水旱灾害下青岛市供水系统韧性能力评估及提升

刘金宁，王 伟，邵志国,2

(1.青岛理工大学 管理工程学院，山东 青岛 266520； 2.同济大学 可持续发展与新型城镇化智库，上海 200092)

0 引言

近年来，随着我国经济快速发展和城镇化进度的不断加快，全球气候变化恶劣，极端气候事件频发，城市水旱灾害频率及影响程度渐呈上升趋势，城市供水系统面临着更加严峻的威胁。2011年8月，贵州省多地发生旱灾，近550万人面临临时饮水困难，抗旱救灾形势严峻；2012年7月，京津冀3省(市)遭受严重洪涝灾害，受灾人口540万人，水库、堤防等多处水利设施受损；2016年汛期，山东胶东4市累计降雨量较常年同期偏少，水库普遍蓄水不足，供水紧张；2018年8月，受台风影响，山东潍坊多地遭受历史罕见暴雨洪涝灾害，造成供水设施严重损毁。由此可见，在发生突发灾害事件时，城市供水系统变得异常脆弱，如何保障城市供水安全、提高系统韧性已成为亟须解决的问题。

近年来，城市供水系统韧性研究被越来越多的国内外学者所关注。Simonovic等[1]、Jim等[2]对水源韧性进行了研究，采用数学模型对水源韧性进行评价。Kong等[3]基于图层理论运用网络分析法对城市供水网络与通信、电力等网络的相互依赖韧性进行了动态评估。Pandit等[4]结合城市供水系统6个网络属性，基于供水系统网络拓扑结构提出了一种新的供水系统韧性指标，并用层次分析法对6个网络属性进行了权重分配。David等、Rehak等[5-6]为关键基础架构元素韧性评估设计了CIERA框架，该框架对点、线、面基础设施元素进行非线性聚合，可有效识别系统薄弱环节，并针对性提出增强系统元素韧性的措施建议。根据Krueger等[7]研究，供水系统的安全韧性是指其应对冲击的动态行为，动态响应需要几种相互作用的资本，而人类参与者所采取的行动是通过资本鲁棒性来动员可用资本的一种适应性管理。刘健等[8]构建了反映系统吸收能力、适应能力和恢复能力的城市供水系统弹性能力评估指标体系，利用GIS对供水系统弹性能力展开可视化评估。俞孔坚等[9]阐述了在城市水系统领域弹性的概念发展及应用，评述了水系统弹性的评价方法以及弹性策略。

图1 城市供水系统韧性能力分析框架Fig.1 Analysis framework for resilience capacity of urban water supply systems

城市供水系统一般包括水源、水厂、供配水管网和用户等子系统。目前，对城市供水系统中的水源系统、供配水管网系统的韧性能力评估研究较多，取得了一系列研究成果，丰富了供水系统韧性的内涵。但已有研究往往关注供水系统中的某个子系统，而对水旱灾害下整个供水系统的韧性能力指标体系构建及韧性能力评估的研究鲜见。因此，本文从水旱灾害下城市供水系统韧性的角度出发，针对城市供水系统，基于相关性分析和因子分析构建了城市供水系统韧性能力评估指标体系，采用基于云模型的多层次综合评价模型对城市供水系统韧性能力进行了仿真分析，以期对不同城市的供水系统韧性能力评估与提升提供理论支持。

1 韧性能力评估指标体系

1.1 理论基础

本文基于Balaei[10]和Lukuba[11]等构建的城市供水系统韧性评估框架，将其应用到我国城市供水系统韧性能力的评估中。在城市供水系统全过程管理的基础上(水源系统、水厂系统、供配水管网系统和用户系统)，充分考虑了与城市供水系统密切相关的最小必要关联城市管理系统如社会、自然环境、经济、物理、组织等，构建城市供水系统韧性能力具体分析框架，如图1所示，并在此基础上进一步构建城市供水系统韧性能力评估指标体系。

