田濤 薛惠鋒

摘要：基于影響城鎮(zhèn)化過程中城市水安全復雜要素，運用熵權法和可拓學理論構建城市水安全評價模型，并以廣州市為例，通過建立基于DPSIR模型的水安全評價指標體系，對2007-2015年廣州市的水安全狀況進行評價分析。結果表明：廣州市在城鎮(zhèn)化建設進程中水安全狀況呈現逐漸好轉趨勢，2015年廣州市水安全狀況達到“安全”級別;自然災害、城鎮(zhèn)化人口比例、廢水排放量增大對廣州市水安全產生不利影響;萬元工業(yè)增加值用水量減少、污水處理率提升、城市基礎設施建設完善對廣州市水安全起到有利作用。

關鍵詞：水安全;城鎮(zhèn)化;熵權法;物元可拓模型;廣州市

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000-1379.2019.01.012

1999年3月22日海牙世界部長級會議指出水安全的含義是：確保淡水、海岸和相關的生態(tài)系統(tǒng)受到保護并得到改善，確保可持續(xù)性發(fā)展和政治穩(wěn)定性得以提高，確保人人都能夠得到并有能力支付足夠的安全用水以過上健康和幸福的生活，并且確保易受傷害人群能夠得到保護以避免遭受與水有關的災害威脅。城市水安全是指在特指的城市范圍內的水安全狀況[1]。

對于城市水安全評價的研究，國內外已取得較多成果。Simonovic[2]運用系統(tǒng)動力學方法建立了全球水模型，據此對世界水資源形勢進行了評價：Sullivan[3]基于人均水資源量，對區(qū)域水資源稀缺程度進行度量：Joardar[4]從城市供水角度對城市水安全進行評價研究，并將其納入城市發(fā)展規(guī)劃中。在評價模型的選擇上，從熵權法[5]、層次分析法[6]等單一方法到貢力等[7]利用水貧困指數法、韓宇平等[8]采用多層次多目標模糊優(yōu)選模型、高軍省等[9]采用集對分析法、李永等[10]采用Vague集相似度量模型對城市水安全進行評價研究，均對城市水安全的評價模型構建提供了研究方法;從研究角度上，李成艾等[11]從生態(tài)文明角度構建了城市水安全指標體系，金麗等[12]從新農村環(huán)境角度對城市水安全進行評價。上述方法雖然對水安全評價研究起到了積極的推動作用，但是對城市水安全的多因素、多層次、多維度和動態(tài)性方面的描述存在一定的局限性。本文采用熵權物元可拓模型對城鎮(zhèn)化背景下的城市水安全評價進行研究，試圖解決上述方法的弊端。

物元可拓分析是我國學者蔡文[13]提出的，現已形成了基本的理論體系，并逐步向應用領域發(fā)展。本文利用物元分析方法建立城鎮(zhèn)化背景下城市水安全可拓模型，并將熵值法引人權重計算當中，克服傳統(tǒng)人為主觀因素造成的偏差，使評價結果更符合客觀實際：以廣州市為例，采用DPSIR（ Driving - forces，Press，State，Impact，Response）模型構建城鎮(zhèn)化背景下水安全評價指標體系，對2007-2015廣州市水安全進行評價，分析影響城市水安全的主要因素，并提出應對策略。

1 研究區(qū)概況

廣州市地處廣東省的中南部、珠江三角洲的北緣，接近珠江下游人海口。截至2016年末，廣州市常住人口1404.35萬人，城鎮(zhèn)人口比例為86.06%，城鎮(zhèn)化率處于較高水平。2015年廣州市水資源總量為88.85億m3，廢水排放量為16.19億t。2016年全市省控江河斷面中，Ⅱ類水質斷面比例為35.7%.Ⅲ類水質斷面比例為21.4%.Ⅳ類水質斷面比例為21.5%.V類水質的斷面比例為21.4%。

