基于Spearman秩相關(guān)的再生水利用量影響因素研究

余鵬明，管孝艷，陳俊英，管佳潔，張晨陽，郝彥昕

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京100048)

0 引 言

水資源是人類賴以生存與社會經(jīng)濟活動不可或缺的資源。隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，水資源消耗不斷增加，水污染問題日益加劇，水資源短缺已經(jīng)成為眾多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸[1]。再生水是指將污水通過適當(dāng)處理并且到一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后可供給使用的水，是緩解城市水資源短缺的“第二水源”。再生水以供給穩(wěn)定、水源可靠、成本低廉、既節(jié)約天然水資源又能凈化污水的多重屬性, 成為緩解水資源供需矛盾的重要途徑[2-3]。2015年4月，國務(wù)院出臺《水污染防治行動計劃》對再生水利用進行專門規(guī)定，目標(biāo)是到2020年，缺水城市再生水利用率不低于20%，京津冀區(qū)域再生水利用率不低于30%[4]。在中央提出大力開發(fā)非常規(guī)水資源的大背景下，開展再生水開發(fā)利用的研究工作具有非常重要的現(xiàn)實意義。

國外學(xué)者對歐洲再生水回用潛力進行分情景研究，結(jié)果表明地中海地區(qū)的再生水利用有著巨大潛力[5]；還有學(xué)者同時考慮技術(shù)，社會，經(jīng)濟和環(huán)境方面對突尼斯Nabeul-Hammamet區(qū)域再生水最佳灌溉地點進行比較排序[6]；Adapa[7]等對促進與阻礙澳大利亞再生水利用的因素進行研究，結(jié)果表明用戶對再生水的抵制與社會經(jīng)濟福利以及對再生水的認(rèn)知有關(guān)。

國內(nèi)再生水利用影響因素的研究較少。Qianxin Gu[8]等對天津市再生水利用影響進行調(diào)查研究，結(jié)果表明受過高等教育和高收入水平的人群更傾向于使用再生水，并且更愿意為此付費。國內(nèi)再生水價值評價、風(fēng)險評價及費用效益等研究較多。傅平等[9]從必要性、經(jīng)濟可行性兩方面將我國城市再生水利用分為五個戰(zhàn)略區(qū)。李梅[10]運用系統(tǒng)動力學(xué)從城市污水處理、供需水狀況、人口和水價等方面分析了污水再生回用影響因素并構(gòu)建了城市污水回用的系統(tǒng)動力學(xué)模型。高旭闊[11]從再生水資源的經(jīng)濟功能、環(huán)境功能、社會功能等方面建立再生水資源價值評價指標(biāo)體系；李朦等[12]通過模糊物元法建立了包含經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境等方面的再生水資源價值指標(biāo)評價體系；吳夢煙等[13]考慮再生水風(fēng)險、經(jīng)濟、社會和技術(shù)等因素建立較為全面的再生水綜合發(fā)展“壓力-條件-影響”指標(biāo)體系。以上研究，一方面存在著指標(biāo)篩選主觀性較強的不足，另一方面，已有研究多為局部地區(qū)定性定量研究，忽略了再生水利用發(fā)展的宏觀研究。大尺度再生水利用潛力的研究較少且缺乏數(shù)據(jù)支持。這是再生水利用研究的重、難點所在。

本文將綜合經(jīng)濟、社會和環(huán)境因素，基于2012-2017年分省份統(tǒng)計數(shù)據(jù)(西藏自治區(qū)、上海市除外)，運用Spearman秩相關(guān)分析并確定影響再生水利用量的敏感指標(biāo)。本研究旨在為推動再生水開發(fā)利用提供參考，為制定再生水開發(fā)利用的政策規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 國內(nèi)再生水利用現(xiàn)狀概況

據(jù)城建部《城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》再生水利用量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2011-2017年期間，全國再生水利用量逐漸增長，如圖1所示。2017年，全國城市再生水利用量為71.34 億m3。東部地區(qū)再生水利用量較高并且增長較快，為32.48 億m3，約占全國再生水利用總量的71.75%，中部地區(qū)、西部地區(qū)和東北地區(qū)分別為5.32、4.92和2.52 億m3(2016年)。東部地區(qū)作為國內(nèi)經(jīng)濟、人口密集地區(qū)，有著巨大的再生水需求，有力地推動我國再生水利用的發(fā)展。

根據(jù)2017年分省份的再生水利用量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，省份間的再生水利用量分布極不均衡。其中，北京市再生水利用量達105 085 萬m3，位居全國第一，約占全國再生水利用總量的14.73% ；再生水利用量超過10 000 萬m3的省(市)有北京、內(nèi)蒙古、河北等14個省份(直轄市)；再生水利用量低于3 000 萬m3的省份有吉林、貴州、重慶、青海、云南和海南6個省份(直轄市)。

