水源地突发水污染政府应急预留水量需求预测

吴凤平，王新华，李 芳，方 琳,2

(1.河海大学商学院,江苏 南京 210098;2.淮阴工学院数理学院，江苏 淮安 223003)

我国人多水少，水资源时空分布不均，经济社会快速发展和全球气候变化导致水资源供需矛盾日益突出，引发了水资源短缺、水污染加剧和生态环境恶化等一系列的水问题[1-2]。城市水源地是为城市提供清洁和充足水源的生态环境基础,直接关系到城市供水安全和城市经济社会系统的正常运行，与常规的水污染事件相比，水源地突发污染事件具有危害紧急性、不确定性以及需要快速响应性等特征[3-4]。突发污染事件可能在短时间内造成城市水源地水源污染和公共供水系统的重大损失，并可能进一步触发更严重的城市公共安全问题，如处置不当还会留下影响深远的后遗症[5]。因此，为了减少水源地突发事件带来的损害，保障人民群众的用水需求和实现国家长治久安的发展目标，这就要求在初始水权分配时预留一部分水量作为政府应急预留水量。

王浩[6]将初始水权分为自然水权、国民经济水权和政府预留水量3类，他认为从严格意义上讲，政府预留水量就是政府预留水权的意思。石玉波[7]认为配置初始水权应该基于留有余量原则，即水资源配置要适当留有余地，由中央政府保留这部分预留资源的水权。Sherali等[8]认为国家或区域必须拥有一定规模和质量的水资源使用权以应对供水危机和发展风险，而政府预留水量在其中起到了重要作用。曹振宇[9]认为政府预留水量主要由国民经济应急预留水量、生态环境应急预留水量、水市场应急预留水量及国家重大发展战略预留水量构成。按照用途和目的来说，政府预留水量一般可以分为两类，即应急预留水量和发展预留水量[10]。应急预留水量一般作为短期的应急用水，是为应对水资源突发事件而储备的水量；发展预留水量则指为保障国家层面、流域层面和省(自治区)级层面和未来健康、协调发展和国家重大发展战略而预留的水量。

目前学者采用不同的方法对政府应急预留水量需求进行了预测分析[11-13]，阎官法等[14]按照20%～30%的大致比例压缩正常生活和工业用水对应急用水需求进行预测。王志璋等[15]将不同水平年的工业和生活月均需水量、2倍月均需水量和3倍月均需水量,作为低、中、高3个方案的流域级国民经济应急需水量。周晔等[10]采用了CBR(案例推理法,Case-Based Reasoning)定量预测了辽宁省大伙房水源地突发水污染的应急预留水量，利用故障树分析法对水源地进行风险分析，得到案例的特征属性，并利用CBR对供水中断时间进行估测，最后结合定额法得到应急预留水量预测结果等。在政府预留水量的管理措施等方面，学者针对分配模式、原则等进行了研究。沈大军等[16]根据我国水权建设的实际情况，提出预留水量的动用原则和管理模式，建议建立备用“水银行”用以缓解供水危机。谢新民等[17]根据松辽流域特点和水权初始分配的需要，提出采用“自下而上”的预留需求和“自上而下”的预留可能双侧耦合分水模式，计算不同水平年不同频率的政府预留水量，并且指出应急预留水量是为应对水危机而储备的水量,一般只作为短期的临时应急用水。胡伟等[18]提出为有效缓解突发水污染造成的不利影响，太湖内可建立应急备用水库工程以提供应急供水。刘伟[19]认为开发利用地下水是抵御突发性灾害的有效措施，提出建立一批小型的地下水取水工程作为防御旱灾的应急水源点的战略储备。

