河谷型城市水安全評價研究

貢 力，張 雄

（蘭州交通大學，甘肅蘭州 730070）

0 引言

河谷型城市是指城市主體在河谷中形成并發育的一類城市,有廣義和狹義兩類。廣義的河谷型城市指城市主體本身不受地形限制，但城鎮體系的發育卻受到相當程度的限制，隨地形、河流走向布局、延伸。狹義的河谷型城市指城市的主體發育受到河谷地形較為強烈的直接限制，城市本身被迫沿地形及河流走向發展。

河谷型城市水安全問題是流域與區域水安全的重要研究內容，直接關系到城市社會經濟的發展。隨著我國城市化水平的提高，經濟社會發展將日益受到水安全狀態的制約，它們的關系將更加緊密。城市水安全問題是一個戰略性和基礎性的重大課題，也是約束城市發展的關鍵因素[1]。

在國外，國際上主要采用水貧窮指數和水資源緊缺指標來衡量水安全狀況。英國生態與水文研究所(Center for Ecology and Hydrology——CEH)的研究人員 Sullivan、Meigh和 Lawrence等（2002）[2]研究提出了一種類似于消費物價指數(Consumer Price Index——CPI)的水貧困指數(Water Poverty Index——WPI)。水資源緊缺指標主要有兩種[3-5]。一是1992年Falkenmark和W idstrand提出的以人均水資源量來度量區域水資源稀缺程度的指標，根據干旱區中等發達國家的人均需水量確定了人均水資源的臨界值，以此來判別各國以及區域水資源緊缺與安全狀況。二是用水資源開發利用程度來衡量水資源緊缺程度，水資源開發利用程度以年實際取用的淡水資源量占可獲得 (可更新)的淡水資源總量的百分比來計算。兩種水資源緊缺指標劃分標準見表1。

表1 水資源緊缺指標

在國內，李永等[6]采用Vague集相似度量模型對城市水安全應急保障能力進行評價；史正濤[7]等采用邊際效益遞減原理對城市水安全評價；黃英、劉新有[8]等采用復雜系統評價指標的評價方法研究城市水安全；貢力[9]采用WPI對城市水安全體系進行了研究。

本文以西北典型的河谷型城市蘭州水安全為例，利用集對分析法對城市水安全評價，為城市水安全的評價提供借鑒，對于促進城市水安全的研究具有重要的理論意義與實踐價值。

1 城市水安全的概念

所謂“安全”就是個體或系統不受到侵害和破壞。水安全問題在人類文明的早期主要表現為干旱、洪澇和河流改道等自然災害。隨著社會經濟的發展，水安全的內涵得到了豐富和延伸。人類社會經濟的發展和不合理地開發利用水資源，使得水量減少、水污染加劇，這不僅改變了水量平衡，降低了水質，弱化了水體的使用功能，而且也不能維持水資源基本的社會價值與經濟價值，從而引發人類對水的基本需求危機。例如：2014年4月10日，蘭州市威立雅水務公司出廠水及自流溝水樣中苯含量嚴重超標，引發水污染事件，造成蘭州市自來水24小時不宜飲用，390萬人口飲用水安全危機暴漏。該事故引發了城市水安全體系的討論。城市水安全體系是確保城市水安全的基礎，也是保持城市社會穩定與發展的內在要求，應把城市水安全體系建設納入城市基礎設施建設和水資源開發利用規劃中。人為性水安全問題也許由某一水問題的作用產生，也許由多種水問題的聯合作用產生。目前，中國可能引發的人為性水安全問題主要有健康安全、糧食安全、生態環境安全、經濟安全、國家安全等[1]。

2 集對分析法

2.1 集對分析法的基本理論

1989年，趙克勤提出了集對分析法（Set Pair Analysis，SPA），用來進行系統分析。所謂的集對，指的是具有某種聯系的兩個集合共同構成的對子。而所謂的集對論，則是選擇將確定和不確定作為一個對子，用來構成一個確定不確定系統。在該系統中，確定性與不確定性不僅相互制約、相互聯系、相互影響，還會在達到某些特定條件時相互轉化。所謂的集對分析，指的是在特定背景下對兩個集合的特性進行確定性與不確定性相結合的，同異反三位一體的分析。同時，推理出這兩個集合在特定背景下得到同異反聯系度表達式的方法[9]。

