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哈尔滨市供水安全评价 摘要 水安全问题的研究起源于2 0 世纪7 0 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。 我国是一个水资源短缺的国家，目前，我们面临着水多、水少、水脏、水浑等 水问题。近几十年来，随着我国人口的增长、经济的发展以及用水上的不尽合 理等原因，水安全问题已经严重影响我国经济的可持续发展及和谐社会的建 设。因此，保障水安全，具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。 城市供水安全是指城市供水系统能够适应经济和社会发展的需要，充分保 证城市居民生活用水、城市工业用水、城市生态用水和消防用水，同时必须满 足用户对水量、水质和水压的要求，城市供水直接关系到工业生产和群众生活 的需要，服务是全方位的，影响是全局性的。它与城市经济和社会发展的各 要素，形成一种不可须臾分离的关系，是反映城市发展水平的重要标志。因 此做好城市供水安全保障工作具有重要的现实意义和战略意义。 本文以“哈尔滨市供水水量安全评价”为研究的主要方面，在简要概述了 研究的背景和意义的基础上，以水安全的概念、内涵及其发展历史为出发点， 以哈尔滨市为例，应用p s r 模型，着重介绍了供水安全( 水量方面) 的评价指 标体系的建立步骤、原则等，在对比了几种成熟的评价方法的优劣点后，选用 了实用性、有效性较强的灰色关联分析方法，找出影响哈尔滨市全年供水总量 的几个主要因素，并以此为理论依据，针对评价的结果，结合哈尔滨市的现有 相关条件和发展规划，提出了切实可行的对策、措施，。为保证未来哈尔滨市的 供水可以满足未来城市发展的需要，使哈尔滨市可以更快、更好的发展提供了 条件，且对我国其他城市的类似的水安全评价问题的研究具有一定的参考、应 用价值。 关键词：城市供水：安全评价：指标体系：灰色关联分析：p s r 模型 e v a l u a t i o no nw a t e rs u p p l ys e c u r i t yo fh a r b i nc i t y a b s t r a c t t h ew a t e rs e c u r i t yr e s e a r c ho r i g i n a t e df r o mt h e19 7 0 s ，a sh u m a nu n d e r s t a n d i n g o ft h e d e e p e n i n g w a t e rc r i s i s e x p e r t s a n dg o v e r n m e n t sa n di n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o n sp a ya t t e n t i o no nw a t e rs e c u r i t yr e s e a r c h c h i n ai s ac o u n t r yw h i c h s h o r to fw a t e rr e s o u r c e s ，a tp r e s e n t ，w ef a c eal o to fw a t e r ，l e s sw a t e r , t h ew a t e r d i r t y , m u d d yw a t e ra n do t h e rw a t e ri s s u e s i nr e c e n td e c a d e s ，a sc h i n a sp o p u l a t i o n g r o w t h ，e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n du n r e a s o n a b l eu s eo fw a t e ra n do t h e rf a c t o r s ， t h e s es e r i o u s l ye f f e c to no u re c o n o m y ，s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dh a r m o n i o u s s o c i e t yc o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，e n s u r i n gw a t e rs e c u r i t y i so fg r e a tr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c ea n df a r r e a c h i n gh i s t o r i c a ls i g n i f i c a n c e u r b a nw a t e rs u p p l ys e c u r i t yi st h eu r b a nw a t e rs u p p l ys y s t e mt of i tt h en e e d so f e