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城市供水系统脆弱性研究


城市供水系统脆弱性研究
Vulnerability Study of Urban

Water Supply

System

作者姓名 学位类型 学科、专业 研究方 向

歪笪蓝 堂压亟 ±

直堕王猩 遮直丕统王猩 金蕴良数援

导师及职称

2011年4月

㈣r川r…lm…r p川…洲f!fI|i|Ifl『㈣
合肥工业大学 Y1 8860 1 4

本论 学硕士学







独创性声明

城市供水系统脆弱性研究 摘要
作为政治、经济和人民文化生活的中心的城市,是制度创新的主角,是整 个国民经济快速发展的主要拉动力。城市在经济发展中发挥着巨大的凝聚力、 吸引力和规模效应。城市社会经济的快速发展和城市规模的不断扩大及其功能 的不断完善,要求为城市发展服务的基础设施也要随着城市的发展而不断的更 新完善,其中给水系统就是保障城市功能正常运行的一个重要环节。可靠的城 市供水系统是城市赖以生存和发展的基础条件。论文对城市供水系统脆弱性的 概念、内涵以及影响因素进行了探讨。分析了影响城市供水系统脆弱性的影响 因素,将影响城市供水系统脆弱性的因素分为城市干旱、地震等自然因素和人 为攻击、意外事故等人为因素。城市干旱导致干旱缺水致使城市水源水量不足, 人为攻击等人为因素易导致供水系统设施、输配水系统不能安全运行。在此基 础之上结合城市供水系统的自身特点并根据指标体系的建立原则,将其分为5 个子系统即水源、设施、输配水、城市、管理子系统,对各个子系统脆弱性进 行分析确定其影响因素,最终建立了城市供水系统脆弱性评价的初步指标体系。 并且利用模糊层次分析法与加速遗传算法相结合的遗传模糊层次分析法对城市 供水系统脆弱性评价的初步指标体系进行筛选,最终得到城市供水系统脆弱性 评价指标体系,并且根据计算结果确定了各个子系统以及其指标的权重值。 通过城市供水系统脆弱性分析和评价,可以确定系统的薄弱环节,采取相 应措施减少故障的发生,确保系统的安全运行。本文针对城市供水系统脆弱性 存在的大量的随机、模糊等因素,利用集对分析理论的基于联系数的评价模型 对城市供水系统脆弱性进行评价。并将此方法应用在合肥市2008年城市供水系 统的脆弱性评价,评价结果表明合肥市5个子系统的脆弱性等级从高到低依次 为:城市子系统、水源子系统、输配水子系统、管理子系统和设施子系统,整 体供水系统评价的结果处于第二等级即临界脆弱。

关键词:供水系统;脆弱性;集对分析法;遗传模糊层次分析法;联系数;评 价模型

Vulnerability Study of Urban
Abstract
As


ter

S upply System

center of

political,economic and cultural life of the people,the city is the

major

pulling force of speeding up the overall economic development.Cities play great cohesion, attractive

and

scale in economic development.The rapid economic development,continuous


expansion,and function improvement of the city require

continuous improvement of
one

urban infrastructures served for city development,of which water supply system is

of

the important elements

to ensure the

normal operation of urban functions.Rel iable urban

water supply system is the foundation of urban survival and development.In this paper,the concept,content,and influence factors of the urban water supply system frangibility
are

discussed.What have influence

on

urban water supply system frangibility consist of natural

factors like city drought and earthquakes and human factors like human attacks and
accidents.Drought leads to city water shortage and human attacks easily lead to unsafe running of water supply facilities and water distribution system.Thus,with consideration of its own characteristics and the principle of building index system,city supply system is divided into five sub-systems namely water,facilities,transmission and distribution of water,cities,management subsystem and analysis
are

made

for each

subsystem to

determine its frangibility impact factors,in order

to eventually establish a primary index

system for city water supply system vulnerability assessment.An index system for city water supply vulnerability assessment is finally selected by the means of AGA-FAHP,and weighted values of each system and each index has been decided according to calculation results.

