沈莎莎，陳 爽，高 群，張殷俊

(1:中國科學院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)

(2:中國科學院大學，北京 100049)

(3:中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)

近30年我國區(qū)域和流域的水環(huán)境問題日益突出，其中引起社會廣泛關注的是飲用水安全問題，主要反映在水源地污染嚴重、供排基礎設施建設滯后、生產與生活節(jié)水意識不強、應對突發(fā)事件能力薄弱等方面[1-3].據世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全世界80%的疾病是由不安全的水和惡劣的環(huán)境衛(wèi)生條件造成的[4-5].江蘇省太湖地區(qū)水網稠密、水量豐富，飲用水源主要分布在太湖、長江及其他中小湖泊.受近30年快速城市化和工業(yè)化影響，水源水質出現(xiàn)下降趨勢[6]，特別是2007年太湖水危機事件，進一步敲響飲用水源安全保障的警鐘;飲用水適應能力的調控與提升是保障飲用水安全的重要方面，不僅要求水源地水質達標，而且還需要供水、用水、排水以及技術等領域的配套與支撐.本文所研究的飲用水系統(tǒng)適應性評估是指為滿足區(qū)域社會經濟可持續(xù)發(fā)展的需求，通過構建表征飲用水源地污染控制、給水與排水系統(tǒng)建設與完善、生產生活節(jié)水以及技術5 個子系統(tǒng)適應能力指標體系、采用量化方法，進行綜合評價，為改善與提升飲用水系統(tǒng)自身的適應能力提供科學依據[7-8].此外，本文對各子系統(tǒng)量化指標的選定與組合，在環(huán)境科學與地理學的結合上開拓了新的視野，展示了飲用水源安全研究的新思路，為這一領域的深化研究提供一定啟迪.

1 研究區(qū)概況

江蘇省太湖地區(qū)包括蘇州市、無錫市、常州市3 市及其所轄9 縣市，總面積1.75×104km2.2010年，總人口達2143.36 萬，地區(qū)生產總值達28497 億元，人均生產總值13.30 萬元.研究區(qū)是我國經濟最活躍、人口和產業(yè)最密集的地區(qū)之一，土地開發(fā)利用程度高，生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境容量較小.區(qū)內共有23 個地表集中式飲用水水源地，其中，沿江8 個，太湖7 個，其他河流型1 個，湖庫型7 個(圖1).全區(qū)取水總量為161666.31萬噸，取水總量中99.3%滿足飲用水水源地Ⅲ類水質的要求.

圖1 江蘇省太湖地區(qū)集中式飲用水水源地分布Fig.1 Centralized drinking water source of area around Lake Taihu in Jiangsu Province

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

水環(huán)境數據主要來源于江蘇省2010年環(huán)境質量報告書和各地環(huán)境質量報告書;污染源數據主要來源于相關規(guī)劃與實地調研;社會經濟數據主要來源于2010年統(tǒng)計年鑒和城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年報.

2.2 研究方法

2.2.1 飲用水系統(tǒng)構成 把飲用水按源-供-用-排等的遞階結構，構建出由飲用水水源地、供水、用水、排污處理和技術5 個子系統(tǒng)組成的綜合飲用水系統(tǒng).①飲用水源地子系統(tǒng):該子系統(tǒng)適應能力主要包括充足的水量、良好的水質、明確劃定的飲用水源保護區(qū)以及較少的人類活動干擾[9].②供水子系統(tǒng):城市供水子系統(tǒng)是支撐和保證城市經濟發(fā)展及人民生活的重要基礎設施.其適應能力是指給水設施完善、工藝技術先進、輸配水管網齊全、管護能力較強等[10].③用水子系統(tǒng):研究區(qū)人口密集，人均日生活用水量較高，高耗水行業(yè)比重大，對用水子系統(tǒng)自組織功能的適應性調控需求較大，因此，其適應能力是指水量水質對人口增長和產業(yè)發(fā)展的保障能力.④排污處理子系統(tǒng):研究區(qū)河湖水質污染對飲用水源地的水質達標有一定影響.因此其適應能力應包括工業(yè)廢水達標排放、城市生活污水集中處理、污水管網配套等因素.⑤技術子系統(tǒng):其適應能力是指支撐飲用水原水處理、給水系統(tǒng)、污水處理設施等正常運轉與監(jiān)控體系的先進工藝技術水平，如中水回用、工業(yè)廢水重復利用、再生水生產等技術等.每個子系統(tǒng)均可通過政策、法規(guī)、管理、工程、技術實施，調節(jié)與優(yōu)化功能以確保子系統(tǒng)和諧運轉以及飲用水系統(tǒng)綜合適應能力的整體提升與優(yōu)化.

