倪長鑫

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110003)

0 引 言

城鎮(zhèn)化的快速推進使得城市人口數(shù)量和規(guī)模不斷增大，水土流失、洪澇災(zāi)害、用水短缺、水污染等已嚴重威脅著區(qū)域水生態(tài)。通過對水安全的科學(xué)評估提出行之有效的防治措施，可為人與自然和諧相處及水資源可持續(xù)利用提供重要保障。盤錦市地處遼河三角洲的中心地帶，降水量較小而蒸發(fā)量極大，隨著人口的急劇增加和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，當?shù)赜盟坎粩嘣龃螅Y源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化問題已十分突出，采用合適的方法評價該區(qū)域水安全現(xiàn)狀具有重要意義[1-4]。鑒于此，文章結(jié)合PSR框架模型選取12項水安全評價指標，對各個影響因素權(quán)重系數(shù)利用層次分析法求解，然后對盤錦市2012-2017年水安全狀態(tài)利用物元模型分析，結(jié)合評價結(jié)果和區(qū)域水系統(tǒng)狀況提出科學(xué)的防治方法。

1 評價體系的構(gòu)建

1.1 基本原則

水安全評價體系的選取遵循定量與定性結(jié)合、可比性、全局性、可獲取性和科學(xué)性等原則，從而保證水安全評價結(jié)果的正確性、客觀性和公平性。

1.2 PSR模型

壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型最早被應(yīng)用于資源的可持續(xù)利用潛力分析，隨后在土地資源、水資源指標體系和區(qū)域環(huán)境等方面得到應(yīng)用。1990年，針對PSR框架體系有效性經(jīng)濟合作與開發(fā)組織OECD開展了分析。當前，許多研究學(xué)者和組織部門認為環(huán)境現(xiàn)狀匯報和環(huán)境指標組織最為有效的方法仍然是PSR模型。

1.3 評價體系

為了更加真實、全面的建立水安全綜合評價體系，對現(xiàn)有相關(guān)研究成果采用頻率統(tǒng)計法進行分析，結(jié)合水系統(tǒng)特點和經(jīng)濟社會現(xiàn)狀利用Delphi法提取特有參數(shù)，采用PSR框架構(gòu)建多層次、多要素、多目標評價體系，如表1所示。其中，P1-P4分別代表人口密度、人均GDP、生態(tài)環(huán)境用水比例、人均占有水資源量；S1-S4分別為居民生活用水定額、城市年降雨量、人均公共綠地面積、萬元產(chǎn)值用水量；R1-R4分別為用水普及率、工業(yè)用水重復(fù)利用率、廢水治理占GDP百分率、城市污水處理率。

1.4 權(quán)重計算

針對評價指標權(quán)重的計算層次分析法的應(yīng)用較為廣泛，該方法可將復(fù)雜的系統(tǒng)性問題按照一定的原則進行分解，通過對評價對象各要素的分析構(gòu)建相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，邀請領(lǐng)域內(nèi)的專家對各要素的重要程度給予定量的賦值，從而建立模糊數(shù)學(xué)模型求解各指標權(quán)重，最終實現(xiàn)多因素、多層次復(fù)雜問題的定量化處理，針對復(fù)雜的模糊性問題具有較強的適用性。采用層次分析法計算權(quán)重的詳細流程為：①按照一定的原則和隸屬關(guān)系將評價指標分類，從而構(gòu)建多層次、多要素評價體系；②結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)專家意見和兩兩要素的相對重要度形成判斷矩陣，求解水安全評價矩陣模型；③通過對特征向量和最大特征根的求解檢驗一致性水平，單排序各項評價因子；④為保證評價結(jié)果的合理性一致性檢驗?zāi)繕藢樱偱判蛟u價目標確定最終的權(quán)重系數(shù)，見表1。