2.2 集對分析法的聯系度

對于給定的兩個集合設為A=[x1,x2.…xN]和集合 B=[s1,s2,…sN]，由這兩個組成的集對 H=（A,B），在某個具體問題背景下，分析集對H的特性，假設它共有N個特性。在這N個特性中，其中的S個特性是H中集合A和集合B的共同特性；同時，集合A和集合B中共有個P特性是彼此對立的；最后，剩余F=N-P-S個既不互相對立，又不是這兩個集合所共同具備的特性，則有

其中，i為所謂的差異度系數，i∈[-1，1]，而且其取值是不確定的。j為所謂的對立度系數，j=-1。根據式（1）和式（2）可以看出，聯系度函數表達出了同、異、反三個特征之間的相互影響、彼此聯系以及互相轉化的關系。根據上式可知，當i在（-1，1）范圍內時，其代表了確定性集合和不確定性集合各自占有的比例；當i為-1時，集合的不確定度可以轉化為對立度；當i為1時，集合的不確定度可以轉化為同一度。因此，集合的聯系度μ和集合的差異度系數i作為核心內容，共同構成了集對理論的基礎，其中包含了一些常見的不確定性，例如灰色、模糊、隨機等[10-12]。

2.3 基于集對分析方法的城市水安全評價步驟

河谷型城市水安全評價的核心內容是環境、資源以及社會經濟。確定和不確定作為對子構成一個系統，是因為城市水安全系統中的大量確定性和不確定性因素。因此，利用集對分析法對河谷型城市水安全評價的本質為：首先，選定確定性集合——確定性的城市水安全評價指標和評價標準，以及不確定性集合——不確定性的城市水安全評價因素和變化，將這兩個集合共同構成確定性和不確定性系統；然后，進行全程分析。系統分析發現，確定差異度系數和聯系度是城市水安全評價的核心指標。

將集對分析方法用于河谷型城市水安全評價，第一個集合的內容是建立的河谷型城市水安全評價指標，第二個集合的內容是既定的河谷型城市水安全評價標準，這兩個集合構成一個集對。經過研究可以發現，如果評價指標在同一評價級別水平，就認為它們是同一的；同理，如果評價指標在相鄰的不同評價級別水平，就認為它們是差異的；如果評價指標處于相隔(不相鄰)的不同評價級別中，則認為它們是對立的。差異度系數i的取值范圍為[-1，1]。那么，距離要評價的級別水平越近，i越趨近于邊界值1；距離相隔的評價級別水平越近，i就越趨近于邊界值-1。在城市水安全評價體系中，假設評價指標有N個。那么，根據評價標準可知，在某一級別的指標是S個，其相鄰級別的指標有個P指標，處于這兩個級別之間或缺乏比較的指標是剩余的N-P-S個。基于此，可以建立城市水安全評價問題的聯系度表達式（1）或式（2）。

判斷評價河谷型城市的水狀況是否安全，就是通過分析a，b，c三者的定量關系。若a值越大，則b和c值越小，河谷型城市水狀況越安全。同時，按照a，b，c的具體值，也就是評價指標的數值大小，以及它們在水安全評價標準中所占的比例，判斷出河谷型城市水安全的水平。在評價體系中，不同的指標對應不同數值，即便是同一級別，城市水安全狀態也會有所不同。因此，進一步的集對分析成為必要，也就是分析分級標準的同一性、差異性以及對立性。由于不同評價指標的單位在評價體系中不一致，造成了數值量級有較大差異。為了消除量綱不同帶來的消極影響，必須使用式（3）和式（4）根據評價指標的特征計算聯系度。

（1）效益型評價指標：

（2）成本型評價指標：

式中：x1代表評價標準的最差、及格閾值；x2代表最優閾值；x代表河谷型城市水安全評價指標在各個待評價城市中的指標值。

集對分析法評價模型的計算過程如下：首先，根據實際情況分析影響因素，選取能真實客觀地反映河谷型城市水安全的影響因素，并建立分級標準；其次，根據式（2），寫出集對分析聯系度函數；再次，根據計算結果，分別按照同一度的大小、差異不確定度的大小以及對立度的大小，對待評價河谷型城市的水安全狀況進行分級；然后，根據式（3）和式（4）計算，求平均值，計算得到各個待評價河谷型城市的平均聯系度μ；最后，根據μ中差異不確定度、同一度以及對立度的大小，判斷待評價城市水安全狀況所屬的等級。