c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，s u f f i c i e n tt oe n s u r eu r b a nw a t e r ，u r b a ni n d u s t r i a lw a t e r , c i t yw a t e ra n df i r ew a t e re c o l o g y ，a tt h es a m et i m em u s tf i tw a t e ru s e r s w a t e rq u a l i t y sa n d w a t e rp r e s s u r er e q u i r e m e n t s ，u r b a nw a t e rs u p p l yi sd i r e c t l yr e l a t e dt oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a n dl i v i n gn e e d so ft h em a s s e s s e r v i c ei sc o m p r e h e n s i v e ，i m p a c ti sg l o b a li nn a t u r e 谢t t l u r b a ne c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n te l e m e n t s ，t of o r mar e l a t i o n s h i pc a nn o tb e s e p a r a t e de v e nf o ram o m e n t ，r e f l e c ta i li m p o r t a n ts y m b o lo f u r b a nd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ， ag o o ds a f e t ya n ds e c u r i t yo fu r b a nw a t e rs u p p l yh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d s t r a t e g i cs i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，t h em a i na s p e c t so ft h es t u d yi ss a f e t ye v a l u a t i o no fw a t e rs u p p l yi n h a r b i n o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho ft h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，t h ec o n c e p to f w a t e rs e c u r i t y ，m e a n i n ga n dh i s t o r yo ft h es t a r t i n gp o i n t ，i nh a r b i n ，u s et h ep s rm o d e l ， f o c u s e so nw a t e rs u p p l ys e c u r i t y ，t h ee s t a b l i s h m e n to fe v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo ft h es t e p s ， p r i n c i p l e s ，e t c ，a f t e ri nc o n t r a s to ft h es 仃e n g t h sa n dw e a k n e s s e so fe v a l u a t i o nm e t h o d s ， c h o s ep r a c t i c a l i t ya n de f f e c t i v e n e s sg r a yr e l a t i o n a la n a l y s i s ，f i n dt h es e v e r a lm a j o ri m p a c t s o fh a r b i n st o t a la n n u a lw a t e rs u p p l y ，o nb a s i so ft h et h e o r y ，f o rt h er e s u l t so ft h e e v a l u a t i o n ，c o m b i n e dw i t he x i s t i n gr e l e v a n tc o n d i t i o n sa n dd e v e l o p m e n tp l a n n i n gi nh a r b i n ， p u tf o r w a r dp r a c t i c a lm e a s u r e s ，t oe n s u r ef u t u r ew a t e rs u