表1 城市水安全評價體系與指標權(quán)重

2 水安全綜合評價法

2.1 物元分析基本概念

針對多要素和多功能目標的不相容性問題一般選用可拓物元法，而城市水安全涉及到的要素多且各因素間具有不相容性，因此考慮選用物元可拓法評價城市水安全狀態(tài)。自然界中的“非此亦彼”的過度狀態(tài)利用可拓集中的“即是又非”的臨界概念描述，在識別和評判過程中擺脫了“非此即彼”的限制，其適用范圍十分廣泛。物元分析法相對于其它方法存在理論清晰、運算量少等特征，可以系統(tǒng)、全面的反映待評對象的真實情況，通過簡單的模型可實現(xiàn)不相容系統(tǒng)復(fù)雜問題的質(zhì)與量的轉(zhuǎn)化處理，從而給出水安全的等級標準。根據(jù)物元分析理論構(gòu)造包含n個特征值X1、X2…、Xn及特征Q1、Q2、Qn的物元矩陣，其表達式如下：

(1)

式中：M、J為城市水安全狀況和n維評價物元，記J=(M,Q,X)。

2.2 節(jié)域物元和經(jīng)典域物元

根據(jù)相關(guān)資料和區(qū)域水資源實際情況將水安全狀況M分為M1、M2、M3、M4四個等級，各個指標Qn對應(yīng)于每個等級的取值區(qū)間不同。設(shè)定Xpj=[Apj,Bpj]為Qn的取值區(qū)間，其中p=1、2、3、4，則利用下式作為水安全經(jīng)典域矩陣JP，即：

(2)

式中：Jp為水安全劃分的p級標準。

設(shè)定城市水安全現(xiàn)狀M的標準為各個等級Mp構(gòu)成的M0，由此構(gòu)造的水安全節(jié)域物元為J0，所對應(yīng)的取值區(qū)間為擴大的X0j=[A0j,B0j]，水安全節(jié)域物元為：

(3)

2.3 物元歸一化

針對水安全狀況而言，評價體系中各指標存在正向、逆向兩類，即指標數(shù)值越大越優(yōu)和越小越優(yōu)型。為更加準確、客觀的獲取各評價指標隸屬度，采用下式統(tǒng)一處理評判指標值，即：

(4)

式中：min(Xij)、max(Xij)為參評樣本中指標最小與最大值；Uij為水安全評價各因子從優(yōu)隸屬度。同理，歸一化處理評價體系中各初始數(shù)據(jù)。

2.4 關(guān)聯(lián)系數(shù)

待評物元符合實軸某上一點要求的程度利用關(guān)聯(lián)函數(shù)獲取的量值描述，因此采用具體的函數(shù)值定量描述各項評價因素之間的不相容關(guān)系，城市水安全評價各指標的關(guān)聯(lián)度K(xpL)計算式為：

(5)

式中：K(xpL)為評價等級p關(guān)于年份L的關(guān)聯(lián)函數(shù)值；ρ(X,X0)為有限元區(qū)間X0與待測評物元量值X的距離，其中X0=[A,B]，A、B為有限元區(qū)間的最小和最大值；ρ(X,Xp)為有限元Xp與待評估物元量值X之間的距離，其中Xp=[Ap,Bp]；Xp、X0、X為待評城市節(jié)域、經(jīng)典域和城市生態(tài)水平物元的量值。采用下式計算確定有限元與點的距離，即：

(6)

2.5 評價標準

K(xpL)值利用公式(5)求解，若關(guān)聯(lián)函數(shù)值K(xpL)≥1，則代表城市水安全超過標準上限，數(shù)值越大則開發(fā)潛力越高；若關(guān)聯(lián)函數(shù)值0≤K(xpL)<1，則代表城市水安全能夠達到標準要求，數(shù)值越大則接近標準的程度越高；若關(guān)聯(lián)函數(shù)值-1

2.6 綜合關(guān)聯(lián)度

采用下述公式求解綜合關(guān)聯(lián)度Mp，即：

(7)

