城市水循環(huán)健康的評價方法及其應用
——以邯鄲市主城區(qū)為例

馬 靜，段 娜，呂如蘭，欒清華*，王 旖

(1.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室，邯鄲 056038；2.南水北調(diào)中線干線工程建設管理局河北分局，邯鄲 056006)

水循環(huán)是保證水資源得以再生的源過程，也是水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)演化的主要驅動源。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人類活動增強，區(qū)域水循環(huán)已逐漸呈現(xiàn)“自然-社會”二元屬性[1-2]；加之全球氣候變化影響的加劇，其過程愈趨復雜、更難解析。在城市，水循環(huán)因水源取水、管網(wǎng)供水、三生用水、廢污水排放處理和再生水回用這些子過程的人工化[3]，而更具“自然-社會”的二元特性。伴隨城市化建設的快速發(fā)展，上述任何子過程發(fā)生變化，都會引起其相互作用、轉化和影響，并改變城市水循環(huán)全過程的健康狀態(tài)，進而誘發(fā)城市內(nèi)澇、水質污染、水源短缺等諸多“病癥”。2021年鄭州發(fā)生“7.20”特大洪澇災害，使得專家學者和管理者就如何提高城市韌性和實現(xiàn)城市健康良性的水循環(huán)引發(fā)了新的思考。如果一個區(qū)域的水循環(huán)長期處于不健康狀態(tài)，必將破壞水資源對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的支撐作用[4]，更不必說滿足人民群眾日益迫切的宜居環(huán)境訴求。因此，只有剖析診斷城市水循環(huán)的“病灶”“病理”及其變化，才能“對癥下藥”。管理部門只有依據(jù)“藥方”循序漸進恢復良性健康的城市水循環(huán)，才能持久保障并實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

近年來，學術界已經(jīng)開始注重水循環(huán)健康方面的研究。張杰等[5]最先解析了水循環(huán)健康的內(nèi)涵，側重強調(diào)了城市廢水的再生凈化對水循環(huán)健康程度的影響；Chu等[6]從系統(tǒng)論角度出發(fā)，認為城市水系統(tǒng)結構合理且運行高效是水循環(huán)健康的關鍵；欒清華等[7]認為水循環(huán)健康評價應從二元水循環(huán)結構及其路徑特征的解析著手。此后，部分學者根據(jù)不同理解，選取不同的評價方法，就不同空間尺度的水循環(huán)健康開展了系列評價研究。例如，王富強等[8]、Zhang等[9]針對京津冀等省級以上大空間尺度地區(qū)開展了水循環(huán)健康評價研究；欒清華等[7,10]以不同城市為研究區(qū)進行了城市尺度的水循環(huán)健康評價；劉田偉[11]、王旖[12]、欒清華等[13]分別構建了縣域、灌區(qū)等較小空間尺度的水循環(huán)健康評價指標體系。相較國內(nèi)而言，國外關于水循環(huán)健康的研究較少[1]，只有部分學者開展了城市水循環(huán)評價方法的研究，例如，Maria等[14]將生命周期法應用于地中海地區(qū)城市水循環(huán)的環(huán)境評價；Wim等[15]利用城市藍圖法對比利時安特衛(wèi)普進行了城市水循環(huán)評估。

由于健康水循環(huán)的概念比較抽象，目前學術界對此無統(tǒng)一的認識，且真正評價城市水循環(huán)健康的相關研究案例并不多。主城區(qū)是最能代表一個地方城市化水平及特征的“城中城”，也是供—用—耗排—回用過程最為顯著、水循環(huán)過程最為復雜的區(qū)域。因此，從空間尺度而言，“診斷”城中城水循環(huán)的“癥候”所在并“對癥治療”是改善并提升整個城市水循環(huán)健康的關鍵。

現(xiàn)以解析二元水循環(huán)模式為基礎，綜合考慮主城區(qū)水循環(huán)過程的動態(tài)化、特點的復雜化、“病癥”的多元化，選擇綜合指數(shù)法對邯鄲主城區(qū)的水循環(huán)健康進行“診斷”，同時采用模糊模式識別法、集對分析法與其進行對比，驗證評價指標體系及評價結果的合理性和準確性，為城市水循環(huán)健康評價拓展研究思路，也為城市水資源管理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選取邯鄲市主城區(qū)為研究區(qū)，主城區(qū)主要由邯鄲市東、西、南、北環(huán)路包圍，行政分區(qū)包括叢臺區(qū)、復興區(qū)、邯山區(qū)，其地理范圍介于36°33′～36°40′N和114°24′～114°32′E，面積約為505 km2。區(qū)域地形介于西部丘陵向東部平原過渡地帶，域內(nèi)河流、渠道較多，其中，滏陽河貫穿主城區(qū)南北，全長18.0 km，具有行洪排澇、城市景觀和排污等多種功能且常年有水。此外，支漳河是滏陽河上一條人工開挖河道，具備分洪和城市景觀功能，部分河段與研究區(qū)東南部的邊界重合。研究區(qū)位置及水系情況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置及水系圖Fig.1 The location and water system of research area

