城市供水安全综合评价探讨

摘 要: 水安全研 究始于 20 世纪 70 年代, 随着水资源危机 不断加深, 人类社会对水安全 的关注程度越来越 强 烈。城市是一个地区的政治、经济、文化、物 流和信 息中 心, 城市供 水安 全对城 市公 共安 全具有 至关 重要的 意义。 通过 分析影响城市供水安全的各个方面, 构造评价指标体 系, 依据大量的权威统计 数据, 运 用多元分 析的主成分 和 因子分析方法 对中国的主要城市的供水安全进行计算、分 析和评 价, 可 为城市 供水管 理决策 提供重 要的依 据。依 据 2004 年统 计数据计算的评价 结果, 我国 重点城市在城市供 水的生产和供水行 业的投入方面, 存在着生产能 力不 足和 投入较少的问题, 但他们在在供水的使用效率和管理 方面具有较高的能力。重点城市 的供水安 全状况两极 分 化严重, 总体形势不容乐观。北京市目前总体供水安全状 况处于比较良好的状态, 但在供水生 产、供 水行业资金 投 入和节水三个方面仍然存在 较为严重的问题, 随着更多 的人口进入北京和 2008 年奥运会的召开, 北京市未来 几年 的供水安全面临着巨大的压力。
分析和评价, 找出城市当前存在的影响供水安全的 主要问题, 并据此做出合理的应对措施, 避免盲目和 错误的决策。
2 数据来源与评价方法
2 1 数据来源 对城市供水安全进行评价需要大量的数据, 本
次评价的数据来源于建设部 2004 年统计年鉴。共 选取了 328 个城市, 分布于全国 32 个省和直辖市, 城市人口范围 5 104 ~ 1 289 104 。 2 2 供水安全综合评价方法
模型。英国 生 态与 水 文中 心 ( Center for Ecology & Hydrology CEH) 提 出 了水 贫困 指数 ( Water Poverty Index WPI) 来进行水安全评价[ 9, 10] ; 国内学者韩宇 平, 阮本清则采用陈守煜提出的半结构性决策方法 进行了区域水安全评价指标体系初步研究[ 3] 。上述
i , 并使其从大到小排列 1 2 3
n, 同
时可得对应的特征向量 u1 , u2 , un 。
( 4) 计算贡献率:
n
ei = i
j i = 1, , n
( 3)
j= 1
( 5) 计算累计贡献率:
j
n
Ej =
k
i j = 1, , n ( 4)
k= 1
i= 1
( 6) 计算主成分:
jn
zj =
uikx
0. 002 0. 059 0. 119 - 0. 007 0. 984 - 0. 005 x 6
Байду номын сангаас
0. 942 0. 119 0. 017 - 0. 012 0. 045 - 0. 001 x 7
29 卷第 3 期 2007 年 5 月
文章编号: 1007- 7588( 2007) 03- 0080- 06
资源科学 RESOURCES SCIENCE
Vol. 29, No. 3 May, 2007
城市供水安全综合评价探讨
施春红, 胡 波
( 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083)
评价模型使用的都是常规评价方法, 而综合评价方 法中的主成分分析方法能够根 据数据之间的 相关
性, 找出影响最终结果的主要因素, 在力保原始数据 信息丢失最小的情况下, 对高维变量空间进行降维 处理, 经过线性变换和舍弃部分信息, 以少数的综合 变量取代原有的多维变量。与层次分析法和群组决
策特征根法不同, 主成分分析的整个过程不再需要 专家打分。结合因子分析方法不仅可以给出排名顺
E mail: sch 22@ sohu. com
29 卷第 3 期
施春红等: 城市 供水安全综合评价探讨
