劉金寧，王 偉，邵志國,2

(1.青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，山東 青島 266520； 2.同濟大學(xué) 可持續(xù)發(fā)展與新型城鎮(zhèn)化智庫，上海 200092)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進度的不斷加快，全球氣候變化惡劣，極端氣候事件頻發(fā)，城市水旱災(zāi)害頻率及影響程度漸呈上升趨勢，城市供水系統(tǒng)面臨著更加嚴(yán)峻的威脅。2011年8月，貴州省多地發(fā)生旱災(zāi)，近550萬人面臨臨時飲水困難，抗旱救災(zāi)形勢嚴(yán)峻；2012年7月，京津冀3省(市)遭受嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，受災(zāi)人口540萬人，水庫、堤防等多處水利設(shè)施受損；2016年汛期，山東膠東4市累計降雨量較常年同期偏少，水庫普遍蓄水不足，供水緊張；2018年8月，受臺風(fēng)影響，山東濰坊多地遭受歷史罕見暴雨洪澇災(zāi)害，造成供水設(shè)施嚴(yán)重?fù)p毀。由此可見，在發(fā)生突發(fā)災(zāi)害事件時，城市供水系統(tǒng)變得異常脆弱，如何保障城市供水安全、提高系統(tǒng)韌性已成為亟須解決的問題。

近年來，城市供水系統(tǒng)韌性研究被越來越多的國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。Simonovic等[1]、Jim等[2]對水源韌性進行了研究，采用數(shù)學(xué)模型對水源韌性進行評價。Kong等[3]基于圖層理論運用網(wǎng)絡(luò)分析法對城市供水網(wǎng)絡(luò)與通信、電力等網(wǎng)絡(luò)的相互依賴韌性進行了動態(tài)評估。Pandit等[4]結(jié)合城市供水系統(tǒng)6個網(wǎng)絡(luò)屬性，基于供水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出了一種新的供水系統(tǒng)韌性指標(biāo)，并用層次分析法對6個網(wǎng)絡(luò)屬性進行了權(quán)重分配。David等、Rehak等[5-6]為關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)元素韌性評估設(shè)計了CIERA框架，該框架對點、線、面基礎(chǔ)設(shè)施元素進行非線性聚合，可有效識別系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，并針對性提出增強系統(tǒng)元素韌性的措施建議。根據(jù)Krueger等[7]研究，供水系統(tǒng)的安全韌性是指其應(yīng)對沖擊的動態(tài)行為，動態(tài)響應(yīng)需要幾種相互作用的資本，而人類參與者所采取的行動是通過資本魯棒性來動員可用資本的一種適應(yīng)性管理。劉健等[8]構(gòu)建了反映系統(tǒng)吸收能力、適應(yīng)能力和恢復(fù)能力的城市供水系統(tǒng)彈性能力評估指標(biāo)體系，利用GIS對供水系統(tǒng)彈性能力展開可視化評估。俞孔堅等[9]闡述了在城市水系統(tǒng)領(lǐng)域彈性的概念發(fā)展及應(yīng)用，評述了水系統(tǒng)彈性的評價方法以及彈性策略。

圖1 城市供水系統(tǒng)韌性能力分析框架Fig.1 Analysis framework for resilience capacity of urban water supply systems

城市供水系統(tǒng)一般包括水源、水廠、供配水管網(wǎng)和用戶等子系統(tǒng)。目前，對城市供水系統(tǒng)中的水源系統(tǒng)、供配水管網(wǎng)系統(tǒng)的韌性能力評估研究較多，取得了一系列研究成果，豐富了供水系統(tǒng)韌性的內(nèi)涵。但已有研究往往關(guān)注供水系統(tǒng)中的某個子系統(tǒng)，而對水旱災(zāi)害下整個供水系統(tǒng)的韌性能力指標(biāo)體系構(gòu)建及韌性能力評估的研究鮮見。因此，本文從水旱災(zāi)害下城市供水系統(tǒng)韌性的角度出發(fā)，針對城市供水系統(tǒng)，基于相關(guān)性分析和因子分析構(gòu)建了城市供水系統(tǒng)韌性能力評估指標(biāo)體系，采用基于云模型的多層次綜合評價模型對城市供水系統(tǒng)韌性能力進行了仿真分析，以期對不同城市的供水系統(tǒng)韌性能力評估與提升提供理論支持。

1 韌性能力評估指標(biāo)體系

1.1 理論基礎(chǔ)

