基于三角模型的城市水资源安全动态评价——以广州市为例

郑 炜

(河海大学 商学院， 江苏 南京 210000)

1 研究背景

水资源的安全隶属于资源安全领域，能够影响区域中的环境资源的可持续利用。工业化和城市化进程的加快，使各大产业对水资源的需求逐渐上升，导致我国经济发展和水生态保护之间的矛盾日益加剧。推动人类与水资源系统安全，不仅能为人民的生产和生活创造青山绿水的美丽环境，而且也能为实现中华民族的永续发展、全球生态文明建设作出重要贡献。

近几年对水资源安全研究，从研究内容上看，主要有张蕾[1]从资源、环境、经济、社会等方面进行讨论；杨振华等[2]建立了基于需水、缺水、承载、生态、响应框架的水资源安全评价模型；聂靖璇等[3]从消费水平及供给水平两部分进行讨论；谢开杰等[4]从水资源与社会经济发展协调度与水质量的关系进行研究；宋培争等[5]在PSR模型的基础上构建区域水资源的定量评价体系；邵骏等[6]、王群等[7]以水贫乏指数作为评估水资源安全的指标。从评价具体模型方法上看，主要有层次分析、主成分分析、模糊综合评判、投影寻踪等[8-14]各种方法都有其优缺点，而运用三角模型对水安全的评价研究较为缺乏。本研究在使用三角模型的基础上分析了广州市2010-2016年间水资源安全的有关数据，从水资源健康安全、水资源发展安全和水资源保障安全3方面内容搭建指标体系并对广州市的水资源状况进行动态评价。

2 广州市概况与数据来源

2.1 广州市概况

广州市位于广东省中南部，坐落于三江交会处，地处珠三角圈中心，毗邻澳门、香港等国际化大都市。广州凭借其优良的地理条件和快速的经济发展与北京、上海、深圳并列4大一线城市，广州市两千多年来一直是华南平原上的政治、文化中心。但是，在工业化进程中忽视了对水资源安全的负面影响，损害了其可持续性，给水资源带来了不可挽回的破坏。近几年，广州市大力推动生态文明建设工作，通过生态恢复、水体整治等方式来改善第一、二产业的生产条件。2010-2016年，广州市城镇污水处理率提升到了93.22%，城市人均绿地面积提高到了21.82 m2，人均水资源量上涨到655.13 m3，人均GDP也上升到136 188元。广州市2015年末常住人口达到1404.35×104人，城镇化率为86.06%，城镇失业率为2.1%，当地水资源环境也在人口的迅速增加的影响下逐渐恶化。

2.2 数据来源

数据主要来源于2010-2016年《广州市统计年鉴》、《广州市水资源公报》、《广东省水资源公报》以及广州市水务局所提供资料。

3 研究方法

3.1 三角模型概述

三角模型原为美国农业部所采用的评价方法，后被环境科学及区域经济学所采用[15]。水资源安全系统是由自然-社会-经济组成的复合系统，本文选择水资源健康安全(WH)、水资源发展安全(WD)和水资源保障安全(WS)3组互相关联的指标，选用等边三角形的图示并将X，Y和Z轴进行5等分，如图1。X，Y和Z轴分别为水资源发展安全(WD)、水资源健康安全(WH)和水资源保障安全(WS)。最后，通过该三角模型来对当地水资源的安全情况和变化趋向进行定量评价。

分区指标数值范围WHWSWD相对指数值WHWSWD水资源安全I0.8～1.00～0.20～0.2极大极小极小极安全II0.6～0.80～0.40～0.4大极小-小极小-小安全III0.4～0.60～0.60～0.6中极小-中极小-中一般安全IV0.2～0.40～0.80～0.8小极小-大极小-大不安全V0～0.20～1.00～1.0极小极小-极大极小-极大极不安全

根据3组指标的变化指数，在图1所示的三角形中分划出I - V表示在1年中水资源5个区安全状况(另见表1)，并经过计算，通过位置点所在的区域来表示水资源安全的状况。图1中三角形顶部的深色区域表示水资源极安全，下方较深区域表示安全，中间表示一般安全，中下部较浅区域表示不安全，最底部白色区域表示极不安全。

与此同时，相邻年份间的数据会因为3组数据的变动而相应的产生变化。图1中T7作始点，水平向右为0°(360°)，每区60°，共6个区域，并将相邻年份点的连线定位于其中。则T1-T7分别表示水资源安全相对趋势[16](另见表2)。

表2 水资源安全相对安全趋势表

3.2 构建评价指标体系

根据三角模型中3组指数不同的偏重，在水资源安全结构系统的基础上构建评价指标体系。在系统的构建过程中，评价指标的选取除了要结合水资源环境现状外，还要求涉及到人类活动等对水资源安全能够产生重大影响的因素。因此，根据广州市水资源健康条件以及发展状况等16个指标，在构建健康-发展-保障模型的基础上构建指标评价体系如表3所示。其中，水资源健康安全主要涵盖城市人均水资源量、地表水资源量、地下水资源量、城市人均公园绿地面积和森林覆盖率5个指标，用以衡量地区健康环境条件对水资源安全的影响；水资源发展安全主要包括人均GDP、居民可支配收入、人均消费支出、三产总产值比例、城市化率和城镇登记失业率6个指标，用以表征地区发展生产状况对水资源安全的影响；水资源保障安全主要包括万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、工业污水排放量、城镇生活污水排放量和城镇污水处理率5个指标，用以展示地区保障生活条件对水安全带来的影响。

