农村黑臭水体治理效果评估指标体系

刘苏港,黄 羽,倪庆国,黄 磊

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院,武汉 430068)

0 引 言

农村黑臭水体的治理是影响我国农村环境综合整治和新农村建设的关键举措。与城市黑臭水体相比,农村黑臭水体底数大、分布散、污染源广,同时也存在着治理机制及效果评价模式不健全等问题。而农村黑臭水体因其独特性,也决定了在治理、评估等方面不能够照搬城市黑臭水体治理模式。

目前,我国农村黑臭水体治理效果评估体系尚未形成统一和规范化的体系,继而无法对治理方案的合理性、有效性和持续性做出准确的评估。国内学者对黑臭水体治理评估体系的研究集中于城市黑臭水体的治理。如钱嫦萍[1]提出了城市河流污染治理工程绩效评估的 “压力-状态-响应”(Pressure-State-Response,PSR)概念模型,建立了经济、环境、民生3方面的9个评价主题和23个具体指标的评估体系,采用层次分析法评估权重,最终形成了南方城市的河流污染治理工程绩效评估体系,并选取温州市九山外河和昆明市盘龙江为例,开展工程绩效评估。余乙民[2]基于状态-响应-效益(State-Response-Benefit,SRB)框架模型,确定了公众评议、水质监测、工程项目及长效机制等4个评估主题和16个具体评估指标,建立了“一、四、十六”三级的城市黑臭水体整治效果评估指标体系。杜鼎[3]从水质理化、水体环境、水功能效益、管理指标以及社会民生等5个方面筛选出了14个代表性指标并采用“专家评价-层次分析法”对湘潭市已完成的黑臭水体整治工程进行了治理效果评估。方国华等[4]从河道功能、河道形态、河道环境、河道生态与景观、河道管护和综合评判6个方面构建农村河道生态状况评价指标体系。郭丽峰等[5]根据农村河道的功能和特点,构建了SRB评估体系,从河道连通性、水质状况、河岸带状况、水生生物、河道景观以及管理状况6个方面筛选确定18个评估指标,构建了多指标、多层次的生态环境效益评估模型。

基于此,本文从农村黑臭水体分类治理的角度提出了农村黑臭水体治理效果评估体系与评估指标集,运用层次分析法从水质检测、控源截污效果、内源治理效果、生态修复效果和项目管理几个方面进行指标分级得到主观赋权,然后引入结构熵权法改进各项评估主题对治理效果的影响程度,建立农村黑臭水体治理效果评估体系。

1 治理效果指标体系构建

1.1 评估指标体系构建原则

(1)科学性。指标的选取要以科学的理论依据为指导,以治理效果为评估目标,筛选出能客观、准确反映水体治理效果的评估指标,使指标体系的基本概念与逻辑具有合理性。

(2)可操作性。尽可能充分收集项目有关资料,关键性指标所需评价数据需易于获取但要保证其客观真实性,避免出现重复含义指标,计算方法简便易行,整体操作要标准化、规范化。

(3)适用性。建立指标库,根据治理工程的特点选择合适的评估指标,使评估体系能适用于相同或相似工程项目的评估工作中。

1.2 评估指标选取

水质检测指标是反映黑臭水体整治后水体好坏的重要标准,主要参考《农村黑臭水体治理工作指南(试行)》所指出的透明度、溶解氧和氨氮3个水质指标,位于城乡结合部的水体则需增加氧化还原电位指标。

我国农村黑臭水体相较于城市黑臭水体成因较为复杂,以复合型污染源居多且污染源广泛。本文结合湖北省部分地区相关农村黑臭水体资料后总结出以控源截污为前提下,农村黑臭水体根据水体用途与污染源特征情况可分为生活纳污型、种植业污染型、养殖排污型和生产企业排污型4种类型。

生活纳污型黑臭水体的主要污染来源为生活污水和生活垃圾,因此在选取评估指标时主要考虑治理前后的生活污水减排情况、垃圾分类收集处理等控源截污基础情况,有时还需要考虑如农村“厕改”覆盖情况以及截污排管的覆及情况等辅助性要素。

种植业污水COD和氮磷污染物等浓度较高,尤其是在农田施肥灌溉时,农田排放水体及河流中的COD、TN和TP浓度较高,排水的水质有时会低于Ⅴ类水,在对此类黑臭水体治理效果进行评估时,需要从治理技术对BOD、COD、NH3-N、总氮、总磷等污染物的有效拦截率以及出水达标率等几个方面进行综合评估。

