盘锦市水安全综合评价

倪长鑫

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110003)

0 引 言

城镇化的快速推进使得城市人口数量和规模不断增大，水土流失、洪涝灾害、用水短缺、水污染等已严重威胁着区域水生态。通过对水安全的科学评估提出行之有效的防治措施，可为人与自然和谐相处及水资源可持续利用提供重要保障。盘锦市地处辽河三角洲的中心地带，降水量较小而蒸发量极大，随着人口的急剧增加和经济的迅速发展，当地用水量不断增大，水资源短缺和生态环境恶化问题已十分突出，采用合适的方法评价该区域水安全现状具有重要意义[1-4]。鉴于此，文章结合PSR框架模型选取12项水安全评价指标，对各个影响因素权重系数利用层次分析法求解，然后对盘锦市2012-2017年水安全状态利用物元模型分析，结合评价结果和区域水系统状况提出科学的防治方法。

1 评价体系的构建

1.1 基本原则

水安全评价体系的选取遵循定量与定性结合、可比性、全局性、可获取性和科学性等原则，从而保证水安全评价结果的正确性、客观性和公平性。

1.2 PSR模型

压力-状态-响应(PSR)模型最早被应用于资源的可持续利用潜力分析，随后在土地资源、水资源指标体系和区域环境等方面得到应用。1990年，针对PSR框架体系有效性经济合作与开发组织OECD开展了分析。当前，许多研究学者和组织部门认为环境现状汇报和环境指标组织最为有效的方法仍然是PSR模型。

1.3 评价体系

为了更加真实、全面的建立水安全综合评价体系，对现有相关研究成果采用频率统计法进行分析，结合水系统特点和经济社会现状利用Delphi法提取特有参数，采用PSR框架构建多层次、多要素、多目标评价体系，如表1所示。其中，P1-P4分别代表人口密度、人均GDP、生态环境用水比例、人均占有水资源量；S1-S4分别为居民生活用水定额、城市年降雨量、人均公共绿地面积、万元产值用水量；R1-R4分别为用水普及率、工业用水重复利用率、废水治理占GDP百分率、城市污水处理率。

1.4 权重计算

针对评价指标权重的计算层次分析法的应用较为广泛，该方法可将复杂的系统性问题按照一定的原则进行分解，通过对评价对象各要素的分析构建相应的层次结构，邀请领域内的专家对各要素的重要程度给予定量的赋值，从而建立模糊数学模型求解各指标权重，最终实现多因素、多层次复杂问题的定量化处理，针对复杂的模糊性问题具有较强的适用性。采用层次分析法计算权重的详细流程为：①按照一定的原则和隶属关系将评价指标分类，从而构建多层次、多要素评价体系；②结合领域内专家意见和两两要素的相对重要度形成判断矩阵，求解水安全评价矩阵模型；③通过对特征向量和最大特征根的求解检验一致性水平，单排序各项评价因子；④为保证评价结果的合理性一致性检验目标层，总排序评价目标确定最终的权重系数，见表1。

表1 城市水安全评价体系与指标权重

2 水安全综合评价法

2.1 物元分析基本概念

针对多要素和多功能目标的不相容性问题一般选用可拓物元法，而城市水安全涉及到的要素多且各因素间具有不相容性，因此考虑选用物元可拓法评价城市水安全状态。自然界中的“非此亦彼”的过度状态利用可拓集中的“即是又非”的临界概念描述，在识别和评判过程中摆脱了“非此即彼”的限制，其适用范围十分广泛。物元分析法相对于其它方法存在理论清晰、运算量少等特征，可以系统、全面的反映待评对象的真实情况，通过简单的模型可实现不相容系统复杂问题的质与量的转化处理，从而给出水安全的等级标准。根据物元分析理论构造包含n个特征值X1、X2…、Xn及特征Q1、Q2、Qn的物元矩阵，其表达式如下：

(1)