2 評價方法

2.1 綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)法是基于層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)[16]解析影響水循環(huán)健康的關鍵因素基礎上，確定指標權重，再根據(jù)單項指標分值計算綜合得分值，從而判斷水循環(huán)是否處于健康狀態(tài)[17]。計算公式為

(1)

式(1)中：H為綜合得分值；hi為單項指標得分值；wi為指標權重，通過AHP計算得出。

2.2 模糊模式識別法

模糊識別法主要是應用模糊數(shù)學原理，在構建指標特征值矩陣和指標標準特征值矩陣的基礎上，利用相對隸屬度公式，計算評價指標和評價標準的相對隸屬度并構建矩陣，同時確定評價指標的模糊權向量，從而建立應用于城市水循環(huán)健康評價模糊模式識別模型，具體步驟詳見文獻[18-19]。

2.3 集對分析法

集對分析法是運用系統(tǒng)分析計算指標對應城市水循環(huán)健康等級聯(lián)系度，進而對其進行等級判定的一種方法。其核心思想是：取最大聯(lián)系度值對應城市水循環(huán)健康程度等級，若同時存在兩個相同的最大值，則比較這兩個最大值相鄰健康等級的聯(lián)系度值，哪個相鄰健康等級聯(lián)系度值更大，表示指標更傾向于這個健康等級，此方法的原理及步驟見參考文獻[20]。

3 研究區(qū)水循環(huán)健康評價

3.1 水循環(huán)過程及路徑解析

受人類的社會經(jīng)濟活動擾動，社會水循環(huán)逐漸從自然水循環(huán)分離而形成，并且兩類循環(huán)之間不斷相互作用、轉化，并持續(xù)相互影響。天然水體(河流、湖泊等)通過蒸發(fā)、水汽運輸、降水、下滲、產(chǎn)匯流等過程與自然循環(huán)相聯(lián)系，再利用水利工程調(diào)蓄，作為取水水源參與社會循環(huán)，通過供水、用水、排水、污水處理和再生水回用等過程形成閉環(huán)，其循環(huán)過程及路徑如圖2所示。

由圖2可知，天然徑流通過水利工程調(diào)蓄為供水提供源頭，經(jīng)由供水管網(wǎng)輸送到不同的用戶，構成供水子過程；不同用戶通過生活、生產(chǎn)以及生態(tài)等途徑用水，構成用水子過程；各“三生”用水產(chǎn)生的污水及城市洪澇水一同進排水管網(wǎng)或人工渠道，構成排水子過程；排水或用水子過程中部分污水經(jīng)過基礎處理可再生回用并循環(huán)進入到用水子過程，雨水經(jīng)過簡單過濾處理后也可作為非常規(guī)水源回用并進入用水過程，上述就構成了回用子過程?？梢姡鞘卸h(huán)各過程之間密切相關且互相耦合，任何子過程發(fā)生變化均會影響整個城市水循環(huán)系統(tǒng)。

圖2 城市二元水循環(huán)過程及路徑Fig.2 The process and route of urban dual water-cycle

因此，延續(xù)團隊前期研究思路[17]，認為城市自然水循環(huán)和社會水循環(huán)形成相對閉合式鏈條的同時，自然水循環(huán)過程(降水—徑流—蒸發(fā))穩(wěn)定，水量始終保持動態(tài)平衡；社會水循環(huán)過程(水源—供水—用水—排水—回用)完整，水資源利用合理、高效且充分，從而保障二元水循環(huán)過程處于良好狀態(tài)，即是健康的城市水循環(huán)。