本文基于Balaei[10]和Lukuba[11]等構(gòu)建的城市供水系統(tǒng)韌性評估框架，將其應(yīng)用到我國城市供水系統(tǒng)韌性能力的評估中。在城市供水系統(tǒng)全過程管理的基礎(chǔ)上(水源系統(tǒng)、水廠系統(tǒng)、供配水管網(wǎng)系統(tǒng)和用戶系統(tǒng))，充分考慮了與城市供水系統(tǒng)密切相關(guān)的最小必要關(guān)聯(lián)城市管理系統(tǒng)如社會、自然環(huán)境、經(jīng)濟、物理、組織等，構(gòu)建城市供水系統(tǒng)韌性能力具體分析框架，如圖1所示，并在此基礎(chǔ)上進一步構(gòu)建城市供水系統(tǒng)韌性能力評估指標(biāo)體系。

因此，本文將供水系統(tǒng)韌性能力定義為，供水系統(tǒng)在遭受災(zāi)害后，能夠抵御災(zāi)害，減輕災(zāi)害損失，并合理的調(diào)配資源以從災(zāi)害中快速恢復(fù)正常供水的能力。

1.2 指標(biāo)遴選原則與方法

根據(jù)能比較性、代表性、可行性、相關(guān)性、不重復(fù)性和符合韌性意涵等原則進行指標(biāo)選取[12]。

(1)指標(biāo)相關(guān)性分析

為保證所選指標(biāo)科學(xué)性、合理性和代表性，選取我國31個省(市)省會城市2012—2017年樣本數(shù)據(jù)，基于可行性及連續(xù)性留選48個指標(biāo)。根據(jù)問題研究背景，考慮到水旱災(zāi)害威脅也會對供水系統(tǒng)韌性造成影響，所以上述指標(biāo)中增加了年末水庫蓄水量和因水旱受災(zāi)人口數(shù)2個水旱災(zāi)害代用屬性指標(biāo)。指標(biāo)和數(shù)據(jù)來源：《全國水情統(tǒng)計年報》《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》《國家統(tǒng)計局》《省水資源公報》以及相關(guān)參考文獻等。

通過計算各指標(biāo)與人均水資源量、供水綜合生產(chǎn)能力、城市居民生活用水量、工業(yè)企業(yè)用水量和因水旱受災(zāi)人口數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，可以得到相關(guān)程度與顯著性檢驗值。將顯著水平檢驗閾值設(shè)定為0.01，進行嚴(yán)格篩選。經(jīng)分析刪除掉人口密度、6歲及6歲以上大專及以上人口數(shù)、管網(wǎng)漏損率、供水模數(shù)、因災(zāi)水利設(shè)施損失、地區(qū)生產(chǎn)總值指數(shù)等6個相關(guān)性小的指標(biāo)，最終得到與城市供水系統(tǒng)韌性相關(guān)的42個指標(biāo)(五類指標(biāo)有重疊，重疊指標(biāo)只計算一次)。

(2)基于主成分的因子分析法的指標(biāo)遴選

因供水總量與用水總量兩個指標(biāo)高度相關(guān)，不宜進行因子分析，經(jīng)綜合考慮剔除用水總量指標(biāo)后對剩余41個指標(biāo)進行因子分析。在對數(shù)據(jù)進行因子分析之前，進行KMO與Bartlett檢驗，最終檢驗結(jié)果，見表1。

表1 KMO與Bartlett的檢驗結(jié)果

KMO值等于0.822，對應(yīng)的sig值為0.000，說明本文指標(biāo)采用的原始數(shù)據(jù)適合進行因子分析。采用主成分分析法提取，將數(shù)據(jù)進行因子分析得到解釋的總方差，見表2。

表2 解釋的總方差

由表2可見，通過主成分分析提取9個特征根大于1的公因子，且經(jīng)過因子旋轉(zhuǎn)后這9個公因子的單項貢獻率雖發(fā)生微小改變，但貢獻率累計值都為82.77%，因子旋轉(zhuǎn)前后未發(fā)生改變。再結(jié)合因子荷載矩陣，對這9個公因子與具體哪幾項指標(biāo)相關(guān)進行分析，以便對指標(biāo)進一步分類降維。根據(jù)影響荷載系數(shù)，荷載系數(shù)取0.5以上，最終刪除14個指標(biāo)，留選27個指標(biāo)。

通過查閱相關(guān)韌性理論文獻，并結(jié)合上述因子分析結(jié)果，把上述9個公因子視為影響供水系統(tǒng)韌性的9個影響因素并進行歸類命名，結(jié)合上文韌性能力分析框架，最終形成5個指標(biāo)體系維度：組織——1號因子，經(jīng)濟——2號因子，自然環(huán)境——3和7號因子，物理——4、8和9號因子，社會——5和6號因子。具體因子分類結(jié)果，見表3。

