林澤宇，李創(chuàng)濤，何艷虎，林 嫻，龔鎮(zhèn)杰

(1.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.廣東工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院，廣東廣州510006；3.廣東省流域水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)重點實驗室，廣東廣州510006；4.廣東省水利廳，廣東廣州510635)

0 引 言

城市是人口及各種生產(chǎn)要素的高度集聚區(qū)域，也是地區(qū)重要的經(jīng)濟增長極。水資源是城市形成與發(fā)展不可或缺的重要基礎(chǔ)自然資源。進入21世紀以來，我國城鎮(zhèn)化進程加快，城鎮(zhèn)人口數(shù)量快速增長不斷增加城市的用水需求。我國水資源總量豐富，但人均水資源占有量僅為世界平均水平的四分之一，同時我國水資源的空間分布十分不均勻且存在較為嚴重的水體污染問題[1- 4]。在我國推進新型城鎮(zhèn)化建設(shè)過程中，對城市的供水安全保障水平提出了更高要求。因此，準確、客觀、多層次地評估城市供水安全保障水平是保障城市供水安全的重要前提。

目前國外對城市供水安全保障水平的評價都僅針對某一個或幾個影響因素進行分析。例如，King等[5]利用各種氣候情景來對供水系統(tǒng)進行評估，并其將重心放在了自然降水量這一因素上；Delwar Akbar等[6]將供水安全水平側(cè)重于飲用水的企業(yè)標準；Rijsbermana等[7]則把水資源承載力作為城市水安全的衡量標準。以上三類關(guān)于城市的供水安全評價標準一定程度上缺少全面性，一般適用于城市供水安全某一方面問題較為突出的情形。國內(nèi)關(guān)于城市供水安全保障水平的研究類型相對多樣，如孫雅茹等[8]通過云模型理論來構(gòu)建評價模型，其側(cè)重于經(jīng)濟社會安全方面；傅春等[9]以模糊矩陣為基礎(chǔ)，利用DPSR模型構(gòu)建了南昌市水環(huán)境安全評價指標體系；張有賢等[10]基于AHP-熵權(quán)法對蘭州市水環(huán)境安全進行了模糊綜合評價；李麗琴等[11]采用地下水?dāng)?shù)值模型分析了城市供水安全的地下水壓采和水源置換影響。

現(xiàn)今，國內(nèi)外對城市供水安全保障水平的研究雖已取得了較為豐富的成果，但城市供水安全保障水平評價仍缺乏一套客觀、系統(tǒng)且全面的評價指標體系。此外，區(qū)域內(nèi)部各城市的功能定位、經(jīng)濟社會發(fā)展水平和資源稟賦等不盡相同，有關(guān)城市供水安全保障水平時空格局的研究仍較為薄弱。廣東省經(jīng)濟總量連續(xù)多年在我國排名第一，但省內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展不平衡顯著。廣東省擁有粵港澳大灣區(qū)重要組成部分——珠江三角洲城市群，隨著粵港澳大灣區(qū)建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略以及區(qū)域均衡協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，提高全省城市供水安全保障水平成為建設(shè)國際一流灣區(qū)和促進區(qū)域均衡協(xié)調(diào)發(fā)展的水資源安全保障的重要支撐。

鑒于此，本文從水量保障、水質(zhì)安全、供水設(shè)施、用水效率和社會經(jīng)濟5個方面選取11項指標，構(gòu)建廣東省城市供水安全保障水平評價指標體系，依據(jù)廣東省21個地級市2010年～2020年用水相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用指標體系法評估廣東省城市供水安全保障水平，進一步采用貝葉斯時空模型揭示其時空格局及成因，以期為廣東省城市供水安全調(diào)控提供決策依據(jù)，并為其他地區(qū)的供水安全保障水平評價研究提供參考。