3.2 評價指標體系構建

從水源、供水、用水、排水、回用5個關鍵子過程遴選城市水循環(huán)健康評價指標。具體如下。

(1)在水源方面，主要考慮水源的數(shù)量和質量，兼顧備用水源和地下水超采情況。

(2)在供水方面，主要依據(jù)供水的數(shù)量和質量等城市供水能力。

(3)在用水方面，主要保障城市生活、生產(chǎn)、生態(tài)所需，兼顧考慮城市用水效率和效益。

(4)在排水方面，主要考慮城市雨污排水能力及污染控制。

(5)在回用方面，主要考慮城市雨水、工業(yè)生活再生水的重復利用情況。

在此基礎上，遵循城市水循環(huán)健康評價指標可定量、易獲取、宜復制的原則，最終選取19個指標構建評價指標體系，如表1所示。

3.3 評價指標權重及評價標準的確定

考慮到城市水循環(huán)過程中，水源作為源頭，優(yōu)質、充沛的水源是整個城市水循環(huán)良性健康的啟動項和前提保障，高效率且高效益用水是城市水循環(huán)處于良好高質量運轉的基本保障，清潔快排是減少城市水循環(huán)負面效應和影響的根本，回用是保證城市水流動末端并循環(huán)往復的關鍵，必不可少。值得一提的是，回用路徑與供用水路徑交互的多寡及其通量大小均與城市污水處理能力和標準密切相關。因此，維度間重要性排序為水源、供水、用水、排水、回用。在此基礎上，對各指標重要性進行排序，再利用層次分析法計算指標權重，結果如表1所示。

評價標準主要是通過參考《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)、邯鄲地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況和規(guī)劃要求以及已有研究成果[7,17]進行確定，并將其劃分為5級，即，Ⅰ級為非常健康、Ⅱ級為健康、Ⅲ級為亞健康、Ⅳ級為病態(tài)、Ⅴ級為嚴重病態(tài)，如表1所示。

表1 城市水循環(huán)健康評價指標體系、指標權重及評價標準Table 1 The index weight and evaluation standard of urban water-cycle health

3.4 評價結果及結果分析

依據(jù)表1所述的指標體系，首先，采用綜合指數(shù)法對研究區(qū)水循環(huán)健康進行評價。根據(jù)邯鄲市統(tǒng)計年鑒、國民經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒、水資源公報等相關資料，獲取2005—2016年邯鄲市主城區(qū)的基礎數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、計算并分析得出每年的指標值，再根據(jù)指標權重，計算各指標逐年的健康得分，確定其健康等級，如圖3所示。同時，計算2005—2016年各維度的健康得分，如圖4所示。再利用式(1)計算2005—2016年研究區(qū)水循環(huán)健康的綜合得分。然后，分別采用模糊模式識別法、集對分析法對研究區(qū)水循環(huán)健康進行評價。最后，將三種評價方法得到的綜合評價結果進行對比，如表2所示。鑒于模糊模式識別法和集對分析法只能獲得綜合評價結果，因此，指標及維度的健康等級分析僅依據(jù)綜合指數(shù)法的評價結果。

3.4.1 指標健康狀況分析

由圖3可知，19個指標在2005—2016年的健康狀況整體呈現(xiàn)逐年好轉，尤其在2010年左右出現(xiàn)明顯的轉折點。進而梯次分析各指標的逐年變化趨勢，總結歸納為以下3種情況。

圖3 研究區(qū)2005—2016年各評價指標的健康等級Fig.3 The index levels of water-cycle health in research area from 2005 to 2016

(1)部分指標在12年間始終處于同一種健康等級。例如，指標a1、b1和c3均處于非常健康的狀態(tài)，說明研究區(qū)的飲用水水源安全保障程度高并始終能夠滿足城市的發(fā)展，城市自來水普及率達標且供水能力很好，主城區(qū)的生態(tài)用水也可以得到保障；指標c4顯示健康，說明人均日用水量較低、生活用水效率較高，與調(diào)研得知的邯鄲市生活用水優(yōu)于河北省用水平均水平及用水額定的實際相符；指標d2始終顯示亞健康，說明研究區(qū)排水管網(wǎng)能力亟待提高，并在考慮密度的同時，還需考慮管道空間布局是否合情合理；指標e4和e2一直處于嚴重病態(tài)或病態(tài)，說明研究區(qū)雨水資源利用程度遠遠不夠，這與調(diào)研得知的研究區(qū)內(nèi)雨水利用基礎設施尚未啟動的現(xiàn)狀基本相符。

(2)部分指標的健康等級逐步提升。例如，指標a2和a3近年來趨于健康或亞健康等級，說明主城區(qū)水源及備用水源日趨多樣化，而多樣化的水源供給也間接促進了供水系統(tǒng)的完善；指標b2和b3不僅趨于好轉還穩(wěn)定，特別是2010年后始終處于亞健康等級，說明隨著邯鄲市主城區(qū)供水管網(wǎng)的升級改造，其供水狀況得以改善，但仍有進步空間；指標c2在2010年由亞健康變?yōu)榻】担f明邯鄲居民節(jié)水意識較強，隨著生活節(jié)水器具的使用和普及，其生活節(jié)水效率將大幅提升；指標d1和d4在2010年以前均顯示亞健康，隨后改善到健康，說明研究區(qū)內(nèi)加強了對城市廢污水的集中處理，其處理效率和效益較為顯著。