其中：K(xL)=maxK(xpL)；K(xL)為各等級標準下同一指標第L年的關(guān)聯(lián)函數(shù)最大值；ω為水安全各評價指標權(quán)重。由此，可確定各個年份的城市水安全狀況M隸屬的評價等級。

3 實例應(yīng)用

3.1 區(qū)域概況

盤錦市位于遼寧省西南部，地理位置為E121°25′-122°31′，N40°39′-41°27′范圍，南臨渤海遼東灣，北與錦州、鞍山接壤，東南與營口市隔大遼河相望，下轄大洼縣、盤山縣、興隆臺區(qū)、上臺子區(qū)等，占地面積4071km2。盤錦地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，冬長夏暖、春秋季短、光照豐富、雨量集中，平均氣溫9.3℃，日照時數(shù)2780.5h，年均降水量564.5mm，年蒸發(fā)量顯著高于降水量。該區(qū)域分布有大小河流21條，其中大型河流有大凌河、大遼河、遼河、饒陽河，中小河流有小柳河、沙子河、大洋河、鴨子河、外遼河等17條，大多數(shù)呈比降陡、流程短、面積小等山區(qū)型河流特征。近年來，為滿足各行業(yè)用水和經(jīng)濟發(fā)展需求，區(qū)域水資源被過渡開發(fā)利用并使得地下水位持續(xù)下降，地下水系統(tǒng)與地表水、人類活動、生態(tài)環(huán)境等因素密切相關(guān)，而生態(tài)環(huán)境與人類活動、地表水又緊密相連，因此有必要綜合考慮各方面因素定量綜合評價區(qū)域水安全狀態(tài)，這對于保障區(qū)域糧食、生態(tài)、飲水安全具有重要意義[5-9]。

3.2 數(shù)據(jù)來源

為保證數(shù)據(jù)的真實性與可靠性，選擇遼寧省城鄉(xiāng)統(tǒng)計資料匯編和盤錦市水資源公報作為數(shù)據(jù)來源，盤錦地區(qū)2012-2017年水安全評價指標數(shù)值數(shù)據(jù)見表3所示。

表3 2012-2107年水安全各指標初始值

3.3 水安全評價經(jīng)典域、節(jié)域與待評物元

如何合理設(shè)定數(shù)學(xué)模型中的數(shù)值，當前還未形成普遍適用的標準和方法，且不同地區(qū)選取的數(shù)值存在較大差異。這主要是因為不同地區(qū)的參評指標不同，且評價標準易受技術(shù)、經(jīng)濟、文化和城市化發(fā)展等因素影響；同時，現(xiàn)有評價體系往往存在顯著的區(qū)域性特征，評價指標的可移植性較差，所以非常有必要選取適合盤錦地區(qū)的評價等級。借鑒宜居城市科學(xué)評價標準、生態(tài)市建設(shè)指標等國家同類相關(guān)指標標準值確定城市水安全評價等級經(jīng)典域，由此構(gòu)造的盤錦地區(qū)水安全經(jīng)典物元J1、J2、J3、J4如下：

盤錦市水安全評價節(jié)域物元JP按照已構(gòu)造的經(jīng)典域確定，其表達式如下：

3.4 關(guān)聯(lián)系數(shù)

歸一化處理城市水安全評判矩陣，采用公式(5)和物元模型及參評樣本的數(shù)據(jù)數(shù)值，獲取不同評價等級下各指標的取值標準，以2012年為例經(jīng)典域取值標準如表4所示。

表4 盤錦市2012年水安全經(jīng)典域取值標準

根據(jù)不同評價等級下各指標的最大關(guān)聯(lián)系數(shù)隸屬的等級，確定城市水安全各指標等級，如表5所示。2012年盤錦市水安全評價指標有5個達到Ⅳ級，有4個達到Ⅲ級。根據(jù)水安全單指標評價結(jié)果，盤錦地區(qū)2012年的水安全處于較差狀態(tài)，總體達到不安全水平。

