基于水資源配置網(wǎng)絡圖的水系連通評價體系研究
——以廊坊市為例

梁彩欣，張守平

(重慶交通大學，國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074)

1 研究背景

國外早在20世紀中便開展了一系列關于水系連通方面的研究，在提出河湖水系連接概念的基礎上，同時也對其指標、體系、方法和應用進行了研究探討[1-6]。我國在水系連通研究方面起步較晚，但發(fā)展迅速。2005年首次將水系連通性作為一個重要指標列入健康長江指標體系中[7]，在2010年陳雷提出“河湖連通是提高水資源配置能力的重要途徑”[8]后，關于河湖水系連通的相關研究快速發(fā)展，先后經(jīng)歷了定性分析與定量分析兩個階段。學者們[9-12]首先對于“河湖水系連通是什么”進行了一系列研究，通過探討河湖水系連通歷史演變過程，分析水系連通概念框架、功能機理與驅動因素，構建水系連通評價體系。除定性分析之外，學者們[13-17]基于不同地區(qū)需求，改進圖論與水文模擬方法建立HEC_HMS水文模型、思索水系盒維數(shù)與連通度相關性、探討平原河網(wǎng)區(qū)水系連通對改善水環(huán)境的效果評估、構建水系連通形態(tài)指標與水系連通功能指標定量關系式。但是以上研究多聚焦于衛(wèi)星地圖上真實存在的河流湖泊水系，缺乏為滿足人類生產(chǎn)生活用水和社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展需求所建設水利工程對水系連通變化的具體研究。基于以上認識，本文從二元水循環(huán)水資源配置網(wǎng)絡圖出發(fā)，結合生產(chǎn)生活用水水平評價指標以及自然水系連通形態(tài)指標，構建一套用于描述在不同時間節(jié)點下的調水工程對自然—人工二元結合水系連通度影響的綜合評價指標體系，并以廊坊市為例開展應用研究，力圖為在人類活動影響下的水系連通度的預測評估提供依據(jù)。

2 綜合評價方法

現(xiàn)階段對于天然水系連通度的指標選取已初具雛形，往往通過結構形態(tài)指標和連通形態(tài)指標進行評價，但在指標選取中忽略人類活動所產(chǎn)生的取水、排水行為對于水系連通的影響?；诙h(huán)水資源配置網(wǎng)絡圖中對計算單元水傳輸系統(tǒng)(線)的定義，結合生產(chǎn)生活用水水平評價指標以及自然水系連通形態(tài)指標，運用主成分分析法對所選取的指標進行歸一化處理，以確定各個指標的貢獻率與權重系數(shù)，然后，通過集對分析法對評價指標的同一度、對立度、差異度進行分析，得出不同時段水系連通度所對應等級。

2.1 網(wǎng)絡圖原理與概化

水資源優(yōu)化配置模型采用規(guī)劃與優(yōu)化相結合的方法，基于線性規(guī)劃構建供需平衡分析系統(tǒng)和耗水平衡分析系統(tǒng)，以水量平衡原理為基礎，對網(wǎng)絡圖中各個控制節(jié)點、水庫、計算單元建立平衡方程和約束方程，在目標函數(shù)最大(或最小)情況下，通過反復迭代求解決策向量的最優(yōu)值，以此作為社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對水資源需求的參考結果[18]。系統(tǒng)網(wǎng)絡圖是構建水資源優(yōu)化配置模型的基礎，主要由節(jié)點(點)、計算單元水傳輸系統(tǒng)(線)、水資源分區(qū)水傳輸系統(tǒng)(面)3類要素構成：

(1)節(jié)點(點)可分為需水節(jié)點、供水節(jié)點和輸水節(jié)點3類，如圖1中區(qū)縣鎮(zhèn)級計算單元、湖泊濕地、入海匯點、水閘、引水節(jié)點、匯水節(jié)點均為網(wǎng)絡圖中點元素。

(2)計算單元水傳輸系統(tǒng)(線)分為天然循環(huán)與人工側支循環(huán)，其中河流系統(tǒng)屬于天然水循環(huán)系統(tǒng)，而人工側支水循環(huán)系統(tǒng)包括調水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供水系統(tǒng)。在任意兩個節(jié)點間連接若干條有向連線表示的水傳輸關系，并構成的網(wǎng)狀圖形。

(3)水資源分區(qū)水傳輸系統(tǒng)(面)由一個或多個計算單元組成，且流域內所有的面按照水傳輸關系連接起來，構成了水資源分區(qū)之間的水傳輸系統(tǒng)。