畜禽养殖场废水主要包括粪便、尿液和场地冲洗水等。有机污染物、氨氮化合物、含硫化合物浓度较高,还含有大量的饲料添加剂、残留的兽药和大量的病菌等[6-7],而水产养殖废水主要含氨氮、亚硝酸盐氮、有机污染物质和鱼残等污染物。因此评估此类水体的治理效果主要从各类污染物去除情况、废水减排量以及出水达标情况等几个要素进行评估。

生产企业类黑臭水体的治理效果评估不仅要考虑各类生产废水产排污情况,还应该包括生活污水的情况,可以参考生活纳污类评估指标。

底泥的治理是水质净化的一大前提条件,因为河道底泥中包含有大量的污染物,污染物的释放会对水体水质造成显著的影响[8]。清淤的同时疏通河道、恢复水文连通性,最终使河道水体之间保持连通性、流动性。在内源治理效果评估过程中,将淤泥处理处置情况和河道连通性以及区域工程完成情况等作为指标进行评估。

黑臭水体治理后需要长期进行管理维护,防止修复后的水体再次遭到污染。工程管理评估指标的选取主要从整治方案是否合理、管理制度是否健全、公众满意度情况和水体在线监控等方面进行考虑。

1.3 评估指标体系构建

基于上述评估指标体系构建原则,考虑农村黑臭水体的差异性和复合性,本文构建的农村黑臭水体评估体系分为3个层次。目标层A为农村黑臭水体治理效果评估;准则层B分为5个评估主题,依次为B1水质检测评估、B2控源截污效果评估、B3内源治理效果评估、B4生态修复效果评估和B5项目管理评估。C层为指标层,为各评估主题的下属指标,为应对不同类型黑臭水体特征的差异性给治理效果评估工作带来的难题,本文建立评估指标库,可根据不同水体类型及河道特点选择指标层指标,也可根据资料和实际工作情况选用或自定特征指标。

评估指标的确定是进行黑臭治理效果评估的核心,是得到科学有效的评估结果的重要基础。黑臭水体的治理工程主要以削减外源污染物和控制内源污染为主并辅以生态修复措施恢复河道生态。查阅相关文献,根据农村黑臭水体的实际情况及特点,去除难以定量的指标,拟建立指标体系如表1所示。

1.4 评价等级与标准的确定

考虑将农村水体黑臭治理效果各项指标状况分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ这5个等级,为方便计算依次对其进行赋值打分9、7、5、3、1。根据各指标的分级赋值和评价准则,结合评价模型进行权重计算。通过参考《农村黑臭水体治理工作指南(试行)》 《城市黑臭水体治理工作指南》 《地表水环境质量标准》(GB 3838—2018)等相关标准结合实地调研和咨询专家等方式,确定各等级分级标准,见表2。水质指标分级I级对应地表水Ⅲ类水,Ⅱ级和Ⅲ级对应地表水Ⅳ类水,Ⅳ级对应地表水Ⅴ类水,Ⅴ级则为劣Ⅴ类水和黑臭水体。其余定量指标评分按百分值,其中[0,60)为Ⅴ级,[60,100]均分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级;定性指标按得分0～1五等均分。

表2 评价指标分级标准

2 农村黑臭水体治理效果评估模型建立

本文在层次分析法评价结果的基础上,根据改进的结构熵权法[9]得出准则层权重,层次分析法是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。而结构熵权法通过分析系统指标及其相互关系,将指标分解为若干个独立的层次结构,然后将德尔斐专家调查法与模糊分析法相结合,对指标的重要性进行“典型排序”,再用熵理论对“典型排序”结构的不确定性进行定量分析,计算熵值和“盲度”分析,对可能产生潜在的偏差数据进行统计,确定出每一层次同类指标重要程度数值,即指标的权重。结构熵权法是由程启月[10]提出的用以改进测评指标主观赋权和客观赋权的一种综合评价方法,这种方法不仅具有较强的理论依据,还具有很强的可操作性,被国内众多学者应用解决环境领域实际问题[9,11-15]。该方法是将德尔斐专家调查法与模糊分析法相结合形成“典型排序”,然后对“典型排序”按照给定的熵决策公式进行熵值计算、“盲度”分析并对可能产生潜在的偏差数据统计处理,具体步骤如下所述。