水源地突发水污染事件爆发突然，是一种危害严重的环境风险事件。针对近年来各类突发事件的频繁爆发，应急物资需求预测与布局规划已成为应急管理中的关键问题。张海涛等[20]提出应对城市水污染突发事件的多种措施，如启动城市备用水源，实施应急供水；增加自备水源供水量，适时启用封存的自备水源井或者新凿水井等。叶勇等[21]提出根据突发事件的规模、紧急程度、受影响范围等确定不同的应急响应状态及城市用水需求。随着经济社会的发展，对水资源的需求不断增多，再加上水质恶化等问题，加强水源地突发水污染应急预留水量的研究至关重要。目前来说，学者多从定性方面分析政府应急预留水量如何合理配置、动用及管理，定量分析方面多集中在以定额分析法为主。在以往的案例推理法中，提取案例的属性多采用故障树分析法，忽略了案例特征属性之间可能存在的相关性，其定义的案例相似度可能有所偏差。而水源地的研究主要集中于饮用水安全问题、保障体系构建、流域管理等方面，较少涉及突发水污染的研究。笔者基于政府应急预留水量的视角，借助主成分分析法从众多影响水源地突发水污染事件的多类原因中提取出两两不相关的因子作为案例的特征属性，并且改进相似度计算中的每个特征属性的权重，采用案例推理法预测应急水量。并以太湖流域常州地区水源地为例，估算其突发水污染政府应急预留水量需求量，为水源地突发水污染的应急管理提供一定的思路与方法。

1 水源地突发水污染政府应急预留水量需求预测框架

水源地突发水污染既包括工业污水、生活废水、农业面源等常规污染，也包括恐怖活动、船舶化学品和石油泄漏、工业事故排放、暴雨径流污染、投毒等突发性水污染，水污染事件发展途径和演变规律不明确，信息不明确，一般是难以预料和预测的。笔者利用主成分分析法，从社会经济、生态环境的角度对水源地突发水污染事件进行考察，综合考虑多类可能影响水源地突发水污染事件的因素，从中提取出不相关的若干因子，以此作为案例的特征属性，并且依据数据的统计信息，改进每个特征属性的权重，修改案例相似度的计算公式，最终得到目标案例突发水污染供水中断时间的估测值，并结合定额分析法得到太湖流域应急预留水量需求的预测结果。具体预测流程如图1所示。

2 基于案例推理法的预测模型构建

2.1 案例特征识别

根据CBR工作原理，案例推理分为3个过程:特征识别、初步匹配和最佳选定。特征识别是获取新问题的初步特征，通常是从对问题的描述中直接获得属性特征，也可以是分析理解后得到的属性特征。初步匹配是在案例库中找到一组与当前问题相同的案例，通过使用上述特征作为案例库的检索条件。最佳选定是从初步匹配过程中获得的一组候选案例中选取一个或几个与当前问题最相近的案例。

由于风险分析法识别案例特征时，容易得到一组两两相关的属性特征值，因此笔者采用主成分分析法提取案例的特征属性。

2.1.1 主成分分析法

主成分分析是一种通过降维来简化数据结构的方法，把多个指标化为少数几个综合指标，使这几个综合变量反映原来多个变量的大部分信息，而且彼此之间互不相关。

图1 政府预留水量需求预测流程

图2 水源地突发水污染属性分析

2.1.2 提取属性特征值

水源地突发水污染的爆发原因有很多，本文分析了已突发水污染所在地的经济发展现状，参考专家的意见及已有文献，并且结合统计数据的可得性，确定了下面几类指标，如图2所示。

上述14个变量数据分别来源于《中国统计年鉴》《中国环境统计年鉴》，以及各省市的统计年鉴和统计公报，由于案例库中的个别案例来自于县级市，数据很难获得，因此个别县级市数据用同一流域的所属地级市数据进行替代。

设案例库中有n个案例，记为ui(i=1,2,…,n)，提取的主成分代表案例的特征属性，设提取了m个主成分，用向量F={F1,F2,…,Fm}来表示，属性特征值记为R={rij}(i=1,2,…,n,j=1,2,…,m)，以特征属性表示的案例可以记为：ui=case{F,R}=case{F1,…,Fm,rij}。

2.2 案例初步匹配

CBR系统的核心过程就是案例的相似度检索。由于一般不存在精确匹配，因此要对案例之间的特征关系进行相似度匹配的估计。用u0表示目标案例，即当前需要预测应急预留水量的水源地。记r0表示目标案例的属性集，r0j(j=1,…,m)表示目标案例的属性特征值，记目标案例u0和历史案例ui在第j个属性上的距离为d0ij，定义特征属性的距离为

d0ij=|r0j-rij| (i=1,2…n,j=1,…,m)

(1)

