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水资源管理指标体系评估
《自然资源学报》2014年第六期
1水资源管理“三条红线”指标体系构建
1.1构建原则综合性原则:
水资源管理“三条红线”涉及水资源条件、水资源配置格局和开发利用程度、经济社会发展水平、生态环境保护程度、水环境状况等多个方面,而这些方面之间存在十分复杂的联系,因此选取的指标应对现代环境下水资源的多属性特征进行全面描述。
可度量性原则:
水资源管理“三条红线”指标要能够进行数值计算,易获取,可量化,可操作。
如:
用水效率红线方面,可用节水设施配套维护情况指标表示,但是考虑到节水设施配套维护情况表征方式繁多,不易定量化,即不具有可操作性。
相比而言,管网漏失率则更容易定量表示输水管道的维护状况。
代表性原则:
影响水资源管理的因素多,与之对应的描述指标也多。
从实用、可操作的角度看,指标不宜过多、过滥,应选择有代表性的主要指标构建指标体系。
代表性指标选取还应具有方向性和独立性,即能够对水资源管理提供指导,并且指标间应具有独立性或弱关联性。
层次性原则:
水资源管理指标涉及多方面,每一方面又存在诸多影响因素。
对于这些方面及其影响因素均可以分别提出相应的指标进行表征。
显然,这些指标存在着层次和隶属关系。
本文采用三级评价指标体系,第一级为属性描述指标,第二级为属性准则性指标,第三级为问题诊断性指标。
1.2评价指标体系初建“三条红线”指标体系分为目标层、准则层和指标层三个层级。
目标层指标对应水资源开发利用、用水效率和水功能区限制纳污三个准则层;通过问卷调查,征询北京市水务局、北京市环保局、北京市水文总站、北京市水科学技术研究院等有关专家领导的建议等方式,可获得对北京市水资源管理现状有表征作用的30个变量(表1);通过专家打分法确定各指标权重(表2),层次分析法[6]筛选指标,确定出最终评价指标(表3)。
1.3筛选与结果在建立目标层、准则层和指标层的递阶层次结构以后,需要确定上下层元素间的隶属关系,首先根据层次分析法建立各指标的比较判断矩阵,然后导出各层元素的权重。
按照判断矩阵的一致性比例CR值是否小于0.1判断矩阵是否具有满意的一致性原则,本研究中,水资源开发利用准则层判断矩阵CR值为0.0948,用水效率准则层CR值为0.0921,限制纳污准则层CR值为0.0999,均小于0.10,所以,三部分均通过一致性检验。
根据30位水资源专家打分的结果,进行层次分析总排序:
由高层次到低层次逐层计算各层次所有因素对于最高层(总目标)相对重要性的排序权值。
得到三个准则层各指标的权重(表2)。
结合水资源管理实际情况及监管的可操作性[13],第一阶段选取权重和大于25%的指标作为监管指标,第二阶段选取权重和大于60%的指标作为监管指标,第三阶段选取权重和大于85%的指标作为监管指标。
筛选结果见表3。
2水资源管理“三条红线”评价方法的建立
为使最严格水资源管理制度能够在北京市各区县量化考核,同时能够在全国范围内得到推广,即横向比较不同城市、地区水资源管理目标的完成情况。
本文以北京市为例,建立了年尺度的水资源管理“三条红线”评价方法。
评价某年北京市水资源管理“三条红线”的得分,首先,根据指标层中各个指标的现状值和目标值,计算每个指标的指标值;然后,利用指标值计算各准则层得分;最后,利用准则层得分计算“三条红线”总得分。
具体方法如下:
(1)指标值计算指标值计算需要同年各个指标的实际值和目标值。
其中,三条红线指标的实际值可通过查阅文献、统计资料等途径获得,三条红线指标i的目标值Zt,目标i计算公式如下:
以t0=2011年、三条红线指标i是用水总量指标为例,解释公式(3)的含义。
k2011是将2010年的用水总量现状值与2015年的用水总量目标值之间的差距平均分成5份,每年完成差距的1/5。
因此,同理,可得到2012―2015年的k值,而“五年计划”的年末2015年k值为1。
因此,每一个“五年计划”的调整系数k都可由公式(3)计算得到。