2.1 步骤1(层次分析法确定指标权重值)

按层次分析法的1-9标度法(表3)两两比较构造判断矩阵。构造m行n列的元素为αij的判断矩阵

A=[αij]m×n。

得到若干个结果判断矩阵,然后计算出每个矩阵应对的特征向量,再将所求的特征向量通过一致性检验。

矩阵按列归一化,即

(1)

式中a′ij为正规化后的元素。

正规化后的元素按行相加,即

(2)

式中Ai为第i行正规化后的元素之和。

将得到的行和向量进行正规化即得权重W,即

(3)

计算最大特征向量λmax采用和积法,即

(4)

式中(AW)i是判断矩阵标准化后的权重,按行进行的累加值。

一致性检验中一致性指标CI和一致性比例CR分别为:

(5)

(6)

式中RI为平均随机一致性指标用以校正一致性检验指标。当 CR<0.10时,认为矩阵具有满意的一致性,否则要重新构造判断矩阵,直到具有满意的一致性为止。

2.2 步骤2(结构熵权法确定指标权重)

根据构建的指标体系目标层及5个评估主题的准则层的分层指标集,运用“德尔斐法”设计调查表采集专家意见,专家认为最重要的指标排序为1,次重要的指标排序为2,依此类推。另外,如果专家认为某个指标与另一指标同等重要,可以排相同的序。通过专家判断用层次分析法独立地给出对评估指标集的重要性“排序意见”,将各个专家的排序表绘制成一张总表,形成专家排序意见,即为指标的“典型排序”,如表4所示。

表4 评估指标排序

对“典型排序”进行“盲度”分析。由于参加调查的专家可能存在个性差异,对指标的重要性理解存在偏差,其对指标的重要性排序可能会与真实的重要性顺序有偏差,从而产生数据上的噪声和不确定性,因此需要对典型排序表的结果进行修正处理,在此运用信息论中的熵权法来计算每个指标的熵值,减少专家排序的不确定性,使专家判断得出的各个指标的重要性趋于真实。

记指标集U={μ1,μ2,μ3,μ4,μ5},第i个专家给出的典型排序数组为{αi1,αi2,αi3,αi4,αi5},对典型排序定性、定量转化,转化的隶属函数为

(7)

式中:n为指标数,这里的取值为5;I为排序数,I=aij。

据此就可以得到bij=X(aij) ,见表5。bij即为排序数I对应的隶属函数值,也就是不确定性。数组{1-b1j,…,1-bij} 视作i个专家对指标μj的话语权,对数组{b1j,…,bij} 取算术平均值,记作bj,称1-bj为i个专家对指标μj的一致看法,也叫做平均认识度。

表5 隶属度数据

根据信息论中熵的定义,记k个专家对指标μj认知的不确定性为Qj,也称作认识盲度。其定义为

Qj=max(b1j,b2j,…,bij) 。

(8)

记i个专家对指标μj认知的整体认识度xj为

xj=(1-bj)(1-Qj) 。

(9)

从而得到指标集U={μ1,μ2,…,μ5} 改进后的结构熵权值X={x1,…,x5} 。

归一化处理。记指标集U={μ1,μ2,…,μ5} 中第j个指标μj的权重为Wj,其定义如下

(10)

2.3 步骤3(综合权重与评价等级确定)

根据上述两种方法分别计算准则层5个评估主题权重,然后如式(11)所示,取算术平均值作为各准则层权重,各准则层内指标层权重如式(12)所示,采用均权分配,即均等考虑每个指标对准则层的影响。在实际应用中可根据区域水体差异性等实际情况调整。

(11)

(12)

式中:Wb为准则层各评估主题权重;Wc为各评估主题下属各指标权重;a为各评估主题下属指标数。

运用层次分析法和结构熵权法分别计算准则层5个评估主题的主客观权重值,综合求得组合权重。

(1)层次分析法确权。构建矩阵并根据式(1)—式(6)计算权重,计算结果如表6所示。

表6 层次分析法权重结果

(2)结构熵权法确权。邀请了水生态保护领域专家、环境影响评价领域专家和生态环保局专家各两名对评估指标体系中的5项评估主题指标进行问卷调查,采集专家意见的“典型排序”统计结果和权重系数见表7。

