水源地突發水污染政府應急預留水量需求預測

吳鳳平，王新華，李 芳，方 琳,2

(1.河海大學商學院,江蘇 南京 210098;2.淮陰工學院數理學院，江蘇 淮安 223003)

我國人多水少，水資源時空分布不均，經濟社會快速發展和全球氣候變化導致水資源供需矛盾日益突出，引發了水資源短缺、水污染加劇和生態環境惡化等一系列的水問題[1-2]。城市水源地是為城市提供清潔和充足水源的生態環境基礎,直接關系到城市供水安全和城市經濟社會系統的正常運行，與常規的水污染事件相比，水源地突發污染事件具有危害緊急性、不確定性以及需要快速響應性等特征[3-4]。突發污染事件可能在短時間內造成城市水源地水源污染和公共供水系統的重大損失，并可能進一步觸發更嚴重的城市公共安全問題，如處置不當還會留下影響深遠的后遺癥[5]。因此，為了減少水源地突發事件帶來的損害，保障人民群眾的用水需求和實現國家長治久安的發展目標，這就要求在初始水權分配時預留一部分水量作為政府應急預留水量。

王浩[6]將初始水權分為自然水權、國民經濟水權和政府預留水量3類，他認為從嚴格意義上講，政府預留水量就是政府預留水權的意思。石玉波[7]認為配置初始水權應該基于留有余量原則，即水資源配置要適當留有余地，由中央政府保留這部分預留資源的水權。Sherali等[8]認為國家或區域必須擁有一定規模和質量的水資源使用權以應對供水危機和發展風險，而政府預留水量在其中起到了重要作用。曹振宇[9]認為政府預留水量主要由國民經濟應急預留水量、生態環境應急預留水量、水市場應急預留水量及國家重大發展戰略預留水量構成。按照用途和目的來說，政府預留水量一般可以分為兩類，即應急預留水量和發展預留水量[10]。應急預留水量一般作為短期的應急用水，是為應對水資源突發事件而儲備的水量；發展預留水量則指為保障國家層面、流域層面和省(自治區)級層面和未來健康、協調發展和國家重大發展戰略而預留的水量。

目前學者采用不同的方法對政府應急預留水量需求進行了預測分析[11-13]，閻官法等[14]按照20%～30%的大致比例壓縮正常生活和工業用水對應急用水需求進行預測。王志璋等[15]將不同水平年的工業和生活月均需水量、2倍月均需水量和3倍月均需水量,作為低、中、高3個方案的流域級國民經濟應急需水量。周曄等[10]采用了CBR(案例推理法,Case-Based Reasoning)定量預測了遼寧省大伙房水源地突發水污染的應急預留水量，利用故障樹分析法對水源地進行風險分析，得到案例的特征屬性，并利用CBR對供水中斷時間進行估測，最后結合定額法得到應急預留水量預測結果等。在政府預留水量的管理措施等方面，學者針對分配模式、原則等進行了研究。沈大軍等[16]根據我國水權建設的實際情況，提出預留水量的動用原則和管理模式，建議建立備用“水銀行”用以緩解供水危機。謝新民等[17]根據松遼流域特點和水權初始分配的需要，提出采用“自下而上”的預留需求和“自上而下”的預留可能雙側耦合分水模式，計算不同水平年不同頻率的政府預留水量，并且指出應急預留水量是為應對水危機而儲備的水量,一般只作為短期的臨時應急用水。胡偉等[18]提出為有效緩解突發水污染造成的不利影響，太湖內可建立應急備用水庫工程以提供應急供水。劉偉[19]認為開發利用地下水是抵御突發性災害的有效措施，提出建立一批小型的地下水取水工程作為防御旱災的應急水源點的戰略儲備。

水源地突發水污染事件爆發突然，是一種危害嚴重的環境風險事件。針對近年來各類突發事件的頻繁爆發，應急物資需求預測與布局規劃已成為應急管理中的關鍵問題。張海濤等[20]提出應對城市水污染突發事件的多種措施，如啟動城市備用水源，實施應急供水；增加自備水源供水量，適時啟用封存的自備水源井或者新鑿水井等。葉勇等[21]提出根據突發事件的規模、緊急程度、受影響范圍等確定不同的應急響應狀態及城市用水需求。隨著經濟社會的發展，對水資源的需求不斷增多，再加上水質惡化等問題，加強水源地突發水污染應急預留水量的研究至關重要。目前來說，學者多從定性方面分析政府應急預留水量如何合理配置、動用及管理，定量分析方面多集中在以定額分析法為主。在以往的案例推理法中，提取案例的屬性多采用故障樹分析法，忽略了案例特征屬性之間可能存在的相關性，其定義的案例相似度可能有所偏差。而水源地的研究主要集中于飲用水安全問題、保障體系構建、流域管理等方面，較少涉及突發水污染的研究。筆者基于政府應急預留水量的視角，借助主成分分析法從眾多影響水源地突發水污染事件的多類原因中提取出兩兩不相關的因子作為案例的特征屬性，并且改進相似度計算中的每個特征屬性的權重，采用案例推理法預測應急水量。并以太湖流域常州地區水源地為例，估算其突發水污染政府應急預留水量需求量，為水源地突發水污染的應急管理提供一定的思路與方法。