2.2.1 确定案例特征属性的权值

权重系数的大小反映了特征属性在案例相似度评估中的相对重要程度，权重值越大表示对案例检索结果的影响度越高，权重值的分配决定了案例的检索精度。以往确定各个特征属性的权重时多采用主观赋权法或等权赋值法[22]。由于在处理应急需求时可用的专家意见有限，决策者的主观经验缺乏，等权赋值又过于特殊化，因此本文采用尊重数据特性的客观赋权法。其基本思想是：如果某一特征属性在各个案例中均未表现出差别，则这一特征属性不能很好地反映案例的特征，其对案例相似度排序将不起作用，这样的属性可令其权重为0；相反，如果某一特征属性在各个案例中表现出显著的差异，则这一特征属性很好地描述了案例的特征，其对案例相似度的排序将起重要的作用，应该给予较大的权重。考虑到数学上习惯用标准差来描述数据的差异，因此笔者用特征属性的标准差占标准差总和之比作为各个特征属性的权重值。

(2)

2.2.2 计算案例相似度

已有的研究结果表明有多种标准可以用于度量新案例和历史案例的相似度，最常用的相似度计算标准有：欧式距离(Euc)、曼哈顿距离(Man)、明可夫斯基距离(Min)等[23]。由于主成分分析法提取的是两不相关的特征属性，因此本文基于加权曼哈顿距离，构建案例差异指数的计算公式如下：

(3)

其中，差异指数d0i越小，两个案例就越相似。为了易于筛选案例，将差异指数归一化，定义案例相似度如下：

(4)

式中：S0i为案例的相似度。其值越大，两个案例就越相似。

2.3 案例最佳选定

基于案例的相似度，结合专家给出的筛选阈值0.45，筛选出相似度排名靠前的案例作为参考案例。采用加权平均的方法对案例进行筛选重用。设从案例库中筛选出与目标案例最为相似的t条案例，采用公式：

(5)

式中：d0为目标案例u0突发水污染时供水中断时间的估计值；di为匹配案例ui突发水污染时供水中断时间；t表示从案例库中检索到的与当前案例最为相似的案例的条数。以相似度为权重，参考匹配案例的供水中断时间，这样估算出的即为目标案例突发水污染供水中断时间。

2.4 政府应急预留水量预测

根据水源地日均生活用水、工业用水现状，结合定额法计算停水期间所需的应急水量作为当地政府应急预留水量的预测值。

2.4.1 生活应急预留水量预测

根据水源地用水人口数，采用人均日生活用水量定额计算的方法预测生活应急预留水量：

WL=d0PA/1000

(6)

式中：WL为生活应急预留水量，万t;d0为水源地突发水污染造成的供水中断时间,d;P为水源地用水人口,万人;A为人均日生活用水量,L。

2.4.2 工业应急预留水量预测

张士锋等[24]提出工业用水可以分为生产用水、辅助生产用水和附属生活用水，其中生产用水是用水定额管理的基本和核心环节。因此，本文用生产用水定额来近似代替工业用水定额：

WI=d0I/365

(7)

式中：WI为工业应急预留水量，万t;d0为水源地突发水污染造成的供水中断时间,d;I为水源地全年生产用水量，万t。

水源地政府应急预留水量应该包含生活、工业、农业灌溉、生态用水量等，由于突发水污染事件往往造成的是短时间的供水紧张问题，农业和生态用水在短时间内有一定的调蓄能力，故本文暂不考虑这两类政府应急预留水量的需求，因此，水源地政府应急预留水量为：

W=WL+WI

(8)

3 案例分析

以文献[25-27]描述的1990—2014年中国水源地突发水污染事件不完全统计分析资料作为原始资料，建立案例库。以太湖流域常州地区作为目标案例，预测政府应急预留水量。具体案例库信息如表1所示。由于篇幅有限，表中仅列出各案例发生的时间、地点、水源地类型、污染物和停水时间。

表1 案例库

3.1 提取属性特征值

在Matlab软件中对数据进行主成分分析，得到数据矩阵的特征值、差值、贡献率以及累计贡献率如表2所示。

表2 标准化数据的贡献率以及累计贡献率

前5个主成分的累计贡献率达到了86.824%，故提取5个主成分，这样使原来的14个指标转化成5个新指标。写出前5个主成分F1、F2、F3、F4、F5，分别为：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

从公式(9)～公式(13)可以看出，生活用水量(x1)、废水治理环保投资(x5)、污水日处理能力(x7)、人均GDP(x8)、城市化率(x9)、工业总产值(x10)、实际利用外资(x12)7个指标在第一主成分有较大的正载荷，第一主成分主要反映的是经济发展总量指标。在第二主成分中，生产用水量x2和污水处理率x6载荷为0.5左右，而农业生产所用化肥量x13为0.851，农作物总播种面积x14为0.795，相对而言，x13和x14载荷值较大，故这个指标总体上反映了农业生产情况。在第三主成分中，污水处理率(x6)、农业总产值(x11)有较大的正载荷，而生产用水量(x2)有较大的负载荷。在第四主成分中，年降

