基于物元可拓模型的縣域水安全評(píng)價(jià)實(shí)例分析

徐 偉，馬兆龍，山成菊

(1.水利部河湖保護(hù)中心，北京 100038;2.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國(guó)兒童基金會(huì)2015年報(bào)告，世界仍有近7億人的飲用水尚未達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，24億人的生活衛(wèi)生條件沒有得到改善，而他們絕大部分居住在中低收入國(guó)家的鄉(xiāng)村地區(qū)[1]。這些地區(qū)的特征與我國(guó)縣域的概念基本相吻合?？h域是我國(guó)基本的行政單元和具有地域特色功能完備的經(jīng)濟(jì)單元，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化尤其是水利現(xiàn)代化的基本載體[2-3]?？h域在加速擴(kuò)張城鎮(zhèn)化、建設(shè)新農(nóng)村的同時(shí)，又受資源、技術(shù)、財(cái)力、管理水平的限制，也面臨著很多水安全挑戰(zhàn)。水資源短缺、水災(zāi)害頻發(fā)、水污染嚴(yán)重、干旱年份或突發(fā)水污染事件下供水保障應(yīng)急能力不足等新老問題相互交織，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到縣域的供水安全、糧食安全、生態(tài)安全以及縣域居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，制約著縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。目前，對(duì)水安全系統(tǒng)的研究主要集中在國(guó)家(地區(qū))水安全[4]、流域水安全[5]和城市水安全[6]的評(píng)價(jià)，對(duì)縣域水安全方面的研究涉及相對(duì)較少。由于水安全程度具有不確定性和模糊性，實(shí)際的水安全各表征指標(biāo)值不一定都在同一安全等級(jí)的閾值范圍內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生如何對(duì)其進(jìn)行水安全歸類的不相容問題，而物元可拓模型[7-8]能夠很好地解決這種不相容問題。以江蘇省發(fā)達(dá)縣域江陰市和欠發(fā)達(dá)縣域泗洪縣為例，在對(duì)縣域水安全內(nèi)涵充分理解的基礎(chǔ)上，運(yùn)用物元可拓模型，探求不同發(fā)展水平縣域的水安全評(píng)價(jià)，可為進(jìn)一步提升縣域的水安全保障能力、推進(jìn)縣域綠色水利高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 縣域水安全內(nèi)涵

縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)具有發(fā)展速度快、提升潛力大的特點(diǎn)，但發(fā)展程度與其所占有資源、環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施承載力并不相稱，當(dāng)前還面臨著嚴(yán)峻的水安全問題，且這些問題具有成因復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)大、數(shù)據(jù)資料匱乏等特點(diǎn)[9-10]。因此，亟需構(gòu)建科學(xué)合理的縣域水安全評(píng)價(jià)模型，為縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展創(chuàng)造穩(wěn)定條件。近幾年，隨著縣域水災(zāi)害、水環(huán)境、水生態(tài)等問題的日益突出，國(guó)家、省、市相繼對(duì)縣域水利發(fā)展提出了新的要求，如節(jié)水型社會(huì)建設(shè)(2002年)、生態(tài)清潔型小流域綜合治理(2010年)、最嚴(yán)格水資源管理制度(2011年)、縣域水利現(xiàn)代化規(guī)劃(2011年)、水美鄉(xiāng)村建設(shè)(2014年)、河湖長(zhǎng)制(2016年)等。因此，縣域水安全在傳統(tǒng)水安全的基礎(chǔ)上又具有如下特點(diǎn)：

1) 從縣域水安全的自然屬性出發(fā)，由于近年來氣候變化的加劇和包括土地利用方式、土地覆蓋方式、地下水超采、排污、采礦等在內(nèi)的人類活動(dòng)的影響，縣域水系產(chǎn)匯流規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致縣域的干旱洪澇特征發(fā)生改變，局部地區(qū)極端干旱洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率增加，并且由過去的季節(jié)性向全年性、多年性發(fā)展。同時(shí)，縣域原有的天然水體受到破壞，部分河湖生境出現(xiàn)萎縮與消亡，河湖連通性下降，加劇了水安全的緊張程度。