1 指標體系構(gòu)建及研究方法

1.1 指標體系構(gòu)建

遵循系統(tǒng)性、代表性以及獨立性原則[12]；同時，參考相關(guān)研究成果，從水量保障、水質(zhì)安全、供水設(shè)施、用水效率、社會經(jīng)濟5個方面共選取了公共供水所占比例、人均水資源量、應(yīng)急備用水資源量、總?cè)∷?、城市管網(wǎng)漏損率、人均日生活用水量、人口密度、人均GDP、萬元GDP用水量、水功能區(qū)達標率、地下水利用率、工業(yè)用水量、有效灌溉率、每公頃平均水資源、自來水普及率等15項初始指標[13-14]，通過熵值法[15]計算各指標權(quán)重(見圖1)，并運用SPSS對指標進行多重共線性分析。

圖1 城市供水安全保障水平評價指標權(quán)重

多重共線性分析結(jié)果表明，人口密度、人均GDP、萬元GDP用水量、工業(yè)用水量、水功能區(qū)達標率、城市管網(wǎng)漏損率、總?cè)∷?、人均日生活用水量、?yīng)急備用水資源個數(shù)、地下水資源量及人均水資源量共11項指標的VIF值均小于5，不存在多重共線性。結(jié)合各指標權(quán)重占比及共線性分析，最終選取上述11項指標構(gòu)成本次評價指標體系(見表1)。

表1 城市供水安全保障水平評價指標及其作用方向

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

用水相關(guān)數(shù)據(jù)源于2010年～2020年《廣東省水資源公報》、《中國統(tǒng)計年鑒》及《廣東省情網(wǎng)》等。針對個別年份缺失的數(shù)值采用趨勢外推、算數(shù)平均等方法補充。

1.3 貝葉斯時空模型

貝葉斯時空模型是基于貝葉斯統(tǒng)計思想，為分析時空數(shù)據(jù)而建立的模型。該模型在空間上考慮了鄰近關(guān)系(即本文中相鄰近地級市的供水安全保障水平波動具有更密切的關(guān)聯(lián))，且在時間和空間兩個維度上對現(xiàn)象的成因及其變化趨勢進行分析，有利于更加準確、客觀、多層次地分析現(xiàn)象成因以及更直觀地展現(xiàn)其變化趨勢。不同于經(jīng)典統(tǒng)計的是，貝葉斯統(tǒng)計學(xué)派除了考慮總體信息和樣本信息之外，還加入了先驗知識進行統(tǒng)計推斷[16]。

貝葉斯時空模型相較于傳統(tǒng)空間模型，加入了時間變化量，不僅能反映評價指標體系的空間效應(yīng)，還可以看出在一定時間段內(nèi)該體系的變化規(guī)律，體現(xiàn)了地理現(xiàn)象中的時空非平穩(wěn)性；同時提高了評價指標體系應(yīng)用在城市地理時空大數(shù)據(jù)時的計算可行性與算法可塑性。與直接利用各市供水安全標準描述安全水平分布相比，貝葉斯時空模型考慮了鄰近信息，故估算的結(jié)果更具有代表性。貝葉斯時空模型具體數(shù)學(xué)形式見文獻[17-18]。

本文假定第i個(i=1，2，…，21)地級市第t年(t=2010，2011，…，2020)供水安全保障水平服從負二項分布，即Yit～Negbin(μit,rt)。即r-Poisson復(fù)合分布(在Poisson分布中，當(dāng)參數(shù)λ不是常數(shù)，而是一個服從伽馬分布的隨機變量時所得的復(fù)合分布，即r-Poisson分布)。其供水安全保障期望值如下式

μit=rt(1-Pit)/Pit

(1)

式中，rt為聚集系數(shù)，說明各地級市供水安全保障水平分布的離散程度；Pit為對應(yīng)供水安全保障水平的后驗估值。貝葉斯時空模型數(shù)學(xué)形式如

lg(Pit)=lgα+si+b0T+vt+biT

(2)

lg(Pit)=lgα+si+b0T+vt+biT+βhXi，t，h

(3)

