城市水循环健康的评价方法及其应用——以邯郸市主城区为例

马 静，段 娜，吕如兰，栾清华*，王 旖

(1.河北工程大学河北省智慧水利重点实验室，邯郸 056038；2.南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，邯郸 056006)

水循环是保证水资源得以再生的源过程，也是水环境和水生态系统演化的主要驱动源。随着社会经济发展和人类活动增强，区域水循环已逐渐呈现“自然-社会”二元属性[1-2]；加之全球气候变化影响的加剧，其过程愈趋复杂、更难解析。在城市，水循环因水源取水、管网供水、三生用水、废污水排放处理和再生水回用这些子过程的人工化[3]，而更具“自然-社会”的二元特性。伴随城市化建设的快速发展，上述任何子过程发生变化，都会引起其相互作用、转化和影响，并改变城市水循环全过程的健康状态，进而诱发城市内涝、水质污染、水源短缺等诸多“病症”。2021年郑州发生“7.20”特大洪涝灾害，使得专家学者和管理者就如何提高城市韧性和实现城市健康良性的水循环引发了新的思考。如果一个区域的水循环长期处于不健康状态，必将破坏水资源对区域社会经济发展的支撑作用[4]，更不必说满足人民群众日益迫切的宜居环境诉求。因此，只有剖析诊断城市水循环的“病灶”“病理”及其变化，才能“对症下药”。管理部门只有依据“药方”循序渐进恢复良性健康的城市水循环，才能持久保障并实现区域的可持续发展。

近年来，学术界已经开始注重水循环健康方面的研究。张杰等[5]最先解析了水循环健康的内涵，侧重强调了城市废水的再生净化对水循环健康程度的影响；Chu等[6]从系统论角度出发，认为城市水系统结构合理且运行高效是水循环健康的关键；栾清华等[7]认为水循环健康评价应从二元水循环结构及其路径特征的解析着手。此后，部分学者根据不同理解，选取不同的评价方法，就不同空间尺度的水循环健康开展了系列评价研究。例如，王富强等[8]、Zhang等[9]针对京津冀等省级以上大空间尺度地区开展了水循环健康评价研究；栾清华等[7,10]以不同城市为研究区进行了城市尺度的水循环健康评价；刘田伟[11]、王旖[12]、栾清华等[13]分别构建了县域、灌区等较小空间尺度的水循环健康评价指标体系。相较国内而言，国外关于水循环健康的研究较少[1]，只有部分学者开展了城市水循环评价方法的研究，例如，Maria等[14]将生命周期法应用于地中海地区城市水循环的环境评价；Wim等[15]利用城市蓝图法对比利时安特卫普进行了城市水循环评估。

由于健康水循环的概念比较抽象，目前学术界对此无统一的认识，且真正评价城市水循环健康的相关研究案例并不多。主城区是最能代表一个地方城市化水平及特征的“城中城”，也是供—用—耗排—回用过程最为显著、水循环过程最为复杂的区域。因此，从空间尺度而言，“诊断”城中城水循环的“症候”所在并“对症治疗”是改善并提升整个城市水循环健康的关键。

现以解析二元水循环模式为基础，综合考虑主城区水循环过程的动态化、特点的复杂化、“病症”的多元化，选择综合指数法对邯郸主城区的水循环健康进行“诊断”，同时采用模糊模式识别法、集对分析法与其进行对比，验证评价指标体系及评价结果的合理性和准确性，为城市水循环健康评价拓展研究思路，也为城市水资源管理提供参考依据。

1 研究区概况

选取邯郸市主城区为研究区，主城区主要由邯郸市东、西、南、北环路包围，行政分区包括丛台区、复兴区、邯山区，其地理范围介于36°33′～36°40′N和114°24′～114°32′E，面积约为505 km2。区域地形介于西部丘陵向东部平原过渡地带，域内河流、渠道较多，其中，滏阳河贯穿主城区南北，全长18.0 km，具有行洪排涝、城市景观和排污等多种功能且常年有水。此外，支漳河是滏阳河上一条人工开挖河道，具备分洪和城市景观功能，部分河段与研究区东南部的边界重合。研究区位置及水系情况如图1所示。

图1 研究区位置及水系图Fig.1 The location and water system of research area

2 评价方法

2.1 综合指数法

综合指数法是基于层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)[16]解析影响水循环健康的关键因素基础上，确定指标权重，再根据单项指标分值计算综合得分值，从而判断水循环是否处于健康状态[17]。计算公式为

(1)