圖1 再生水利用量變化情況Fig.1 Changes in the amount of recycled water used

2 數(shù)學(xué)模型與方法

2.1 Spearman秩相關(guān)系數(shù)法

為了研究經(jīng)濟、社會及環(huán)境因素與再生水利用量之間的關(guān)系，進而確定顯著相關(guān)的因素指標(biāo)，需要進行相關(guān)性分析。Pearson相關(guān)和Spearman秩相關(guān)是研究兩個變量相關(guān)關(guān)系的常用方法[14]。本文以國內(nèi)省份數(shù)據(jù)為樣本(隨年份變化為26～28個)，樣本數(shù)較少且解釋變量與被解釋變量之間的聯(lián)合分布不滿足正態(tài)分布。Spearman秩相關(guān)作為非參數(shù)統(tǒng)計有著對異常值敏感度低、數(shù)據(jù)不須滿足正態(tài)性假設(shè)等優(yōu)點[15,16]，可以滿足本研究數(shù)據(jù)的特征。故本文采用Spearman秩相關(guān)來研究再生水利用量與各潛在因素之間的相關(guān)性。

Spearman秩相關(guān)系數(shù)的計算公式可由下式計算：

式中：秩相關(guān)系數(shù)記為rs；di為兩變量每一對樣本的等級之差；n為樣本容量；rs的取值范圍在(-1，1)之間，絕對值越大相關(guān)性越強，取值符號表示相關(guān)的方向。

2.2 影響因素與指標(biāo)選擇

再生水利用的發(fā)展受經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境、處理技術(shù)等多方面因素影響[17]。本文以再生水利用量作為待研究的解釋變量，結(jié)合文獻調(diào)查，從供需兩方面選取影響再生水利用量的各級指標(biāo)。選取經(jīng)濟投資因素、城市規(guī)模與人口因素、污水處理因素等8個類別的30個指標(biāo)，指標(biāo)體系見表1。

2.3 數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計軟件

數(shù)據(jù)來源于2012-2017年《城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》。運用SPSS18.0進行分析計算， Arcmap10.3進行圖表繪制。

3 再生水利用量影響因素分析

3.1 水資源因素

再生水開發(fā)利用旨在代替部分自來水、緩解水資源短缺和建設(shè)可持續(xù)城市水環(huán)境系統(tǒng)[18]。為了明確水資源豐缺與再生水利用量的關(guān)系，選取人均水資源量作為衡量地區(qū)水資源狀況豐缺的指標(biāo)，結(jié)果見表2。

表1 指標(biāo)選取匯總表

表2 水資源因素分析結(jié)果

結(jié)果表明，2012-2017年期間，人均水資源量與再生水利用量具有較為密切的負相關(guān)關(guān)系。除2015年以外，各年份相關(guān)性均顯著(p≤0.05為顯著，下同)。一方面，由于各區(qū)域水資源狀況本身存在差異，再生水需求亦不同；另一方面，人均水資源量隨時間變化波動，再生水利用量也隨之變化。這表明再生水能夠在一定程度上起到了備用水源的作用。在人均水資源量不足的情況下，再生水利用量相對較大。

3.2 用水水平因素

為了研究再生水利用量與用水水平因素的關(guān)系，本研究選取用水普及率、人均用水量、萬元GDP用水量和工業(yè)用水重復(fù)利用率4個指標(biāo)。其中，用水普及率是指非農(nóng)業(yè)用水人口數(shù)與非農(nóng)業(yè)人口數(shù)之比，可以反映用水基礎(chǔ)條件狀況；人均用水量可以從數(shù)量上反映用水水平的高低；萬元GDP用水量可以代表單位地區(qū)生產(chǎn)總值的用水效率；工業(yè)用水重復(fù)利用率可以反映工業(yè)廢水處理技術(shù)水平的高低。分析結(jié)果如表3所示。

表3 用水水平因素分析結(jié)果

結(jié)果表明：近兩年來，用水普及率和萬元GDP用水量與再生水利用量關(guān)系密切。隨著基礎(chǔ)用水設(shè)施建設(shè)的深入發(fā)展、人們節(jié)水意識提高和節(jié)水型社會建設(shè)的推進，我國用水效率大幅提高，再生水利用量也隨之提高。