2) 從縣域水安全的社會(huì)服務(wù)屬性出發(fā)，由于過去粗獷的水資源開發(fā)利用與管理方式，包括縣域水利設(shè)施投入偏低、縣域水利工程管理隊(duì)伍專業(yè)素質(zhì)不硬、縣域水利管理科學(xué)技術(shù)水平的相對(duì)落后以及管理制度的缺乏、不健全等，使部分縣域存在水利工程毀損、設(shè)施老化嚴(yán)重、小水大災(zāi)問題日益突出的現(xiàn)象，甚至居民的日常生活供水不能得到完全保證，突發(fā)事件下縣域的供水保障應(yīng)急能力也急需提高。在新發(fā)展階段，必須將縣域水安全與縣域水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水工程、水文化等融為一體，分析綜合視角下縣域水安全的內(nèi)涵。

3) 從縣域水安全的人文屬性出發(fā)，不同縣域在社會(huì)發(fā)展水平上差異顯著，縣域尤其是欠發(fā)達(dá)的縣域作為以鄉(xiāng)村為主體的行政單元，其居民的受教育水平、消費(fèi)水平總體較發(fā)達(dá)縣域偏低，居民的衛(wèi)生意識(shí)、用水習(xí)慣等有待提高和改善，要確?？h域居民不因發(fā)生與水安全有關(guān)的問題而使其現(xiàn)有的生活質(zhì)量下降，提高居民對(duì)水安全的幸福指數(shù)[9]。

綜上所述，縣域水安全是指縣域水資源的自然稟賦、社會(huì)服務(wù)功能以及縣域居民的受教育程度、用水習(xí)慣等能夠保障并維持縣域的可持續(xù)發(fā)展，縣域居民對(duì)水安全的幸福指數(shù)較高。

2 研究區(qū)域概況

江陰市(縣級(jí)市)位于太湖平原北端，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量1 040.4 mm。2018年，江陰市地區(qū)生產(chǎn)總值3 806.2億元，人均GDP達(dá)23萬元，在全國(guó)縣域經(jīng)濟(jì)基本競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)中多年保持第一，屬于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)縣域。近年來，江陰市在水資源方面存在以下特點(diǎn)：1) 實(shí)行嚴(yán)格的水資源管理制度，把水資源管理作為水生態(tài)文明建設(shè)的核心，建立健全社會(huì)用水監(jiān)控管理和監(jiān)督考核制度，節(jié)水型社會(huì)建設(shè)取得了明顯效果。2018年，江陰市萬元工業(yè)增加值用水量10.2 m3，用水效率在國(guó)內(nèi)處于較高水平。2) 2018年江陰市地表水水質(zhì)總體為輕度污染，其中劣Ⅴ類水質(zhì)斷面6個(gè)，占17.1%，主要污染指標(biāo)為氨氮、總磷，“水質(zhì)型”缺水已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。3) 江陰縣域內(nèi)部分農(nóng)村老舊管網(wǎng)常年失修，無法保障飲水質(zhì)量，跑冒滴漏嚴(yán)重，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)漏損超過20%，在技術(shù)設(shè)施節(jié)水方面有很大空間。