p p l yo f h a r b i nc i t yt om e e tt h e n e e d so ff u t u r eu r b a nd e v e l o p m e n t ，p r o v i d ec o n d i t i o n sf o rt h ef a s t e ra n db e t t e rd e v e l o p m e n t o fh a r b i n a n di th a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et oo t h e rc i t i e si nc h i n as i m i l a rt ot h es a f e t y e v a l u a t i o no fw a t e r k e yw o r d s ：u r b a nw a t e rs u p p l y ；s e c u r i t ye v a l u a t i o n ；i n d e xs y s t e m ；g r a yc o n n e c t i o n a n a l y s i s ；p s rm o d e l 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 插图清单 水资源相互作用模式图4 本文的技术路线7 指标体系建立原则关系图1 0 p s r 模型概念图12 哈尔滨行政规划图j 1 8 哈尔滨水系图2 2 表1 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表4 1 表4 2 表4 3 表格清单 水安全的影响因素5 哈尔滨市主要江河天然年径流量一2 2 区、县( 市) 行政分区多年平均水资源量2 3 2 0 0 8 年实际用水情况2 7 哈尔滨市各县供水情况2 9 哈尔滨市供水安全评价指标体系3 0 均值化处理结果3 3 参考序列与比较序列的关联系数表3 7 5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒月巴王些厶堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲* 呈 签字吼孙年孚月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 巴兰些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金卫王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲埤笑 签字日期：矽加年年月甥日 学位论文作者毕业后去向：去睫 工作单位： 通讯地址： 导师盼叩今a 砖 签字日期：矽年乒月绣日 电话： 邮编： 蚓扔柳 致谢 本文是在我尊敬的导师陶月赞教授、童芳老师的悉心指导下完成的。陶老 师深厚的学术造诣、严谨求实的治学精神、宽广的胸怀、诲人不倦的美德以及 对学术前沿敏锐的洞察力，使我终生受益。童芳老师耐心、细致的指导，也让 我收获良多。在攻读硕士学位期间，在学习、工作、生活各方面都得到了陶老 师无微不至的关怀和帮助，在论文的选题、写作、算法的改进、创新及论文撰 写过程中，都倾注了他大量的汗水和精力。在此，我向他表示最崇高的敬意和 最真挚的感谢! 并祝愿恩师身体永远健康! 生活愉快! 工作顺利! 阖家幸福! 感谢张玲华等家人以及室友刘天伟、刘彦涛、吴空、李晓琪、李阳、余轶 鹏，他们都在生活和学习上给了我许多的关心和帮助，才使我顺利地完成了论 文工作，取得了一个又一个的进步。我对他们表示衷心的感谢! 在论文的完成过程中还得到了恩师门下兄弟姐妹的帮助，特别是王海滨、 王利军、王丽娟、刘军、王会文、杨洋等同学。在这里对他们表示感谢! 感谢所有关心、支持、帮助我的亲人、老师、同学、! 感谢即将为本文的审阅付出辛勤劳动的各位专家! 作者：郑昊 2 0 1 0 年4 月于合肥 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 1 1 1 研究的背景 水安全问题的研究起源于2 0 世纪7 0 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。 2 0 0 0 年3 月在瑞典斯德哥尔摩召开世界水讨论会中指出，为实现用水安全，我 们面临着的主要挑战来自满足基本需要、保证食物供应、保护生态系统、共享 水资源、控制灾害、赋予水价值、合理管理水资源等7 个方面，表明人类社会 对水安全的关注程度越来越强烈【l 】。 我国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全 球水资源的6 ，居世界第四位，但人均只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平均水平 的1 4 ，在世界名列1 2 1 位。是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。全国 6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水 城市达1 10 个，全国城市缺水总量为6 0 亿立方米。