3.3 用水類別因素

關(guān)于不同用水類別下再生水利用量的研究較少。國內(nèi)學(xué)者常采用定額法研究特定區(qū)域的各類再生水利用量。有學(xué)者對寶雞市再生水用于工業(yè)、生活、城市雜用三個類別以及銀川市再生水用于工業(yè)、景觀等6個類別進行了定量研究[18,19]，雖然得到了該地區(qū)不同用途再生水的需求量，但未能研究其動態(tài)變化情況。

目前，國內(nèi)尚無按用途類別分類的再生水利用量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。為了研究近年來國內(nèi)再生水利用量與用水類別的關(guān)系，本研究選取生產(chǎn)運營用水量、公共服務(wù)用水量、農(nóng)業(yè)用水量、居民家庭用水量和生態(tài)環(huán)境用水量五種用水量，研究它們與再生水利用量的關(guān)系，結(jié)果如表4所示。

表4 用水類別因素分析結(jié)果

結(jié)果表明，再生水利用量與生產(chǎn)運營和公共服務(wù)用水量相關(guān)性較大，與居民家庭用水量和生態(tài)環(huán)境用水量的相關(guān)性大小次之，且近三年以來相關(guān)性逐漸增加。這表明再生水在生產(chǎn)運營、公共服務(wù)、居民家庭和生態(tài)環(huán)境用水類別中發(fā)揮重要作用。農(nóng)業(yè)用水方面，再生水利用量與農(nóng)業(yè)用水量各年份的相關(guān)性均不顯著，可能是由于農(nóng)業(yè)用水量遠大于其他用水類別的用水量，而再生水農(nóng)用占比較低所致。

3.4 城市規(guī)模因素

為了研究再生水利用量與城市規(guī)模因素的關(guān)系，本研究選取城市用水人口、城市人口密度、城鎮(zhèn)人口比重和建成區(qū)面積4個指標(biāo)，研究再生水利用與城市規(guī)模因素的關(guān)系。結(jié)果見表5。

表5 城市人口與規(guī)模因素分析結(jié)果

結(jié)果表明：近兩年來，再生水利用量和城市用水人口及建成區(qū)面積具有顯著的相關(guān)性，與城鎮(zhèn)人口比重的相關(guān)性次之。城市規(guī)?？焖贁U張的中小城市一般會對再生水產(chǎn)生較大的需求，同時也為發(fā)展再生水設(shè)施尤其是再生水管網(wǎng)建設(shè)提供了最有利的時機，因為新開發(fā)的城市新區(qū)較老城區(qū)再生水管網(wǎng)建設(shè)的成本要低很多。此外，城市規(guī)?？焖僭鲩L的城市，一般而言也具有較高的財政投入能力，有利于開展再生水利用設(shè)施的大規(guī)模集中建設(shè)。

3.5 生態(tài)環(huán)境因素

2015年4月出臺的《水污染防治行動計劃 》強調(diào)全面控制污染物排放，深化水環(huán)境污染物排放總量控制。此外，隨著黑臭水治理工作在國內(nèi)普遍開展，政府投入了大量的財力和物力用以提高廢水收集處理能力， 改善雨污混流等狀況，可為再生水利用發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。各種廢污水作為再生水的主要來源，可滿足再生水持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。本研究選取廢水排放量，研究其與再生水利用量的關(guān)系，見表6。

結(jié)果表明：近3年來，再生水利用量與廢水排放量有較大的正相關(guān)性，且相關(guān)性與顯著性逐年提高。

廢水排放量受生態(tài)環(huán)境方面的政策影響，隨著廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，廢水排放成本將上升并促進廢污水排放提標(biāo)改造，進而提高再生水利用量。例如2018年，湖北省于7月實施更嚴(yán)格的水污染排放標(biāo)準(zhǔn)以保護漢江中下游環(huán)境；福州于6月底完成14座污水處理廠提標(biāo)改造；雄安新區(qū)于9月份將污水排放標(biāo)準(zhǔn)由過去的一級A提高至Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。隨著生態(tài)文明建設(shè)不斷深入進行，廢水排放的嚴(yán)格限制使其與再生水利用量的關(guān)系越來越密切。

表6 生態(tài)環(huán)境因素分析表

3.6 經(jīng)濟投資因素

再生水利用工程具有前期投入大、資金回收期長、公益性較強、利潤微薄等特點。尤其是城市再生水利用工程，較高的水質(zhì)要求增加了深度處理的投資[20]。研究表明，我國中小城市的再生水利用設(shè)施建設(shè)滯后、再生水利用水平不理想，主要原因是投資效率低下[21]。

本研究選取排水設(shè)施投資、污水處理投資、污水處理費、城鎮(zhèn)人均可支配收入、人均GDP和治理廢水投資6個經(jīng)濟投資因素指標(biāo)，研究它們與再生水利用量的關(guān)系，結(jié)果如表7所示。