因此，本文将供水系统韧性能力定义为，供水系统在遭受灾害后，能够抵御灾害，减轻灾害损失，并合理的调配资源以从灾害中快速恢复正常供水的能力。

1.2 指标遴选原则与方法

根据能比较性、代表性、可行性、相关性、不重复性和符合韧性意涵等原则进行指标选取[12]。

(1)指标相关性分析

为保证所选指标科学性、合理性和代表性，选取我国31个省(市)省会城市2012—2017年样本数据，基于可行性及连续性留选48个指标。根据问题研究背景，考虑到水旱灾害威胁也会对供水系统韧性造成影响，所以上述指标中增加了年末水库蓄水量和因水旱受灾人口数2个水旱灾害代用属性指标。指标和数据来源：《全国水情统计年报》《中国城市建设统计年鉴》《国家统计局》《省水资源公报》以及相关参考文献等。

通过计算各指标与人均水资源量、供水综合生产能力、城市居民生活用水量、工业企业用水量和因水旱受灾人口数的皮尔逊相关系数，可以得到相关程度与显著性检验值。将显著水平检验阈值设定为0.01，进行严格筛选。经分析删除掉人口密度、6岁及6岁以上大专及以上人口数、管网漏损率、供水模数、因灾水利设施损失、地区生产总值指数等6个相关性小的指标，最终得到与城市供水系统韧性相关的42个指标(五类指标有重叠，重叠指标只计算一次)。

(2)基于主成分的因子分析法的指标遴选

因供水总量与用水总量两个指标高度相关，不宜进行因子分析，经综合考虑剔除用水总量指标后对剩余41个指标进行因子分析。在对数据进行因子分析之前，进行KMO与Bartlett检验，最终检验结果，见表1。

表1 KMO与Bartlett的检验结果

KMO值等于0.822，对应的sig值为0.000，说明本文指标采用的原始数据适合进行因子分析。采用主成分分析法提取，将数据进行因子分析得到解释的总方差，见表2。

表2 解释的总方差

由表2可见，通过主成分分析提取9个特征根大于1的公因子，且经过因子旋转后这9个公因子的单项贡献率虽发生微小改变，但贡献率累计值都为82.77%，因子旋转前后未发生改变。再结合因子荷载矩阵，对这9个公因子与具体哪几项指标相关进行分析，以便对指标进一步分类降维。根据影响荷载系数，荷载系数取0.5以上，最终删除14个指标，留选27个指标。

通过查阅相关韧性理论文献，并结合上述因子分析结果，把上述9个公因子视为影响供水系统韧性的9个影响因素并进行归类命名，结合上文韧性能力分析框架，最终形成5个指标体系维度：组织——1号因子，经济——2号因子，自然环境——3和7号因子，物理——4、8和9号因子，社会——5和6号因子。具体因子分类结果，见表3。

1.3 指标体系构建

基于上文韧性能力分析框架，如图1所示，结合因子分析结果，构建城市供水系统韧性能力评估指标体系，见表4。

表3 因子分类结果

表4 韧性能力评估指标体系

1.4 指标赋权——熵权法

将多个年份的指标权重取平均数，并把此权重作为一个定值，当对不同评估对象进行评估时也采用此统一权重来计算韧性评价值，这样能够快速对某个地区供水系统韧性能力进行评估，并使评估结果更具有可比性。指标权重计算结果，见表5。

表5 韧性能力评估指标权重

2 韧性能力评估云模型

2.1 云模型概念

李德毅[13]提出云模型的概念，是定性概念与定量描述相互发生不确定性转换的数学模型。现有的定性评价主要存在主观性和随意性大等问题，云模型克服了上述缺点，能够对评价客体进行有效的评估。

设u是用数值表示的定量论域，C是U上的定性概念，若定量数值x∈U是定性概念C的一次随机实现，x对C的确定度u(x)∈[0,1]是有稳定倾向的随机数，即

u:U→[0,1],∀x∈U,x∈u(x)

(1)

则x在论域U上的分布称为云模型，简称云，记为C(x)；每一个x称为一个云滴。

云模型在整体表征一个概念时，由期望Ex，熵En和超熵He三个数字特征来实现，如图2所示。

图2 云的数字特征Fig.2 Schematic illustration of the digital features of the cloud

2.2 模型构建步骤

在确定隶属度时，传统的模糊隶属度是固定值，而采用云模型计算指标隶属云时，指标对评价集的隶属度不是精确和唯一的，因而减小了主观性和难度[14]。

基于云模型建立多层次综合评价模型的步骤[15-16]如下：

(1)对评估对象建立因素论域U和评语论域V。

(2)采用1.4章节计算的指标权重W。

(2)