此外，目前全国多数城市 地下水受到一定程度的点状和面状污染，日趋严重的水污染不仅降低了水体的 使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，而且还严重威胁到城市居民的饮 水安全和人民群众的健康。城市水安全问题已经成为制约城市社会经济发展的 瓶颈因素。由此可见，2 1 世纪我国水资源供需面临严峻形势，如果在水资源开 发利用上没有大的突破，在管理上不能适应残酷的现实，水资源很难满足国民 经济发展的需求，水资源危机将成为所有资源问题中最严重的问题，它将威胁 中华民族的腾飞，前景十分令人担忧! 【2 3 】 哈尔滨市水资源分布特点是东北部和东南部县( 市) 水资源较丰富，而中 部和西部县( 市) 、区水资源严重缺乏，其分布依东一中一西递减，呈贫富不均 的态势。哈尔滨市是全国1 0 大缺水城市之一，市民年占有水量仅占世界人均 水平的1 2 5 ，占全国人均水平的5 0 。磨盘山水库供水后，哈市仍将处于较 为严重的缺水状态。按哈市市区目前每天可供水量1 0 7 万立方米计算，哈市一 年的缺水量相当于市区居民、工厂、企业4 9 天的用水量。特别是2 0 0 5 年的因 吉化爆炸引起的松花江水污染全城停止供应自来水4 天事件，导致了物价乱涨、 民心混乱，直接威胁到了居民的生命财产安全。今后，随着哈尔滨社会生产的 发展，人民生活水平和城市化水平的提高，各方面的需水量还会不断地有所增 加，水安全的形势将会更加严峻，如不采取相应的措施将会阻碍社会经济的发 展，甚至影响到社会的稳定。 1 1 2 研究的意义 城市供水安全是指城市供水系统能够适应经济和社会发展的需要，充分保 证城市居民生活用水、城市工业用水、城市生态用水和消防用水，同时必须满 足用户对水量、水质和水压的要求，做好城市供水安全保障工作具有重要的现 实意义和战略意义【4 】。城市供水的安全运行，一方面为城市的开发建设提供了 优质生活用水水源，稳定了社会环境；另一方面随着一些城市水食品工业的快 速发展，对水质要求越来越高，特别是加入w t o 后，很多食品业积极参与国际 竞争，为此必须把优质水源放在首要位置并确保城市供水安全运行。从长远来 看，城市供水安全运行，城市居民生活用水及工业用水可以得到可靠保证，同 时，水源水质也有保证【5 j 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水安全的概念和内涵 对水安全的问题认识上，各国学者给出了不同的定义及理论方法。b r o w nl r 和bh a l w e l i 认为水资源短缺将直接影响到食物或粮食安全。m a r kr o s e g r a n t 和r u t h m e i n z e dd i k c 注意到了曼谷、雅加达等地的水安全问题引起的用水卫生 问题和生态环境问题，提出了采用新技术和利用市场机制保障水安全的办法。 我国学者陈家琦认为水的安全保障应当涉及以下几个方面的内容：为支持社会 和经济发展的需要，对各类用水要求提供适当保证程度的、质和量都可满足要 求的水供应：通过江河治理，减轻因洪涝造成的灾害损失，保护人民生命财产， 维系社会稳定；努力增加可利用水量，开发除河川径流和地下水之外的可利用水 源；不断改善水环境，治理水污染，减少污染源，并与整个环境治理同步；推行 合理用水和节约用水，实行水资源统一管理，治理水土流失现象；注意开发利用 水资源对有关生态和环境的影响。阂庆文和成升魁探讨了全球化对我国水资源 安全的影响，提出了全球化背景下的中国水资源安全对策。洪阳、姜文来等学 者认为水安全问题是指相对人类社会生存环境和经济发展过程中发生的与水 有关的危害问题，例如洪涝、溃坝、水量短缺、水质污染等并由此给人类社会 造成损害例如人类财产损失、人口死亡、健康状况恶化、生存环境的舒适度降 低、经济发展受到严重制约等等。洪阳认为水是水质与水量的统一体，由于人 类活动影响，使得水资源减少，污染加剧，改变了水文循环平衡，并且降低了 水质，该作用后果是隐性、广泛和滞后的，当长期作用累计超过承受阀值时， 就会危及自然、社会经济系统的正常运转，引发水安全问题；由于人类不可持 续的社会经济活动使得水体弱化或长失正常功能，不能维持其社会与经济价 值，危及人类对水的基本需求，进而引发一系列的社会和经济问题。韩宇平、 阮本清在区域水安全评价指标体系初步研究中认为水安全可以理解为：在 现在或将来，由于自然的水文循环波动或人类对水循环平衡的不合理改变，或 是二者的耦合，使得人类赖以生存的区域水状况发生对人类不利的演变，并正 在或将要对人类社会的各个方面产生不理的影响【6 】。郭永龙、武强在中国的 水安全及其对策探讨中进一步将水安全问题划分为由干旱、洪涝等造成的自 2 然性水安全问题以及由认为活动造成的人为性水安全问题【_ 7 1 。成建国、杨小柳 的论水安全则认为：水安全是指这样的一种社会状态：人人都由获得安全 用水的设施和经济条件，所获得的水满足清洁和健康的要求，满足生活和生产 的需要，同时可使自然环境得到妥善保护i s 。张翔、夏军等在水安全定义及 其评价指数的应用中指出水安全的定义如下：“水的存在方式( 量于质、物 理于化学特性等) 及水事活动( 政府行政管理、卫生、供水等) 对人类社会的 稳定与发展是无威胁的，或者说存在某种程度上的威胁，但是可以将其结果控 制在人们可以承受的范围之内【9 j 。 