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的增加城市供水的生产来应对缺水危机, 导致过度 开发自然界的水资源, 虽然可以一时保证城市供水 的安全, 但是由此可能引发江河干涸和地下水位下 降等长期的难 以解决的 生态问题。1991 年~ 2000 年华北平原浅层地下水开采量1 791 9 108m3 年, 开采 强度 为 14 104 m3 ( 年 km2 ) , 超 采 226 2 108m3 年, 导致华北平原地下水位下降, 出现了很多 地下水位降落漏斗, 如北京漏斗、高阳 蠡县 清苑 漏斗、石家庄漏斗、宁晋 柏乡 隆尧漏斗等[ 7] 。因 此有必要对影响城市供水安全的各个方面进行全面
数和行业的资金投入则体现了保证城市持续供水的
能力; 城市供水的生产、输送和使用存在一个效率问
题, 因此供水漏损量、漏损率和节水量这 3 个指标体 现了城市供水的效率。据上述分析, 得出指标体系
( 表 1) 。
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表 1 城市供水安全指标体系 Table 1 Index system of urban water supply security
因素进行分析和指标选择。
自然界的水资源不能为城市直接使用, 因此体
现城市的取水、净水和供水潜力的水综合生产能力
作为评价城市供水的生产能力的一个指标; 城市供 水需要输送到各个用水单位, 而供水管道长度和用
水普及率可以作为评价城市供水输送能力的指标;
供水的使用的主要指标则是人均日生活用水量; 城 市供水行业需要维护和更新, 而供水行业的从业人
关键词: 水安全; 城市供水安全; 指标体系; 综合评价; 因子分析
1 引言
1 1 水安全概述 水安全研究始于 20 世纪 70 年代, 随着人类对
水危机的认识不断加深, 水安全研究引起了国内外 专家学者、各国政府和国际组织的广泛关注。2000 年 8 月在瑞典 斯德哥尔 摩召开的 以 21 世纪水 安 全 为主题的世界水论坛第十次讨论会, 表明人类社 会对水安全的关注程度越来越强烈[ 1] 。
水安全问题的主要研究领域有: 水安全的范畴、 水安全评价和水安全保障体系的建设等方面, 其中 水安全的评价是关键问题之一: 即如何量度水安全 程度和如何保证水安全[ 6] ?
我国城市缺水是一个毫无疑问的事实, 但是很 多城市的管理者并不清楚为什么缺水, 而只是盲目
收稿日期: 2006- 10- 24; 修订日期: 2007- 01- 19 基金项目: 北京市教育委员会共建项目建设计划资助( 编号: XK100080432) 。 作者简介: 施春红, 女, 安徽马鞍山市人, 博士生, 研究方向安全技术及工程。
* ik
j = 1, , n
( 5)
k= 1 i= 1
综合分析: 一般取 Ej 大于 80% 的最小 m( m <
n) , 对 m 个主成分进行综合分析。 2 3 城市供水安全指标体系
进行综合评价, 首先应确定评 价的指标 体系。
根据指标体系建立原则, 从城市供水的生产、输送、
使用、效率和节约几个方面对影响城市供水安全的
国内外许多学者对水安全进行了大量的研究, 从水量安全、水质安全、水灾害、供水保障、水资源承 载力[ 2] 等不同角度给出了水安全的定义[ 3, 4] , 但至今 为止, 还没有一个像可持续发展( 可持续发展是指既 满足现代人的需求又不损害后 代人满足需求 的能 力) 一样的被广泛接受关于水安全的定义。水安全 的内涵包括: 自然属性, 产生水安全问题的直接因 子是自然界水的质、量和时空分布特性; 社会属 性, 产生水安全问题的承受体是人类及其活动所在的 社会于各种资源的集合; 人文属性, 即人类社会的 水安全感; 自然生态属性, 即人类排水中的污染物 对水环境运行规律和自然界中的生物产生的影响。 1 2 城市供水安全评价意义
城市的供水安全是城市公共安全的重要内容之 一, 水是人的生命源泉, 也是一个城市的生命线, 是 其他任何物质都无法替代的资源, 是城镇居民赖以 生存及维持城市正常运转的基本保证。伴随着我国 城市化的进程加速, 城市人口膨胀, 产业集中, 社会 经济活动强度增大, 对水环境和资源产生重大影响, 使城市供水不足, 影响工 业生产和人民日 常生活。 目前, 我国 668 个建制市中缺水城市达 400 多个, 其 中严重缺水的城市有 130 多个[ 5] 。
供水安全评价需使用综合评价方法。综合评价
