基于綜合指數(shù)法的城市水安全評價

周 雙 何懷光 李 娜

(湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007)

20世紀70年代，水安全問題開始受到關注。90年代以來，世界水資源論壇等[1]呼吁關注水資源保護和管理、水與可持續(xù)發(fā)展，水安全問題逐漸成為研究熱點。“水安全”一詞來源于可持續(xù)發(fā)展理論、“社會-經(jīng)濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)”理論、資源環(huán)境承載力原理、危機管理理論等[2-3]，體現(xiàn)的是人口、經(jīng)濟、自然、社會之間的協(xié)調(diào)發(fā)展關系。城市水安全體現(xiàn)的是城市涉水綜合系統(tǒng)的健康或可持續(xù)狀態(tài)。

水安全評價研究是“水安全”問題研究的熱點，其中水安全評價指標體系構建最為關鍵[4-5]。目前，水安全評價指標體系多基于水貧困指數(shù)[6](資源、途徑、利用、能力、環(huán)境)和DPSIR概念模型[7](驅動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應)確定。也有部分學者進行了創(chuàng)新，如史正濤等[8]將水安全分為水安全支持子系統(tǒng)、水安全協(xié)調(diào)子系統(tǒng)、防洪子系統(tǒng)；邵東國等[9]從城市重要性、防洪安全、供水安全、水環(huán)境安全等維度建立了水安全評價指標體系；張蕾等[10]從資源、社會、經(jīng)濟、環(huán)境4個方面構建了南京市水安全評價指標體系。但隨著城市發(fā)展變化，這些指標體系研究存在指標體系冗雜、指標不全或代表性不夠等問題，影響了評價結果的客觀性。基于此，本文將綜合考慮水安全概念內(nèi)涵、當前經(jīng)濟社會現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、民眾關注焦點及國內(nèi)水安全相關規(guī)劃，從城市涉水綜合系統(tǒng)中梳理、篩選出最能表征城市水安全狀況的指標，并采用綜合指數(shù)法開展城市水安全評價，為城市水安全管理提供參考。

1 城市水安全評價方法

基于綜合指數(shù)法的城市水安全評價基本思路為：首先選取合適的評價指標，建立水安全評價指標體系，同時征求專家意見確定不同層次的指標權重和分級閾值，再利用指數(shù)型函數(shù)實現(xiàn)指標值的標準化，最后根據(jù)水安全指數(shù)模型計算地區(qū)水安全指數(shù)，同時確定水安全指數(shù)分級標準，對水安全的評價結果進行直觀判斷。

1.1 指標體系構建及權重確定

城市水安全指標體系包括目標層、準則層和指標層。目標層即區(qū)域城市水安全；結合水安全概念內(nèi)涵，參考國內(nèi)水安全相關規(guī)劃，聚焦水災害規(guī)避、水源供給保障、水資源高效利用、水生態(tài)環(huán)境保護、水監(jiān)管服務等影響城市水安全的核心要素，將城市水安全分為防洪安全、飲水安全、用水安全、河湖生態(tài)安全、涉水事務監(jiān)管安全5個準則層，利用頻度統(tǒng)計、理論分析、專家咨詢等方法，將準則層進一步細化為31項具體指標，其中正向指標25項，反向指標6項；指標層具體包括防洪安全指標5項，飲水安全指標6項，用水安全指標7項，河湖生態(tài)安全指標7項，涉水事務監(jiān)管安全指標6項。

指標權重指單項指標對總目標的貢獻程度，是反映各指標在評價體系中地位的重要系數(shù)。目前，確定指標權重的常見方法有德爾菲法(專家打分法)、熵值法、因子分析法、層次分析法(AHP)等。由于本研究評價指標數(shù)量較多，且指標大多貼近涉水管理實際情況，權重賦值需要在有經(jīng)驗的專家指導下進行，因此本文選取德爾菲法(專家打分法)確定各個指標權重。根據(jù)經(jīng)驗并參考國內(nèi)外相關研究，分析提出對于指標權重的初步意見，并征求相關專家意見最終確定指標權重。城市水安全評價指標體系見表1。