Weakness of

the municipal water system has been

figured out

with analysis

and

evaluation,in order tO take appropriate measures to reduce the incidence of failure and
ensure

the safe operation of the system.In this paper,the vulnerability of urban water

supply systems is assessed in aspects of a large number of random,and fuzz factors related

with it by means of the connection number—based evaluation model of SPA theory.Thi s
method is used in water system vulnerability assessment of Hefei in 2008,and results show that the vulnerability of 5 sub—systems of Hefei is in the order of.City subsystem.water

subsystem,water transmission and distribution subsystems,management subsystem and
facility subsystem,and the overall water supply system is in the second grade,namely critical vulnerability.

Key words:water supply system;Vulnerability;Set Pair Analysis Method;Genetic Fuzzy layer Analysis method;number connection;Evaluation model

致谢

本论文是在导师金菊良教授的悉心指导和帮助下完成的,从论文的选题、 构思、到最后修改成文无不倾注了导师的心血。导师在三年时间里给予了我无 微不至的关怀和毫无保留的指导。导师渊博的学术造诣、严谨的科研态度、与 人为善的为人之道、诲人不倦的治学精神无不潜移默化地感染着我,使我受益 匪浅。借此论文顺利完成之际,特向我的导师表示衷心的感谢和深深的敬意! 在论文的写作过程中,得到沈时兴、刘丽老师的帮助,在此表示对老师们 衷心的感谢! 在论文完成之际,感谢给予我帮助的已经毕业的师兄,感谢同门2008级的 付娟、杨思波、荣超、何君和吕明捷以及师弟原晨阳的帮助。在此,表示真诚 的谢意!在此同时还要感谢那些给我帮助的同学和朋友! 感谢国家自然科学基金项目(批准号51079037)“流域水资源系统脆弱性智能诊 断评价与调控理论和应用”、水利部公益性行业科研专项经费项目(项目编号 201001043)“抗旱能力评价及干旱JxL险管理研究”对本文工作的大力支持!在此作者
表示诚挚的谢意。

感谢我的家人和朋友长期以来对我的鼓励和帮助,是他们无私的关心和支 持,使我顺利的完成论文,我对他们表示衷心的感谢! 最后衷心感谢本文引用的参考文献的各位学者及将审阅本文的各位专家, 感谢他们为本文所付出的辛勤劳动!

和蕊
201

1年4月于合肥





第一章绪论………………………………………………………………………………………….1 1.1城市供水系统………………………………………………………………………………1
1.2

脆弱性概述……………………………………………………………….2
1.2.1供水系统中的脆弱性…………………………………………………………4 1.2.2生态脆弱性……………………………………………………………………….5
1.2.3水资源脆弱性……………………………………………………………………..5

1.3

供水系统脆弱性研究……………………………………………………………..6 1.3.1供水系统脆弱性研究的目的及意义……………………………………6

1.3.2供水系统脆弱性研究的现状……………………………………….7 1.3.3城市供水系统脆弱性评价研究现状……………………………一9
1.4本文研究内容……………………………………………………………………………..9 第二章城市供水系统脆弱性评价指标体系的建立…………………………………..11
2.1

城市供水系统脆弱性影响因素分析……………………………………….1
2.1.1 2.1.2



自然因素………………………………………………………………………..1 l 人为因素………………………………………………………………………..1 4

2.2

评价指标体系的概念……………………………………………………………1 5

2.3建立评价指标体系的原则………………………………………………………….16 2.4城市供水系统脆弱性评价指标体系…………………………………………….17 2.4.1水源脆弱性评价指标…………………………………………………………1


2.4.2设施脆弱性评价指标………………………………………………………….20 2.4.3输配水系统脆弱性评价指标……………………………………………2 1 2.4.4城市指标……………………………………………………………………22 2.4.5管理指标……………………………………………………………………23 2.5评价指标体系的筛选…………………………………………………………………..24 2.5.1指标筛选模型……………………………………………………………………24 2.5.2指标筛选的计算………………………………………………………………..26 2.6指标权重的计算………………………………………………………………………..29
2.7小结…………………………………………………………………………………………30

第三章城市供水系统脆弱性的评价………………………………………………………32
3.1

系统评价概述………………………………………………………………………….32 3.1.1城市供水系统脆弱性评价的概念…………………………………….32 3.1.2城市供水系统脆弱性评价的目的以及研究进展。…………………..32 3.1.3脆弱性评价工具及方法………………………………………………………33

