城镇化背景下广州市水安全评价研究

田涛 薛惠锋

摘要：基于影响城镇化过程中城市水安全复杂要素，运用熵权法和可拓学理论构建城市水安全评价模型，并以广州市为例，通过建立基于DPSIR模型的水安全評价指标体系，对2007-2015年广州市的水安全状况进行评价分析。结果表明：广州市在城镇化建设进程中水安全状况呈现逐渐好转趋势，2015年广州市水安全状况达到“安全”级别;自然灾害、城镇化人口比例、废水排放量增大对广州市水安全产生不利影响;万元工业增加值用水量减少、污水处理率提升、城市基础设施建设完善对广州市水安全起到有利作用。

关键词：水安全;城镇化;熵权法;物元可拓模型;广州市

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000-1379.2019.01.012

1999年3月22日海牙世界部长级会议指出水安全的含义是：确保淡水、海岸和相关的生态系统受到保护并得到改善，确保可持续性发展和政治稳定性得以提高，确保人人都能够得到并有能力支付足够的安全用水以过上健康和幸福的生活，并且确保易受伤害人群能够得到保护以避免遭受与水有关的灾害威胁。城市水安全是指在特指的城市范围内的水安全状况[1]。

对于城市水安全评价的研究，国内外已取得较多成果。Simonovic[2]运用系统动力学方法建立了全球水模型，据此对世界水资源形势进行了评价：Sullivan[3]基于人均水资源量，对区域水资源稀缺程度进行度量：Joardar[4]从城市供水角度对城市水安全进行评价研究，并将其纳入城市发展规划中。在评价模型的选择上，从熵权法[5]、层次分析法[6]等单一方法到贡力等[7]利用水贫困指数法、韩宇平等[8]采用多层次多目标模糊优选模型、高军省等[9]采用集对分析法、李永等[10]采用Vague集相似度量模型对城市水安全进行评价研究，均对城市水安全的评价模型构建提供了研究方法;从研究角度上，李成艾等[11]从生态文明角度构建了城市水安全指标体系，金丽等[12]从新农村环境角度对城市水安全进行评价。上述方法虽然对水安全评价研究起到了积极的推动作用，但是对城市水安全的多因素、多层次、多维度和动态性方面的描述存在一定的局限性。本文采用熵权物元可拓模型对城镇化背景下的城市水安全评价进行研究，试图解决上述方法的弊端。

物元可拓分析是我国学者蔡文[13]提出的，现已形成了基本的理论体系，并逐步向应用领域发展。本文利用物元分析方法建立城镇化背景下城市水安全可拓模型，并将熵值法引人权重计算当中，克服传统人为主观因素造成的偏差，使评价结果更符合客观实际：以广州市为例，采用DPSIR（ Driving - forces，Press，State，Impact，Response）模型构建城镇化背景下水安全评价指标体系，对2007-2015广州市水安全进行评价，分析影响城市水安全的主要因素，并提出应对策略。

1 研究区概况

广州市地处广东省的中南部、珠江三角洲的北缘，接近珠江下游人海口。截至2016年末，广州市常住人口1404.35万人，城镇人口比例为86.06%，城镇化率处于较高水平。2015年广州市水资源总量为88.85亿m3，废水排放量为16.19亿t。2016年全市省控江河断面中，Ⅱ类水质断面比例为35.7%.Ⅲ类水质断面比例为21.4%.Ⅳ类水质断面比例为21.5%.V类水质的断面比例为21.4%。

本文所用数据主要来源于2007-2016年的《广东省统计年鉴》《广东省环境状况公报》《广东省水资源公报》《中国环境年鉴》《广州市统计年鉴》。

2 基于DPSIR模型的城镇化背景下城市水安全评价指标体系的建立

DPSIR模型[14]是在PSR模型和DSR模型基础上形成的一种多维水环境安全评价模型，能较为客观地描述引起评价对象变化的各影响因素，即驱动力因素和压力因素，在此基础上对其他重要因素的影响进行分析。

2.1 指标体系建立

将DPSIR模型应用到城镇化背景下的城市水安全评价中，选取的指标体系见表1。其中：准则层中驱动力是城镇化发展的基本动力，包括人口、经济和城镇化水平，人口和经济描述城市发展的基本水平，城镇化水平用年末城镇人口比例表示：压力指城镇化发展给城市水安全带来的压力，包括用水压力和水环境压力，用水压力分别用生活用水（包括城市和农村两方面）、工业用水、农业用水等方面的指标来体现，水环境压力用主要的水质安全指标来体现，包括废水排放量、COD排放量和氨氮排放量;状态表示城市供水的基本状况，包括水资源总量和城市自来水生产能力两方面：影响体现在城镇化发展对水资源带来的影响，包括生产影响、生活影响和城镇化影响;响应是在城镇化发展过程中为了提升城市水安全水平而采取的主要措施，包括环境、供水、污水处理等。

2.2 熵权法确定指标的权重

熵权法[15]是一种用于多对象、多指标的综合评价方法，其评价结果主要依据客观资料，几乎不受主观因素的影响，可以在很大程度上避免人为因素的干扰。熵权法计算评价指标权重的步骤如下。