雨量(x3)、气温(x4)有较大的正载荷，这个主成分主要反映的是气象条件指标。而在第五主成分中，每个标准化变量的系数相对比较平均，这是一个补充性的指标，以弥补前4个主成分提取方差不足而补充的一个平均化指标。

3.2 计算特征属性的距离

依据公式(1)计算得到太湖流域常州地区与历史案例在各个特征属性上的距离如表3所示。

表3 太湖流域常州地区水源地与各案例水源地特征属性的距离

表4 太湖流域常州地区水源地与各案例水源地差异指数

3.3 特征属性的权值

依据公式(2)计算得到各个特征属性的权重值，得出w1为0.327，w2为0.305，w3为0.188，w4为0.124，w5为0.056。

3.4 计算相似度

利用公式(3)计算案例差异指数，结果如表4所示。

利用公式(4)计算案例相似度，结果如表5所示。

3.5 匹配案例

结合专家给出的筛选阈值0.45，筛选出相似度排名靠前的案例作为参考案例，筛选出的案例如表6所示。

表5 太湖流域常州地区水源地与各案例水源地的相似度

表6 案例筛选结果

3.6 预测分析

以表5相似度为权重，根据表6相似案例的供水中断时间，依据公式(5)计算得到太湖流域常州地区突发水污染事件可能导致供水中断时间约为3.37 d。

根据《江苏统计年鉴2015》，笔者选取江苏省常州市区人均日生活用水量217.2 L，用水人口154.2万人、生产用水量10 468万m3数据，结合公式(6)～(8)得到太湖流域常州地区为应对突发水污染事件，政府需要应急预留水量为209.52万m3。尽管本文用生产用水定额替代工业用水定额，可能存在应急预留水量稍微偏小的情况，然而在现今水资源短缺的情况下，政府应急预留水量的配置不一定要完全满足应急水量需求，可通过节水技术等降低应急预留水量的需求，以实现应急用水和常规用水之间的平衡，因此基于本文的分析结果，太湖流域常州地区为应对突发水污染事件，政府应急预留水量为209.52万m3基本合理。

政府应急预留水量可以是将应急所需用水量事先预留在现有地表水库、地下水库或其他取水源地，也可以是流域间跨流域调水，或修建一批小型蓄水工程，或加大对雨水资源的直接利用，建设一些微型集水设施，或通过提高水的利用率如农田灌溉节水、深层地下水采压和再生水利用等措施，将日常用水节约下来用作应急水量预备。调用之后，需要确定供水优先次序，一般先保证居民生活用水需求，然后依据各行业的重要程度进行依次供水等。由于本文主要研究应急预留水量的预测，有关政府应急水量具体预留方案和分配使用细节会在后续研究中开展。

4 结 论

水源地突发水污染不仅会破坏生态环境，同时也会对老百姓的生活生命安全产生威胁。针对水源地突发水污染采取应对措施已经刻不容缓，目前来说，对于水源地突发水污染应对措施的研究多停留在理论层面，少有学者提出系统的、可操作性强的应对措施。本文从政府应急预留水量入手，针对水源地突发水污染政府应急预留水量需求预测的特点以及现有研究的不足，提出了一种主成分分析法与案例推理法相结合的需求预测模型。首先，利用主成分分析法从众多影响水源地突发水污染事件的因子中提取出两两不相关的因子作为案例的特征属性，其次，改进特征属性的权重计算，借助于改进后的案例相似度来匹配案例，得到水源地突发水污染导致的供水中断时间，最后结合用水定额计算太湖流域常州地区应急预留水量。案例推理法在面对信息获取困难的水源地突发水污染应急管理问题方面，借助于历史经验来进行处理，显示了其优越性。而本文对提取案例属性和确定属性权重方面做了改进，而且实证结果表明了将主成分分析法与案例推理法相结合进行分析是可行的和有效的，为准确预测政府应急预留水量的需求，科学配置应急预留水量等提供了理论支持，也有利于提升各地区应对水源地突发性水污染事件的能力，更好地控制和减少水源地突发水污染带来的危害，保障我国用水安全。

参考文献：

[1] 王红瑞,洪思扬,秦道清.干旱与水资源短缺相关问题探讨[J].水资源保护,2017,33(5):1-4.