例如第一个阶段,2011―2015年,北京市三条红线指标的调整系数k如表4。
具体而言,2011―2015、2016―2020以及2021―2025年的指标体系权重可以根据表3中各准则层的指标权重等比例得到(表5至表7)。
(2)准则层得分准则层包括开发利用指标、用水效率指标和限制纳污指标,根据表2中各指标对水资源管理的贡献情况,先将指标分为两类。
相应地,计算方法也有所不同。
第I类指标,在适度范围内,数值越小,对水资源管理的有益贡献越大。
第II类指标,在适度范围内,数值越大,对水资源管理的有益贡献越大。
因此,第I类指标包括:
①总量控制指标,用水总量、工业用水量、农业用水量、万元工业增加值用水量、人均用水量;②效率控制指标,管网漏失率;③限制纳污指标,COD排放量、氨氮排放量。
第II类指标包括:
①总量控制指标,地下水水位;②效率控制指标:
农业灌溉水利用系数、再生水使用比例;③限制纳污指标,河段、水库和湖泊水质达标率。
对于第I类指标,当其低于或等于目标值时为合格。
对于第II类指标,当其高于或等于目标值时为合格。
两类指标的计算方法如表8所示。
3北京市“三条红线”指标目标值预测
本文以2011年为例,评价北京市各区县2011年水资源管理“三条红线”的完成状况。
首先需要预测2015年北京市水资源开发利用、用水效率和限制纳污指标的目标值。
预测方法主要包括指数预测、定额预测、趋势预测等,这些方法均以现有的水资源统计数据为基础,以指标分析为线索,判断未来经济社会发展的水资源需求[7]。
依据北京市实际情况,本文对2015年“三条红线”指标的目标值采用趋势分析及用水定额法进行预测,其中,农业、工业及生态环境用水通过趋势分析得到,生活用水通过用水定额法进行预测,万元工业增加值及河段水质达标率通过趋势分析计算。
(1)趋势分析方法趋势分析方法主要是对历史用水数据进行分析,采用平滑曲线和趋势外推等对未来需水进行预测,包括指数平滑法和趋势外推法等。
指数平滑法就是通过对历史数据进行分析,区别基本模式和随机波动,获得按时间序列的“平滑值”,并以此对未来进行预测。
趋势外推法是根据过去用水总量及相关指标的趋势变动规律,从而推算预测水平年的需水量和相关指标的方法。
(2)用水定额法一般而言,随着经济社会发展和城市化进程,人均生活用水呈现递增趋势。
因此,生活用水可以用下式计算式中:
Ws,t表示第t年城镇或农村生活用水总量;pt表示第t年人口数;DS,O表示初始年城镇或农村人均用水定额;is表示生活用水定额年增长率。
3.1水资源开发利用指标目标值预测
(1)用水总量根据人口增长规律,采用指数预测法,由拟合公式得到2015年人口数将达到2192.3×104人,比2010年人口增加了231.1×104人(图1)。
分别根据每个指标的趋势变化,通过拟合公式确定2015年指标。
由图2可知,2015年农业用水量为8.68×108m3,且近几年农业用水量呈现出趋于平稳的态势,因此推测北京市农业用水量基本达到现状技术水平下的极限,预测其2015年农业用水量维持2010年的水平,即11.4×108m3。
这与北京市“十二五”规划中提到的将2011―2015年农业用水总量维持在12×108m3基本一致[15]。
由图2计算可得,2015年工业用水量为3.92×108m3,在维持现有水平的基础上略有下降,比2010年减少0.18×108m3;通过北京市产业结构调整,限制发展高耗水、高耗能产业,提高利用效率,能够实现工业用水零增长,并且略有下降,符合北京市“十二五”规划用水的变化趋势[15]根据拟合公式,预测计算北京市2015年生活用水量为16.88×108m3;按照居民生活及三次产业人均用水240L/d,预测其2015年人口总数为2192.3×104人,采用用水定额法预计到2015年生活用水将达到19.20×108m3[15]。
由图2可得,2010年环境用水量为4.00×108m3,由于“十二五”期间南水北调进京,增加了北京市的水资源可利用量,环境用水必然会上升,预计2015年环境用水量将达到5.64×108m3,比2010年增加1.64×108m3[15]。
