1 物理风险分析

本文提出的水环境累积风险分析中物理风险包括水资源稀缺、水污染情况和水生态系统健康3类及13个具体指标，针对3类的累积风险进行分析，结果如图5所示。

图5 物理风险系统评价结果

由图5可知：水污染情况和水生态健康对水环境累积风险影响较大；水污染情况的影响尤为突出，2017年水污染情况对水环境累积风险影响达到最大，为1.793，需要立即对水环境问题进行约束来防范风险；2016年，水资源稀缺对水环境累积风险的影响较小，其影响最小值为0.171；水生态健康的影响较为稳定，风险评价结果基本在0.55左右，也处于中风险状态。从图5中还可以看出：水污染情况影响一直很高，辽河辽宁段水质大部分处于Ⅲ、Ⅳ类，水质状况不容乐观；而且随着近些年城市的发展，生活污水排水量和工业用水量增加，严重影响了辽宁地区的水环境生态健康。王彦丽等[15]在观测辽河流域2014—2017年的水质变化时发现，辽河辽宁段的水质在干流自上而下表现出水质恶化的趋势，这与本文得出的结果相同。辽河下游的盘锦兴安断面水质观测结果表明，辽河入海口区域的水质基本处于Ⅴ类，其中氨氮影响较为严重。对辽河辽宁段水质指标进行分析发现，氨氮指数居高不下，这也是辽河辽宁段的水质在干流处自上而下表现出水质恶化趋势的主要原因。

针对水资源稀缺指标对水环境累积风险影响进行分析，结果如图6所示。从图6中可以看出，水资源稀缺水环境累积风险影响在2014年最高。经分析，从2014 年开始，辽宁省多地气温屡创新高，高温天气的出现会伴随着干旱的发生，再加上多年来辽宁省内常年用水量和水资源量不成比例，最终影响了辽宁当地的水资源量，这是造成其评价指数升高的主要原因。

对于水生态系统健康状况，主要从水生态系统的危险性、暴露性和脆弱性3个方面来分析和评价。图7给出了这3个方面的风险评价结果，由图7可知：水生态系统的危险性对水环境累积风险影响较大，但呈逐渐降低趋势；暴露性对水环境累积风险影响变化浮动不大，基本在0.13左右；脆弱性对水环境累积风险波动较为明显，2016年达到最大值。

图7 水生态系统健康状况评价结果

针对各危险性、脆弱性及暴露性指标进行分析，结果如图8所示。

图8 水生态系统健康各指标评价结果

水生态系统的危险性主要选取工业废水排放量、生活污水排放量、化肥使用强度和城市污水处理率4个指标进行分析。不难发现，城市污水处理率的逐年提高，其累积风险也在逐年下降，同时经过多年努力，辽宁省内大多数城市实现了污水处理后再排放以及雨污分流等措施，极大地提高了污水的处理率。同时，工业企业污水排放的累积风险也有明显的下降，这与政府管控和企业技术结构升级有着密切关联。但是，生活污水排放和农业化肥施用的累积风险仍为中高风险，没有明显改善。因此，为降低水环境累积风险，还要从农业和生活方面入手。由于人口日益增加，生活污水排放量会持续增加，所以，该指标的累积风险每年都有一定提升。因此，需要提倡节约用水来降低风险。同时，由于耕地面积没有改变，化肥施用量变化较小。所以，建议减少每亩化肥施用量，实现降低水环境累积风险的目的。

水生态系统的暴露性主要针对人口密度、灌溉面积、农村卫生厕所普及率3个指标来分析。其中：人口密度每年都有波动，但属于客观因素无法主动调整；灌溉面积对水环境累积风险的影响较低且基本保持不变；农村卫生厕所普及率逐年提高，农村厕改力度加强，使农村厕所的污水可以集中处理，大大减少了污水直接进入水体的数量，有效降低了其对水环境的累积风险。

水生态系统的脆弱性主要对水生物多样性威胁、万元GDP耗水量、GDP的年增长率3个指标进行分析和评价。由图8可以看出：对水生态系统的脆弱性有决定性影响的是水生物多样性威胁指标；万元GDP耗水量对水生态系统脆弱性的影响有小范围的上涨趋势；近些年，辽宁GDP年增长率有一定波动， 2016年经济下滑导致水生态系统的脆弱性变强，因此增加了对水环境的累积风险。