的研究对象通常是自然、社会、经济等领域中的同类 事物( 横向) 和同一事物在不同时期的表现( 纵向) 。 综合评价方法主要有常规综合评价方法、主成分与
因子分析分析方法、聚类分析与判别方法、模糊综合 评价方法、多维标度法等等。
目前有不少学者提出了一些水安全的综合评价
10 000
6 人均供水资金投入
供水维护资金+ 供水固定资产投资 城市人口
7 供水漏损率
漏损水量 全部供应水量
8 人均漏损水量
漏损水量 城市人口
9 人均节水量
节水量
城市人口
3 计算结果与分析
m3 人 万人 元人
% m3 人 m3 人
3 1 数据计算
依据 2 1 的数据来源, 对样本数据进行逆指标 处理和数据标准化处理, 求出样本数据的相关矩阵。
相关矩阵的特征值为:
= [ 2. 012, 1. 803, 1. 074, 1. 040, 0. 958,
0. 832, 0. 676, 0. 417, 0. 188]
( 6)
特征值向量的累计贡献率为:
S = [ 22 355, 42 384, 54 315, 65 876, 76 526,
85 773, 93 285, 97 915, 100 000]
0. 001 0. 151 0. 801 0. 175 0. 093 - 0. 065 x 2
- 0. 052 0. 123 0. 772 - 0. 248 0. 049 0. 059 x 3
0. 023 0. 872 0. 109 0. 006 0. 162 - 0. 03 x 4
RM = 0. 014 0. 031 - 0. 006 0. 005 - 0. 005 0. 996 x 5
城市是一个区域内的政治、经济、物流、文化和
信息中心, 在社会经济生产、生活中发挥着重要的作 用[ 5] 。城市化是世界发展的趋势, 也是现代化建设 的重要标志, 我国现在正处在一个城市化快速发展 的阶段。城市水安全主 要是指由于城 市水资源短 缺、水质污染以及洪涝干旱灾害造成的水安全问题, 主要表现为城市的供水安全、城市的水质安全和城 市的防灾安全[ 1] 。
( 7)
从累计贡献率可以看出, 前 6 个主成分量贡献
率为 85 773% , 超过了 80% , 取此 6 个主成分量可以 达到综合评价的目的, 这 6 个特征值对应的特征向 量构成矩阵 A , 由此矩阵得出因子分析的荷载矩阵 A 0, 并将载荷矩阵 A 0 作 Varimax( 正交) 旋转, 得出旋 转后的因子矩阵为 RM 。从旋转后的因子荷载矩阵
序号
指标
计算公式
单位
1 人均水综合生产能力 城市供水综合生产能力 城市人口
2 万人均供水管道长度 城市供水管道长度 城市人口
m3 天 人 km 万人
3 用水普及率
城市用水人口 城市人口
100 %
%
4 人均日生活用水量
居民家庭用水量+ 公共服务用水量 城市人口
5 万人从业人数
供水行业从业人数 城市人口
来看, 这 6 个因子的意义比较明显, 可以将 9 个指标 进一步分为 6 类: 供水漏损因子 x 7 , x 8 ; 供水生 产因子 x1 , x 4 ; 供水输送因子 x 2 , x 3 ; 节水因子 x 9 ; 资金投入因子 x 6 ; 人力投入因子 x 5 。
0. 021 0. 87 0. 166 - 0. 028 - 0. 084 0. 068 x 1
序还能进一步探索影响排名次序的因素, 从而找到 进一步改善努力的方向, 这是一般评价方法所无法 代替的。
主成分分析法步骤:
( 1) 为排除数量级和量纲不同带来的影响, 首先
对原始数据进行标准化处理:
x
* ij
=
( x ij - x i )
i ( i = 1, 2,
, n; j = 1, 2,
,)
( 1)
式中: xij 为第 i 个指标第j 个分区的原始数据; x i 和
i 分别为第 i 个指标的样本均值和标准差。
(
2)
根据标准化数据表(
x
ij
)
* n
p, 计算相关系数
矩阵: R= ( rij ) n n , 其中:
rij =
1 n
n
(
k= 1
xki
-
x i ) ( x kj -
xj)
ij
( 2)
( 3) 计算 R 的特征值和特征向量。计算特征根