表7 结构熵权法权重结果

(3)综合确权。在对指标进行权重分配时,考虑指标数据之间的内在统计规律和全位置,根据层次分析法和结构熵权法计算的权重结果,运用式(13)进行组合赋权,即

(13)

各准则层内指标层权重采用均权分配,即均等考虑每个指标对准则层的影响。各评估主题权重结果如表7所示。

根据式(14)计算黑臭水体整治效果评估指数,即

(14)

式中:n为C层指标数;E为黑臭水体整治效果评估指数;Pi为第i个指标评价等级值;Wi为第i个指标的权重值。

可将评估等级定为(1.0,2.0]、(2.0,4.0]、(4.0,6.0]、(6.0,8.0]、(8.0,9.0] 5个等级,依次为完全无效、接近无效、效果一般、治理有效、效果显著,得到农村黑臭水体整治效果评估结果,如表8所示。

表8 各评估主题权重结果

3 实例分析

从湖北省已实施的农村黑臭水体治理项目中随机选择能代表生活污染、畜禽污染、种植业污染和生产企业污染4种主要污染类型的农村黑臭水体各2个进行整治效果评估。

本文数据来源主要源于实地调研以及各地生态环境局的农村黑臭水体整治资料。8个黑臭水体各定量指标根据公式计算,定性指标根据实地调研情况及专家意见进行量化,评价指标取值及赋值评分结果见表9。

表9 各水体黑臭治理评价指标及评价等级

结果显示,本次评价中6个治理后的农村黑臭水体的治理效果评价为“治理有效”,2个水体的评价等级为“效果显著”,说明湖北省农村黑臭水体试点治理取得较大成效。

首先根据各项指标权重与评分来分析,各参评水体的控源截污效果、内源治理效果和生态修复效果等指标均得分较高,说明农村黑臭水体治理在治理方案和工艺上已趋渐成熟,污染源均得到了有效控制。2个治理效果等级效果显著的水体,相较于其他参评水体得分较高的指标项为各项水质监测指标和管理指标。其中,水质指标得分普遍偏低,这是由于治理后的水质大部分仅达到地表水Ⅴ类和Ⅳ类水标准,少数能达到Ⅲ类水标准,说明黑臭治理效果仅得到初步体现,其中6号水体为塘体型,也是其透明度指标得分较高的原因之一,具有偶然性;民众对黑臭水体治理效果的满意程度是反映治理效果的重要指标,民众满意度越高说明治理成效越好;其次管理制度健全性得分有所不同,其综合表现在于地方上河长制建设、责任部门及养护部门落实程度差异,但总体来说得分均较高,管理制度的健全是保障治理效果长效运行的关键性举措,能有效防止修复后的水体再次遭到污染。

4 结 语

本文构建了由水质检测评估、控源截污效果评估、内源治理效果评估、生态修复效果评估和项目管理评估5个评估主题组成的农村黑臭水体治理效果评估体系,并通过构建指标库的方式灵活运用于不同污染类型的农村黑臭水体。本体系采用层次分析法和结构熵权法组合赋权的方式确定准则层最终权重,指标层各项指标采用均权分配,能进一步控制主观随机性实现主客观赋权的公正。该赋权方法能解决在不同类型黑臭水体治理效果评估中,因评估指标的差异而导致需重新建立评估模型的问题,更适用于同时评估复数个农村黑臭水体。如需评估单条黑臭水体,指标层不宜采用均权分配,应将结构熵权法确权至指标层再进行综合确权计算。

从案例实践的效果来看,运用该评价体系对4种主要污染类型的农村黑臭水体整治项目进行治理效果评估,能够有效反映不同类型农村黑臭水体的主要特征,且能直观地反映整治项目工程治理情况,与实际相符合。说明该评价体系对于不同类型的农村黑臭水体整治效果评估具有一定可行性。

评价结果显示6个治理后的农村黑臭水体治理效果为“治理有效”,评价等级为“效果显著”的水体较少仅2个。根据各项指标权重与评分的差异性来分析,主要影响因素有两点:一是民众满意度越高说明治理成效越好;二是水质指标得分普遍偏低,这是由于治理后的水质大部分仅达到地表水Ⅴ类和Ⅳ类水标准,少数能达到Ⅲ类水标准。由此可见,未来农村黑臭水体的治理不仅需要在治理工艺上不断改进,提升治理后的水质,还需要以人为本,进行全过程管理,建立健全长效运行机制,提高居民参与积极性和公众满意度。