河谷型城市水安全评价研究

贡 力，张 雄

（兰州交通大学，甘肃兰州 730070）

0 引言

河谷型城市是指城市主体在河谷中形成并发育的一类城市,有广义和狭义两类。广义的河谷型城市指城市主体本身不受地形限制，但城镇体系的发育却受到相当程度的限制，随地形、河流走向布局、延伸。狭义的河谷型城市指城市的主体发育受到河谷地形较为强烈的直接限制，城市本身被迫沿地形及河流走向发展。

河谷型城市水安全问题是流域与区域水安全的重要研究内容，直接关系到城市社会经济的发展。随着我国城市化水平的提高，经济社会发展将日益受到水安全状态的制约，它们的关系将更加紧密。城市水安全问题是一个战略性和基础性的重大课题，也是约束城市发展的关键因素[1]。

在国外，国际上主要采用水贫穷指数和水资源紧缺指标来衡量水安全状况。英国生态与水文研究所(Center for Ecology and Hydrology——CEH)的研究人员 Sullivan、Meigh和 Lawrence等（2002）[2]研究提出了一种类似于消费物价指数(Consumer Price Index——CPI)的水贫困指数(Water Poverty Index——WPI)。水资源紧缺指标主要有两种[3-5]。一是1992年Falkenmark和W idstrand提出的以人均水资源量来度量区域水资源稀缺程度的指标，根据干旱区中等发达国家的人均需水量确定了人均水资源的临界值，以此来判别各国以及区域水资源紧缺与安全状况。二是用水资源开发利用程度来衡量水资源紧缺程度，水资源开发利用程度以年实际取用的淡水资源量占可获得 (可更新)的淡水资源总量的百分比来计算。两种水资源紧缺指标划分标准见表1。

表1 水资源紧缺指标

在国内，李永等[6]采用Vague集相似度量模型对城市水安全应急保障能力进行评价；史正涛[7]等采用边际效益递减原理对城市水安全评价；黄英、刘新有[8]等采用复杂系统评价指标的评价方法研究城市水安全；贡力[9]采用WPI对城市水安全体系进行了研究。

本文以西北典型的河谷型城市兰州水安全为例，利用集对分析法对城市水安全评价，为城市水安全的评价提供借鉴，对于促进城市水安全的研究具有重要的理论意义与实践价值。

1 城市水安全的概念

所谓“安全”就是个体或系统不受到侵害和破坏。水安全问题在人类文明的早期主要表现为干旱、洪涝和河流改道等自然灾害。随着社会经济的发展，水安全的内涵得到了丰富和延伸。人类社会经济的发展和不合理地开发利用水资源，使得水量减少、水污染加剧，这不仅改变了水量平衡，降低了水质，弱化了水体的使用功能，而且也不能维持水资源基本的社会价值与经济价值，从而引发人类对水的基本需求危机。例如：2014年4月10日，兰州市威立雅水务公司出厂水及自流沟水样中苯含量严重超标，引发水污染事件，造成兰州市自来水24小时不宜饮用，390万人口饮用水安全危机暴漏。该事故引发了城市水安全体系的讨论。城市水安全体系是确保城市水安全的基础，也是保持城市社会稳定与发展的内在要求，应把城市水安全体系建设纳入城市基础设施建设和水资源开发利用规划中。人为性水安全问题也许由某一水问题的作用产生，也许由多种水问题的联合作用产生。目前，中国可能引发的人为性水安全问题主要有健康安全、粮食安全、生态环境安全、经济安全、国家安全等[1]。

2 集对分析法

2.1 集对分析法的基本理论

1989年，赵克勤提出了集对分析法（Set Pair Analysis，SPA），用来进行系统分析。所谓的集对，指的是具有某种联系的两个集合共同构成的对子。而所谓的集对论，则是选择将确定和不确定作为一个对子，用来构成一个确定不确定系统。在该系统中，确定性与不确定性不仅相互制约、相互联系、相互影响，还会在达到某些特定条件时相互转化。所谓的集对分析，指的是在特定背景下对两个集合的特性进行确定性与不确定性相结合的，同异反三位一体的分析。同时，推理出这两个集合在特定背景下得到同异反联系度表达式的方法[9]。