本文所用數據主要來源于2007-2016年的《廣東省統(tǒng)計年鑒》《廣東省環(huán)境狀況公報》《廣東省水資源公報》《中國環(huán)境年鑒》《廣州市統(tǒng)計年鑒》。

2 基于DPSIR模型的城鎮(zhèn)化背景下城市水安全評價指標體系的建立

DPSIR模型[14]是在PSR模型和DSR模型基礎上形成的一種多維水環(huán)境安全評價模型，能較為客觀地描述引起評價對象變化的各影響因素，即驅動力因素和壓力因素，在此基礎上對其他重要因素的影響進行分析。

2.1 指標體系建立

將DPSIR模型應用到城鎮(zhèn)化背景下的城市水安全評價中，選取的指標體系見表1。其中：準則層中驅動力是城鎮(zhèn)化發(fā)展的基本動力，包括人口、經濟和城鎮(zhèn)化水平，人口和經濟描述城市發(fā)展的基本水平，城鎮(zhèn)化水平用年末城鎮(zhèn)人口比例表示：壓力指城鎮(zhèn)化發(fā)展給城市水安全帶來的壓力，包括用水壓力和水環(huán)境壓力，用水壓力分別用生活用水（包括城市和農村兩方面）、工業(yè)用水、農業(yè)用水等方面的指標來體現，水環(huán)境壓力用主要的水質安全指標來體現，包括廢水排放量、COD排放量和氨氮排放量;狀態(tài)表示城市供水的基本狀況，包括水資源總量和城市自來水生產能力兩方面：影響體現在城鎮(zhèn)化發(fā)展對水資源帶來的影響，包括生產影響、生活影響和城鎮(zhèn)化影響;響應是在城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中為了提升城市水安全水平而采取的主要措施，包括環(huán)境、供水、污水處理等。

2.2 熵權法確定指標的權重

熵權法[15]是一種用于多對象、多指標的綜合評價方法，其評價結果主要依據客觀資料，幾乎不受主觀因素的影響，可以在很大程度上避免人為因素的干擾。熵權法計算評價指標權重的步驟如下。

（1）將第i項評價指標的信息熵定義為

利用熵權法對表1評價指標體系中各指標的權重進行計算，結果見表2。

3 基于物元可拓模型的城市水安全評價模型

3.1 可拓學理論

物元可拓模型包含物元模型、可拓集合和關聯(lián)函數[13]。將事物N、特征C、事物特征值V三者構成的有序三元組R=（N，C，V）作為描述事物的物元。N、C、V是物元R的基本三要素。利用關聯(lián)函數值表示物元某種性質的現狀及變化趨勢，可以實現對物元現狀分類和發(fā)展態(tài)勢的分析。通過對單評價指標關聯(lián)度進行計算，可確定單指標安全隸屬水平，同樣可確定多指標綜合安全隸屬水平，從而可定量描述城市水安全水平的動態(tài)變化過程。根據安全隸屬水平的變化分析影響城市水安全的因素，可實現對城市水安全水平的評價。

3.2 城鎮(zhèn)化背景下的城市水安全評價模型

3.2.1 確定城市水安全物元

3.3 評價等級的劃分

為準確辨識城市水安全演變的層次關系并對城市水安全進行有效評價，需應用可拓集合概念，將城市水安全概念集合中的漸變分類關系由定性描述擴展為定量評價。結合有關安全評價標準，將城市水安全評價劃分為5個等級：I（非常安全）、Ⅱ（安全）、Ⅲ（較安全）、Ⅳ（不安全）、V（危險）（見表3）。

4 案例分析

4.1 廣州市水安全等級劃分

針對指標體系中單一指標，結合《廣東省水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，在上述安全等級劃分標準的基礎上，得出評價指標的等級分布，見表4。

2007-2015年廣州市水安全水平整體向好的方向發(fā)展，從2007年的危險（V）級別變?yōu)?015年較安全（Ⅱ）級別。廣州市在“十一五”末和“十二五”期間全面建設國家中心城市，取得了很好的成績，使得該市在加快城鎮(zhèn)化建設的同時提升了城市水安全水平。