式(1)中：H为综合得分值；hi为单项指标得分值；wi为指标权重，通过AHP计算得出。

2.2 模糊模式识别法

模糊识别法主要是应用模糊数学原理，在构建指标特征值矩阵和指标标准特征值矩阵的基础上，利用相对隶属度公式，计算评价指标和评价标准的相对隶属度并构建矩阵，同时确定评价指标的模糊权向量，从而建立应用于城市水循环健康评价模糊模式识别模型，具体步骤详见文献[18-19]。

2.3 集对分析法

集对分析法是运用系统分析计算指标对应城市水循环健康等级联系度，进而对其进行等级判定的一种方法。其核心思想是：取最大联系度值对应城市水循环健康程度等级，若同时存在两个相同的最大值，则比较这两个最大值相邻健康等级的联系度值，哪个相邻健康等级联系度值更大，表示指标更倾向于这个健康等级，此方法的原理及步骤见参考文献[20]。

3 研究区水循环健康评价

3.1 水循环过程及路径解析

受人类的社会经济活动扰动，社会水循环逐渐从自然水循环分离而形成，并且两类循环之间不断相互作用、转化，并持续相互影响。天然水体(河流、湖泊等)通过蒸发、水汽运输、降水、下渗、产汇流等过程与自然循环相联系，再利用水利工程调蓄，作为取水水源参与社会循环，通过供水、用水、排水、污水处理和再生水回用等过程形成闭环，其循环过程及路径如图2所示。

由图2可知，天然径流通过水利工程调蓄为供水提供源头，经由供水管网输送到不同的用户，构成供水子过程；不同用户通过生活、生产以及生态等途径用水，构成用水子过程；各“三生”用水产生的污水及城市洪涝水一同进排水管网或人工渠道，构成排水子过程；排水或用水子过程中部分污水经过基础处理可再生回用并循环进入到用水子过程，雨水经过简单过滤处理后也可作为非常规水源回用并进入用水过程，上述就构成了回用子过程。可见，城市二元水循环各过程之间密切相关且互相耦合，任何子过程发生变化均会影响整个城市水循环系统。

图2 城市二元水循环过程及路径Fig.2 The process and route of urban dual water-cycle

因此，延续团队前期研究思路[17]，认为城市自然水循环和社会水循环形成相对闭合式链条的同时，自然水循环过程(降水—径流—蒸发)稳定，水量始终保持动态平衡；社会水循环过程(水源—供水—用水—排水—回用)完整，水资源利用合理、高效且充分，从而保障二元水循环过程处于良好状态，即是健康的城市水循环。

3.2 评价指标体系构建

从水源、供水、用水、排水、回用5个关键子过程遴选城市水循环健康评价指标。具体如下。

(1)在水源方面，主要考虑水源的数量和质量，兼顾备用水源和地下水超采情况。

(2)在供水方面，主要依据供水的数量和质量等城市供水能力。

(3)在用水方面，主要保障城市生活、生产、生态所需，兼顾考虑城市用水效率和效益。

(4)在排水方面，主要考虑城市雨污排水能力及污染控制。

(5)在回用方面，主要考虑城市雨水、工业生活再生水的重复利用情况。

在此基础上，遵循城市水循环健康评价指标可定量、易获取、宜复制的原则，最终选取19个指标构建评价指标体系，如表1所示。

3.3 评价指标权重及评价标准的确定

考虑到城市水循环过程中，水源作为源头，优质、充沛的水源是整个城市水循环良性健康的启动项和前提保障，高效率且高效益用水是城市水循环处于良好高质量运转的基本保障，清洁快排是减少城市水循环负面效应和影响的根本，回用是保证城市水流动末端并循环往复的关键，必不可少。值得一提的是，回用路径与供用水路径交互的多寡及其通量大小均与城市污水处理能力和标准密切相关。因此，维度间重要性排序为水源、供水、用水、排水、回用。在此基础上，对各指标重要性进行排序，再利用层次分析法计算指标权重，结果如表1所示。

评价标准主要是通过参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)、邯郸地区经济发展状况和规划要求以及已有研究成果[7,17]进行确定，并将其划分为5级，即，Ⅰ级为非常健康、Ⅱ级为健康、Ⅲ级为亚健康、Ⅳ级为病态、Ⅴ级为严重病态，如表1所示。

表1 城市水循环健康评价指标体系、指标权重及评价标准Table 1 The index weight and evaluation standard of urban water-cycle health

3.4 评价结果及结果分析

依据表1所述的指标体系，首先，采用综合指数法对研究区水循环健康进行评价。根据邯郸市统计年鉴、国民经济统计年鉴、水资源公报等相关资料，获取2005—2016年邯郸市主城区的基础数据，统计、计算并分析得出每年的指标值，再根据指标权重，计算各指标逐年的健康得分，确定其健康等级，如图3所示。同时，计算2005—2016年各维度的健康得分，如图4所示。再利用式(1)计算2005—2016年研究区水循环健康的综合得分。然后，分别采用模糊模式识别法、集对分析法对研究区水循环健康进行评价。最后，将三种评价方法得到的综合评价结果进行对比，如表2所示。鉴于模糊模式识别法和集对分析法只能获得综合评价结果，因此，指标及维度的健康等级分析仅依据综合指数法的评价结果。