在对水安全的认识上，有着不同的观点，但是其内涵是基本一致的。对人 类而言，水安全就是使人类获得能满足其基本生理和生活需要的用水量，对社 会经济而言，水安全就是社会经济系统获得能维系其可持续发展的蓄水量，对 环境而言，水安全就是环境系统获得能维持或改善环境质量的用水量。从更深 层次上理解水安全的内涵，还要考虑人文属性，即人群必须感觉到水供应、水 环境、洪水预防是安全的。 从上述论述中，我们可以看出，城市水安全的内涵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城市水安全问题，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 0 , 1 1 , 1 2 】。水资源相互作用模式 如图卜l ： 1 2 2 水安全的影响因素 水安全包括缺水安全、水质安全、防汛安全、饮用水安全、制度安全五个 方面的自然性安全问题，又包括粮食安全、经济安全、生态安全和健康安全等 四个人为性水安全问题。这里所说的水安全强调水资源能够支持经济的发展， 即提供水量和水质保障，并且具有适中的供水价格；水安全强调生态系统的最 低需水应该得到保证，人类不能挤占过多生态用水而使生态系统崩溃；水安全 强调要确保易受水灾害威胁的人群免遭与水有关的危险i l3 。1 。 为此，把水安全的影响因素分为五类p j ： ( 1 ) 饮用水安全类。即区域可饮用水资源数量及其相应水质状况，它是一 个地区水资源安全程度的重要评价依据。( 2 ) 水供需安全类。反映的是在经济 社会发展的驱动下，人类对水资源的开发利用能力的增长，为满足人类物质生 活、经济社会发展所需的保证程度等。( 3 ) 水控制安全类。表示与水资源利用 用及其所产生的影响密切相关的水安全问题，它是衡量不同产业“除水害、兴 水利 过程中的安全状况的重要依据。( 4 ) 水管理安全类。体现了在用水管理 方面的技术进步及程度。( 5 ) 水生态环境安全类。生态环境是社会协调和持续 发展的重要因素，是人类赖以生存和发展的物质基础。与水安全有关的生态环 境影响因素是评价和分析区域生态环境，制定相关的生态环境保护战略的重要 基础工作。这五个大类基本上涵盖了水安全问题的六个方面，近而也对粮食安 全、健康安全和经济安全产生重要的主导作用。其主要的影响因素见下表1 2 ： 图l 一1 水资源相互作用模式图 1 2 3 水安全评价方法 水安全评价不仅要考虑一个地区的水资源状况，还要综合评价与之相关的环 境、生态、社会、政治等多方面因素。程国栋探讨了虚拟水战略的政策含义， 提出了实施虚拟水战略对策建议，指出实施虚拟水战略是保障水与粮食安全的 重要措施之一；郑通汉指出建立水资源安全预警系统是保障水安全的有效途 径；夏军指出水循环基础研究在水安全管理中的作用；另外，对水安全综合评 价模型方面，英国生态与水文中心( c e n t e rf o re c o l o g y & h y d r o l o g y m c e h ) 提 出了水贫困指数( w a t e rp o v e r t yi n d e x w p i ) 来进行水安全评价【1 8 , 1 9 】，张翔、 夏军、贾绍凤等又将上述理论应用于了海河流域，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 4 表1 i水安全的影响因素 影响因素分类影响因素 自来水普及率 人口缺水率 饮用水安全 污水灌溉面积 水源水质达标率 水问题导致的死亡人数 人均水资源量 亩均水资源量 地表水开发程度 地下水开发程度 水供需安全 污水利用率 工业万元产值取水量 农业灌溉面积 人均生活用水量 亩均灌溉水量 供水保证率 单位体积c o d 含量 废污水排放量占地表水量百分比 工业废污水排放达标率 水生态安全 生态需水量占总资源量的百分比 植被覆盖率 水土流失面积比例 污水处理率 水资源综合利用率 管理人员学历结构系数 管理信息化投资比例 水资源费征收率 水管理安全 水市场发育情况 水价合理性 取水许可制度的建立 究，张军岩、张士锋则建议从水资源总体安全、水资源社会安全等方面构建水 资源安全评价指标体系。刘永刚、孙凡通过对影响区域水安全的若干重要因素 进行分析整理，引入层次分析法对影响水安全的各个因素进行量化分析，然后 剔除其中权重较小的因素，形成相对合理的评价指标体系【3 2 o 。 目前，国内外已提出了一些水安全的评价方法，如不确定性方法、系统动 力学方法、风险分析方法、层次分析法和优化方法等。在我国，韩宇平等建立 了多目标模糊优选模型并用该模型对我国部分省级行政区的水安全状况进行 了评价【2 ，樊彦芳等利用层次分析法进行了水环境安全综合评价，陈绍金利用 距离指数层次分析综合法对湘江流域的水安全状况进行了评价，邱德华建立了 区域水安全战略的系统动力学模型和区域水安全的等级评价模型g p p g e ，卢敏 等利用集对分析( s p a ) 模型对小城镇的水安全进行了评价。 水安全问题已引起了国内外学者和政府部门、国际组织的广泛关注，已成 为学术界水资源研究的热点问题，而作为水安全主要内容的基于指标体系的水 安全评价的研究，目前并不多，也并不成熟。