1 水源地突發水污染政府應急預留水量需求預測框架

水源地突發水污染既包括工業污水、生活廢水、農業面源等常規污染，也包括恐怖活動、船舶化學品和石油泄漏、工業事故排放、暴雨徑流污染、投毒等突發性水污染，水污染事件發展途徑和演變規律不明確，信息不明確，一般是難以預料和預測的。筆者利用主成分分析法，從社會經濟、生態環境的角度對水源地突發水污染事件進行考察，綜合考慮多類可能影響水源地突發水污染事件的因素，從中提取出不相關的若干因子，以此作為案例的特征屬性，并且依據數據的統計信息，改進每個特征屬性的權重，修改案例相似度的計算公式，最終得到目標案例突發水污染供水中斷時間的估測值，并結合定額分析法得到太湖流域應急預留水量需求的預測結果。具體預測流程如圖1所示。

2 基于案例推理法的預測模型構建

2.1 案例特征識別

根據CBR工作原理，案例推理分為3個過程:特征識別、初步匹配和最佳選定。特征識別是獲取新問題的初步特征，通常是從對問題的描述中直接獲得屬性特征，也可以是分析理解后得到的屬性特征。初步匹配是在案例庫中找到一組與當前問題相同的案例，通過使用上述特征作為案例庫的檢索條件。最佳選定是從初步匹配過程中獲得的一組候選案例中選取一個或幾個與當前問題最相近的案例。

由于風險分析法識別案例特征時，容易得到一組兩兩相關的屬性特征值，因此筆者采用主成分分析法提取案例的特征屬性。

2.1.1 主成分分析法

主成分分析是一種通過降維來簡化數據結構的方法，把多個指標化為少數幾個綜合指標，使這幾個綜合變量反映原來多個變量的大部分信息，而且彼此之間互不相關。

圖1 政府預留水量需求預測流程

圖2 水源地突發水污染屬性分析

2.1.2 提取屬性特征值

水源地突發水污染的爆發原因有很多，本文分析了已突發水污染所在地的經濟發展現狀，參考專家的意見及已有文獻，并且結合統計數據的可得性，確定了下面幾類指標，如圖2所示。

上述14個變量數據分別來源于《中國統計年鑒》《中國環境統計年鑒》，以及各省市的統計年鑒和統計公報，由于案例庫中的個別案例來自于縣級市，數據很難獲得，因此個別縣級市數據用同一流域的所屬地級市數據進行替代。

設案例庫中有n個案例，記為ui(i=1,2,…,n)，提取的主成分代表案例的特征屬性，設提取了m個主成分，用向量F={F1,F2,…,Fm}來表示，屬性特征值記為R={rij}(i=1,2,…,n,j=1,2,…,m)，以特征屬性表示的案例可以記為：ui=case{F,R}=case{F1,…,Fm,rij}。

2.2 案例初步匹配

CBR系統的核心過程就是案例的相似度檢索。由于一般不存在精確匹配，因此要對案例之間的特征關系進行相似度匹配的估計。用u0表示目標案例，即當前需要預測應急預留水量的水源地。記r0表示目標案例的屬性集，r0j(j=1,…,m)表示目標案例的屬性特征值，記目標案例u0和歷史案例ui在第j個屬性上的距離為d0ij，定義特征屬性的距離為

d0ij=|r0j-rij| (i=1,2…n,j=1,…,m)

(1)