表1 城市水安全評價指標體系

續(xù)表

1.2 指標標準化及閾值確定

為消除指標不同量綱對指數(shù)計算的影響，須對指標進行歸一化處理(即指標標準化)。指標標準化的常用方法為直線型功效系數(shù)法，即將指標數(shù)值變化和指標評價值的關系作直線關系處理。但實際上指標數(shù)值變化對城市水安全影響的規(guī)律并非簡單的線性關系，而是存在與邊際效益遞減原理相似的特點。因此，本研究借鑒邊際效益遞減原理，對兩者關系作出更為客觀與符合實際的處理，即采用指數(shù)型功效函數(shù)實現(xiàn)指標的標準化處理，以便更好地反映客觀實際，提高評價結果的準確性。

標準化計算公式：

Im=e-f(x)

(1)

對于正向指標：

(2)

對于逆向指標：

(3)

本研究指標閾值分為上限值、下限值和控制值。絕大部分指標設置上限值和下限值，對于正向指標，指標值越大越好，反向指標反之。對于萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、灌溉水有效利用系數(shù)指標則只設置相對控制值，其中萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量測算值低于控制值為優(yōu)，灌溉水有效利用系數(shù)測算值高于控制值為優(yōu)。參考國際、國家相關標準，結合國家或地區(qū)相關規(guī)劃，并咨詢相關專家，確定了評價指標閾值(見表1)。根據(jù)指標上限值和下限值，利用式(1)～式(3)，實現(xiàn)指標標準化。

1.3 水安全指數(shù)評價標準

水安全綜合指數(shù)由防洪安全、飲水安全、用水安全、河湖生態(tài)安全、涉水事務監(jiān)管安全5個分指數(shù)組成。首先對單項指標權重和無量綱數(shù)值進行加權計算得出各分指數(shù)，然后將分指數(shù)進行加權求和得出水安全綜合指數(shù)，具體公式為

(4)

(5)

式中：WSI為區(qū)域水安全指數(shù)；Wi和Wj分別為單個指標權重及WSI分指數(shù)Xi的權重；Xi為防洪、飲水、用水、河湖生態(tài)、涉水事務監(jiān)管各項分指數(shù)。

參考省內(nèi)外相關研究成果，提出水安全評價標準，將指標得分按0～1分為5個等級。水安全綜合指數(shù)和分指數(shù)評分值大于0.8的為“安全”；在0.7～0.8(含)之間的為“較安全”；在0.6～0.7(含)之間的為“基本安全”；在0.4～0.6(含)之間的為“較不安全”；小于等于0.4的為“不安全”。城市水安全評價標準見表2。

表2 城市水安全評價標準

2 城市水安全評價實例

2.1 研究區(qū)概況

邵陽市位于湘中偏西南、資江上游，屬于衡邵干旱走廊湘資分水嶺核心地帶。總面積20824km2，下轄3個市轄區(qū)、6個縣、1個自治縣，代管2個縣級市。全市分屬湘江、資水、沅江和柳江流域，其中資水流域面積占全市總面積的70.8%。2019年常住人口730.24萬，地區(qū)生產(chǎn)總值2152.48億元。全市多年平均地表水資源量為160.60億m3，2019年降水量為1566.5mm，重要江河湖泊水功能區(qū)水質達標率為94.12%，污水處理率為94.64%。

2.2 實例計算

本研究采用2019年基礎數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來源《湖南省統(tǒng)計年鑒》《湖南省水利統(tǒng)計年鑒》《湖南省水資源公報》《邵陽市水資源公報》《湖南省水安全戰(zhàn)略規(guī)劃(2020—2035年)》以及水利、生態(tài)環(huán)境等部門的基礎資料。運用所建立的指標體系和水安全指數(shù)模型，對2019年邵陽市水安全狀況進行評價，利用指標標準化值和式(4)、式(5)進行計算。邵陽市水安全評價結果見表3。