1.3 指標(biāo)體系構(gòu)建

基于上文韌性能力分析框架，如圖1所示，結(jié)合因子分析結(jié)果，構(gòu)建城市供水系統(tǒng)韌性能力評估指標(biāo)體系，見表4。

表3 因子分類結(jié)果

表4 韌性能力評估指標(biāo)體系

1.4 指標(biāo)賦權(quán)——熵權(quán)法

將多個年份的指標(biāo)權(quán)重取平均數(shù)，并把此權(quán)重作為一個定值，當(dāng)對不同評估對象進行評估時也采用此統(tǒng)一權(quán)重來計算韌性評價值，這樣能夠快速對某個地區(qū)供水系統(tǒng)韌性能力進行評估，并使評估結(jié)果更具有可比性。指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果，見表5。

表5 韌性能力評估指標(biāo)權(quán)重

2 韌性能力評估云模型

2.1 云模型概念

李德毅[13]提出云模型的概念，是定性概念與定量描述相互發(fā)生不確定性轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)有的定性評價主要存在主觀性和隨意性大等問題，云模型克服了上述缺點，能夠?qū)υu價客體進行有效的評估。

設(shè)u是用數(shù)值表示的定量論域，C是U上的定性概念，若定量數(shù)值x∈U是定性概念C的一次隨機實現(xiàn)，x對C的確定度u(x)∈[0,1]是有穩(wěn)定傾向的隨機數(shù)，即

u:U→[0,1],?x∈U,x∈u(x)

(1)

則x在論域U上的分布稱為云模型，簡稱云，記為C(x)；每一個x稱為一個云滴。

云模型在整體表征一個概念時，由期望Ex，熵En和超熵He三個數(shù)字特征來實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 云的數(shù)字特征Fig.2 Schematic illustration of the digital features of the cloud

2.2 模型構(gòu)建步驟

在確定隸屬度時，傳統(tǒng)的模糊隸屬度是固定值，而采用云模型計算指標(biāo)隸屬云時，指標(biāo)對評價集的隸屬度不是精確和唯一的，因而減小了主觀性和難度[14]。

基于云模型建立多層次綜合評價模型的步驟[15-16]如下：

(1)對評估對象建立因素論域U和評語論域V。

(2)采用1.4章節(jié)計算的指標(biāo)權(quán)重W。

(2)

由于邊界值是兩種相鄰級別的過渡值，兩種級別的隸屬度相等，因此有：

(3)

即

(4)

(4)由評價對象指標(biāo)值計算各個指標(biāo)對應(yīng)系統(tǒng)層每個等級的云模型隸屬度矩陣C′=(cij)n×m，其中，Cij為不同隸屬度情況下的平均值(運行X條件正態(tài)云發(fā)生器N次)：

(5)

(5)系統(tǒng)層評價集V上的模糊子集B′通過指標(biāo)層權(quán)重集W′與隸屬度矩陣C′進行模糊轉(zhuǎn)換得出:

B′=W′*C′=(b1，b2，…，bm)

(6)

式中，bj表示待評價對象對第j條評語的隸屬度：

(7)

依據(jù)最大隸屬度原則，選擇j條評語最大的隸屬度所對應(yīng)的第i個評價等級作為系統(tǒng)層評價的結(jié)果。

(6)同理，由系統(tǒng)層權(quán)重集合W與系統(tǒng)層模糊子集B′進行高層次模糊轉(zhuǎn)換得出目標(biāo)層模糊子集B；然后，依據(jù)最大隸屬度原則得出目標(biāo)層綜合評價等級結(jié)果。

3 實例分析

3.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

青島市人多水少，降水時空分布不均，特別是近幾年來，出現(xiàn)了由極端天氣引發(fā)的嚴(yán)峻供水危機。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，供水安全已成為當(dāng)前制約青島市經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”因素。因此，青島市構(gòu)筑了“三大水源”原水供應(yīng)、主城區(qū)“四縱三橫”管網(wǎng)輸配、全青島市“一環(huán)三線”統(tǒng)一調(diào)配的大供水體系。本文數(shù)據(jù)來自2008—2017年度《青島市水資源公報》《青島市統(tǒng)計年鑒》《青島市統(tǒng)計公報》《山東省統(tǒng)計年鑒》等。

3.2 韌性能力評估計算

根據(jù)所建立的韌性能力指標(biāo)體系、韌性能力評估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，利用式(2)(4)用正態(tài)云模型表示各指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)。