對元素進行抽象簡化后，依據(jù)水量平衡原理，以及各節(jié)點按照其上、下游連線的實際對應關系和邏輯關系，對水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)網(wǎng)絡圖進行繪制(圖1)，以節(jié)點、水傳輸系統(tǒng)構成的網(wǎng)狀圖形反映廊坊市水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)間內在的邏輯關系，而節(jié)點與節(jié)點之間上下游連線則展現(xiàn)出廊坊市內天然和人工側支兩個循環(huán)系統(tǒng)的實際對應關系，為建立評價自然—人工二元結合水系連通度的指標體系提供研究前提。

2.2 KMO檢驗與主成分分析

KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗統(tǒng)計量是用于比較變量間簡單相關系數(shù)和偏相關系數(shù)的指標，主要應用于多元統(tǒng)計的因子分析。KMO統(tǒng)計量是取值在0和1之間，當所有變量間的簡單相關系數(shù)平方和遠遠大于偏相關系數(shù)平方和時，KMO值越接近于1，意味著變量間的相關性越強，原有變量越適合作因子分析；當所有變量間的簡單相關系數(shù)平方和接近0時，KMO值越接近于0，意味著變量間的相關性越弱，原有變量越不適合做因子分析。

主成分分析法通過降維處理可消除評價指標間的相關影響，減少指標選擇的工作量。在綜合評價函數(shù)中，各主成分的權數(shù)為其貢獻率，它反映了該主成分包含原始數(shù)據(jù)的信息量占全部信息量的比重，這樣確定權數(shù)是客觀的、合理的，克服了主觀確定權數(shù)的不足。

2.3 集對分析法

集對分析(set pair analysis，SPA)是趙克勤在1989年提出的一種新的系統(tǒng)分析方法[19]，它研究兩個事物對共同屬性的同異反程度，即聯(lián)系度。集對分析方法解決了不同評價方法對同一個評價對象給出的不同排序結果的協(xié)調性問題，其研究結果更加貼近實際，能更好地解決多屬性、不確定系統(tǒng)的評價問題[20]。

設有N個評價指標，其中有S個評價指標優(yōu)于Ⅰ級標準，有P個指標劣于Ⅲ級標準，有F個指標界于Ⅰ和Ⅲ之間，則可得到聯(lián)系度μ的表達式：

(1)

其中，令a=S/N，b=F/N，c=P/N，則a、b、c依次稱為同一度、差異度、對立度。且可簡寫為：

μ=a+bi+cj

(2)

具體計算步驟如下：

(1)對各年份連通度綜合評價值按照指標等級進行篩選，得出各個年份聯(lián)系度μ；

(2)判斷指標值類型為成本型還是效益性，成本型指標是指實測值越小評價等級越高的指標，效益型是指實測值越大評價等級越高，計算各個評價指標對各個年份的聯(lián)系度及聯(lián)系度均值。

成本型指標：

(3)

效益型指標：

(4)

式(3)、(4)中:SⅠ、SⅡ、SⅢ分別為評價標準的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的門限值；μ為各個年份對應的水系連通度的指標值；m為第m個年份；n為第n個評價指標。

(3)計算聯(lián)系主值數(shù)，取i=0，j=-1，并代入步驟(2)中計算的各個年份所對應的a、b、c，得到聯(lián)系主值數(shù)。

(4)將[-1,1]區(qū)間均分為3等份，從右至左分別對應I級、Ⅱ級、Ⅲ級，將得到的聯(lián)系主值數(shù)與評價等級進行對比，聯(lián)系主值數(shù)越大則水系的連通度越好，得到該年份水系連通度對應等級。

3 應用實例

廊坊市地處河北平原中北部、海河流域中下游，地形地貌98%為平原。全市流域面積50 km2以上河流110條，長度2 021 km；流域面積50 km2以下渠系約4 252 條，長度5 096 km。全市河網(wǎng)密度為0.32 km/km2，屬于海河流域水系較發(fā)達區(qū)域。廊坊市是河北省唯一沒有地表水庫的設區(qū)市，境內全部為過境河流，受上游城市水量調控影響巨大，絕大多數(shù)河道常年無水，水資源分配不平衡問題嚴重。2017年，人均水資源占有量為114 m3，僅為河北省人均水資源量的61.8%、全國人均水資源量的5.5%，缺水形勢嚴峻。同年廊坊市整體水資源開發(fā)利用率為51.5%，其中，地表水資源開發(fā)利用率為14.6%，地下水開發(fā)利用率為155%，地下水超采嚴重?？傮w而言，廊坊市水資源極度匱乏。