表3 邵陽市水安全評價結果

2.3 結果分析

評價結果顯示，2019年邵陽市水安全綜合指數(shù)為0.6562，處于“基本安全”狀態(tài)，反映出全市水安全形勢不太樂觀，特別是用水安全、飲水安全和涉水事務監(jiān)管安全方面還存在一定的短板。具體分析如下：

a.防洪安全分指數(shù)為0.7004，處于“較安全”狀態(tài)。該指數(shù)在各分指數(shù)中排名靠前，主要是由于堤防達標率(0.8374)、山洪溝達標治理率(0.7873)指標表現(xiàn)較好，主要短板是水庫病險率(0.5232)，原因為全市小型水庫數(shù)量眾多，建設時間較早、技術標準偏低，水庫運行存在較大安全隱患，急需加強病險水庫綜合治理，增強水庫抵御各類自然災害的能力。

b.飲水安全分指數(shù)為0.6304，處于“基本安全”狀態(tài)。其中供水安全系數(shù)(0.4220)、城市管網(wǎng)漏損率(0.2942)和規(guī)模化工程服務人口比例(0.2886)得分較低，原因是隨著城鎮(zhèn)化的推進，飲水需求不斷增大，而相應的供水工程及配套管網(wǎng)未及時跟進，導致供水能力相對不足，此外，城市管網(wǎng)明顯老化、漏損問題突出。建議加快推進規(guī)模化供水工程建設，加強供水管網(wǎng)維護，增強城市供水保障能力。

c.用水安全分指數(shù)為0.6043，處于“基本安全”狀態(tài)。其中萬元GDP用水量(0.5100)、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)(0.4957)、大中型灌區(qū)骨干工程完好率(0.4639)、工業(yè)用水重復利用率(0.3872)等得分較低，反映出全市農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水效率水平較低，節(jié)水意識相對較弱，節(jié)水措施不夠完善，需加強各行業(yè)節(jié)水力度，提升全市整體用水效率。

d.河湖生態(tài)安全分指數(shù)為0.7163，處于“較安全”狀態(tài)。在各項分指數(shù)中表現(xiàn)較優(yōu)，表明全市較為重視河湖生態(tài)保護和治理，且取得了初步成效。各項指標中，河湖水域空間保有率(0.5239)得分較低，下一步需嚴格落實河湖管控要求，加強水域岸線保護，提升河湖生態(tài)安全水平。

e.涉水事務監(jiān)管安全分指數(shù)為0.6019，處于“基本安全”狀態(tài)。其中水利投資占財政投入比例(0.0976)得分最低，表明當?shù)刎斦λㄔO重視程度不夠；水利人才結構達標率(0.4826)、重要水管理事項有效實施率(0.5107)等指標表現(xiàn)也較差，反映出部分縣(區(qū))人員老化現(xiàn)象突出、專業(yè)性人才緊缺，監(jiān)管能力相對薄弱。需進一步加大財政資金投入力度，加強人才引進和培養(yǎng)，提升基層監(jiān)管能力和水平。

邵陽市地處湖南省西南部，屬于衡邵干旱走廊地區(qū)，水資源相對緊缺，經(jīng)濟欠發(fā)達，水資源監(jiān)管能力相對薄弱，評價結果“基本安全”狀態(tài)與實際情況基本相符。

3 結 語

本文基于水安全概念及內(nèi)涵，聚焦影響城市水安全的核心要素，建立了包括防洪安全、飲水安全、用水安全、河湖生態(tài)安全、涉水事務監(jiān)管安全的城市水安全評價指標體系，并以邵陽市為例進行評價研究。結果表明，邵陽市水安全處于“基本安全”狀態(tài)，其中飲水安全、用水安全和涉水事務監(jiān)管安全方面短板突出，需加強病險水庫治理、推進規(guī)模化供水工程建設、加強各行業(yè)節(jié)水力度、強化資金和人才保障等；該指標體系能有效反映城市管理現(xiàn)狀，且與已有指標體系相比，指標代表性和有效性顯著增強，其評價結果與實際情況基本相符。

但該研究也存在一定問題：權重設計采用德爾菲法，存在一定主觀性；實證研究缺乏多年數(shù)據(jù)支撐，結果預警性不足。后續(xù)可結合系統(tǒng)動力學仿真模型，利用歷史數(shù)據(jù)開展水安全趨勢分析和預判，提高模型應用價值。