式中，α為研究時段內(nèi)廣東省供水安全保障水平的均值；Si為各地級市的供水安全保障水平的空間效應(yīng)，包括空間非結(jié)構(gòu)效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)效應(yīng)，其中前者服從正態(tài)分布，空間結(jié)構(gòu)效應(yīng)的先驗分布為條件自回歸過程，考慮了鄰近關(guān)系(即相近地級市供水安全保障波動的關(guān)聯(lián)更緊密，其鄰接矩陣W為N×N階矩陣(N為地級市個數(shù))，對角線上的值ωij為0，如果地級市i和地級市j有公共邊界，則ωij為1，反之則為0)；b0為供水安全保障水平隨時間變化的系數(shù)；T為中間時點；vt為時間隨機效應(yīng)且vt～N(0,σv2)；biT為各地級市供水安全保障水平隨時間變化偏離總體變化趨勢參數(shù)，時間鄰接矩陣W為t×t陣(t為年份)對角線上的值Wtt為0，相鄰兩年如Wt(t+1)為1，反之為0。式(3)為加入解釋變量的模型；Xi，t，h為影響變量因子h在第i個地級市第t年的取值；βh為影響變量因子h對應(yīng)的回歸系數(shù)。

2 廣東省供水安全保障水平總體時空特征

2.1 各地市供水安全保障水平變化趨勢

將2010年～2020年廣東省城市供水安全保障水平數(shù)據(jù)以相鄰年份小幅度波動歸一進行劃分，得到2010年～2013年、2014年～2017年以及2018年～2020年3個時間段廣東省各地級市城市供水安全保障水平隨時間的變化趨勢(見圖2)。

圖2 廣東省各地市供水安全水平變化趨勢

不難發(fā)現(xiàn)，全省各地市供水安全保障水平總體上呈持續(xù)下降趨勢，但不同時間段內(nèi)下降速度存在明顯差異：2010年～2017年供水安全保障水平變化較緩慢且平穩(wěn)，2018年～2020年期間則下降明顯；同時，各地市的下降幅度也各不相同。其中，珠海、潮州、茂名、陽江2014年之后供水安全保障水平下降幅度較大；中山、茂名、陽江、清遠、近十年間供水安全保障水平均為持續(xù)下降；佛山、潮州、云浮在2017年之后，供水安全保障水平則呈上升趨勢。

2.2 貝葉斯時空趨勢分析

利用貝葉斯時空模型計算全省各市2010年～2013年、2014年～2017、2018年～2020年3個時段供水安全保障水平后驗概率估計值(見圖3)。依據(jù)樸素貝葉斯分類標準，P<0.3，0.3≤P≤0.7，P>0.7分別表示后驗概率估計低于、相當(dāng)于以及高于總體水平。由圖3可知：

(1)2010年～2013年(見圖3a)，全省各市供水安全保障水平低值區(qū)僅存在于北部的韶關(guān)市；概率值P位于0.3≤P≤0.7的地級市則主要位于中部且呈東西貫通分布；而P>0.7的區(qū)域則零星位于南部，且均是沿海城市。

圖3 廣東省各地市供水安全保障水平空間相對度的后驗概率估計

(2)2014年～2017年(見圖3b)，P<0.3的地市除韶關(guān)市外，新增了河源市，即低概率區(qū)開始向東南部擴散，概率值P位于0.3≤P≤0.7的地市占全省大多數(shù)且跟上一階段無較大區(qū)別，P>0.7的地市分布同樣差別不大，僅潮州市由中值區(qū)轉(zhuǎn)向高值區(qū)。

(3)2018年～2020年(見圖3c)，全省各地市供水安全保障水平概率估計值呈全面下降趨勢。絕大多數(shù)地級市P值由中值區(qū)下降為低值區(qū)，僅潮州市P值由高值區(qū)驟降為低值區(qū)，且本階段無P值為高值區(qū)的地市。

(4)總體上，2014年～2017年全省城市供水安全保障水平較2010年～2013年呈上升趨勢，但上升速率不高，并且揭陽、河源、汕尾3個地級市下降明顯；2018年～2020年相較于2014年～2017年城市供水安全保障水平出現(xiàn)大幅度下降。由圖3d可看出，全省供水安全保障水平分布不均衡，P值較高的地級市均為南部沿海城市，包括陽江、珠海、深圳、東莞、汕尾與汕頭市等；P值低偏向韶關(guān)市等內(nèi)陸地市。