(3)部分指標的健康等級始終處于波動狀態(tài)。如，指標a4健康等級在2010年出現(xiàn)“斷崖式”降低，呈現(xiàn)嚴重病態(tài)，主要因為2010年的水資源豐枯水平為偏枯，其地下水稟賦量嚴重少于多年平均水平，且地下水超采嚴重，使其健康等級出現(xiàn)大幅度下降；指標c1健康狀態(tài)雖有波動，但始終處于亞健康以上，2016年還呈現(xiàn)出非常健康的狀態(tài)，說明研究區(qū)內(nèi)工業(yè)用水效率不斷提高，也說明邯鄲市節(jié)水型社會試點建設已初顯成效；近幾年，指標d3的健康狀態(tài)持續(xù)處于嚴重病態(tài)，反映河流水質較差，也說明了河流水質改善是一個緩慢的過程；指標e3雖波動較大，但總體向“好”的方向發(fā)展，說明研究區(qū)再生水的利用狀況在趨于好轉；指標e1波動不大，2007—2015年一直處于健康或亞健康等級，且相較于前兩年有所好轉，說明邯鄲市主城區(qū)隨著工業(yè)設備設施的改造升級，其工業(yè)用水重復利用率在逐步提高，雖受工業(yè)生產(chǎn)影響，其健康等級仍有波動(2016年出現(xiàn)病態(tài))，但其發(fā)展趨勢向好。

3.4.2 維度健康狀況分析

如圖4所示，除用水維度始終處于健康狀態(tài)以外，其他4個維度2005—2016年的健康狀況略有波動，總體呈現(xiàn)好轉趨勢。其中，水源維度除了在2005—2007、2010和2013年顯示亞健康(略低于4分)外，其他年份均顯示健康，說明近年來研究區(qū)的水源良好，不僅能滿足居民需求，還呈現(xiàn)出多樣化趨勢。

圖4 研究區(qū)2005—2016年各評價維度的健康分值Fig.4 Water-cycle health evaluation of dimensions in research area from 2005 to 2016

供水維度大部分年份基本處于亞健康且偏向健康的等級(得分均在3.5分以上)，在2005和2006年以前分值略低于3分顯示病態(tài)，說明邯鄲市始終致力于完善其供水能力且已初顯成效，但仍然有待進一步提升。

排水維度僅在2006年和2009年顯示病態(tài)(低于3分)，其他年份均顯示亞健康，且評分接近4分，趨近健康等級。此情況與供水情況非常相似，說明研究區(qū)的雨污排水管網(wǎng)設計及鋪設較為合理且能夠滿足需求，但主城區(qū)河流水質較差也可間接反映出其排水系統(tǒng)可能尚存亟待解決的問題。

回用維度相較于供水和排水維度的分值波動較大，甚至在2005年和2006年處于嚴重病態(tài)(僅1分多)，說明這兩年邯鄲市對水資源回用的重視程度不高，其配套設施也不盡完善。隨著水資源回用技術的應用及普及，近年來回用維度的健康水平已提升至亞健康，但仍存波動，說明提高回用效率和效益是邯鄲市主城區(qū)未來水資源綜合管理的重點。

3.4.3 綜合健康狀況分析

3種方法評價結果如表2所示，綜合指數(shù)法的評價結果顯示，研究區(qū)2005—2016年水循環(huán)健康評分變化不大，整體呈現(xiàn)略有上升的趨勢，健康等級均為Ⅲ級(亞健康)以上，到 2016年健康狀況改善為Ⅱ級(健康)。模糊模式識別法的評價結果顯示，研究區(qū)2005—2016年水循環(huán)健康狀態(tài)始終處于Ⅲ級(亞健康)水平，逐年略有波動，但整體依呈現(xiàn)好轉趨勢。集對分析法的評價結果顯示，研究區(qū)2005—2006年的水循環(huán)健康狀態(tài)處于Ⅳ級(病態(tài))水平，2007—2010年水循環(huán)健康等級升為Ⅲ級(亞健康)，2011—2016年健康等級提升，達到Ⅱ級(健康)。綜合比較可知，3種評價方法應用于邯鄲市主城區(qū)水循環(huán)健康評價的結果總體變化趨勢基本一致：研究區(qū)2005—2007年水循環(huán)健康狀況較差，基本處于Ⅳ級(病態(tài))或Ⅲ級(亞健康)，隨后逐年改善，特別是近3年水循環(huán)健康狀況逐年提升的效果顯著。