由于边界值是两种相邻级别的过渡值，两种级别的隶属度相等，因此有：

(3)

即

(4)

(4)由评价对象指标值计算各个指标对应系统层每个等级的云模型隶属度矩阵C′=(cij)n×m，其中，Cij为不同隶属度情况下的平均值(运行X条件正态云发生器N次)：

(5)

(5)系统层评价集V上的模糊子集B′通过指标层权重集W′与隶属度矩阵C′进行模糊转换得出:

B′=W′*C′=(b1，b2，…，bm)

(6)

式中，bj表示待评价对象对第j条评语的隶属度：

(7)

依据最大隶属度原则，选择j条评语最大的隶属度所对应的第i个评价等级作为系统层评价的结果。

(6)同理，由系统层权重集合W与系统层模糊子集B′进行高层次模糊转换得出目标层模糊子集B；然后，依据最大隶属度原则得出目标层综合评价等级结果。

3 实例分析

3.1 研究区域与数据来源

青岛市人多水少，降水时空分布不均，特别是近几年来，出现了由极端天气引发的严峻供水危机。随着经济社会的快速发展和城市化水平的不断提高，供水安全已成为当前制约青岛市经济社会可持续发展的“瓶颈”因素。因此，青岛市构筑了“三大水源”原水供应、主城区“四纵三横”管网输配、全青岛市“一环三线”统一调配的大供水体系。本文数据来自2008—2017年度《青岛市水资源公报》《青岛市统计年鉴》《青岛市统计公报》《山东省统计年鉴》等。

3.2 韧性能力评估计算

根据所建立的韧性能力指标体系、韧性能力评估指标标准，利用式(2)(4)用正态云模型表示各指标等级标准。

以参加失业保险人数指标为例，利用式(1)和云矩阵R，运用正向正态云发生器建立评价指标标准的正态云隶属度函数，如图3所示。利用X条件云发生器得出各指标值隶属度矩阵，设生成云滴数N=800，将青岛市2008—2017年数据代入重复计算800次得出各评价等级的平均隶属度。

表6 韧性能力综合评估结果

图3 正态云隶属度函数图Fig.3 Membership function graph for normal cloud

最后根据云模型计算步骤(5)和(6)得出综合评估结果，如表6和图4所示，图4纵坐标数字1、2、3、4、5分别对应评估等级：低水平、较低水平、中等水平、较高水平、高水平。

基于综合评估结果可知，自2011—2017年，青岛市供水系统韧性能力等级处于中等水平，2008—2010年处于较低水平，韧性水平整体发展趋势良好。各供水子系统中，水源系统韧性能力一直处于低水平，且十年来并未改善；用户系统韧性能力，2008—2009年处于低水平，2010—2016年处于中等水平，2017年处于较高水平，整体呈阶梯状上升趋势；水厂系统韧性能力十年来一直处于较低水平；供配水管网系统韧性能力，2008—2016年趋势稳定，处于中等水平，2017年有所上升，处于较高水平。自2010年以来，各子系统韧性能力排序，用户系统和供配水管网系统韧性能力相当且排名最高，其次为水厂系统，最后为水源系统。

续表6

图4 韧性能力云评估等级趋势Fig.4 Trends in cloud assessment levels of resilience capacity

结合青岛市供水现状进行分析，近年来青岛市经济发展水平和城镇化率逐年提高，社会保障体系日趋完善，2017年人均GDP已达到11.90万元，城镇化率72.57%，城镇基本医疗保险年末参保比例91%，因而，不断提高的经济发展水平、逐渐增强的组织管理和社会服务保障能力可能是造成用户系统韧性水平呈阶梯状上升的主要原因。2016年9月青岛市政府发布了《青岛市水源建设及配置“十三五”规划》，其中水源建设工程主要包括水库、塘坝等拦蓄工程和集雨工程、再生水利用和海水利用等其它水源供水工程；水资源配置工程指水源取水口到水厂的管线、配套泵站等输水基础设施。供配水管道建设周期短、投入产出效率较高，系统韧性能力提升效果明显，这与供配水管网韧性能力评估等级变化相吻合，韧性能力等级由2016年的中等水平提升到2017年的较高水平；水源和水厂工程建设周期长，只有投入使用运营后才能发挥实际效益，因而水源和水厂韧性能力等级增长周期较长，短期内提升幅度较小，结合2016年和2017年的评估结果可以得到验证。虽然2017年用户和供配水管网系统韧性能力得到了提升，但是对供水系统整体韧性能力水平贡献程度有限，2017年供水系统整体韧性能力仍处于中等水平。分析发现，水源系统韧性能力低水平是造成这种现象的主要原因，水资源短缺是青岛市供水系统整体韧性发展的短板，改善水源条件、加强水源建设对于提高供水系统韧性能力至关重要。