2015年城鎮(zhèn)化背景下廣州市水安全評價結果見表6，可以看出影響水安全水平的關鍵因素。用水量（C7）、工業(yè)生產總值（C15）和污水處理率（C22）三項指標對城市水安全貢獻率較大，工業(yè)生產總值雖然增加，但萬元工業(yè)增加值用水量降低為73 m³.同時污水處理率增大到93.22%，原因是廣州市2015年在水利、環(huán)境和公共設施方面投資增大，比2014年增長26.6%。對廣州市水安全負向影響最大的是城鎮(zhèn)人口比例（C3）、氨氮排放量（C12）和年末實有房屋建筑面積（C18），其中城鎮(zhèn)人口比例增大（2015年為85.53%）使人均生活用水量增至216 L/d，接近廣東省城市居民生活用水標準上限220 L/d;城市氨氮排放的主要來源為化石燃料燃燒和生活污水排放，城鎮(zhèn)化率不斷升高使廣州市汽車保有量和城鎮(zhèn)人口大幅增加，導致其2015年氨氮排放量增至2.69萬t：年末實有房屋建筑面積增大說明城市發(fā)展速度加快，對城市水安全造成不利影響。

對城市水安全水平變化的各指標進行安全級別關聯(lián)度計算，分別得出2010-2012年、2014-2015年指標變化趨勢（見圖2、圖3）。

從圖2看出，2011年廣州市水安全水平下降。對比2010年和2012年各指標安全水平可知，導致2011年廣州市水安全水平下降的主要指標是農業(yè)用水量（C8）、COD排放量（Cll）、水資源總量（C13）。從農業(yè)用水量來看，2011年的農業(yè)用水量為11.3億m³，比2010年和2012年約高3 000萬m³，根據《2011年廣東地區(qū)旱災的調查報告》，201 1年廣東省平均降雨量僅為1461 mm，比2010年減小24%，導致農業(yè)用水激增。2011年廣州市全年COD排放量為19.53萬t，比2010年增加9.18萬t，是自2007年來最高的年份，主要原因是生活廢水排放量顯著增加（為11.69億t）。

從圖1可以看出，2014年至2015年廣州市水安全由較安全（Ⅲ）轉為安全（Ⅱ）。從圖3可以看出，導致2015年廣州市水安全水平提升的主要指標為GDP（C2）、農業(yè)用水量（C8）、水資源總量（C14）、供水管道長度（C20）和污水處理率（C22），其中水資源總量安全水平提高幅度最大（提高了3個等級），其次是供水管道長度（提高2個等級）。2015年GDP增長率為8.3%，水資源總量增長12.2%，污水處理率為93，220/0，供水管道長度由2014年的17 653. 612 km增加到2015年的21915.591 km。但同時2015年廢水排放量（Cll）和COD排放量（C12）明顯增大，尤其是COD排放量已經達到危險狀態(tài)（24.78萬t），幾乎是2014年COD排放量（12.76萬t）的2倍，為廣州市未來水安全水平帶來較大不利影響。

5 結論

（1）近年來，廣州市水安全從“危險”級別到“較安全”級別，再到“安全”級別，水安全狀況不斷好轉，研究結果與實際情況基本相符。

（2）通過分析2010-2012年廣州市水安全評價結果，得出自然災害對城市水安全影響顯著;通過分析2014-2015年廣州市水安全指標變化情況，發(fā)現水資源量、污水處理率和用水效率的提升對城市水安全水平有明顯的正向作用，供水管道等基礎設施建設對城市水安全水平的提升也有正向作用。

（3）隨著經濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化程度的提升，工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)居民生活廢水排放量激增，對城市水安全產生不利影響，需要在城市發(fā)展過程中進行結構調整，提升生產和生活用水效率。

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