2.2.2 適應能力指標體系 根據指標選取的實用性、普遍性、整體性、可評價性和全面性等原則，在明確飲用水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)影響因素的基礎上，綜合國內外權威研究成果[10-16]，構建城市飲用水系統(tǒng)適應能力評價指標體系[17-19](表1)，選取28 個反映飲用水源、供排水、用水等指標，其中，飲用水源地子系統(tǒng)5 個，供水子系統(tǒng)5 個，用水子系統(tǒng)6 個，排污處理子系統(tǒng)6 個，技術子系統(tǒng)6 個.這28 個指標均賦予相應的指數名稱，這些指數中90%為可量化表示的指標，通過GIS 空間分析、實地調查以及相關統(tǒng)計數據折算等手段獲得，如:(1)水源工程供水能力指數=現(xiàn)狀綜合生活供水量/設計綜合生活供水量;(2)飲用水源風險指數，根據臨近敏感度計算公式z=100/ed，其中，d 是最近污染源到水源地的距離，利用ArcGIS 空間測量和模型計算得到(圖2);(3)飲用水源保護區(qū)指數=(∑城市各飲用水源保護區(qū)面積)/城市集中式飲用水源地個數;(4)綜合生活缺水指數=城市綜合生活缺水量/城市綜合生活需水量;(5)供水管網漏損指數=管網漏失量/供水總量;(6)來水量保證指數=現(xiàn)狀水平年枯水流量/設計枯水流量;(7)人均GDP 指數，即為當年GDP 總量與常住人口的比值;(8)供水投資指數、排污處理投資指數以及節(jié)水設施投資指數等都是與當年GDP 的比值.另外有10%是半定性指標，根據同質數據但不同定量方法，結合分級標準進行經驗綜合打分而得，如水質狀況指數(河流水質呈現(xiàn)較為明顯的有機污染特征;主要湖庫污染仍以總磷、總氮污染為主[20])、供水方式指數和監(jiān)測能力指數;鑒于各子系統(tǒng)內各指標貢獻程度不同，采用五位專家的決策意見，利用層次分析法對各指標賦權重(表1).

圖2 江蘇省太湖地區(qū)飲用水源地風險指數表征Fig.2 Drinking water source risk of area around Lake Taihu in Jiangsu Province

表1 江蘇省太湖地區(qū)飲用水系統(tǒng)適應能力評價指標體系及權重Tab.1 Adaptive capacity indicators system and its weights for drinking water system of areas around Lake Taihu in Jiangsu Province

2.2.3 適應能力評估方法 適應能力的評價涉及大量相互關聯(lián)、相互影響、相互制約的因素，各個因素具有不同的量綱、數量級、變化幅度，不具可比性，為了排除由于各項指標的單位不同以及其數量級間的懸殊差別所帶來的影響，需對各指標數值進行無量綱化處理，便于后期計算比較.所涉及評價指標可以分成兩類:一類是收益性指標，這類指標值越大說明適應能力越高，采用公式(1)進行處理;一類是成本類指標，這類指標越小適應能力越高，采用公式(2)進行處理，計算公式為:

為使變換后的指標數據能進行比較，又能真正反映指標數據原有的規(guī)律和特性，可以在各指標數據平均值的基礎上引入中間變量，將不同量綱的數據統(tǒng)一在[-1，1]之間，然后再利用指數函數將其變換到[0，1]區(qū)間.