2.2 集对分析法的联系度

对于给定的两个集合设为A=[x1,x2.…xN]和集合 B=[s1,s2,…sN]，由这两个组成的集对 H=（A,B），在某个具体问题背景下，分析集对H的特性，假设它共有N个特性。在这N个特性中，其中的S个特性是H中集合A和集合B的共同特性；同时，集合A和集合B中共有个P特性是彼此对立的；最后，剩余F=N-P-S个既不互相对立，又不是这两个集合所共同具备的特性，则有

其中，i为所谓的差异度系数，i∈[-1，1]，而且其取值是不确定的。j为所谓的对立度系数，j=-1。根据式（1）和式（2）可以看出，联系度函数表达出了同、异、反三个特征之间的相互影响、彼此联系以及互相转化的关系。根据上式可知，当i在（-1，1）范围内时，其代表了确定性集合和不确定性集合各自占有的比例；当i为-1时，集合的不确定度可以转化为对立度；当i为1时，集合的不确定度可以转化为同一度。因此，集合的联系度μ和集合的差异度系数i作为核心内容，共同构成了集对理论的基础，其中包含了一些常见的不确定性，例如灰色、模糊、随机等[10-12]。

2.3 基于集对分析方法的城市水安全评价步骤

河谷型城市水安全评价的核心内容是环境、资源以及社会经济。确定和不确定作为对子构成一个系统，是因为城市水安全系统中的大量确定性和不确定性因素。因此，利用集对分析法对河谷型城市水安全评价的本质为：首先，选定确定性集合——确定性的城市水安全评价指标和评价标准，以及不确定性集合——不确定性的城市水安全评价因素和变化，将这两个集合共同构成确定性和不确定性系统；然后，进行全程分析。系统分析发现，确定差异度系数和联系度是城市水安全评价的核心指标。

将集对分析方法用于河谷型城市水安全评价，第一个集合的内容是建立的河谷型城市水安全评价指标，第二个集合的内容是既定的河谷型城市水安全评价标准，这两个集合构成一个集对。经过研究可以发现，如果评价指标在同一评价级别水平，就认为它们是同一的；同理，如果评价指标在相邻的不同评价级别水平，就认为它们是差异的；如果评价指标处于相隔(不相邻)的不同评价级别中，则认为它们是对立的。差异度系数i的取值范围为[-1，1]。那么，距离要评价的级别水平越近，i越趋近于边界值1；距离相隔的评价级别水平越近，i就越趋近于边界值-1。在城市水安全评价体系中，假设评价指标有N个。那么，根据评价标准可知，在某一级别的指标是S个，其相邻级别的指标有个P指标，处于这两个级别之间或缺乏比较的指标是剩余的N-P-S个。基于此，可以建立城市水安全评价问题的联系度表达式（1）或式（2）。

判断评价河谷型城市的水状况是否安全，就是通过分析a，b，c三者的定量关系。若a值越大，则b和c值越小，河谷型城市水状况越安全。同时，按照a，b，c的具体值，也就是评价指标的数值大小，以及它们在水安全评价标准中所占的比例，判断出河谷型城市水安全的水平。在评价体系中，不同的指标对应不同数值，即便是同一级别，城市水安全状态也会有所不同。因此，进一步的集对分析成为必要，也就是分析分级标准的同一性、差异性以及对立性。由于不同评价指标的单位在评价体系中不一致，造成了数值量级有较大差异。为了消除量纲不同带来的消极影响，必须使用式（3）和式（4）根据评价指标的特征计算联系度。

（1）效益型评价指标：

（2）成本型评价指标：

式中：x1代表评价标准的最差、及格阈值；x2代表最优阈值；x代表河谷型城市水安全评价指标在各个待评价城市中的指标值。

集对分析法评价模型的计算过程如下：首先，根据实际情况分析影响因素，选取能真实客观地反映河谷型城市水安全的影响因素，并建立分级标准；其次，根据式（2），写出集对分析联系度函数；再次，根据计算结果，分别按照同一度的大小、差异不确定度的大小以及对立度的大小，对待评价河谷型城市的水安全状况进行分级；然后，根据式（3）和式（4）计算，求平均值，计算得到各个待评价河谷型城市的平均联系度μ；最后，根据μ中差异不确定度、同一度以及对立度的大小，判断待评价城市水安全状况所属的等级。