基于指标习题的水安全的评价的 核心内容包括指标体系的构建和评价方法的设计，主要还存在以下问题：目 前并没有统一的公认的评价指标体系，已有研究都是根据实际的研究区域选定 部分指标作为水安全评价指标体系；基于指标体系的水安全评价是多因素影 响下的复杂的非线性分类问题，解决这里问题的常用方法方法主要包括专家打 分法、层次分析法、灰色关联分析、模糊评判、人工神经网络以及物元分析法 等等，这些方法各有优点但也有不足，神经网络模型中的网络结构需要经验确 定，模糊评判、物元分析等在评价过程中都需要根据经验确定评价指标权重， 评价结果具有一定的人为性 2 2 - 2 4 j 。 1 3 研究内容及技术路线 以哈尔滨市为例，在通过查阅黑龙江省统计年鉴，充分收集、分析影 响哈尔滨市供水安全各因素基础上，借助p s r 模型，建立适宜的水安全评价指 标体系，运用灰色关联分析方法，针对哈尔滨供水安全内容之一的水量方面， 找出影响哈尔滨市全年供水总量的主要因素，并据此探讨合理的对策及改进措 施，为保证未来城市供水量可以满足城市发展需要，调节、改善哈尔滨市供水 安全状况，使城市更快更好地发展提供科学依据。 ( 1 ) 从水安全的概念入手，分析水安全概念的兴起和演进，论述水安全 理论的形成，提出水安全的基本概念，分析其影响因素及内涵，简单介绍了几 种成熟的水安全评价方法及其各自优缺点。概括性的介绍了本文的技术路线。 ( 2 ) 以哈尔滨市实际情况出发，通过p s r 模型，选取合适的指标，建立 哈尔滨市供水安全评价指标体系，分析各种水安全评价方法，选取比较合理的 灰色关联分析方法进行供水安全评价，得出以“哈尔滨市全年供水总量 为参 6 考序列与比较序列的关联度大小排序，并以此为基础，制定确实可行的对策及 改进措施，并以此为经验，对全国所有重点城市的供水安全进行评价，为改善 我国城市水资源紧张的状态提供一定的科学依据。 本文的技术路线： 图1 2本文的技术路线 7 第二章供水安全评价体系的建立和评价方法 2 1 指标体系的概念 指标，来源于拉丁文，含义是揭露、指出、宣布、使公众知道、评估、标 明之意。指标是复杂事件或系统的信号，是一组反映系统特性或显示发生何种 事情的信息，是从数量方面说明一定社会总体现象的某种属性或特征，它的“语 言是数学。指标可以简化关于诸如水安全之类的发杂现象的信息，以便更容 易沟通。 一个指标可以是一个变量或一个变量的函数，指标可以使定性变量，也可 以是序列变量，也可以使定量变量。尽管变量指标很普遍，但当被计量的问题 是难以定量化或当使用定量指标所花的代价很高或者当一些简单的信号足以 说明问题时，定性指标也很重要。既然指标是一组反映系统特性或显示发生何 种事情的信息，那么选择指标时就要有据可依。指标值要准确并有代表性，同 时还要具有一定的功能【2 5 2 引。 指标体系，亦称为评价指标体系，是指为完成一定研究目的而由若干个相 互联系的指标组成的指标群。指标体系是指标形成和确立的基础。指标体系的 建立不仅要明确指标体系由哪些指标组成，而且应该明确各个指标之间的相互 关系【2 9 3 2 1 。 指标体系可以指导所有数据和信息的搜集过程。能帮助决策者从许多不同 的因素中提炼有关的关键信息；建立关联信息系列，以提高其透明性和综合性； 还可以在缺乏信息的情况下帮助确立重要问题，然后再确定必要的数据收集； 指标体系也可以用于搜集信息，通过分析和汇集水安全的评估内容，强调问题 的重点。因此，指标体系是指标形成和确立的基础。 2 2 指标体系的建立原则 2 2 1 建立评价指标体系的基本原则 水安全评价的核心问题，是确定评价指标体系。指标体系是否科学、合理， 直接关系到水安全评价的质量。为此，指标体系必须科学地、客观地、合理地、 尽可能全面地反映影响系统安全的所有因素。但是，要建立一套既科学又合理 的安全评价指标体系，却是一个非常困难的问题。为此必须按照一定的原则去 分析和判断，才有可能较好地解决这一难题【3 引。 ( 1 ) 目的性原则： 指标的选择要紧紧围绕改进系统安全这一目的而设计，并由代表系统各组 成部分的典型指标构成，多方位、多角度地反映系统的安全水平。 ( 2 ) 科学性原则： 指标体系结构的拟定，指标的取舍，公式的推导等都要有科学的依据。只 有坚持科学性的原则，获得的信息才具有可靠性和客观性，评价的结果才具有 8 可信性。 ( 3 ) 系统性原则： 指标体系要包括系统安全所涉及的众多方面，使其成为一个系统： 相关性一要运用系统论的相关性原理不断分析，而后，组合设计安全评价 指标体系； 层次性一指标体系要形成阶层性的功能群，层次之间要相互适应并具有一 致性，要具有与其相适应的导向作用，即每项上层指标都要有相应的下层指标 与其相适应； 整体性一不仅要注意指标体系整体的内在联系，而且要注意整体的功能和 目标： 综合性一指标体系的设计不仅要有反映事故状况的指标，更重要的是要有 反映隐患的指标，事前与事后综合，才能更为客观和全面。 ( 4 ) 可操作性原则： 指标的设计要求概念明确、定义清楚，能方便地采集数据与收集情况，要 考虑现行科技水平，并且有利于系统安全的改进。而且，指标的内容不应太繁 太细，过于庞杂和冗长，否则会给评价工作带来不必要的麻烦。 ( 5 ) 时效性原则： 指标体系不仅要反映一定时期系统安全的实际情况，而且还要跟踪其变化 情况，以便及时发现问题，防患于未然。此外，指标体系应随着社会价值观念 的变化不断调整，否则，可能会因不合时宜而导致决策失误或非优。 ( 6 ) 突出性原则： 指标的选择要全面，但应该区别主次、轻重，要突出当前带全局性而又极 为关键的安全问题，以保证重点和集中力量控制住那些发生频率高、后果严重 的事件。 ( 7 ) 可比性原则： 指标体系中同一层次的指标，应该满足可比性的原则，即具有相同的计量 范围、计量口径和计量方法，指标取值宜采用相对值，尽可能不采用绝对值。 这样使得指标既能反映实际情况，又便于比较优劣，查明安全薄弱环节。 ( 8 ) 定性与定量原则： 指标体系的设计应当满足定性与定量相结合的原则，亦即在定性分析的基 础上，还要进行量化处理。只有通过量化，才能较为准确地揭示事物的本来面 目。对于缺乏统计数据的定性指标，可采用评分法，利用专家意见近似实现其 量化。 需要指出的是，上述各项原则并非简单的罗列，它们之间存在如下图所示 的关系。也就是说，指标体系设立的目的性决定了指标体系的设计必须符合科 9 学性的原则，而科学性原则又要通过系统性来体现。在满足系统性原则之后， 还必须满足可操作性以及时效性的原则。这两条原则决定了指标体系设计应遵 循政令性和突出性原则，此外，可操作性原则还决定了指标体系必须满足可比 性的原则。上述各项原则都要通过定性与定量相结合的原则才能体现。最后， 所有上述各项原则皆由评价的目的性所决定，并以目的性原则为前提。指标体 系的建立原则间关系如下图2 1 ： 图2 1指标体系建立原则关系图 2 2 2p s r 模型简介 p s r ( p r e s s u r e s t a t e r e s p o n s e ) ，即压力、状态、响应。是环境质量评价 学科中生态系统健康评价子学科中常用的一种评价模型，最初是由加拿大统计 学家d a v i dj r a p p o r t 和t o n yf r i e n d ( 1 9 7 9 ) 提出，后由经济合作与发展组织 ( o e c d ) 和联合国环境规划署( u n e p ) 于2 0 世纪八九十年代共同发展起来 的用于研究环境问题的框架体系。p s r 模型使用“原因一效应一响应”这一思维 l o 逻辑，体现了人类与环境之间的相互作用关系人类通过各种活动从自然环境 中获取其生存与发展所必需的资源，同时又向环境排放废弃物，从而改变了自 然资源储量与环境质量，而自然和环境状态的变化又反过来影响人类的社会经 济活动和福利，进而社会通过环境政策、经济政策和部门政策，以及通过意识 和行为的变化而对这些变化做出反应如此循环往复，构成了人类与环境之间 的压力一状态一响应关系【3 引。 该模型区分了3 类指标，即压力指标、状态指标和响应指标。其中，压力 指标表征人类的经济和社会活动对环境的作用，如资源索取、物质消费以及各 种产业运作过程所产生的物质排放等对环境造成的破坏和扰动；状态指标表征 特定时间阶段的环境状态和环境变化情况，包括生态系统与自然环境现状，人 类的生活质量和健康状况等；响应指标指社会和个人如何行动来减轻、阻止、 恢复和预防人类活动对环境的负面影响，以及对已经发生的不利于人类生存发 展的生态环境变化进行补救的措施p s r 模型回答了“发生了什么、为什么发 生、我们将如何做”3 个可持续发展的基本问题，特别是它提出的所评价对象的 压力状态响应指标与参照标准相对比的模式受到了很多国内外学者的推崇， 广泛地应用于区域环境可持续发展指标体系研究、水资源、土地资源指标体系 研究，农业可持续发展评价指标体系研究以及环境保护投资分析等领域 建立一套完整的p s r 模型是一个复杂的工程，原因之一在于可选取的指 标众多，指标之间既存在关联和重叠，也有不小的差异，具有一定的独立性， 指标的单位也有诸多差异，不便统一。指标的取舍要以系统的完整概括性和直 观解释便利为目标，需要详加考证，选取指标之后亦尚有很多工作要做。 p s r 模型较好地反应了自然、经济、环境、资源之间相互依存、相互制约 的关系，目前已广泛应用于生态安全评价、工业污染评价、湿地健康评价等领 域。模型的概念框图如下图2 2 ： 陌研 i一 图2 2p s r 模型概念图 2 3 几种成熟的评价方法 2 3 1 层次分析法 层次分析法( t h ea n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p ) 是美国著名运 筹学家、匹兹堡大学教授t l s a t t y 在2 0 世纪7 0 年代初提出的。它是处理多目 标、多准则、多因素、多层次的复杂问题，进行决策分析、综合评价的一种简 单、实用而有效的方法，是一种定性分析与定量分析相结合的系统分析方法。 利用层次分析法分析问题时，首先将所要分析的问题层次化，根据问题的 性质和所要达到的目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照这些因素间的 相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分 析结构模型，最后将该问题转化为最底层相对最高层的比较优劣的排序问题， 借助这些排序，最终可以对所分析的问题做出评价或决策。 