3.4.1 指标健康状况分析

由图3可知，19个指标在2005—2016年的健康状况整体呈现逐年好转，尤其在2010年左右出现明显的转折点。进而梯次分析各指标的逐年变化趋势，总结归纳为以下3种情况。

图3 研究区2005—2016年各评价指标的健康等级Fig.3 The index levels of water-cycle health in research area from 2005 to 2016

(1)部分指标在12年间始终处于同一种健康等级。例如，指标a1、b1和c3均处于非常健康的状态，说明研究区的饮用水水源安全保障程度高并始终能够满足城市的发展，城市自来水普及率达标且供水能力很好，主城区的生态用水也可以得到保障；指标c4显示健康，说明人均日用水量较低、生活用水效率较高，与调研得知的邯郸市生活用水优于河北省用水平均水平及用水额定的实际相符；指标d2始终显示亚健康，说明研究区排水管网能力亟待提高，并在考虑密度的同时，还需考虑管道空间布局是否合情合理；指标e4和e2一直处于严重病态或病态，说明研究区雨水资源利用程度远远不够，这与调研得知的研究区内雨水利用基础设施尚未启动的现状基本相符。

(2)部分指标的健康等级逐步提升。例如，指标a2和a3近年来趋于健康或亚健康等级，说明主城区水源及备用水源日趋多样化，而多样化的水源供给也间接促进了供水系统的完善；指标b2和b3不仅趋于好转还稳定，特别是2010年后始终处于亚健康等级，说明随着邯郸市主城区供水管网的升级改造，其供水状况得以改善，但仍有进步空间；指标c2在2010年由亚健康变为健康，说明邯郸居民节水意识较强，随着生活节水器具的使用和普及，其生活节水效率将大幅提升；指标d1和d4在2010年以前均显示亚健康，随后改善到健康，说明研究区内加强了对城市废污水的集中处理，其处理效率和效益较为显著。

(3)部分指标的健康等级始终处于波动状态。如，指标a4健康等级在2010年出现“断崖式”降低，呈现严重病态，主要因为2010年的水资源丰枯水平为偏枯，其地下水禀赋量严重少于多年平均水平，且地下水超采严重，使其健康等级出现大幅度下降；指标c1健康状态虽有波动，但始终处于亚健康以上，2016年还呈现出非常健康的状态，说明研究区内工业用水效率不断提高，也说明邯郸市节水型社会试点建设已初显成效；近几年，指标d3的健康状态持续处于严重病态，反映河流水质较差，也说明了河流水质改善是一个缓慢的过程；指标e3虽波动较大，但总体向“好”的方向发展，说明研究区再生水的利用状况在趋于好转；指标e1波动不大，2007—2015年一直处于健康或亚健康等级，且相较于前两年有所好转，说明邯郸市主城区随着工业设备设施的改造升级，其工业用水重复利用率在逐步提高，虽受工业生产影响，其健康等级仍有波动(2016年出现病态)，但其发展趋势向好。

3.4.2 维度健康状况分析

如图4所示，除用水维度始终处于健康状态以外，其他4个维度2005—2016年的健康状况略有波动，总体呈现好转趋势。其中，水源维度除了在2005—2007、2010和2013年显示亚健康(略低于4分)外，其他年份均显示健康，说明近年来研究区的水源良好，不仅能满足居民需求，还呈现出多样化趋势。

图4 研究区2005—2016年各评价维度的健康分值Fig.4 Water-cycle health evaluation of dimensions in research area from 2005 to 2016

供水维度大部分年份基本处于亚健康且偏向健康的等级(得分均在3.5分以上)，在2005和2006年以前分值略低于3分显示病态，说明邯郸市始终致力于完善其供水能力且已初显成效，但仍然有待进一步提升。

排水维度仅在2006年和2009年显示病态(低于3分)，其他年份均显示亚健康，且评分接近4分，趋近健康等级。此情况与供水情况非常相似，说明研究区的雨污排水管网设计及铺设较为合理且能够满足需求，但主城区河流水质较差也可间接反映出其排水系统可能尚存亟待解决的问题。

回用维度相较于供水和排水维度的分值波动较大，甚至在2005年和2006年处于严重病态(仅1分多)，说明这两年邯郸市对水资源回用的重视程度不高，其配套设施也不尽完善。随着水资源回用技术的应用及普及，近年来回用维度的健康水平已提升至亚健康，但仍存波动，说明提高回用效率和效益是邯郸市主城区未来水资源综合管理的重点。