3.3 数据标准化

以极差法[17]对数据无量纲化。正、负向安全趋势指标的计算公式为(1)与(2)：

yij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(1)

yij=(xjmax-xij)/(xjmax-xjmin)

(2)

式中：xij为某一时段i第j个指标原始值；yij为指标原始值的标准化值；xjmin为指标最小值；xjmax为指标最大值。

3.4 权重确定

为了使权重具有客观性，以熵权法[18]运算权重。令Fij为j项指标下第i个被评价的指标比重，其计算公式为：

(3)

式中：n为研究期，此次研究中为6；j为指标个数，此次研究中为16。

令ej为j项熵值，其计算公式为：

(4)

式中：k=1/lnm；若Fij=0，则lnFij=0。

令wj为j项熵值，其计算公式为：

(5)

指标的信息熵与指标值的变异程度和信息量呈反相关。根据上述公式得出各项评价指标的权重(表3)。

表3 水资源安全评价指标体系及权重

3.5 综合指数

计算出指标权重后，利用加权平均的方法分别得出广州市2010-2016年水资源健康安全(WH)、水资源保障安全(WS)和水资源发展安全(WD)3个指数，其计算公式分别如下：

(6)

(7)

(8)

式中：i=1，2，3，4，5，6，7分别表示2010-2016年。

若水资源健康安全(WH)指数越大，水资源保障安全(WS)和水资源发展安全(WD)指数越小，则表示水资源安全情况越优。

3.6 因子影响

挑选出广州市水资源安全评价指标体系中影响最大的因子，共计算公式为：

Li=wi·[1-P(bi)]

(9)

式中：Li为影响度；wi为权重；P(bi)为安全指数。

由式(9)求得各因子影响程度，再排序后获得产生最大影响的因子。

4 结果与分析

由上述公式运算，求得广州市2010-2016年水资源安全指数状态变化与数值见图2。

图2 广州市2010-2016年水资源安全指数变化

由图2可以看出广州市水资源健康安全(WH)指数呈逐年稳定增加态势。由于完善分片联网、统一供水的水厂布局，构建高效、 灵活的应急调度体系和应急预案，全面提升广州市的供水保障能力。具体指标为：供水水源保证率达97%，供水水源水质合格率全年达100%，居民生活应急供水保证率逐步提高。推进水环境质量持续好转，对东江、西江、北江和韩江饮用水源河道采取优先保护措施，对河道领域内的产业、建设和发展格局进行优化调整。

水资源保障安全(WS)指数除呈稳定微增长态势，说明地区保障生活条件对水资源安全的影响比较稳定。目前全市供水水源水质、水量维持稳定达标；应急状态下，居民生活用水保障率达90%；再生水直接利用率达到城市污水排放量的30%，中心区及周边工业园区中水利用量达2×108m3。广州市在水资源管理方面加强了对水资源的合理配置，强化了节水，将用水总量、用水效率、入河湖排污总量严格控制在红线以内，使经济社会发展与水资源更为协调。

水资源发展安全(WD)指数呈现规律性增长态势。第一，新增水源区需要受到相关的保护，这将限制水源保护区域内社会、土地和水资源的利用，也会对部分河道的水资源产业影响，这是因为新增的水源地相对于原有水源地的水资源消耗能力会比较高。但与此同时，对水源开发的约束也会使得供水保证率和水资源的开发利用程度得到提高；第二，取消的水源是基于水源的水文、水环境特征的考虑，认为不适合作为常规供水水源或备用水源的河流水库，不再作为供水水源点，对取消的水源的综合治理力度会随着对水资源保护措施的实施和管理的深入而不断加强。因此，取消水源方案对广州市供水体系的完善具有显著的效果但同时又不会给环境带来太大的压力；第三，水资源配置工程的作用主要是提高供水源头水系的水资源利用率和受水区的供水保证率，对社会经济的发展提供有力支撑；对供水区的水文情势、水环境容量、下游供水户产生一定影响。

4.1 水资源安全状态分析

在图2广州市2010-2016年的水资源安全评价指数的基础上得出的水资源安全状态三角模型见图3。

图3 水资源安全状态

从图3可以看出，广州市水资源安全状况在2010-2016年间均处于安全到极安全的区间中。同时由于城市工业化进程的不断加快，WS值从2010年开始有逐年下降的趋势，但仍旧处于较高的水平；WD值受大规模的工业的影响也在相对较高的区间内保持波动状态；WH值持续上升，这是由于广州市的第二和第三产业在这个时期内带动广州市的经济水平快速上升。综合起来，广州市水资源安全处于较安全状态。