以參加失業(yè)保險人數(shù)指標(biāo)為例，利用式(1)和云矩陣R，運用正向正態(tài)云發(fā)生器建立評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)云隸屬度函數(shù)，如圖3所示。利用X條件云發(fā)生器得出各指標(biāo)值隸屬度矩陣，設(shè)生成云滴數(shù)N=800，將青島市2008—2017年數(shù)據(jù)代入重復(fù)計算800次得出各評價等級的平均隸屬度。

表6 韌性能力綜合評估結(jié)果

圖3 正態(tài)云隸屬度函數(shù)圖Fig.3 Membership function graph for normal cloud

最后根據(jù)云模型計算步驟(5)和(6)得出綜合評估結(jié)果，如表6和圖4所示，圖4縱坐標(biāo)數(shù)字1、2、3、4、5分別對應(yīng)評估等級：低水平、較低水平、中等水平、較高水平、高水平。

基于綜合評估結(jié)果可知，自2011—2017年，青島市供水系統(tǒng)韌性能力等級處于中等水平，2008—2010年處于較低水平，韌性水平整體發(fā)展趨勢良好。各供水子系統(tǒng)中，水源系統(tǒng)韌性能力一直處于低水平，且十年來并未改善；用戶系統(tǒng)韌性能力，2008—2009年處于低水平，2010—2016年處于中等水平，2017年處于較高水平，整體呈階梯狀上升趨勢；水廠系統(tǒng)韌性能力十年來一直處于較低水平；供配水管網(wǎng)系統(tǒng)韌性能力，2008—2016年趨勢穩(wěn)定，處于中等水平，2017年有所上升，處于較高水平。自2010年以來，各子系統(tǒng)韌性能力排序，用戶系統(tǒng)和供配水管網(wǎng)系統(tǒng)韌性能力相當(dāng)且排名最高，其次為水廠系統(tǒng)，最后為水源系統(tǒng)。

續(xù)表6

圖4 韌性能力云評估等級趨勢Fig.4 Trends in cloud assessment levels of resilience capacity

結(jié)合青島市供水現(xiàn)狀進行分析，近年來青島市經(jīng)濟發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化率逐年提高，社會保障體系日趨完善，2017年人均GDP已達到11.90萬元，城鎮(zhèn)化率72.57%，城鎮(zhèn)基本醫(yī)療保險年末參保比例91%，因而，不斷提高的經(jīng)濟發(fā)展水平、逐漸增強的組織管理和社會服務(wù)保障能力可能是造成用戶系統(tǒng)韌性水平呈階梯狀上升的主要原因。2016年9月青島市政府發(fā)布了《青島市水源建設(shè)及配置“十三五”規(guī)劃》，其中水源建設(shè)工程主要包括水庫、塘壩等攔蓄工程和集雨工程、再生水利用和海水利用等其它水源供水工程；水資源配置工程指水源取水口到水廠的管線、配套泵站等輸水基礎(chǔ)設(shè)施。供配水管道建設(shè)周期短、投入產(chǎn)出效率較高，系統(tǒng)韌性能力提升效果明顯，這與供配水管網(wǎng)韌性能力評估等級變化相吻合，韌性能力等級由2016年的中等水平提升到2017年的較高水平；水源和水廠工程建設(shè)周期長，只有投入使用運營后才能發(fā)揮實際效益，因而水源和水廠韌性能力等級增長周期較長，短期內(nèi)提升幅度較小，結(jié)合2016年和2017年的評估結(jié)果可以得到驗證。雖然2017年用戶和供配水管網(wǎng)系統(tǒng)韌性能力得到了提升，但是對供水系統(tǒng)整體韌性能力水平貢獻程度有限，2017年供水系統(tǒng)整體韌性能力仍處于中等水平。分析發(fā)現(xiàn)，水源系統(tǒng)韌性能力低水平是造成這種現(xiàn)象的主要原因，水資源短缺是青島市供水系統(tǒng)整體韌性發(fā)展的短板，改善水源條件、加強水源建設(shè)對于提高供水系統(tǒng)韌性能力至關(guān)重要。