采用遞階多層次評價方法對飲用水系統(tǒng)的適應能力展開評估，第一步，對每個子系統(tǒng)的指數進行加權求和，得到子系統(tǒng)的分指數(ACi)，計算公式為:ACi=∑xijwj，式中，ACi為子系統(tǒng)適應能力，i 為水源地、供水子系統(tǒng)、用水子系統(tǒng)、排污處理子系統(tǒng)和技術子系統(tǒng);xij為各具體指標的標準化值，wj為指數的權重值;第二步，將五個子系統(tǒng)的分指數進一步加權求和，得到整個系統(tǒng)的適應能力綜合指數得分值，根據公式AC=∑ACi×wj，式中，AC 為飲用水系統(tǒng)適應能力，wi為各子系統(tǒng)的權重，各指標權重通過AHP 方法計算得到(表1);第三步，根據綜合指數值域范圍劃分相應的等級及類型區(qū)，揭示其地域分異特點和存在問題;提供維護、提升與優(yōu)化適應性的對策措施，為多部門飲用水綜合管理與污染綜合整治提供科學依據.

3 結果與分析

3.1 適應能力等級

根據上述研究方法，計算出江蘇省環(huán)太湖地區(qū)12 個市(縣)飲用水系統(tǒng)的適應能力(AC)，綜合得分在0.61 ～0.75 之間，將評價單元的AC 值按降序排列，結合28 個指標聚類分析的結果，將其分為高適應區(qū)、中等適應區(qū)和低適應區(qū)3 個等級(表2)，分別占研究區(qū)總面積的29.1%、41.2%和29.7%.在適應能力綜合指數計算過程中，各分指數重要性排序依次為:水源地子系統(tǒng)＞供水子系統(tǒng)＞排污處理子系統(tǒng)＞用水子系統(tǒng)＞技術子系統(tǒng).

根據以上計算結果和分類標準，獲得江蘇省太湖地區(qū)飲用水系統(tǒng)適應能力空間分布(圖3).

表2 江蘇太湖地區(qū)飲用水系統(tǒng)適應能力分級統(tǒng)計Tab.2 Statistics of adaptive capacity of drinking water system in region around Lake Taihu in Jiangsu Province

圖3 江蘇省太湖地區(qū)飲用水系統(tǒng)適應能力空間分布Fig.3 Adaptive capacity classification of drinking water system region around Lake Taihu in Jiangsu Province

3.2 適應能力的地域差異分析

圖4 飲用水系統(tǒng)各類型適應區(qū)子系統(tǒng)得分情況比較Fig.4 Score comparisons between zones of adaptive capacity

飲用水系統(tǒng)高適應區(qū)，主要分布在無錫市區(qū)、常熟、昆山和吳江4 市(縣)(圖4a)，面積占江蘇環(huán)太湖地區(qū)的29.1%，人口占37.20%，GDP 占36.32%.該等級區(qū)內，①各子系統(tǒng)得分均比較高，特別是供水子系統(tǒng)、用水子系統(tǒng)和排污處理子系統(tǒng)對飲用水系統(tǒng)適應能力綜合指數的貢獻很大，對于維護現(xiàn)狀適應能力起到很大作用，這與其經濟發(fā)展水平高、供排基礎設施建設完善以及相關部門對飲用水安全的高度重視有關.但同時也存在某些指數相對偏低的現(xiàn)象，多數地區(qū)的飲用水源地和技術子系統(tǒng)得分較低，這與兩個方面的因素有關:一是太湖水質富營養(yǎng)化對太湖水源地有一定影響，二是長江下游岸線高強度開發(fā)對水源地水質有一定影響，應重點優(yōu)化和提升這兩個子系統(tǒng)的適應能力;②昆山市的飲用水源地子系統(tǒng)和供水子系統(tǒng)得分均居首位，吳江市的技術子系統(tǒng)得分最高，無錫市的用水子系統(tǒng)和排污處理子系統(tǒng)得分最高;③ 無錫和吳江需要加大飲用水源保護區(qū)的保護力度，特別是無錫水源保護區(qū)內仍存在污染源，無錫的澄西水源地位于長江，周邊污染企業(yè)和碼頭相對集中，對水質產生很大威脅.無錫的沙渚和錫東水源地位于太湖，湖庫型水源地氮、磷超標，主要原因是太湖流域人口密集、經濟發(fā)達，工業(yè)企業(yè)、魚塘養(yǎng)殖業(yè)集聚，工業(yè)和污水排入湖中，使得水源地水質的氮、磷超標，航運和旅游業(yè)等開發(fā)活動對飲用水源地水質造成一定影響，所以無錫的飲用水源地水質仍需進一步提高;④該區(qū)除應加大飲用水源保護區(qū)外，還需重點保護森林公園和濕地，包括:惠山國家森林公園、長廣溪重要濕地、肖甸湖森林公園以及元蕩等重要濕地;⑤無錫市小灣里水源地作為應急備用水源，已停止取水;而昆山、吳江和常熟等地雖未設立備用水源地，但已實現(xiàn)聯(lián)網供水.