（1）将第i项评价指标的信息熵定义为

利用熵权法对表1评价指标体系中各指标的权重进行计算，结果见表2。

3 基于物元可拓模型的城市水安全评价模型

3.1 可拓学理论

物元可拓模型包含物元模型、可拓集合和关联函数[13]。将事物N、特征C、事物特征值V三者构成的有序三元组R=（N，C，V）作为描述事物的物元。N、C、V是物元R的基本三要素。利用关联函数值表示物元某种性质的现状及变化趋势，可以实现对物元现状分类和发展态势的分析。通过对单评价指标关联度进行计算，可确定单指标安全隶属水平，同样可确定多指标综合安全隶属水平，从而可定量描述城市水安全水平的动态变化过程。根据安全隶属水平的变化分析影响城市水安全的因素，可实现对城市水安全水平的评价。

3.2 城镇化背景下的城市水安全评价模型

3.2.1 确定城市水安全物元

3.3 评价等级的划分

为准确辨识城市水安全演变的层次关系并对城市水安全进行有效评价，需应用可拓集合概念，将城市水安全概念集合中的渐变分类关系由定性描述扩展为定量评价。结合有关安全评价标准，将城市水安全评价划分为5个等级：I（非常安全）、Ⅱ（安全）、Ⅲ（较安全）、Ⅳ（不安全）、V（危险）（见表3）。

4 案例分析

4.1 广州市水安全等级划分

针对指标体系中单一指标，结合《广东省水利发展“十三五”规划》，在上述安全等级划分标准的基础上，得出评价指标的等级分布，见表4。

2007-2015年广州市水安全水平整体向好的方向发展，从2007年的危险（V）级别变为2015年较安全（Ⅱ）级别。广州市在“十一五”末和“十二五”期间全面建设国家中心城市，取得了很好的成绩，使得该市在加快城镇化建设的同时提升了城市水安全水平。

2015年城镇化背景下广州市水安全评价结果见表6，可以看出影响水安全水平的关键因素。用水量（C7）、工业生产总值（C15）和污水处理率（C22）三项指标对城市水安全贡献率较大，工业生产总值虽然增加，但万元工业增加值用水量降低为73 m³.同时污水处理率增大到93.22%，原因是广州市2015年在水利、环境和公共设施方面投资增大，比2014年增长26.6%。对广州市水安全负向影响最大的是城镇人口比例（C3）、氨氮排放量（C12）和年末实有房屋建筑面积（C18），其中城镇人口比例增大（2015年为85.53%）使人均生活用水量增至216 L/d，接近广东省城市居民生活用水标准上限220 L/d;城市氨氮排放的主要来源为化石燃料燃烧和生活污水排放，城镇化率不断升高使广州市汽车保有量和城镇人口大幅增加，导致其2015年氨氮排放量增至2.69万t：年末实有房屋建筑面积增大说明城市发展速度加快，对城市水安全造成不利影响。

对城市水安全水平变化的各指标进行安全级别关联度计算，分别得出2010-2012年、2014-2015年指标变化趋势（见图2、图3）。

从图2看出，2011年广州市水安全水平下降。对比2010年和2012年各指标安全水平可知，导致2011年广州市水安全水平下降的主要指标是农业用水量（C8）、COD排放量（Cll）、水资源总量（C13）。从农业用水量来看，2011年的农业用水量为11.3亿m³，比2010年和2012年约高3 000万m³，根据《2011年广东地区旱灾的调查报告》，201 1年广东省平均降雨量仅为1461 mm，比2010年减小24%，导致农业用水激增。2011年广州市全年COD排放量为19.53万t，比2010年增加9.18万t，是自2007年来最高的年份，主要原因是生活废水排放量显著增加（为11.69亿t）。

从图1可以看出，2014年至2015年广州市水安全由较安全（Ⅲ）转为安全（Ⅱ）。从图3可以看出，导致2015年广州市水安全水平提升的主要指标为GDP（C2）、农业用水量（C8）、水资源总量（C14）、供水管道长度（C20）和污水处理率（C22），其中水资源总量安全水平提高幅度最大（提高了3个等级），其次是供水管道长度（提高2个等级）。2015年GDP增长率为8.3%，水资源总量增长12.2%，污水处理率为93，220/0，供水管道长度由2014年的17 653. 612 km增加到2015年的21915.591 km。但同时2015年废水排放量（Cll）和COD排放量（C12）明显增大，尤其是COD排放量已经达到危险状态（24.78万t），几乎是2014年COD排放量（12.76万t）的2倍，为广州市未来水安全水平带来较大不利影响。

5 结论

（1）近年来，广州市水安全从“危险”级别到“较安全”级别，再到“安全”级别，水安全状况不断好转，研究结果与实际情况基本相符。

（2）通过分析2010-2012年广州市水安全评价结果，得出自然灾害对城市水安全影响显著;通过分析2014-2015年广州市水安全指标变化情况，发现水资源量、污水处理率和用水效率的提升对城市水安全水平有明显的正向作用，供水管道等基础设施建设对城市水安全水平的提升也有正向作用。

（3）随着经济发展和城镇化程度的提升，工业废水和城镇居民生活废水排放量激增，对城市水安全产生不利影响，需要在城市发展过程中进行结构调整，提升生产和生活用水效率。

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