3 集对分析法在河谷型城市的应用

本文选择西北典型河谷型城市兰州进行集对分析法在城市水安全评价中具体应用。兰州市位于中纬度内陆地区，土地总面积约13 000 km2，占甘肃省面积的2.88%。境内大部分地区属黄土高原丘陵沟壑区，海拔一般为1 500～2 000m，在高山环绕中形成大小不等的多个盆地。全市地貌可分为山地 、黄土峁沟山谷地、河谷盆地3种类型[4]。区内多年平均自产水资源量286.21亿m3，人均占有量1 119 m3，居全国第22位；气候干旱多风，年降水量为250～550 mm，地表水、地下水稀少，以灌溉农业为主，旱地农业生产完全依靠天然降雨。

其中甘肃省兰州市计算中采用的各评价指标原始数据参阅2007～2011年《甘肃省水利统计年鉴》、《甘肃省水资源公报》及《甘肃省统计年鉴》中的既定数值，见表2。

3.1 评价指标体系的建立

在本研究中，河谷型城市水安全的评价标准，一方面参照了国内外的研究成果，另一方面全面考虑了我国当前经济社会的总体发展水平和西部地区的地域特点。在确定评价指标的中，总体借助以国家标准、国际标准以及发展规划值，同时采用专家评价法，研究具体指标的临界点，用以确定指标评价标准。在本评价体系中，最终选定了9个指标来具体描述城市水安全状态。河谷型城市水安全评价标准见表3。

3.2 结果分析

首先，采用式（2）计算出兰州市、甘肃省和全国总体的水安全联系度值（见表2）；然后，采用表1中资源指标、社会经济指标以及生态环境指标，表 4、表 5是由式（3）和式（4）计算出的兰州市、甘肃省和全国指标的联系度以及联系度均值。

表2 河谷型城市水安全评价特征值（兰州、甘肃、全国）

表3 河谷型城市水安全评价指标值

表4 水安全指标的联系度值

表5 各项水安全指标的联系度值

根据表3的联系度值看出，全国总体的水安全程度优于兰州和甘肃；兰州水安全状况优于甘肃；同时，甘肃的水资源利用量接近极限，而且甘肃全省水资源量明显少于兰州。

通过对表5中联系度a,b,c值的比较可以看出：兰州水资源安全程度最高；与全国人均水资源量相比，兰州，甘肃省的水资源量都很低。通过对社会经济指标的比较可以看出：经济上由优到劣的排列顺序为全国、兰州、甘肃；通过对生态指标的比较能够看出：水安全状态由高到低的顺序是全国、兰州、甘肃。

通过比较表6综合联系度值μ能够看出：对于兰州来讲，由于黄河从城市穿过，其总体水资源拥有量丰富，生态建设相对比甘肃好，但是比全国差，若生态继续恶化，兰州将形成工程型缺水或者水质型缺水的局面；对甘肃来讲，其总体水资源量本身不丰富，所以其有意识的投入资金加强对生态环境保护，但若靠工程型供水，其供水压力仍然较大，而且水资源承载力较低。简言之：其一，总体水资源拥有量是城市水安全状况的基础性影响因素；其二，结合长远发展，减少特大城市的人口数量，同时加强生态保护，以保证水资源的可持续使用和持久安全。显而易见，生态保护在城市水安全中的作用不容忽视。

表6 各项水安全指标的联系度平均值

4 结论

本文应用集对分析理论，通过确定联系度表达式中的差异度系数取值，计算出联系数，据此对河谷型城市水安全状态进行了评价。通过选取兰州、甘肃以及全国总体水安全状况作比较分析，所用方法有一定的可行性和优越性。利用集对分析法研究河谷型城市水安全，不仅避免了直接确定联系度中差异不确定系数，也兼顾了等级标准划分时的模糊性。该方法充分使用了问题中所包含的全部信息，有机结合了所研究问题的系统性定量描述和辩证认识，进行深入分析。该方法是有别于传统概率论和模糊集的不确定性新方法。综上所述，在对河谷型城市水安全进行评价时采用集对分析法是可行而有效的。

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