层次分析法的优点是能把其它方法难以量化的评价因素通过两两比较加 以量化，把复杂的评价因素构成简化为一目了然的层次结构，能有效地确定多 因素评价中各因素的相对重要程度。思路清晰、方法简便、适用面广、系统性 1 2 强、便于普及推广，但层次分析法在进行方案的总体评价时，缺乏一个统一的、 具体的指标量化方法，因而在实际使用中，大多只采用它进行指标权重的分析， 然后用其他方法进行指标值的量化和归一化计算。 层次分析法的计算步骤如下： 1 建立层次分析结构模型： 在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下 地分解成若干层次，同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有影 响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。最上层为目标层，通常 只有1 个因素，最下层通常为方案或对象层，中间可以有一个或几个层次，通 常为准则或指标层。当准则过多时( 譬如多于9 个) 应进一步分解出子准则层。 2 构造成对比较矩阵： 从层次结构模型的第2 层开始，对于从属于( 或影响) 上一层每个因素的同 一层诸因素，用成对比较法构追成对比较阵，直到最下层。 3 计算单一权向量并做一致性检验： 对于每一个成对比较阵计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指 标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量( 归一 化后) 即为权向量：若不通过，需重新构追成对比较阵。 4 计算组合权向量并做组合一致性检验： 计算最下层对目标的组合权向量，并根据公式做组合一致性检验，若检验 通过，则可按照组合权向量表示的结果进行决策，否则需要重新考虑模型或重 新构造那些一致性比率较大的成对比较阵1 3 5 1 。 2 3 2 主成分分析法 主成分分析法( p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ) 也称主分量分析或矩阵数 据分析，是统计分析法中的一种重要方法，在系统分析、评价、故障诊断、质 量管理和发展对策等许多方面都有应用。 在实证问题研究中，为了全面、系统地分析问题，我们必须考虑众多影响 因素。这些涉及的因素一般称为指标，在多元统计分析中也称为变量。因为每 个变量都在不同程度上反映了所研究问题的某些信息，并且指标之间彼此有一 定的相关性，因而所得的统计数据反映的信息在一定程度上有重叠。在用统计 方法研究多变量问题时，变量太多会增加计算量和增加分析问题的复杂性，人 们希望在进行定量分析的过程中，涉及的变量较少，得到的信息量较多。主成 分分析正是适应这一要求产生的。主成分分析适宜于大样本容量的因素分析 【3 6 】 o 主成分分析法的计算步骤： 1 对样本进行标准化处理： 对样本数据进行标准化处理主要包括两部分内容：指标性质的调整和数据标准 化。指标性质的调整主要是区分正指标和逆指标，调整逆指标的方向，使其数 值的变化方向和正指标一致。数据标准化首先是无量纲化，标准化处理的计算 式为： x ；i ； i y - - l y 式中： 薹盏盖瑞亲巍害巧2 击善( 鸭户( j 2 ，n ) x = 五2 置2 ： 五。 x 2 n ： x 吼x m 2 x 。 2 计算相关系数，得到相关矩阵： 计算标准化后的每两个指标间的相关系数，得到相关系数矩阵r 。即 r ：l x x ： m 一1 r 矩阵的元素与样本的方差和协方差有关，相关系数的计算式为 ，；5 嘉善r e # 瓦 于是，得到一个实对称的相关矩阵r 。该矩阵的主对角线上的元素均为1 。 3 计算矩阵r 的特征根及特征向量： 由相关矩阵r 得到n 个特征根： 五以0 同时得到相应的特征向量： ，甜2 ，u n 4 计算贡献率： e j = 丑乃i = 1 ，2 ，n 5 计算累计贡献率： 易= 五乃j = 1 ，2 o ，n 6 计算主成分： 乃= j = 1 ，2 ， 综合分菥：一般取e 。大于8 0 的最小m ，对m 个主成分进行分析。 1 4 ； 2 3 3 因子分析法 因子分析的出发点是用较少的互相独立的因子变量来代替原有变量的绝 大部分信息，因此因子分析法和主成分分析法都基于统计分析法，但两者有较 大区别：主成分分析是通过坐标变换提取主成分，也就是将一组具有相关性的 变量变换为一组独立的变量，将主成分表示为原始观察变量的线性组合：而因 子分析法是要构造因子模型，将原始观察变量分解为因子变量的线性组合，因 此，因子分析法是主成分分析法的发展【”】。 因子分析法的基本步骤： 因子分析的核心问题有两个：一是如何构造因子变量：二是如何对因子变量进 行命名解释。因此，围绕解决这两个核心问题的因子分析有以下三个基本步骤： 1 确定原始变量是否适合进行因子分析： 最简单的方法是计算变量之间的相关系数矩阵并进行统计检验。如果相关系数 矩阵中的大部分相关系数都小于o 3 且未通过统计检验，那么这些变量就不适 合进行因子分析。 2 构造因子变量： 3 因子变量的命名解释 2 3 4 灰色关联分析 灰色系统理论自从2 0 世纪8 0 年代初提出，到现在已经得到了广泛的应用， 尤其是在关联分