表7 經(jīng)濟投資因素分析結(jié)果

結(jié)果表明：再生水利用量與排水設(shè)施投資具有顯著的相關(guān)性。除2014年以外，各年份相關(guān)性均顯著，且近三年的相關(guān)性與顯著性逐年增加；近兩年來，再生水利用量與污水處理投資的相關(guān)性較大，這表明新建的污水處理設(shè)施以及提標(biāo)改造設(shè)施對再生水利用具有促進作用；近兩年來，再生水利用量與污水處理費具有一定的相關(guān)性。污水處理費是保證污水集中處理設(shè)施正常運行的重要資金，新版水污染防治法強調(diào)了收取的污水處理費用應(yīng)當(dāng)用于城鎮(zhèn)污水集中處理設(shè)施的建設(shè)運行和污泥處理處置，不得挪作他用。這將保證再生水利用設(shè)施正常運行，進而提高再生水利用量。

3.7 管網(wǎng)建設(shè)因素

再生水管網(wǎng)是再生水利用設(shè)施建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，城市建成區(qū)配套再生水管網(wǎng)不僅投資較高，施工建設(shè)難度也比較大[19]。隨著再生水用戶的增多,再生水管網(wǎng)運行壓力逐年增大，如出現(xiàn)再生水管道頻繁爆管、漏水率居高不下、管網(wǎng)水壓不足、局部管網(wǎng)出現(xiàn)死水等現(xiàn)象。本研究選取再生水管道長度、排水管道長度和排水管道密度，研究它們對再生水供給和生產(chǎn)的作用，結(jié)果見表8。

結(jié)果表明:再生水利用量與再生水管道長度在各年份均具有顯著的相關(guān)性；近3年來，其與排水管道長度具有較大的相關(guān)性，且相關(guān)性與顯著性逐漸增加。

3.8 污水處理因素

污水處理廠二級出水是再生水利用的主要來源之一。較大且穩(wěn)定的污水處理量可以為日后再生水供給提供必要的保障。國內(nèi)學(xué)者在污水處理量的基礎(chǔ)上對海拉爾區(qū)再生水量進行了預(yù)測，結(jié)果表明隨著該市城鎮(zhèn)污水量的增加,再生水利用量也會相應(yīng)增加[22]。

表8 管網(wǎng)建設(shè)因素分析結(jié)果

為了研究再生水利用量與污水處理因素之間的關(guān)系，本研究選取再生水生產(chǎn)能力、污水處理能力、污水處理總量、二三級污水處理量、污水集中處理率和污水處理率6個指標(biāo)，結(jié)果如表9所示。

表9 污水處理因素分析結(jié)果

結(jié)果表明：除了污水集中處理率以外，再生水利用量與其他污水處理因素指標(biāo)均具有正相關(guān)性。其中，再生水利用量與再生水生產(chǎn)能力的相關(guān)性最高，并且各年份的相關(guān)性均顯著；再生水利用量與污水處理能力、污水處理總量和二三級污水處理量具有較高的相關(guān)性，并且近三年的相關(guān)性逐漸增加；再生水利用量與污水處理率具有一定的相關(guān)性，這意味著較高的污水處理水平是再生水利用的基礎(chǔ)，再生水利用傾向于在污水處理水平較高的地區(qū)發(fā)展。

據(jù)《城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年再生水利用量占再生水生產(chǎn)能力比重過半的省份僅有10個，這表明許多再生水廠的實際運營情況不佳，這可能是再生水管網(wǎng)建設(shè)滯后、用戶市場發(fā)展滯后等因素造成的。

4 結(jié) 語

本研究以國內(nèi)分省份(直轄市)6年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按因素類別利用Spearman秩相關(guān)對我國再生水利用量的影響因素及指標(biāo)進行研究。根據(jù)各類指標(biāo)的分析結(jié)果，結(jié)論如下。

(1)再生水利用量的影響因素類別方面，污水處理因素具有重要作用。污水處理的質(zhì)量越高，污水再生利用越容易實現(xiàn)，再生水利用量越高。

(2)再生水利用量的影響因素指標(biāo)方面，相關(guān)性顯著的年份達到5年的指標(biāo)有再生水生產(chǎn)能力、再生水管道長度、排水設(shè)施投資和人均水資源量4個指標(biāo)。

(3)我國再生水利用量與生產(chǎn)運營用水和公共服務(wù)用水方面具有密切的關(guān)系，在生態(tài)環(huán)境和居民家庭用水方面具有較大的發(fā)展空間。