[2] 王惠,王树乔,李小聪.淮河流域的工业环境库兹涅茨曲线再检验：来自2005—2014年安徽省地级市面板数据[J].水利经济,2017,35(2):22-25.

[3] 吴炳华,周庆胜,潘小青,等.宁波市蛇蟠岛应急水源地建设与环境效应[J].水资源保护,2017,33(3):38-41.

[4] 华坚,李晶晶.基于系统动力学的重大水利工程项目决策社会稳定风险评估有效性分析[J].水利经济,2017,35(2):11-15.

[5] 张月珍,董平国.2013年武威市集中式饮用水源地水质综合评价[J].水资源保护,2016,32(1):91-96.

[6] 王浩.流域初始水权分配理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社,2009.

[7] 石玉波.关于水权与水市场的几点认识[J].中国水利,2001(2):31-32.

[8] SHERALI H D, DESAI J, GLICKMAN T S. Allocating emergency response resources to minimize risk with equity considerations[J]. American Journal of Mathematical & Management Sciences, 2004, 24(3-4):367-410.

[9] 曹振宇.松花江流域水资源使用权初始分配政府预留水量研究[D].哈尔滨：黑龙江大学,2015.

[10] 周晔,吴凤平,陈艳萍.政府预留水量的内涵、动因及实践探究[J].资源开发与市场,2012,28(5):438-442.

[11] 周晔,吴凤平,陈艳萍.水源地突发水污染公共安全事件应急预留水量需求估测[J].自然资源学报,2013,28(8):1426-1437.

[12] ZHOU S J, TANG F Y, AUTHORITY S W. Construction practice of emergency reserve water source project in Suining City[J]. China Water & Wastewater, 2016.

[13] WANG Z, WANG Z L, JING Z Q. Study of urban emergency reserve water source and channel construction: a case of Nanjing[J]. Journal of Natural Disasters, 2008, 17(4):49-52.

[14] 阎官法,贾涛.郑州市城市应急供水与应急生活供水定额研究[J].河南工业大学学报(社会科学版)，2005,1(3):21-23.

[15] 王志璋,谢新民,王教河,等.流域初始水权分配政府预留水量双侧耦合分析方法及应用[C].∥中国水利学会.2005学术年会论文集：节水型社会建设的理论与实践.青岛:2005:117-122.

[16] 沈大军,王教河,谢新民，等.政府预留水量动用原则与管理模式研究[J].中国水利,2006(1):34-37.

[17] 谢新民,王教河,王志璋,等.松辽流域初始水权分配政府预留水量研究[J].中国水利,2006(1):31-33.

[18] 胡伟,李巍.太湖东部地区利用太湖建设应急备用水库思考[J].中国农村水利水电,2012(8):89-91.

[19] 刘伟.黔西地区地下水开发利用对策:基于西南大旱应急水源勘察的思考[J].中国防汛抗旱,2010(5):61-63.

[20] 张海涛,谢新民,侯俊山.突发水污染事件防治与城市安全供水研究[J].水利水电技术,2011(7):32-39.

[21] 叶勇,谢新民,柴福鑫,等.城市地下水应急供水水源地研究[J].水电能源科学,2010,28(1):47-49.

[22] 汪泽焱,顾红芳,益晓新,等.一种基于熵的线性组合赋权法[J].系统工程理论与实践,2003,23(3):112-116.

[23] 吴登生,李建平,孙晓蕾.基于加权案例推理模型族的软件成本SVR组合估算[J].管理工程学报,2015,29(2):210-216.

[24] 张士锋,贾绍风.北京市水资源安全与工业用水管理方法探讨[J].地理科学进展,2002,21(6):625-631.

[25] 张勇,王东宇,杨凯.1985—2005年中国城市水源地突发水污染事件不完全统计分析[J].安全与环境学报,2006,6(2):79-84.

[26] 陈飞,王罗春,武文燕,等.2006—2012年中国城市水源地突发性水污染事件的统计分析[J].上海电力学院学报,2014,30(1):62-70.

[27] 王东宇,张勇.2006年中国城市饮用水源地突发污染事件统计及分析[J].安全与环境学报,2007,7(6):150-155.