廊坊市被京津二市的通州、武清分割成南北互不相連的兩部分，總體為2個水資源分區(qū)，北部為三河市、大廠縣、香河縣(俗稱北三縣)；南部為廣陽區(qū)、安次區(qū)、固安縣、永清縣、霸州市、文安縣、大城縣(俗稱南七縣)，共計10個行政分區(qū)。將城鎮(zhèn)生活生產(chǎn)以及農村生活生產(chǎn)按照鎮(zhèn)級行政區(qū)劃分為獨立的計算單元，共計91個。廊坊市內無水庫，因此將廊坊市內水閘均作為獨立水庫節(jié)點，共計39個。為了便于在水資源分區(qū)進行耗水平衡分析，各水資源分區(qū)進出口斷面均設置水資源分區(qū)斷面控制節(jié)點，根據(jù)實際供水和受水單元狀況確定供水節(jié)點，共確定控制節(jié)點48個。根據(jù)以上分析和概化，確定系統(tǒng)網(wǎng)絡圖包括2個水資源分區(qū)、10個行政分區(qū)、91個計算單元、39個水庫節(jié)點、48個控制節(jié)點等，具體見圖2。

3.1 評價指標選取與篩選

為了更加科學、系統(tǒng)地進行綜合評價，滿足指標體系的先進性、可測性、層次性原則，在自然水系連通形態(tài)指標的基礎上，即水系環(huán)度α、節(jié)點連接率β、水系連通度γ3個評價指標的基礎上，從水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)網(wǎng)絡圖中對計算單元水傳輸系統(tǒng)(線)的定義出發(fā)，根據(jù)人工側支水循環(huán)系統(tǒng)所包括的水傳輸關系，結合生產(chǎn)生活用水水平評價指標，選取城市人均綜合生活用水量[L/(人·d)]、單位GDP耗水(m3/萬元)、管網(wǎng)漏損率(%)、城市污水處理率(%)、城市污水再生利用率(%)這5個指標。其中水系環(huán)度α、節(jié)點連接率β、水系連通度γ是從水系之間連通形態(tài)的角度出發(fā)，運用景觀生態(tài)學中描述廊道之間連通性的指標，來反映自然水系網(wǎng)絡圖中每個節(jié)點的連通性能強弱以及物質能量交換能力大小。而生產(chǎn)生活用水水平評價指標則可以從用水、取水、排水等方面描述人工側支水循環(huán)水系連通度情況。這8個指標結合成一套用于評價自然—人工二元水系連通度的綜合評價指標體系，其具體指標及說明見表1。

表1 評價體系指標Tab.1 Index of evaluation system

至于評價標準，為使評價指標具有可比性，本文參考鄧紅霞[21]對于評價指標的選取規(guī)則：①對于“百分率”和“單位均值”類型指標，可參考國內不同城市以及全國平均數(shù)值，基于發(fā)展速度的社會、經(jīng)濟發(fā)展水平，制訂出適合于不同發(fā)展時期的Ⅰ級(優(yōu))、Ⅱ級(中)和Ⅲ級(差)3級標準；②對于無法用上述類型表示的指標，可結合當?shù)匕l(fā)展規(guī)劃或全國平均水平，制訂Ⅰ級(該地區(qū)遠期目標值)、Ⅱ級(近期目標值)和Ⅲ級(現(xiàn)狀值)3級標準。指標對應等級與來源見表2。

表2 指標等級與來源Tab.2 Indicator levels and sources

為了確定評價指標相關性，對樣本數(shù)據(jù)進行KMO檢驗與巴特利特檢驗，結果見表3。

表3 KMO和巴特利特檢驗Tab.3 KMO and Bartlett test

通過軟件分析得到KMO的值為0.768，大于0.7為可接受范圍，巴特利特檢驗的F值為402.967，P=0<0.05，說明樣本數(shù)據(jù)適合采用主成分分析。通過主成分分析，相關系數(shù)矩陣的特征值及方差貢獻率如表3所示，相關系數(shù)矩陣特征向量如表4所示。通過表4我們可以看到，提取所有成分的解釋總方差為86.878%，大于85%，說明解釋能力很好。因此，直接計算相應的特征向量值與指標權重，見表5。

表4 相關系數(shù)矩陣的特征值及方差貢獻率Tab.4 Eigenvalue and variance contribution rate of correlation coefficient matrix

通過表5指標權重可以看到排名靠前的指標有管網(wǎng)漏損率X3、城市污水回用率X5、城市污水處理率X4，這3個指標均用于描述人工側支水循環(huán)水系連通發(fā)育程度，說明在自然-人工二元水系中，人類活動對二元水系連通的影響較大，對于水系連通形態(tài)與功能的研究應不單只專注于自然水系。