综上，为了降低水生态系统健康对水环境累积风险的影响，应该增强节水意识，减少流域内化肥的施用量，加强农村厕改的力度，力求降低水生物多样性威胁。

2.3.2 监管风险分析

从3个角度进行监管风险分析，分别为与水环境相关的资金投入、与水环境相关的法律法规体系的复杂性和透明度、与水环境相关的法律法规体系的实施。图9给出了监管风险系统指标风险评价结果。

由图9可以看出：监管风险系统中，与水环境相关的法律法规体系的复杂性和透明度、与水环境相关的法律法规体系的实施对水环境累积风险影响较小；与水环境相关的资金投入对累积风险影响值较大。分析与水环境相关的资金投入的两个指标可以看出，虽然环保投入大量资金，但是并未完全投入到水体污染整治，污水投资金额不足，所以污水处理投资对水环境累积风险的影响要高于环保投资。同时，根据张伟等[16]关于“十一五”时期的经济数据分析，发现环保投资会促进经济发展。因此，为了降低水环境累积风险等级，应增加污、废水处理投资，同时提高环保投资技术效率[17]。

图9 监管风险系统评价结果

自2009年以来，水环境的监管力度逐年增大，经过“十五”“十一五”“十二五”规划的持续推进，使水环境相关法律法规得到进一步落实和完善。在互联网高速发展的这10年中，越来越多的民众可以通过网络更简单快捷地去了解和讨论流域内出现的水环境问题。因此，虽然与水环境相关的资金投入对监管风险的影响增大，但是监管风险总体上还是趋于稳定的。

2.3.3 声誉风险分析

声誉风险主要是负面的评论可能带来的风险，图10给出了声誉风险系统各指标风险评价结果。

图10 声誉风险系统评价结果

由图10可看出，声誉风险对水环境累积风险的影响最小，但是其本身存在波动性。对水环境的重视度是一把双刃剑，它可以提高当地人对水环境的保护程度，但是一旦水环境出现严重的危险事故，也会造成极大的负面影响，所以其对水环境累积风险的影响较高。媒体对辽河流域辽宁段的水环境问题关注频次极少，主要的关注者还是与水环境有关的从业者和相关研究人员，大部分群众认识的层面还在节约用水的阶段。辽河辽宁段2016年间仅发生了3起水污染事故，其余年份均未有水环境事故报道。所以，相关媒体报道较少，这也从侧面反映出辽河辽宁段基本没有出现大规模的水环境问题，对流域水环境累积风险的影响较小。

3 结论

1)基于本文提出的累积风险综合指标评估体系对辽河流域辽宁段的水环境累积风险进行分析和评价。结果显示其风险等级为中高风险，与辽河流域的实际情况基本相符。为其他流域的累积风险评估提供了一种切实可靠的方法。

2)对辽河流域辽宁段的水环境累积风险进行评价，结果表明：物理风险对水环境累积风险的影响最大，其次是监管风险和声誉风险；在所有指标中，水质的影响最大，其次是污水处理投资额；大多数指标的波动不大，随年份的增加指标有所波动，其中波动较为明显的是农村厕所普及率、城市废水处理率及工业废水排放量。这说明，我国厕所革命的进展较快，各污水处理厂的改造升级提标有效，改建老城区使雨污分流的效果显著。但同时也伴随着一定偷排事件的发生，应提高监管力度。

3)由于近些年辽宁省经济发展出现多次波动，同时也存在经济与环境之间的抉择问题，这对于水环境累积风险有着长远的影响。为降低辽河辽宁段的水环境累积风险，最有效果的措施是：加大对水体治理的力度，提高污水处理投资额；在高速发展经济的同时，加大对环境保护投资的力度，实现二者的协同作用；同时提高环保投资方面的技术效率，实现投资效益最大化。

4)对于一些不可抗力指标的影响，如环境温度、人口密度、农耕面积等，应提前建立良好的保护机制，减少其对水环境的影响。