飲用水系統(tǒng)中等適應區(qū)主要分布在江陰市、宜興市、蘇州市區(qū)和張家港市等(圖4b)，面積占江蘇環(huán)太湖地區(qū)的41.2%，人口占38.04%，GDP 占47.86%.① 該等級區(qū)內，各子系統(tǒng)得分相對均衡，略低于高值區(qū)，水源地、供水子系統(tǒng)和排污處理子系統(tǒng)對適應能力貢獻大，而技術子系統(tǒng)有待進一步提升優(yōu)化;②蘇州市區(qū)排污處理子系統(tǒng)得分最高，用水、供水和技術子系統(tǒng)得分的最高值均位于江陰市，宜興市的飲用水源地子系統(tǒng)得分最高，同時技術子系統(tǒng)得分最低;③張家港市的三水廠水源地和新港橋水源地保護區(qū)內均有重點污染企業(yè)和碼頭，水質為Ⅲ類水，其他地區(qū)水質均為Ⅱ類，④該區(qū)內應重點保護:東太湖重要濕地、要塞森林公園、長江(江陰市和宜興市)濕地、橫山水源涵養(yǎng)區(qū)和長江段重要濕地;⑤無備用飲用水水源地，但已實現(xiàn)聯(lián)網供水.

飲用水系統(tǒng)低適應區(qū)，主要分布在太倉、金壇、常州市區(qū)和溧陽(圖4c)，面積占江蘇環(huán)太湖地區(qū)的29.7%，人口占24.76%，GDP 占15.82%.① 該區(qū)各項得分在0.61 ～0.69 之間，無明顯高值子系統(tǒng)，飲用水源地和技術子系統(tǒng)的適應能力亟待提升和優(yōu)化;②常州市區(qū)的供水和排污處理子系統(tǒng)得分最高，太倉市的飲用水源地子系統(tǒng)和技術子系統(tǒng)得分均位列首位，金壇市的用水子系統(tǒng)得分最高;③部分河流型飲用水源地受上游來水水質影響，航運和旅游業(yè)等其它開發(fā)活動也對飲用水源地水質造成一定影響，如常州河流型飲用水源地存在碼頭等環(huán)境污染隱患，應加大對西石橋等飲用水水源地的保護力度，魏村飲用水源地保護區(qū)需進一步嚴格保護區(qū)內環(huán)境準入條件，搬遷與整治重點污染源;金壇市從常州取水，水源工程供水能力不高，導致其飲用水源地子系統(tǒng)得分偏低;④重點保護的生態(tài)用地包括:西廬園森林公園、長江段重要濕地、滆湖重要濕地、太湖(武進區(qū))重要濕地、天目湖濕地、長蕩湖(溧陽)重要濕地和瓦屋山森林公園;⑤主要備用水源地為常州的滆湖備用水源地，該區(qū)內已基本實現(xiàn)聯(lián)網供水.

3.3 保護與提升適應性水平的對策措施

根據以上對各等級區(qū)綜合分析，可以看出，為確保飲用水源具有較強的適應能力，應針對不同子系統(tǒng)存在的問題，提出相應的維護、調整與提升的對策措施.