2.2.1 確定案例特征屬性的權值

權重系數的大小反映了特征屬性在案例相似度評估中的相對重要程度，權重值越大表示對案例檢索結果的影響度越高，權重值的分配決定了案例的檢索精度。以往確定各個特征屬性的權重時多采用主觀賦權法或等權賦值法[22]。由于在處理應急需求時可用的專家意見有限，決策者的主觀經驗缺乏，等權賦值又過于特殊化，因此本文采用尊重數據特性的客觀賦權法。其基本思想是：如果某一特征屬性在各個案例中均未表現出差別，則這一特征屬性不能很好地反映案例的特征，其對案例相似度排序將不起作用，這樣的屬性可令其權重為0；相反，如果某一特征屬性在各個案例中表現出顯著的差異，則這一特征屬性很好地描述了案例的特征，其對案例相似度的排序將起重要的作用，應該給予較大的權重。考慮到數學上習慣用標準差來描述數據的差異，因此筆者用特征屬性的標準差占標準差總和之比作為各個特征屬性的權重值。

(2)

2.2.2 計算案例相似度

已有的研究結果表明有多種標準可以用于度量新案例和歷史案例的相似度，最常用的相似度計算標準有：歐式距離(Euc)、曼哈頓距離(Man)、明可夫斯基距離(Min)等[23]。由于主成分分析法提取的是兩不相關的特征屬性，因此本文基于加權曼哈頓距離，構建案例差異指數的計算公式如下：

(3)

其中，差異指數d0i越小，兩個案例就越相似。為了易于篩選案例，將差異指數歸一化，定義案例相似度如下：

(4)

式中：S0i為案例的相似度。其值越大，兩個案例就越相似。

2.3 案例最佳選定

基于案例的相似度，結合專家給出的篩選閾值0.45，篩選出相似度排名靠前的案例作為參考案例。采用加權平均的方法對案例進行篩選重用。設從案例庫中篩選出與目標案例最為相似的t條案例，采用公式：

(5)

式中：d0為目標案例u0突發水污染時供水中斷時間的估計值；di為匹配案例ui突發水污染時供水中斷時間；t表示從案例庫中檢索到的與當前案例最為相似的案例的條數。以相似度為權重，參考匹配案例的供水中斷時間，這樣估算出的即為目標案例突發水污染供水中斷時間。

2.4 政府應急預留水量預測

根據水源地日均生活用水、工業用水現狀，結合定額法計算停水期間所需的應急水量作為當地政府應急預留水量的預測值。

2.4.1 生活應急預留水量預測

根據水源地用水人口數，采用人均日生活用水量定額計算的方法預測生活應急預留水量：

WL=d0PA/1000

(6)

式中：WL為生活應急預留水量，萬t;d0為水源地突發水污染造成的供水中斷時間,d;P為水源地用水人口,萬人;A為人均日生活用水量,L。

2.4.2 工業應急預留水量預測

張士鋒等[24]提出工業用水可以分為生產用水、輔助生產用水和附屬生活用水，其中生產用水是用水定額管理的基本和核心環節。因此，本文用生產用水定額來近似代替工業用水定額：

WI=d0I/365

(7)

式中：WI為工業應急預留水量，萬t;d0為水源地突發水污染造成的供水中斷時間,d;I為水源地全年生產用水量，萬t。

水源地政府應急預留水量應該包含生活、工業、農業灌溉、生態用水量等，由于突發水污染事件往往造成的是短時間的供水緊張問題，農業和生態用水在短時間內有一定的調蓄能力，故本文暫不考慮這兩類政府應急預留水量的需求，因此，水源地政府應急預留水量為：

W=WL+WI

(8)

3 案例分析

以文獻[25-27]描述的1990—2014年中國水源地突發水污染事件不完全統計分析資料作為原始資料，建立案例庫。以太湖流域常州地區作為目標案例，預測政府應急預留水量。具體案例庫信息如表1所示。由于篇幅有限，表中僅列出各案例發生的時間、地點、水源地類型、污染物和停水時間。

表1 案例庫

3.1 提取屬性特征值

在Matlab軟件中對數據進行主成分分析，得到數據矩陣的特征值、差值、貢獻率以及累計貢獻率如表2所示。

表2 標準化數據的貢獻率以及累計貢獻率

前5個主成分的累計貢獻率達到了86.824%，故提取5個主成分，這樣使原來的14個指標轉化成5個新指標。寫出前5個主成分F1、F2、F3、F4、F5，分別為：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

從公式(9)～公式(13)可以看出，生活用水量(x1)、廢水治理環保投資(x5)、污水日處理能力(x7)、人均GDP(x8)、城市化率(x9)、工業總產值(x10)、實際利用外資(x12)7個指標在第一主成分有較大的正載荷，第一主成分主要反映的是經濟發展總量指標。在第二主成分中，生產用水量x2和污水處理率x6載荷為0.5左右，而農業生產所用化肥量x13為0.851，農作物總播種面積x14為0.795，相對而言，x13和x14載荷值較大，故這個指標總體上反映了農業生產情況。在第三主成分中，污水處理率(x6)、農業總產值(x11)有較大的正載荷，而生產用水量(x2)有較大的負載荷。在第四主成分中，年降