式中：M、J为城市水安全状况和n维评价物元，记J=(M,Q,X)。

2.2 节域物元和经典域物元

根据相关资料和区域水资源实际情况将水安全状况M分为M1、M2、M3、M4四个等级，各个指标Qn对应于每个等级的取值区间不同。设定Xpj=[Apj,Bpj]为Qn的取值区间，其中p=1、2、3、4，则利用下式作为水安全经典域矩阵JP，即：

(2)

式中：Jp为水安全划分的p级标准。

设定城市水安全现状M的标准为各个等级Mp构成的M0，由此构造的水安全节域物元为J0，所对应的取值区间为扩大的X0j=[A0j,B0j]，水安全节域物元为：

(3)

2.3 物元归一化

针对水安全状况而言，评价体系中各指标存在正向、逆向两类，即指标数值越大越优和越小越优型。为更加准确、客观的获取各评价指标隶属度，采用下式统一处理评判指标值，即：

(4)

式中：min(Xij)、max(Xij)为参评样本中指标最小与最大值；Uij为水安全评价各因子从优隶属度。同理，归一化处理评价体系中各初始数据。

2.4 关联系数

待评物元符合实轴某上一点要求的程度利用关联函数获取的量值描述，因此采用具体的函数值定量描述各项评价因素之间的不相容关系，城市水安全评价各指标的关联度K(xpL)计算式为：

(5)

式中：K(xpL)为评价等级p关于年份L的关联函数值；ρ(X,X0)为有限元区间X0与待测评物元量值X的距离，其中X0=[A,B]，A、B为有限元区间的最小和最大值；ρ(X,Xp)为有限元Xp与待评估物元量值X之间的距离，其中Xp=[Ap,Bp]；Xp、X0、X为待评城市节域、经典域和城市生态水平物元的量值。采用下式计算确定有限元与点的距离，即：

(6)

2.5 评价标准

K(xpL)值利用公式(5)求解，若关联函数值K(xpL)≥1，则代表城市水安全超过标准上限，数值越大则开发潜力越高；若关联函数值0≤K(xpL)<1，则代表城市水安全能够达到标准要求，数值越大则接近标准的程度越高；若关联函数值-1

2.6 综合关联度

采用下述公式求解综合关联度Mp，即：

(7)

其中：K(xL)=maxK(xpL)；K(xL)为各等级标准下同一指标第L年的关联函数最大值；ω为水安全各评价指标权重。由此，可确定各个年份的城市水安全状况M隶属的评价等级。

3 实例应用

3.1 区域概况

盘锦市位于辽宁省西南部，地理位置为E121°25′-122°31′，N40°39′-41°27′范围，南临渤海辽东湾，北与锦州、鞍山接壤，东南与营口市隔大辽河相望，下辖大洼县、盘山县、兴隆台区、上台子区等，占地面积4071km2。盘锦地区为大陆性季风气候，冬长夏暖、春秋季短、光照丰富、雨量集中，平均气温9.3℃，日照时数2780.5h，年均降水量564.5mm，年蒸发量显著高于降水量。该区域分布有大小河流21条，其中大型河流有大凌河、大辽河、辽河、饶阳河，中小河流有小柳河、沙子河、大洋河、鸭子河、外辽河等17条，大多数呈比降陡、流程短、面积小等山区型河流特征。近年来，为满足各行业用水和经济发展需求，区域水资源被过渡开发利用并使得地下水位持续下降，地下水系统与地表水、人类活动、生态环境等因素密切相关，而生态环境与人类活动、地表水又紧密相连，因此有必要综合考虑各方面因素定量综合评价区域水安全状态，这对于保障区域粮食、生态、饮水安全具有重要意义[5-9]。

3.2 数据来源

为保证数据的真实性与可靠性，选择辽宁省城乡统计资料汇编和盘锦市水资源公报作为数据来源，盘锦地区2012-2017年水安全评价指标数值数据见表3所示。

表3 2012-2107年水安全各指标初始值

3.3 水安全评价经典域、节域与待评物元

如何合理设定数学模型中的数值，当前还未形成普遍适用的标准和方法，且不同地区选取的数值存在较大差异。这主要是因为不同地区的参评指标不同，且评价标准易受技术、经济、文化和城市化发展等因素影响；同时，现有评价体系往往存在显著的区域性特征，评价指标的可移植性较差，所以非常有必要选取适合盘锦地区的评价等级。借鉴宜居城市科学评价标准、生态市建设指标等国家同类相关指标标准值确定城市水安全评价等级经典域，由此构造的盘锦地区水安全经典物元J1、J2、J3、J4如下：