3 集對分析法在河谷型城市的應用

本文選擇西北典型河谷型城市蘭州進行集對分析法在城市水安全評價中具體應用。蘭州市位于中緯度內陸地區，土地總面積約13 000 km2，占甘肅省面積的2.88%。境內大部分地區屬黃土高原丘陵溝壑區，海拔一般為1 500～2 000m，在高山環繞中形成大小不等的多個盆地。全市地貌可分為山地 、黃土峁溝山谷地、河谷盆地3種類型[4]。區內多年平均自產水資源量286.21億m3，人均占有量1 119 m3，居全國第22位；氣候干旱多風，年降水量為250～550 mm，地表水、地下水稀少，以灌溉農業為主，旱地農業生產完全依靠天然降雨。

其中甘肅省蘭州市計算中采用的各評價指標原始數據參閱2007～2011年《甘肅省水利統計年鑒》、《甘肅省水資源公報》及《甘肅省統計年鑒》中的既定數值，見表2。

3.1 評價指標體系的建立

在本研究中，河谷型城市水安全的評價標準，一方面參照了國內外的研究成果，另一方面全面考慮了我國當前經濟社會的總體發展水平和西部地區的地域特點。在確定評價指標的中，總體借助以國家標準、國際標準以及發展規劃值，同時采用專家評價法，研究具體指標的臨界點，用以確定指標評價標準。在本評價體系中，最終選定了9個指標來具體描述城市水安全狀態。河谷型城市水安全評價標準見表3。

3.2 結果分析

首先，采用式（2）計算出蘭州市、甘肅省和全國總體的水安全聯系度值（見表2）；然后，采用表1中資源指標、社會經濟指標以及生態環境指標，表 4、表 5是由式（3）和式（4）計算出的蘭州市、甘肅省和全國指標的聯系度以及聯系度均值。

表2 河谷型城市水安全評價特征值（蘭州、甘肅、全國）

表3 河谷型城市水安全評價指標值

表4 水安全指標的聯系度值

表5 各項水安全指標的聯系度值

根據表3的聯系度值看出，全國總體的水安全程度優于蘭州和甘肅；蘭州水安全狀況優于甘肅；同時，甘肅的水資源利用量接近極限，而且甘肅全省水資源量明顯少于蘭州。

通過對表5中聯系度a,b,c值的比較可以看出：蘭州水資源安全程度最高；與全國人均水資源量相比，蘭州，甘肅省的水資源量都很低。通過對社會經濟指標的比較可以看出：經濟上由優到劣的排列順序為全國、蘭州、甘肅；通過對生態指標的比較能夠看出：水安全狀態由高到低的順序是全國、蘭州、甘肅。

通過比較表6綜合聯系度值μ能夠看出：對于蘭州來講，由于黃河從城市穿過，其總體水資源擁有量豐富，生態建設相對比甘肅好，但是比全國差，若生態繼續惡化，蘭州將形成工程型缺水或者水質型缺水的局面；對甘肅來講，其總體水資源量本身不豐富，所以其有意識的投入資金加強對生態環境保護，但若靠工程型供水，其供水壓力仍然較大，而且水資源承載力較低。簡言之：其一，總體水資源擁有量是城市水安全狀況的基礎性影響因素；其二，結合長遠發展，減少特大城市的人口數量，同時加強生態保護，以保證水資源的可持續使用和持久安全。顯而易見，生態保護在城市水安全中的作用不容忽視。

表6 各項水安全指標的聯系度平均值

4 結論

本文應用集對分析理論，通過確定聯系度表達式中的差異度系數取值，計算出聯系數，據此對河谷型城市水安全狀態進行了評價。通過選取蘭州、甘肅以及全國總體水安全狀況作比較分析，所用方法有一定的可行性和優越性。利用集對分析法研究河谷型城市水安全，不僅避免了直接確定聯系度中差異不確定系數，也兼顧了等級標準劃分時的模糊性。該方法充分使用了問題中所包含的全部信息，有機結合了所研究問題的系統性定量描述和辯證認識，進行深入分析。該方法是有別于傳統概率論和模糊集的不確定性新方法。綜上所述，在對河谷型城市水安全進行評價時采用集對分析法是可行而有效的。

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