4.2 水资源安全趋势分析

由图3和表2可总结出广州市水资源安全的趋势：2010-2011年，为T2状态(很稳定)，WH值增大，WD值减小，WS值减小；2011-2012年，为T3状态(较为稳定)，WH值增大，WD值增大，WS值减小；2012-2013年，为T1状态(较为稳定)，WH值增大，WD值减小，WS值增大；2013-2014年，为T3状态(较为稳定)，WH值增大，WD值增大，WS值减小。可以表明在研究初期广州市的水资源处于不安全状态，水资源状况也未能得到重视，随着时间的推移，逐渐向较不安全状态转变。虽然广州市整体采用先发展后治理的模式，但经济水平的提高使得广州市常规供水水源与应急备用水源在污染排放的压力下，可能有逐渐恶化的趋势，随着治污力度的不断加大和治污工程的不断落实，水污染物排放将控制在环境容量允许的范围内，区域环境状况才能逐渐有所好转。因此，水资源的整体安全状况仍需一段时间的改善。

4.3 主要影响因子分析

由因子影响计算求得各指标的影响度，如表4所示。从表4中挑选出研究期间影响度大于等于0.6(中位数)的指标，分别为人均水资源量、地下水资源量、水发展层中的人均GDP、居民可支配收入、三产总产值比例、城市化率、工业污水排放量、城镇生活污水排放量、城镇污水处理率，共9个主要影响因子。

上述9个影响因子因为代表性强和影响程度大，故可以按照权重和影响度划分为3种类型：一是影响因子权重和影响度属较高的水平，且差值不大；二是影响度不大但影响因子所占权重较大，且差值也较大；三是影响度和权重都偏小，且差值不大，如图4所示。因为权重以及影响度的数值偏小，无法在图中比较两者差值，所以采用差值取对数获差值指数，求得不同影响因子的影响程度。如图4所示，X轴为影响因子，Y轴为差值指数和差值水平，Z轴为权重及其影响度。

根据划分规则，居民可支配收入、三产总产值比例以及城市化率3个指标的影响度最大。说明如果要处理好水资源安全预警必须合理部署好这3个指标的监控措施；同时三产总产值比例以及城镇污水处理率和水资源安全密不可分，应维持现有状态；其次人均水资源量、地下水资源量、水资源发展层中的人均GDP、工业污水排放量、城镇生活污水排放量对水资源安全的影响作用较小，适当予以关注即可。

表4 2010-2016年各指标影响度

图4 9个主要影响指标的权重、影响度及差值比较

5 结论与讨论

围绕三角模型理论，运用熵权法对广州市2010-2016年的水资源安全状况进行评价，并对其区域随时间变化的发展趋向进行分析。结论：广州市水资源自2011年起整体处于安全状态并有向不安全状态转变的趋势。从3组指数来看，广州市水资源健康安全以持久的高速增长为主；水资源保障安全缓慢降低；水资源发展安全逐渐升高。反映出广州市经济发展处于良好的状态，也表明广州市水资源安全逐渐进入不断改善的状态，但要保障资源环境的合理性还需要进一步采取措施。

从广州市水资源安全的评价结果中发现：广州市地区生产总值(GDP)对水资源的依赖性较大，万元GDP耗水量为29.6 m3，按照广州市的产业布局，绝大部分属于第三产业，在出现供水不稳定的情况下，若无备用应急供水及时补充，对其直接经济影响非常大，将影响全市的经济总量和经济增长速度。随着广州市国民经济持续快速的发展和人口的快速增加，导致对区域环境资源的需求量和消耗能力逐年增大。要保证区域社会、经济和环境的可持续协调发展，最需要迫切解决的就是本区域经济和人口增加对水资源的数量和质量需求的问题。目前广州市污水处理系统已经在扭转区域水环境污染、改善主要河段水质上做出了较大的贡献，但其规模、服务范围和处理量尚无法满足日益增多的城市污水量。除中心城区外，各镇区特别是在“城中村”区域中，基本上采用雨水污水合流排放或者明渠排放的形式，使得许多鱼塘和河道受到污水的污染。因此，若不加强规划和建设广州市区的污水收集和处理系统，将会导致区域河段水质现状进一步恶化，而由于水质恶化带来的一系列诱发环境问题和水生态环境恶化问题，最终会影响到区域整体水环境的可持续发展。因此根据影响因子分析结果，未来广州市应该建立用水总量控制和定额管理制度，落实最严格水资源管理制度“三条红线”要求，加强对广州市各区市的用水总量和定额管理；加强对区域土地利用的规划控制，加大低耗水产业比重，提高循环经济水平，限制高耗水产业发展，从根本上扭转对水资源的高度依赖，减轻水资源利用压力；优先满足生活、生态用水，合理利用水能资源，科学确定取水规模，避免不合理的水资源开发利用带来的生态环境问题；建立水源地水质保护机构并完善保护目标责任制和考核办法，明确管理机构与职责；加大执法力度，强化取水许可管理，实施排污许可制度；加大城镇污水处理设施建设，强化管网的配套建设，提高污水处理水平；建议主管部门针对调水工程开展生态补偿机制的专项研究，在总结东江流域生态补偿机制以及国内外调水工程生态补偿机制成功经验的基础上制定珠三角水资源配置工程生态补偿机制，以加强对调水水质安全的保障。