盘锦市水安全评价节域物元JP按照已构造的经典域确定，其表达式如下：

3.4 关联系数

归一化处理城市水安全评判矩阵，采用公式(5)和物元模型及参评样本的数据数值，获取不同评价等级下各指标的取值标准，以2012年为例经典域取值标准如表4所示。

表4 盘锦市2012年水安全经典域取值标准

根据不同评价等级下各指标的最大关联系数隶属的等级，确定城市水安全各指标等级，如表5所示。2012年盘锦市水安全评价指标有5个达到Ⅳ级，有4个达到Ⅲ级。根据水安全单指标评价结果，盘锦地区2012年的水安全处于较差状态，总体达到不安全水平。

表5 盘锦市2012年水安全评价指标等级

根据表6可知，综合评价体系中3项压力指标均为不安全水平，该区域存在较大的水环境压力，其原因为人们忽略了对水环境的保护而注重于经济社会的发展，从而使得水污染问题较为突出。另外，盘锦地区的水资源量相对较少，且径流城区的湖泊和河流较少，该评价结果能够较好的反映区域实际情况；评价体系中4项状态指标均达到安全等级的边界线，由此表明在盘锦地区降水量不大的条件下，工业和生活用水较大；4个响应指标中达到Ⅰ级的有用水普及率安全，可见城市自来水保证率和普及率较高，盘锦地区工业发展基本达到全国平均水平，用水重复率达到Ⅱ级状态，当前属于正常用水现状，其它指标属于不安全水平，可见局部水污染严重、治污力度不够和环保资金投入较少。

3.5 综合关联度

依据2012-2017年盘锦市水安全关联函数值计算结果，通过对相邻两年函数值的比较分析确定等级转化方向，如表6。结合关联函数值相邻两年变化特征确定水安全变化趋势，例如比较分析2012年和2013年函数值，隶属值增长幅度最大的为盘锦市水安全第Ⅱ等级，达到0.16，关联度其它等级的变幅相对较少，可见盘锦地区水安全等级在2012-2013年存在转化为Ⅱ等级的趋势。结合运算结果可知，盘锦市水安全达到Ⅳ级的有2012年、2013年、2015年、2017年，且水安全等级存在从低级转化为高级的条件，具有向较好方向发展的趋势；水安全达到Ⅱ级安全水平的年份有2014年和2016年，但存在转化为低等级的条件，其原因为工业重复用水率在2014总体处于较低水平。

表6 盘锦市2012-2017年水安全关联度值

为进一步提升区域水安全水平，应从如下几方面入手：①大力发展治污技术。结合区域污染实际状况加强重点污染企业的技术改造，鼓励引用耗水量小、排污量低的新设备、新工艺，推广使用高效污水处理系统降低污水排放，由此提高水利用率；②加强水质量评价与监测技术，通过采取先进的技术手段和设备实时地监测城市水质状况，提供可靠的治理依据和数据支撑；③加快污染源防治技术的推广和应用，降低水环境污染程度和影响范围，从根本上避免水污染时间的发生。

4 结 论

1) 盘锦市2012年水安全状态达到Ⅳ级不安全水平，且参评的12项指标中达到Ⅳ级的有5个，达到Ⅰ级安全等级的仅有1个指标，区域水安全整体处于较低水平。综合评价结果与单指标变化保持较好的一致性，且盘锦地区2012年的水安全问题较为提出，亟需解决工业废水处理率低、人均水资源占有量少和人口密度过大等问题。

2) 盘锦市2012-2017年期间，水安全等级达到Ⅱ、Ⅳ级的年份有2年和4年，且水安全等级较低的年份存在转化为较高等级的条件。随着绿化面积和治污投资力度的增加，将在一定程度上改善盘锦地区水安全现状，提升区域水安全水平。