3.2

集对分析理论………………………………………………………………………36 3.2.1集对分析基本原理………………………………………………………………36

3.2.2 3.2.3

联系度………………………………………………………………………….37 差异度不确定系数f的确定方法……………………………………….38 集对分析在系统评价中的研究进展…………………………………39

3.2.4

3.3基于集对分析理论的供水系统脆弱性评价………………………………39
3.4小结………………………………………………………………………………………….43 第四章城市供水系统脆弱性评价实例分析……………………………………………。44 4.1合肥市概况……………………………………………………………………………….44 4.1.1合肥市气象与水文水资源…………………………………………………46 4.1.2合肥市供水现状…………………………………………………………….46

4.2合肥市供水系统脆弱性评价……………………………………………..46
4.2.1合肥市供水系统脆弱性评价指标的选择…………………………….47 4.2.2合肥市供水系统脆弱性评价指标权重的确定…………………………47 4.2.3合肥市供水系统脆弱性评价等级标准确定…………………………….48 4.2.4子系统及其指标与评价标准之间的联系数的确定…………………49 4.2.5样本与评价标准之l、日J的联系数的计算………………………………52
4.3结果分析………………………………………………………………………………….52 第五章
5.1 5.2

总结与展望…………………………………………………………………………….54
总结……………………………………………………………………………………….54 展望……………………………………………………………………………………….55

参考文献……………………………………………………………………………………………..56


图1. 图2. 图3. 图3.

图清单


本文研究内容结构图……………………………………………………1

给排水系统功能流程图…………………………………………………l 7 系统评价的流程图………………………………………………………32 AHP法的结构框图……………………………………………………………35

表格清单
表2.1给水系统分解结构
………………………………………………………1 7 ………………………………1 8

表2.2城市供水系统脆弱性评价的初步指标系 表2.3我国城市公共供水漏水率

………………………………………………21

表2.4城市供水系统脆弱性评价指标体系各子系统的重要性排序值咨询表格……25 表2.5城市供水系统脆弱性评价指标体系各子系统的筛选计算值 表2.6水源子系统各指标的筛选计算值 表2.7设施子系统各指标的筛选计算值 表2.8输配水子系统各指标的筛选计算值 表2.9城市子系统各指标的筛选计算值
…………26

………………………………………26
…………………………...…………27

……………………………………27 ………………………………………27

表2.1 O管理子系统各指标的筛选计算值………………………………………27

表2.11城市供水系统脆弱性评价的指标体系…………………………………29
表2.1 2个子系统的权重值………………………………………………………30 表2.1 3水源子系统各指标的权重值……………………………………………30 表2.14

设施子系统各指标的权重值……………………………………………30

表2.1 5输配水子系统各指标的权重值…………………………………………30 表2.1 6城市子系统各指标的权重值……………………………………………30 表2.1 7管理子系统各指标的权重值……………………………………………30

表3.1平均随机一致性指标RI

…………………………………………………34
………………………………47

表4.1合肥市供水系统脆弱性评价的指标体系 表4.2各个子系统的权重值

……………………………………………………48 ……………………………………………48 ……………………………………………48

表4.3水源子系统各指标的权重值 表4.4设施子系统各指标的权重值

表4.5输配水子系统各指标的权重值……………………………………………48 表4.6城市子系统各指标的权重值 表4.7管理子系统各指标的权重值
……………………………………………48 ……………………………………………48

表4.8合肥市供水系统脆弱性评价指标标准……………………………………48 续表4.8合肥市供水系统脆弱性评价指标标准…………………………………49 表4.9合肥市供水系统脆弱性评价指标值………………………………………50
表4.1 0水源子系统各指标的联系数分量………………………………………50 表4.1 1设施子系统各指标的联系数分量………………………………………5】

表4.12输配水子系统各指标的联系数分量……………………………………5 1
表4.1 3城市子系统各指标的联系数分量………………………………………5


表4.1 4管理子系统各指标的联系数分量………………………………………5 1
表4.1 5各子系统的联系数分量和联系数………………………………………5


表4.1 6系统的联系数……………………………………………………………52

第一章绪论
1.1城市供水系统 自建国以来,中国的城市化发展过程为从低速、波动、停滞走向稳定、快 速。如若根据美国城市城市地理学家诺瑟姆(R.M.Northam)总结的一个国家 城市化水平达到了30%以后,该国的城市化将进入加速发展阶段,则依据中国 的城市发展的统计数字,中国的城市化则已经进入加速发展阶段。中国国家统 计局的中国统计年鉴的数据显示,至2001年底,中国共有城市662个,比1 995 年增加了l 95个,增长41.76%。2001年城市市辖区总人口为30400.9万人,比