雨量(x3)、氣溫(x4)有較大的正載荷，這個主成分主要反映的是氣象條件指標。而在第五主成分中，每個標準化變量的系數相對比較平均，這是一個補充性的指標，以彌補前4個主成分提取方差不足而補充的一個平均化指標。

3.2 計算特征屬性的距離

依據公式(1)計算得到太湖流域常州地區與歷史案例在各個特征屬性上的距離如表3所示。

表3 太湖流域常州地區水源地與各案例水源地特征屬性的距離

表4 太湖流域常州地區水源地與各案例水源地差異指數

3.3 特征屬性的權值

依據公式(2)計算得到各個特征屬性的權重值，得出w1為0.327，w2為0.305，w3為0.188，w4為0.124，w5為0.056。

3.4 計算相似度

利用公式(3)計算案例差異指數，結果如表4所示。

利用公式(4)計算案例相似度，結果如表5所示。

3.5 匹配案例

結合專家給出的篩選閾值0.45，篩選出相似度排名靠前的案例作為參考案例，篩選出的案例如表6所示。

表5 太湖流域常州地區水源地與各案例水源地的相似度

表6 案例篩選結果

3.6 預測分析

以表5相似度為權重，根據表6相似案例的供水中斷時間，依據公式(5)計算得到太湖流域常州地區突發水污染事件可能導致供水中斷時間約為3.37 d。

根據《江蘇統計年鑒2015》，筆者選取江蘇省常州市區人均日生活用水量217.2 L，用水人口154.2萬人、生產用水量10 468萬m3數據，結合公式(6)～(8)得到太湖流域常州地區為應對突發水污染事件，政府需要應急預留水量為209.52萬m3。盡管本文用生產用水定額替代工業用水定額，可能存在應急預留水量稍微偏小的情況，然而在現今水資源短缺的情況下，政府應急預留水量的配置不一定要完全滿足應急水量需求，可通過節水技術等降低應急預留水量的需求，以實現應急用水和常規用水之間的平衡，因此基于本文的分析結果，太湖流域常州地區為應對突發水污染事件，政府應急預留水量為209.52萬m3基本合理。

政府應急預留水量可以是將應急所需用水量事先預留在現有地表水庫、地下水庫或其他取水源地，也可以是流域間跨流域調水，或修建一批小型蓄水工程，或加大對雨水資源的直接利用，建設一些微型集水設施，或通過提高水的利用率如農田灌溉節水、深層地下水采壓和再生水利用等措施，將日常用水節約下來用作應急水量預備。調用之后，需要確定供水優先次序，一般先保證居民生活用水需求，然后依據各行業的重要程度進行依次供水等。由于本文主要研究應急預留水量的預測，有關政府應急水量具體預留方案和分配使用細節會在后續研究中開展。

4 結 論

水源地突發水污染不僅會破壞生態環境，同時也會對老百姓的生活生命安全產生威脅。針對水源地突發水污染采取應對措施已經刻不容緩，目前來說，對于水源地突發水污染應對措施的研究多停留在理論層面，少有學者提出系統的、可操作性強的應對措施。本文從政府應急預留水量入手，針對水源地突發水污染政府應急預留水量需求預測的特點以及現有研究的不足，提出了一種主成分分析法與案例推理法相結合的需求預測模型。首先，利用主成分分析法從眾多影響水源地突發水污染事件的因子中提取出兩兩不相關的因子作為案例的特征屬性，其次，改進特征屬性的權重計算，借助于改進后的案例相似度來匹配案例，得到水源地突發水污染導致的供水中斷時間，最后結合用水定額計算太湖流域常州地區應急預留水量。案例推理法在面對信息獲取困難的水源地突發水污染應急管理問題方面，借助于歷史經驗來進行處理，顯示了其優越性。而本文對提取案例屬性和確定屬性權重方面做了改進，而且實證結果表明了將主成分分析法與案例推理法相結合進行分析是可行的和有效的，為準確預測政府應急預留水量的需求，科學配置應急預留水量等提供了理論支持，也有利于提升各地區應對水源地突發性水污染事件的能力，更好地控制和減少水源地突發水污染帶來的危害，保障我國用水安全。

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