4 韧性能力提升策略

供水系统韧性能力大小与评估对象权重大小、评估等级高低紧密相关。用户系统权重最大，评估等级也最高；水源系统权重次之，但评估等级最低；水厂系统权重处于第三位，评估等级较低；供配水管网系统权重最低，但评估等级处于中等水平。因此，各子系统对供水系统韧性能力影响程度综合排序依次为水源、用户、水厂、供配水管网；按照评估指标的权重大小排序，前12项主要指标为人均水资源量、节约用水量、年末水库蓄水量、城镇居民人均可支配收入、治理废水项目完成投资、供水管道长度、供水综合生产能力、参加失业保险人数、供水总量、城镇基本医疗保险年末参保比例、人均地区生产总值、建成区供水管道密度。经过对比分析可以看出，影响供水系统韧性的主要因素可以归纳为4个方面[17-20]：水源生态条件、经济发展水平、用户用水效率、关键供水基础设施，因此，可从上述4个主要因素来探讨城市供水系统韧性能力提升策略。

(1)转变发展理念，加强水源保护力度。摒弃“先污染后治理，边治理边污染”的发展模式，坚守生态功能保障基线、自然资源利用上线、生态安全底线三大发展红线。统筹山水林田湖草系统治理，加强水资源保护、水污染源头防治和过程治理、生态河道治理、湿地保护与恢复等工程建设。全面建立湖长制，不断深化河长制，保障河湖湿地健康，促使水生态进入良性循环，全面提升水生态环境韧性。

(2)提高区域整体经济实力，增强系统承载能力。经济发展水平是区域供水系统承载能力的重要影响因素，贯穿供水系统韧性构建的全过程，并且在防灾、救灾各环节中起着重要作用。经济发展水平较高的地区，产业结构合理，基础设施完善，社会成熟度较高，一旦出现外来灾害，可以迅速应对，并可以较快地进行灾后恢复[19]。同时，随着城镇化的不断加快，城郊和乡镇用水需求逐渐增大，这对实现城乡供水一体化提出了严峻挑战。因此，在保障城区经济增长的同时，也要加大对城郊和乡镇的投资力度，大力推进新型城镇化，突破行政边界的“抱团式”经济发展，以缩小区域经济内部差异。

(3)提高社会节水意识，提升用户用水效率。节水概念深入社区、学校及单位组织，全面提高社会节水意识。实施供水和用水双控制，提升用水效率，使得万元GDP用水量、万元工业增加值用水量等主要用水效率指标达到全国领先、国际先进水平。

(4)统筹水源调配管理，建设全域供水体系。坚持区域多水源调配，加强供水网络建设。对市级区域供水一体化来说，既要充分考虑不同地域的用水特点，也要考虑全市统筹的系统性，水源统筹调配，区域水厂互联互通，提高供水系统可靠性，加强市级供水骨干网络与区域供水网络联通，增强供水系统韧性，保障全域供水安全。

5 结论

本文针对水旱灾害下城市供水系统韧性能力评估问题进行了研究。基于相关性分析和因子分析，构建了城市供水系统韧性评估指标体系，采用熵权法确定各指标统一权重值，给出了基于云模型的青岛市供水系统韧性能力综合评估结果。经评估，青岛市供水系统整体韧性能力处于中等水平，影响其韧性能力主要因素为水源生态条件、经济发展水平、用户用水效率、关键供水基础设施。为保证城市供水系统韧性能力的持续提升，针对青岛市供水系统，从影响供水系统韧性的4个主要因素对韧性提升策略展开讨论，为进一步提高供水系统韧性能力水平提供决策支持。本文创建的韧性模型是静态的，供水系统韧性往往是其对干扰的动态行为，因此，在干扰状态下的韧性动态评估将是下一步研究的重点。