表5 相關系數(shù)矩陣特征向量Tab.5 Eigenvector of correlation coefficient matrix

3.2 實證分析

為了驗證水系連通度評價指標體系和相關權重的有效性和可行性，結合調水工程的建設啟用時間，選取過去(2006年、2010年)、現(xiàn)狀(2015年、2020年)、未來(2025年、2030年、2035年)共7個年份，不同年份對應的綜合評價值見表6，數(shù)據(jù)來源于《廊坊市水資源公報》、《水資源三調廊坊匯總》、《廊坊經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒2017》、《廊坊市節(jié)水型社會建設“十二五”規(guī)劃》、《廊坊市水利綜合規(guī)劃(2013年版)》、《廊坊水文水資源實用手冊》、《廊坊市城市總體規(guī)劃(2012-2030)》、《廊坊市生態(tài)綜合規(guī)劃報告》、《廊坊水文水資源實用指南》。

表6 水系連通度指標綜合評價值Tab.6 Comprehensive evaluation value of water system connectivity index

根據(jù)公式(2)求得8個指標在7個年份的同一度、對立度和差異度值，結果如表7。根據(jù)式(3)、(4)計算得到各個評價指標對各個年份的聯(lián)系度及其聯(lián)系度均值，計算結果見表8。

表7 各個年份的聯(lián)系度、同一度、差異度、對立度Tab.7 The degree of connection,identity,difference and opposition of each year

表8 各個評價指標對各個年份的聯(lián)系度及聯(lián)系度均值Tab.8 Connection degree and mean value of each evaluation index to each year

取i=0，j=-1以及表8中所得的聯(lián)系度均值，代入公式(2)，得到各個年份對應的聯(lián)系主值數(shù)，將得到的聯(lián)系主值數(shù)與評價等級進行對比，得到該年份水系連通度對應等級，見表9。最終結果為在2006年、2010年、2015年這3個時間節(jié)點上，廊坊市水系連通度等級為Ⅲ級，處于較差狀態(tài)；在南水北調中線啟動之后，廊坊市2020年、2025年水系連通度等級升為Ⅱ級，處于良好狀態(tài)；遠期南水北調東線啟動將使得廊坊市水系連通度進一步提升，水系連通度在2030、2035年處于Ⅰ級。按照本文構建的評價指標體系和指標權重得到的廊坊市過去、現(xiàn)狀、未來的水系連通度與《廊坊市十三五規(guī)劃》、《廊坊市生態(tài)綜合規(guī)劃》對廊坊市現(xiàn)狀調查與未來規(guī)劃所評價結果基本一致，說明本文構建的評價體系具有可靠性和有效性。

表9 聯(lián)系主值數(shù)與等級評價結果Tab.9 Relation between the number of main values and the result of grade evaluation

4 結 語

(1)以原有的自然水系連通評價體系為基礎，基于二元水循環(huán)水資源配置網(wǎng)絡圖中對計算單元水傳輸系統(tǒng)(線)的定義，依據(jù)科學性、目的性、全面性和代表性，選出了8個指標，從天然循環(huán)與人工側支循環(huán)兩方面，結合自然水系連通形態(tài)指標與生產(chǎn)生活用水水平評價指標，構建自然-人工二元結合水系連通度指標評價體系，用于評價隨著經(jīng)濟社會發(fā)展與水利工程的加入其水系連通度變化。

(2)為了選取和建立自然-人工二元結合水系連通度指標評價體系，本文選用主成分分析法和集對分析法進行分析。主成分分析法可對所選取的指標之間相關性進行分析篩選，使得較少指標包含多數(shù)指標的信息，提高分析效率，并且可以克服在指標權重確定方面的主觀判斷。集對分析可以分析水系連通度評價指標間的同異反度，得出不同時段水系連通度所對應等級，結果顯示廊坊市過去、現(xiàn)狀、未來的水系連通度與現(xiàn)狀調查及未來規(guī)劃所評價結果基本一致，說明本文構建的評價體系具有可靠性和有效性，可以為之后的相關研究提供參考借鑒。

(3)但研究工作也存在一些不足，由于社會水循環(huán)渠系管網(wǎng)數(shù)量龐大且難以提取，本文所采用的指標可能無法全面描述人工側支循環(huán)水系網(wǎng)絡的具體情況，今后應從增加樣本數(shù)據(jù)長度、細化評價體系指標等方面來優(yōu)化該評價指標體系，提高研究成果的精度和實用價值。

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