规划年2015年用水总量=生活用水量+农业用水量+工业用水量+环境用水量=41.16×108m3,比2010年增加5.96×108m3。
(2)用水总量的分配从经济、社会和环境三个方面考虑,选取地区生产总值、生产效率、人口和环境用水量4个因子[16-22],其中,生产效率用万元工业增加值耗水量衡量。
根据多年各县用水现状,分别建立水量分配方程:
式中:
qi为i区县分配水量,gi为i区县GDP,G为全市GDP,fi为i区县万元工业增加值用水量,F为全市万元工业增加值用水量,pi为i区县人口,P为全市总人口,ei为i区县环境用水,E为全市环境用水,Q为全市用水总量;ai、bi、ci和di分别为经济、用水效率、人口和环境参数,代表该县GDP、万元工业增加值用水量、人口和环境用水占全市的比例对该区县用水总量贡献的约束;xi为调整参数;调整参数主要参照以往年度用水情况等确定。
根据2007―2010年各县GDP、万元工业增加值用水量、人口和环境用水量用水现状,计算各县水量分配系数矩阵:
每列数值的含义为,以城六区为例,其对应的分配系数a、b、c和d分别为-0.022、0.122、0.189和0.034,这说明,2007―2010年城六区各指标所占比例对用水总量的贡献而言,GDP在用水总量分配中的影响应适当削弱,故分配系数为负值,而其余三个指标对用水总量的贡献应加强,故为正值。
分配结果见表9。
3.2用水效率目标值测算
(1)万元工业增加值用水量选择指数型拟合(图3)。
北京市万元工业增加值用水量呈现减小的趋势,这与北京市工业耗水降低和工业节水技术水平提高有很大关系,据拟合公式预测2015年万元工业增加值用水量为7m3/104元。
3.3水功能区限制纳污目标值测算根据水质一般变化规律,本文选择对数曲线拟合水质达标率趋势。
计算得2015年河段水质达标率目标值64%(图4)。
评价北京市各区县2011年水资源管理“三条红线”得分,根据表3和公式(5),将北京市各区县2011年用水总量、万元工业增加值用水量及河段水质达标率数值代入,得到“三条红线”指标体系的准则层得分和总得分(表10)。
以小于0.7,0.7~1和大于1为标准,可以将各区县评价结果分为三类,如图5所示。
由图5可知,2011年第一条红线,用水总量控制达到目标值要求的有通州、顺义、昌平、怀柔、平谷和密云等区县,城六区、房山区和大兴区接近目标,门头沟区距达标差距大,因为门头沟区2011年用水总量多,比2010年突增了62%(表11)。
第二条红线,用水效率控制达到目标值要求的有门头沟、通州、顺义、昌平、怀柔、平谷和密云等区县,大兴区距达标差距大,因为大兴区万元工业增加值用水量大,比2010年突增了60%(表11)。
第三条红线,水功能区限制纳污控制远未达标的有房山、昌平、顺义、通州等区县。
房山区和大兴区三条红线均未达到目标值要求,为5级,总量、效率、污染控制均需要加强,其中大兴区亟需提高用水效率,房山区的水质状况需进行改善;城六区为4级区,总量和效率需要强化管理;3级区通州和昌平则需要加强污染控制;2级区中门头沟区应注意用水总量的控制,顺义区需要加强污染防治,延庆县需采取措施改进水质状况;怀柔、平谷和密云三个区县三条红线均达标,为1级(图6,表12)。
大兴区作为北京市食品生产供应基地,高耗水的产业结构决定了其用水现状,今后需要推广农业节水技术;房山区的煤炭与建材产业也是高污染的产业,一方面应改进技术,减排治污,另一方面要继续调整产业结构,减少污染产业的比重;城六区人口多,用水压力大,需加强再生水利用;通州和昌平工业企业多,应重点防治污染。
门头沟因农业高耗水,需提高农业节水技术;顺义、延庆县需继续发展生态友好型工业;怀柔、平谷和密云,位于潮白和蓟运河源头,是北京的饮用水源地,更应实施最严格的三条红线水资源管理措施[23-24]。
4结论
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