1)水源地子系統(tǒng):首先要加快水源地在線監(jiān)測能力和備用水源地的建設，提倡水源地共建共享、聯(lián)防聯(lián)治，實現(xiàn)“前有預警、后有保障”;其次減少飲用水源地數量，集中力量有效保護集中供水水源地，同時明確劃定水源保護區(qū)級別范圍，加強水源保護區(qū)域的管制，禁止設置城市污水處理廠排污口、企業(yè)排污口、有污染源的項目、垃圾填埋場、碼頭、有毒有害化學物品倉庫及堆棧，嚴禁人工養(yǎng)殖、捕撈、游泳、?？看缓鸵磺锌赡芪廴舅幢Ｗo區(qū)內水體的活動.

2)供水子系統(tǒng):增加對供水基礎設施和新技術研發(fā)的投入，更新老化管網.集中在常州及其所轄市(縣)等地區(qū)，具體表現(xiàn)在以下幾方面:①升級改造現(xiàn)有自來水廠的技術，建立深度處理自來水廠，通過技術措施，加大處理力度，根據源水的水質狀況采取調整運行、強化處理或者參數優(yōu)化等常規(guī)工藝;②加強供水管網的改造和建設，把舊管網改成新管網，編制城市供水設施建設和改造的規(guī)劃，從自來水處理的工藝和管網系統(tǒng)配置上，為飲用水安全提供基礎;③加強提供供水監(jiān)測能力的建設，強化全過程的政府監(jiān)督和檢測.

3)排污處理子系統(tǒng)，加快城鎮(zhèn)及開發(fā)區(qū)集中式污水處理廠及污水管網的建設，強化集中治污減排，加強對工業(yè)和生活污水的處理，提高區(qū)域中水利用，集中在無錫、宜興、張家港等地區(qū);加大入江河流的污染治理力度，提高入江河流的達標率，在控制環(huán)湖和沿江企業(yè)排污的基礎上，從整體把握污染源，加大對沿岸地區(qū)生活污水排放的控制，并提高污水處理率和排放達標率.

4)用水子系統(tǒng)和技術子系統(tǒng)，首先要優(yōu)化開發(fā)區(qū)、城鎮(zhèn)空間布局，調整產業(yè)結構和布局，節(jié)水與治污并舉.實行清潔生產，加大節(jié)水處理技術設施的投入力度，推進產業(yè)生態(tài)化進程.推廣污染治理新技術、加強重點污染源的節(jié)能減排工程、區(qū)域中水回用設施建設等措施，集中布置環(huán)湖和沿江石化、電力、紡織等污染性企業(yè)到規(guī)定的園區(qū);其次要大力發(fā)展經濟，縮減環(huán)太湖地區(qū)的經濟差距，應尋求新的經濟增長點，避免以環(huán)境為代價的發(fā)展模式.

5)環(huán)境風險防范，將飲用水源地、供水、排污環(huán)境預警系統(tǒng)建設納入突發(fā)性環(huán)境事件預警體系，予以統(tǒng)一規(guī)劃，制定飲用水突發(fā)環(huán)境事件應急預案.重點建設水質在線自動監(jiān)控、重點風險源數據庫、突發(fā)事件專家決策支持和水環(huán)境恢復周期檢測反映評估系統(tǒng)，為飲用水環(huán)境預警工作提供信息和基礎支撐.

4 結論

通過對環(huán)太湖地區(qū)飲用水系統(tǒng)適應能力的評估，可以看出經濟發(fā)達地區(qū)飲用水系統(tǒng)中各組分存在的問題，適應能力的水平、地域分異特點對水務、環(huán)保、市政、城建等部門協(xié)同整治區(qū)域集中式飲用水源地具有指導意義.

飲用水系統(tǒng)適應能力綜合指數由飲用水源地、供水子系統(tǒng)、排污處理子系統(tǒng)、用水子系統(tǒng)和技術子系統(tǒng)的相關指標組成，依綜合得分劃出3 個適應能力類型區(qū)，形成兩頭小中間大的基本格局:按面積占比從高到低依次為中等適應區(qū)＞低適應區(qū)＞高適應區(qū).無錫和蘇州部分地區(qū)高適應面積較大，與其經濟發(fā)展水平高，飲用水源保障投資強度較大，相關給排水基礎設施建設完善，以及工藝技術支撐能力強有關.中等適應區(qū)和低適應區(qū)需加大給排水和污水處理的投入，完善和提升適應能力.

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