表2 研究區(qū)2005—2016年水循環(huán)健康評價結果Table 2 The evaluate results of water-cycle health in research area from 2005 to 2016

為探究區(qū)域水循環(huán)健康演變的原因，深入剖析研究區(qū)實際情況可知，邯鄲市2005—2009年期間，由于其產(chǎn)業(yè)結構不合理、工業(yè)用水效率不高、防污治污能力較差，導致排水維度指標d1、d2、d3和d4均處于不良狀態(tài)，直接影響城市排水子過程；由于生活節(jié)水器具尚未普及，導致用水維度指標c2數(shù)值偏低，對城市用水子過程造成不良影響；加之城市雨水、再生水回用率偏低，特別在評價階段的前三年(2005—2007年)回用維度指標e1和e3評分最低，說明其社會水循環(huán)中回用子過程也存在一定問題，間接反映了當時主城區(qū)用水多、耗水高、排水污、回用少的水循環(huán)狀況。各過程間相互作用，影響并導致整個研究區(qū)水循環(huán)狀態(tài)不佳。自2008年以來，邯鄲市先后組織實施了城市三年大變樣工程、城中村改造、支漳河中段治理工程、東污水處理廠升級改造等一系列基礎設施和水環(huán)境治理措施，工業(yè)廢污水進一步得到集中處理及重復利用，排水維度指標d1和回用維度指標e1、e3數(shù)值明顯大幅度提升，排水和回用的水循環(huán)過程逐漸轉向良性化；2014年以后又跟進了南水北調(diào)中線工程及其配套、節(jié)水型社會試點建設、水生態(tài)文明建設、地下水綜合治理等一系列水利管理措施，加之最嚴格水資源管理的考核，這一系列政策措施的實施遏制了地下水超采且保證了供水水量和水質、完善了備用水源、限制了用水總量、提高了用水效率、控制了污水排放、增加了回用水量，特別在2015—2016年期間，水源維度指標a3、供水維度指標b2和回用維度指標e2數(shù)值顯著優(yōu)于以往年份，使得區(qū)域水循環(huán)狀況在2011年用水、回用過程良性好轉基礎上，逐年提升了水源、供水等過程的水循環(huán)?？芍?，研究區(qū)水循環(huán)健康狀況與區(qū)域社會發(fā)展相互響應且息息相關；由于各子過程相互影響，使得城區(qū)水資源的綜合治理效果在各子過程有所體現(xiàn)并提高了區(qū)域整體水循環(huán)健康狀態(tài)。3種方法評價結果趨勢一致，間接印證了評價指標構建及評價結果的合理性。

4 結論與展望

應用綜合指數(shù)法對邯鄲市主城區(qū)2005—2016年水循環(huán)健康進行評價，并與模糊模式識別法、集對分析法的評價結果進行對比，得到以下結論。

(1)邯鄲市主城區(qū)2005—2006年的水循環(huán)健康狀況較差，基本屬于病態(tài)或亞健康，這與邯鄲市歷史發(fā)展背景和產(chǎn)業(yè)結構不盡合理息息相關；隨著邯鄲市產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整和南水北調(diào)及地下水壓采等水利民生政策的落實，其水源開發(fā)逐步合理且呈現(xiàn)多樣化，供—用—排—回用等水循環(huán)子過程日益改善，研究區(qū)水循環(huán)健康狀況從2007年逐年好轉，2016年達到健康狀態(tài)。

(2)鑒于目前反映水源維度的指標a3、反映供水維度的指標b2和b3、反映排水維度的指標d2仍處于亞健康狀態(tài)，反映回用維度的指標e2和e4仍處于病態(tài)或嚴重病態(tài)，可見除用水維度外，其他維度的健康狀況均有較大的提升空間。因此，邯鄲市主城區(qū)水循環(huán)各個子過程還有待進一步完善，若能繼續(xù)增加水源多樣性、提升供水和排水效率、提高雨污回用率，其水循環(huán)健康狀況將持續(xù)呈現(xiàn)提升態(tài)勢。

(3)綜合指數(shù)法、模糊模式識別法與集對分析法3種評價的總體趨勢基本一致，驗證了評價指標構建及評價結果的合理性。關于城市水循環(huán)健康的概念解析及其評價方法等相關研究目前仍處于探索階段，綜合指數(shù)法在其他區(qū)域的普適性以及與多種方法對比分析上還需進一步研究。