泗洪縣位于淮河中游北岸，洪澤湖西岸，屬中緯度暖溫帶氣候區(qū)、南北氣候過渡帶。泗洪縣年平均降水量為893.9 mm。2018年，泗洪縣地區(qū)生產(chǎn)總值為478.95億元，人均GDP達(dá)5.33萬元，縣域社會(huì)經(jīng)濟(jì)總體水平位于江蘇省下游梯隊(duì)，屬于欠發(fā)達(dá)縣域。目前，泗洪縣主要存在以下水安全問題：1) 縣域水利工程調(diào)蓄能力不足，水資源得不到充分利用。泗洪縣多年平均地表水資源量為4.202億 m3，多年平均過境入洪澤湖徑流總量為323.11億 m3。由于缺少必要的或高質(zhì)量的攔蓄工程，泗洪縣內(nèi)現(xiàn)有各蓄水工程總庫容和總興利庫容分別僅為4.86×107m3和2.52×107m3，無法對(duì)當(dāng)?shù)氐牡乇硭Y源進(jìn)行有效調(diào)蓄，大量的地表水資源無法得到利用[11]。2) 豐富的過境水資源量給縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來潛在的不安全因素和不確定因素。泗洪縣境內(nèi)河流多為跨省、市縣河道，常因上游污水排放而污染嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且不易控制。在突發(fā)流域性水污染事故,特殊和連續(xù)干旱等極端情況同時(shí)發(fā)生時(shí)，縣域外來水的水質(zhì)和水量得不到有效保障。

3 基于物元可拓模型的縣域水安全評(píng)價(jià)

3.1 縣域水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

從縣域水安全的內(nèi)涵可以看出，影響縣域水安全的因素很多?？紤]江陰市和泗洪縣同屬濱湖河網(wǎng)地區(qū)的特點(diǎn)以及縣域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，同時(shí)借鑒其他水安全評(píng)價(jià)中如水貧困指數(shù)體系，建立江蘇省典型縣域水安全評(píng)價(jià)體系(表1)，主要考慮了4個(gè)方面：1) 縣域水安全體系由3個(gè)準(zhǔn)則層構(gòu)成，即自然屬性、社會(huì)屬性和人文屬性。2) 縣域水安全的自然屬性主要包括縣域的水資源與水生態(tài)環(huán)境方面的指標(biāo)。一方面，應(yīng)考慮縣域地表水資源可利用量、地下水保護(hù)情況、飲用水水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率；另一方面，還應(yīng)基于水美鄉(xiāng)村、生態(tài)清潔型小流域等要求，考慮縣域水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、水土流失治理率、河岸帶植被覆蓋度、縣域水面率等。3) 縣域水安全的社會(huì)屬性指標(biāo)主要考慮縣域社會(huì)節(jié)水與水利管理等方面的指標(biāo)，既考慮縣域內(nèi)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各部門的節(jié)水水平，又考慮到縣域內(nèi)水利投入、水利工程尤其是防洪、供水等基礎(chǔ)設(shè)施工程、水利管理能力方面的社會(huì)服務(wù)屬性指標(biāo)。4) 縣域水安全的人文屬性主要包括縣域內(nèi)的人均GDP、家庭消費(fèi)水平、居民受教育程度等指標(biāo)。權(quán)重既是決策者的主觀評(píng)價(jià)，又是水安全指標(biāo)物理屬性的客觀反映，采用專家打分法對(duì)各水安全表征指標(biāo)賦權(quán)。專家打分法的步驟如下：1) 在專家數(shù)據(jù)庫中選擇6個(gè)專家，要求專家對(duì)研究區(qū)的水安全狀況非常熟悉；2) 每個(gè)專家根據(jù)各指標(biāo)的相對(duì)重要程度進(jìn)行賦權(quán)，要求各準(zhǔn)則層的權(quán)重和為1，同一準(zhǔn)則層下的各指標(biāo)的權(quán)重和為1；3) 計(jì)算6個(gè)專家給出的各準(zhǔn)則層以及各指標(biāo)的平均權(quán)重，即表1中的各準(zhǔn)則層以及各指標(biāo)的最終權(quán)重。

表1 江蘇省典型縣域水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 縣域水安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

江蘇省典型縣域水安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要參考了江蘇省發(fā)達(dá)縣域水利綜合規(guī)劃2030年規(guī)劃值、縣域水利現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)值以及水生態(tài)文明城市標(biāo)準(zhǔn)等(表2)。

表2 江蘇省典型縣域水安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)值

3.3 縣域水安全綜合安全度

在得到各指標(biāo)的安全關(guān)聯(lián)系數(shù)后(表2)，乘以各指標(biāo)權(quán)重并求和，即可得自然屬性、社會(huì)屬性、人文屬性的安全度。各準(zhǔn)則層的安全度再乘以各自的權(quán)重并求和，即可得縣域水安全綜合安全度。