3.4.3 综合健康状况分析

3种方法评价结果如表2所示，综合指数法的评价结果显示，研究区2005—2016年水循环健康评分变化不大，整体呈现略有上升的趋势，健康等级均为Ⅲ级(亚健康)以上，到 2016年健康状况改善为Ⅱ级(健康)。模糊模式识别法的评价结果显示，研究区2005—2016年水循环健康状态始终处于Ⅲ级(亚健康)水平，逐年略有波动，但整体依呈现好转趋势。集对分析法的评价结果显示，研究区2005—2006年的水循环健康状态处于Ⅳ级(病态)水平，2007—2010年水循环健康等级升为Ⅲ级(亚健康)，2011—2016年健康等级提升，达到Ⅱ级(健康)。综合比较可知，3种评价方法应用于邯郸市主城区水循环健康评价的结果总体变化趋势基本一致：研究区2005—2007年水循环健康状况较差，基本处于Ⅳ级(病态)或Ⅲ级(亚健康)，随后逐年改善，特别是近3年水循环健康状况逐年提升的效果显著。

表2 研究区2005—2016年水循环健康评价结果Table 2 The evaluate results of water-cycle health in research area from 2005 to 2016

为探究区域水循环健康演变的原因，深入剖析研究区实际情况可知，邯郸市2005—2009年期间，由于其产业结构不合理、工业用水效率不高、防污治污能力较差，导致排水维度指标d1、d2、d3和d4均处于不良状态，直接影响城市排水子过程；由于生活节水器具尚未普及，导致用水维度指标c2数值偏低，对城市用水子过程造成不良影响；加之城市雨水、再生水回用率偏低，特别在评价阶段的前三年(2005—2007年)回用维度指标e1和e3评分最低，说明其社会水循环中回用子过程也存在一定问题，间接反映了当时主城区用水多、耗水高、排水污、回用少的水循环状况。各过程间相互作用，影响并导致整个研究区水循环状态不佳。自2008年以来，邯郸市先后组织实施了城市三年大变样工程、城中村改造、支漳河中段治理工程、东污水处理厂升级改造等一系列基础设施和水环境治理措施，工业废污水进一步得到集中处理及重复利用，排水维度指标d1和回用维度指标e1、e3数值明显大幅度提升，排水和回用的水循环过程逐渐转向良性化；2014年以后又跟进了南水北调中线工程及其配套、节水型社会试点建设、水生态文明建设、地下水综合治理等一系列水利管理措施，加之最严格水资源管理的考核，这一系列政策措施的实施遏制了地下水超采且保证了供水水量和水质、完善了备用水源、限制了用水总量、提高了用水效率、控制了污水排放、增加了回用水量，特别在2015—2016年期间，水源维度指标a3、供水维度指标b2和回用维度指标e2数值显著优于以往年份，使得区域水循环状况在2011年用水、回用过程良性好转基础上，逐年提升了水源、供水等过程的水循环。可知，研究区水循环健康状况与区域社会发展相互响应且息息相关；由于各子过程相互影响，使得城区水资源的综合治理效果在各子过程有所体现并提高了区域整体水循环健康状态。3种方法评价结果趋势一致，间接印证了评价指标构建及评价结果的合理性。

4 结论与展望

应用综合指数法对邯郸市主城区2005—2016年水循环健康进行评价，并与模糊模式识别法、集对分析法的评价结果进行对比，得到以下结论。

(1)邯郸市主城区2005—2006年的水循环健康状况较差，基本属于病态或亚健康，这与邯郸市历史发展背景和产业结构不尽合理息息相关；随着邯郸市产业结构的调整和南水北调及地下水压采等水利民生政策的落实，其水源开发逐步合理且呈现多样化，供—用—排—回用等水循环子过程日益改善，研究区水循环健康状况从2007年逐年好转，2016年达到健康状态。

(2)鉴于目前反映水源维度的指标a3、反映供水维度的指标b2和b3、反映排水维度的指标d2仍处于亚健康状态，反映回用维度的指标e2和e4仍处于病态或严重病态，可见除用水维度外，其他维度的健康状况均有较大的提升空间。因此，邯郸市主城区水循环各个子过程还有待进一步完善，若能继续增加水源多样性、提升供水和排水效率、提高雨污回用率，其水循环健康状况将持续呈现提升态势。

(3)综合指数法、模糊模式识别法与集对分析法3种评价的总体趋势基本一致，验证了评价指标构建及评价结果的合理性。关于城市水循环健康的概念解析及其评价方法等相关研究目前仍处于探索阶段，综合指数法在其他区域的普适性以及与多种方法对比分析上还需进一步研究。