表5 盤錦市2012年水安全評價指標等級

根據(jù)表6可知，綜合評價體系中3項壓力指標均為不安全水平，該區(qū)域存在較大的水環(huán)境壓力，其原因為人們忽略了對水環(huán)境的保護而注重于經(jīng)濟社會的發(fā)展，從而使得水污染問題較為突出。另外，盤錦地區(qū)的水資源量相對較少，且徑流城區(qū)的湖泊和河流較少，該評價結(jié)果能夠較好的反映區(qū)域?qū)嶋H情況；評價體系中4項狀態(tài)指標均達到安全等級的邊界線，由此表明在盤錦地區(qū)降水量不大的條件下，工業(yè)和生活用水較大；4個響應(yīng)指標中達到Ⅰ級的有用水普及率安全，可見城市自來水保證率和普及率較高，盤錦地區(qū)工業(yè)發(fā)展基本達到全國平均水平，用水重復(fù)率達到Ⅱ級狀態(tài)，當前屬于正常用水現(xiàn)狀，其它指標屬于不安全水平，可見局部水污染嚴重、治污力度不夠和環(huán)保資金投入較少。

3.5 綜合關(guān)聯(lián)度

依據(jù)2012-2017年盤錦市水安全關(guān)聯(lián)函數(shù)值計算結(jié)果，通過對相鄰兩年函數(shù)值的比較分析確定等級轉(zhuǎn)化方向，如表6。結(jié)合關(guān)聯(lián)函數(shù)值相鄰兩年變化特征確定水安全變化趨勢，例如比較分析2012年和2013年函數(shù)值，隸屬值增長幅度最大的為盤錦市水安全第Ⅱ等級，達到0.16，關(guān)聯(lián)度其它等級的變幅相對較少，可見盤錦地區(qū)水安全等級在2012-2013年存在轉(zhuǎn)化為Ⅱ等級的趨勢。結(jié)合運算結(jié)果可知，盤錦市水安全達到Ⅳ級的有2012年、2013年、2015年、2017年，且水安全等級存在從低級轉(zhuǎn)化為高級的條件，具有向較好方向發(fā)展的趨勢；水安全達到Ⅱ級安全水平的年份有2014年和2016年，但存在轉(zhuǎn)化為低等級的條件，其原因為工業(yè)重復(fù)用水率在2014總體處于較低水平。

表6 盤錦市2012-2017年水安全關(guān)聯(lián)度值

為進一步提升區(qū)域水安全水平，應(yīng)從如下幾方面入手：①大力發(fā)展治污技術(shù)。結(jié)合區(qū)域污染實際狀況加強重點污染企業(yè)的技術(shù)改造，鼓勵引用耗水量小、排污量低的新設(shè)備、新工藝，推廣使用高效污水處理系統(tǒng)降低污水排放，由此提高水利用率；②加強水質(zhì)量評價與監(jiān)測技術(shù)，通過采取先進的技術(shù)手段和設(shè)備實時地監(jiān)測城市水質(zhì)狀況，提供可靠的治理依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐；③加快污染源防治技術(shù)的推廣和應(yīng)用，降低水環(huán)境污染程度和影響范圍，從根本上避免水污染時間的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1) 盤錦市2012年水安全狀態(tài)達到Ⅳ級不安全水平，且參評的12項指標中達到Ⅳ級的有5個，達到Ⅰ級安全等級的僅有1個指標，區(qū)域水安全整體處于較低水平。綜合評價結(jié)果與單指標變化保持較好的一致性，且盤錦地區(qū)2012年的水安全問題較為提出，亟需解決工業(yè)廢水處理率低、人均水資源占有量少和人口密度過大等問題。

2) 盤錦市2012-2017年期間，水安全等級達到Ⅱ、Ⅳ級的年份有2年和4年，且水安全等級較低的年份存在轉(zhuǎn)化為較高等級的條件。隨著綠化面積和治污投資力度的增加，將在一定程度上改善盤錦地區(qū)水安全現(xiàn)狀，提升區(qū)域水安全水平。