市供水安全保障水平出現(xiàn)大幅度下降。由圖3d可看出，全省供水安全保障水平分布不均衡，P值較高的地級市均為南部沿海城市，包括陽江、珠海、深圳、東莞、汕尾與汕頭市等；P值低的地級市偏向韶關(guān)市等內(nèi)陸地市。

2.3 全省城市供水安全保障水平總體變化趨勢

2010年～2020年全省城市供水安全保障水平變化趨勢如圖4所示。近十年全省城市供水安全保障水平總體呈波動下降趨勢。以2015年為界，大致可分為2個階段：2015年之前，城市供水安全保障水平在2011年出現(xiàn)最大值后呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢；2015年之后呈現(xiàn)先升后降的波動趨勢。

圖4 廣東省城市供水安全保障水平變化趨勢

出現(xiàn)上述變化趨勢的主要原因可能是：2011年廣東省公布實施《廣東省最嚴格水資源管理制度實施方案》，對各地市用水總量、用水效率和水功能區(qū)限制納污提出了剛性約束指標，各地市積極應(yīng)對，通過開源節(jié)流，提高用水效率，提高了城市供水安全保障水平。之后隨著各地市經(jīng)濟生產(chǎn)活動的持續(xù)發(fā)展，供水安全保障面臨的壓力日益增加，最嚴格水資源管理“3條紅線”約束帶來的用水管理時效性逐漸下降，各項用水指標如工業(yè)用水量、水功能區(qū)達標率、城市管網(wǎng)漏損率等均出現(xiàn)了不良性波動變化，進而間接導(dǎo)致了全省城市供水安全保障水平的波動變化。

3 廣東省城市供水安全水平時空格局成因

3.1 城市供水安全保障主要影響因素識別

由貝葉斯時空模型計算城市供水安全保障水平評價各指標回歸系數(shù)如表2所示。由表2可知，11項指標中，共有8項指標的單變量回歸系數(shù)絕對值超過0.100，其中人口密度、人均GDP、工業(yè)用水量及萬元GDP用水量4項指標的回歸系數(shù)絕對值較大，為影響廣東省城市供水安全保障水平的4個主要因素，涵蓋了城市經(jīng)濟社會發(fā)展和生產(chǎn)、生活用水量等方面，其時空分布特征能在一定程度上反映全省城市供水安全保障水平的空間格局。

表2 貝葉斯模型單變量分析回歸系數(shù)值

綜合上述變量之間相關(guān)性分析和貝葉斯模型單變量分析結(jié)果，本文研究所選用的主要解釋變量包括萬元GDP用水量、工業(yè)用水、人口密度、人均GDP。多變量分析結(jié)果如表3所示，在2010年～2020年間，對廣東省城市供水保障安全水平影響因素從大到小排序分別為工業(yè)用水、人均GDP、人口密度、萬元GDP用水量。

表3 貝葉斯模型多變量分析回歸系數(shù)值

3.2 城市供水安全保障水平影響因素分析

以下分別對廣東省各地市人口密度、人均GDP、萬元GDP用水量以及工業(yè)用水量的時空變化特征進行分析：

(1)珠三角地區(qū)的人口密度明顯高于其他地區(qū)(見圖5)。其中，深圳市、東莞市、廣州市三市尤為明顯。深圳市人口密度相對較大，且呈顯著上升趨勢。在民眾用水習(xí)慣不發(fā)生大幅度改變的情況下，人口密度基數(shù)大或人口密度呈明顯上升，勢必增加該地級市的生活用水量及供水壓力。在政府不大幅度投入或增加投入供水保障資金的情況下，勢必使得該城市的供水安全保障水平持續(xù)下降。