4 韌性能力提升策略

供水系統(tǒng)韌性能力大小與評估對象權(quán)重大小、評估等級高低緊密相關(guān)。用戶系統(tǒng)權(quán)重最大，評估等級也最高；水源系統(tǒng)權(quán)重次之，但評估等級最低；水廠系統(tǒng)權(quán)重處于第三位，評估等級較低；供配水管網(wǎng)系統(tǒng)權(quán)重最低，但評估等級處于中等水平。因此，各子系統(tǒng)對供水系統(tǒng)韌性能力影響程度綜合排序依次為水源、用戶、水廠、供配水管網(wǎng)；按照評估指標(biāo)的權(quán)重大小排序，前12項主要指標(biāo)為人均水資源量、節(jié)約用水量、年末水庫蓄水量、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、治理廢水項目完成投資、供水管道長度、供水綜合生產(chǎn)能力、參加失業(yè)保險人數(shù)、供水總量、城鎮(zhèn)基本醫(yī)療保險年末參保比例、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、建成區(qū)供水管道密度。經(jīng)過對比分析可以看出，影響供水系統(tǒng)韌性的主要因素可以歸納為4個方面[17-20]：水源生態(tài)條件、經(jīng)濟發(fā)展水平、用戶用水效率、關(guān)鍵供水基礎(chǔ)設(shè)施，因此，可從上述4個主要因素來探討城市供水系統(tǒng)韌性能力提升策略。

(1)轉(zhuǎn)變發(fā)展理念，加強水源保護力度。摒棄“先污染后治理，邊治理邊污染”的發(fā)展模式，堅守生態(tài)功能保障基線、自然資源利用上線、生態(tài)安全底線三大發(fā)展紅線。統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，加強水資源保護、水污染源頭防治和過程治理、生態(tài)河道治理、濕地保護與恢復(fù)等工程建設(shè)。全面建立湖長制，不斷深化河長制，保障河湖濕地健康，促使水生態(tài)進入良性循環(huán)，全面提升水生態(tài)環(huán)境韌性。

(2)提高區(qū)域整體經(jīng)濟實力，增強系統(tǒng)承載能力。經(jīng)濟發(fā)展水平是區(qū)域供水系統(tǒng)承載能力的重要影響因素，貫穿供水系統(tǒng)韌性構(gòu)建的全過程，并且在防災(zāi)、救災(zāi)各環(huán)節(jié)中起著重要作用。經(jīng)濟發(fā)展水平較高的地區(qū)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理，基礎(chǔ)設(shè)施完善，社會成熟度較高，一旦出現(xiàn)外來災(zāi)害，可以迅速應(yīng)對，并可以較快地進行災(zāi)后恢復(fù)[19]。同時，隨著城鎮(zhèn)化的不斷加快，城郊和鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水需求逐漸增大，這對實現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，在保障城區(qū)經(jīng)濟增長的同時，也要加大對城郊和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的投資力度，大力推進新型城鎮(zhèn)化，突破行政邊界的“抱團式”經(jīng)濟發(fā)展，以縮小區(qū)域經(jīng)濟內(nèi)部差異。

(3)提高社會節(jié)水意識，提升用戶用水效率。節(jié)水概念深入社區(qū)、學(xué)校及單位組織，全面提高社會節(jié)水意識。實施供水和用水雙控制，提升用水效率，使得萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量等主要用水效率指標(biāo)達到全國領(lǐng)先、國際先進水平。

(4)統(tǒng)籌水源調(diào)配管理，建設(shè)全域供水體系。堅持區(qū)域多水源調(diào)配，加強供水網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。對市級區(qū)域供水一體化來說，既要充分考慮不同地域的用水特點，也要考慮全市統(tǒng)籌的系統(tǒng)性，水源統(tǒng)籌調(diào)配，區(qū)域水廠互聯(lián)互通，提高供水系統(tǒng)可靠性，加強市級供水骨干網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域供水網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，增強供水系統(tǒng)韌性，保障全域供水安全。

5 結(jié)論

本文針對水旱災(zāi)害下城市供水系統(tǒng)韌性能力評估問題進行了研究?；谙嚓P(guān)性分析和因子分析，構(gòu)建了城市供水系統(tǒng)韌性評估指標(biāo)體系，采用熵權(quán)法確定各指標(biāo)統(tǒng)一權(quán)重值，給出了基于云模型的青島市供水系統(tǒng)韌性能力綜合評估結(jié)果。經(jīng)評估，青島市供水系統(tǒng)整體韌性能力處于中等水平，影響其韌性能力主要因素為水源生態(tài)條件、經(jīng)濟發(fā)展水平、用戶用水效率、關(guān)鍵供水基礎(chǔ)設(shè)施。為保證城市供水系統(tǒng)韌性能力的持續(xù)提升，針對青島市供水系統(tǒng)，從影響供水系統(tǒng)韌性的4個主要因素對韌性提升策略展開討論，為進一步提高供水系統(tǒng)韌性能力水平提供決策支持。本文創(chuàng)建的韌性模型是靜態(tài)的，供水系統(tǒng)韌性往往是其對干擾的動態(tài)行為，因此，在干擾狀態(tài)下的韌性動態(tài)評估將是下一步研究的重點。