同理，將表1中的各指標(biāo)各等級(jí)的閾值代入該評(píng)價(jià)模型，即可得到縣域各水安全狀態(tài)對(duì)應(yīng)的綜合安全度的范圍。結(jié)果如下：評(píng)價(jià)結(jié)果為不安全、基本安全、安全和很安全等級(jí)的綜合安全度閾值范圍分別為0,(0,0.530),[0.530,1),1。

4 結(jié)果與分析

利用縣域水安全評(píng)價(jià)模型對(duì)2018年江陰市和泗洪縣水安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲得江陰市與泗洪縣2018年的綜合安全度，分別為0.774和0.506，分別屬于[0.530,1)和(0,0.530)，因此，江陰市與泗洪縣水安全狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果分別為安全狀態(tài)和基本安全狀態(tài)。

江陰市與泗洪縣相比，水安全的綜合安全度較高,主要原因在于:1) 江陰市在人文屬性準(zhǔn)則層得分較高，四項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到Ⅳ級(jí)(很安全)；2) 江陰市在節(jié)水水平方面也較泗洪縣得分較多，尤其表現(xiàn)在中水回用水平、節(jié)水灌溉面積比例、灌溉水利用系數(shù)、單位地區(qū)生產(chǎn)總值用水量、萬元工業(yè)增加值用水量等相關(guān)指標(biāo)上。

江陰市水安全狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果為相對(duì)安全狀態(tài)，但從具體指標(biāo)來看水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低，為0.82，屬于Ⅰ級(jí)(不安全)的范圍中?？梢姡幨械牟话踩蛩刂饕性谒h(huán)境方面，江陰市在未來應(yīng)著重根據(jù)縣域的實(shí)際情況進(jìn)一步加快縣域水生態(tài)環(huán)境修復(fù)、河湖治理與水系連通等水生態(tài)示范工作。

泗洪縣水安全狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果為基本安全狀態(tài)。影響水安全的主要指標(biāo)為水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、中水回用水平、農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率、單位地區(qū)生產(chǎn)總值用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、水利科技應(yīng)用能力和信息技術(shù)應(yīng)用水平等，均屬于Ⅰ級(jí)(不安全)范圍?？梢姡瑢?dǎo)致泗洪縣水安全存在不安全因素的主要原因是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后與水資源用水效率低。泗洪縣未來應(yīng)以節(jié)水優(yōu)先為前提，統(tǒng)籌安排縣域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各項(xiàng)工作，以提升縣域水安全保障水平。

綜上所述，基于物元可拓模型的縣域水安全評(píng)價(jià)結(jié)果基本反映了不同縣域的共性問題，能解決不在同一等級(jí)范圍內(nèi)的水安全狀況如何歸類的矛盾問題。

5 結(jié) 論

從水安全的自然屬性、社會(huì)屬性和人文屬性的角度綜合分析了縣域水安全的內(nèi)涵，基于該內(nèi)涵構(gòu)建了江蘇省典型縣域水安全評(píng)價(jià)體系和基于物元分析的水安全評(píng)價(jià)模型，并將其應(yīng)用于江蘇省發(fā)達(dá)縣域江陰市和欠發(fā)達(dá)縣域泗洪縣的水安全評(píng)價(jià)中。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：江陰市和泗洪縣2018年水安全狀況分別為安全狀態(tài)和基本安全狀態(tài)，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低和社會(huì)用水效率低分別是影響兩個(gè)縣域水安全的主要因素，與實(shí)際相符。江陰市未來應(yīng)注重縣域的水環(huán)境治理工作，而泗洪縣未來應(yīng)以節(jié)水優(yōu)先為前提，統(tǒng)籌安排縣域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展工作，以提升縣域水安全保障水平。本研究成果可為提升縣域水安全保障能力提供依據(jù)，也可為推進(jìn)縣域綠色水利高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。