圖5 廣東省2010年～2020年各地級市人口密度變化

(2)全省各地市工業(yè)用水量整體呈現(xiàn)波動上升趨勢(見圖6)。其中，陽江市、汕尾市、汕頭市以及清遠市的工業(yè)用水量基值較小，而佛山市、廣州市、中山市等地級市工業(yè)用水量基值較高，一定程度上說明了陽江市、汕尾市、汕頭市等沿海地級市供水安全保障水平高，而佛山市、廣州市等地市供水安全保障水平較低的現(xiàn)象。此外，大量城市工業(yè)廢水雖經(jīng)廢水處理廠處理達標后排放，仍帶來了城市水環(huán)境污染風(fēng)險，對城市供水水質(zhì)安全帶來挑戰(zhàn)。

圖6 廣東省2010年～2020年各地級市工業(yè)用水量變化

(3)珠三角各市人均GDP值明顯高于內(nèi)陸地級市(見圖7)。珠三角作為全省對外貿(mào)易的主要區(qū)域，工業(yè)密集，高新產(chǎn)業(yè)居多，重污染企業(yè)較少，地區(qū)生產(chǎn)總值高。雖然城市供水安全面臨由人口和產(chǎn)業(yè)集聚帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，但該地區(qū)，尤其是深圳、珠海等沿海城市政府管理力量集中、資金支持數(shù)額龐大，且重污染企業(yè)逐步轉(zhuǎn)型，故該地區(qū)供水安全保障水平維持在較高狀態(tài)。但隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，尤其是粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的穩(wěn)步推進，對城市供水安全保障提出了更高要求，也是造成該地區(qū)城市供水安全保障水平有所下降的重要原因。

圖7 廣東省2010年～2020年各地級市人均GDP變化

(4)全省各市萬元GDP用水量總體呈穩(wěn)定下降趨勢(見圖8)。珠三角各地市萬元GDP用水量形成較為顯著的低值區(qū)：深圳市、珠海市、中山市、廣州市和東莞市等沿海城市較低的萬元GDP用水量表明其具有相對較高的用水效率，對緩解水資源需求壓力及保障供水安全具有重要意義，也解釋了全省城市供水安全保障水平高值區(qū)聚集于沿海城市的貝葉斯空間格局特征。

圖8 廣東省2010年～2020年各地級市萬元GDP用水量變化

4 結(jié)論與建議

(1)從水量保障、水質(zhì)安全、供水設(shè)施、用水效率、社會經(jīng)濟5個方面構(gòu)建了城市供水安全保障水平評價指標體系。廣東省各地市供水安全保障水平在2010年～2020年間呈現(xiàn)穩(wěn)中有降的總體變化態(tài)勢，2017年后下降明顯。

(2)廣東省各地市供水安全保障水平空間不均衡格局顯著，總體上從沿海向內(nèi)陸逐漸變低，且高供水安全保障水平區(qū)域集中在經(jīng)濟較發(fā)達的珠江三角洲地區(qū)及部分沿海城市，這主要與該地區(qū)較高的經(jīng)濟發(fā)展水平和用水效率或較低的經(jīng)濟社會發(fā)展壓力相關(guān)。

(3)人口密度和人均GDP在珠三角形成高值聚集區(qū)，而萬元GDP用水量則在珠三角形成低值聚集區(qū)，部分沿海城市工業(yè)用水量相對較小且人口密度低，是全省城市供水安全保障水平時空格局形成的主要成因。

根據(jù)上述廣東省城市供水安全保障水平時空格局及其成因分析，提出如下建議：

(1)各地市可進一步做好科學(xué)的人口空間布局規(guī)劃，提高經(jīng)濟發(fā)展水平和用水效率，尤其是提高工業(yè)用水水平，降低單位產(chǎn)值的水資源消耗，不斷提升城市供水安全保障水平。

(2)粵東、粵西及粵北內(nèi)陸城市應(yīng)注重提高人均GDP及降低萬元GDP用水量，珠三角地區(qū)應(yīng)注重合理空間布局規(guī)劃人口規(guī)模，廣州、佛山等市應(yīng)優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，適度控制工業(yè)用水規(guī)模。