990年增长了69.5%,而2001年中国城镇总人口占全国总人口的比例达到了

37.7%,与1 990年相比提高了11.3个百分点。

20世纪下半叶,城市已经是我国政治、经济和人民文化生活的中心,是制 度创新的主角,改革丌放之后,从沿海到内陆,城市是改革和开放的主战场。 城市在社会发展和国民经济中的重要地位同益突出,已经成为整个国民经济快 速发展的主要拉动力。城市在经济发展中发挥着巨大的凝聚力、吸引力和规模 效应。目前,中国城市用水占全国水资源消耗量的30%以上,中国全国工业总 产值的50%以上集中在城市,国内生产总值的70%、第三产业增加值的85%和 高等教育以及科研力量的90%以上都集中在城市(中国科学院,2002)。国家
《“十五”城镇化发展重点专项规划》指出,2 l世纪中国社会经济发展的重点

之一将是“推进城市化”的战略,并且将其视为“我国现代化建设必须完成的 历史任务,“推进城市化”的战略是促进国民经济良性循环和社会协调发展的重 大举措”。《中国城市发展报告》指出随着中国的城市化的发展城市化率将不断 提高,发展到2050年中国的城市化率将达到55%。由各个方面来看,城市化 的数量以及质量,都体现中困社会经济发展的水平。 城市社会经济的快速发展和城市规模的不断扩大及其功能的不断完善,要 求为城市发展服务的基础设施也要随着城市的发展而不断的更新完善,其中给 水系统就是保障城市功能讵常运行的一个重要环节。进入2l世纪,对于处于历 史变革和社会经济快速发展时期的中国,城市作为政治、经济和文化的中心, 还将在改革和发展中处于重要地位。为保证城市可持续发展,则必须采取有利 有效措施,保证城市各种基础设施的正常运行以及各种资源的供应。 水是城市发展的战略性经济资源和基础性自然资源,即水是维持城市可持 续发展的必需品和最大消费品。水是地球上一切生物赖以生存并且不可替代的 物资条件,水是城市发展的命脉,也是城市形成、发展以及生存的重要条件。 城市的兴建都与水有着密切的联系,世界上几乎所有的文明发源地都是傍 依河湖,依靠可供水源而发展起来的,例如中国的黄河、印度的恒河以及埃及 的尼罗河等。因此,我们可以蜕,没有水就没有城市,更没有城市的可持续发

展。 城市供水系统必须满足连续性,不能间断性,受季节变化影响较小,并且 城市要求供水保证率一般在90%以上;城市用水对水质较高要求,尤其是生活 用水和工业中的产品用水,须达到国家标准。城市供水系统必须以足够的水量、 合格的水质、充裕的水压供应城市各种用水,不但能够满足近期的需要,还要 兼顾到城市的发展。城市供水如果跟不上城市发展的进程,供水系统不能保障 城市用水安全,则城市发展将受到严重制约。一个城市供水系统,包括水源系 统、水处理系统、输配水系统、调节与储存系统。城市供水系统和排水系统、 电力、煤气、交通、通信等系统共同组成了城市赖以生存的基础设施系统,它 们的破坏将会导致城市的瘫痪或是使城市不能『F常运行,因此,保证城市供水 系统安全、可靠的运行,是保证市民的基本生活和城市功能正常运行的一个致 关重要环节。 在全球都高度关注水资源利用的同时,专家学者及各国政府则需要直面面 对供水水质、水量和安全保障的问题。除了现在已经引起大众关注一些的原因, 如水源污染加重的趋势问题、一些水厂的水处理工艺落后和供水设施老化等原 因影响供水安全外,城市供水系统的管理漏洞及人为的破坏活动等问题,也引 发了人们对城市供水系统安全的担忧。水安全问题在世界上一直都是受到普遍 关注的问题,随着经济社会的发展,中国政府也认识到了水安全问题的重要性, 尤其是对城市供水的安全保障问题极为关注。 近年来,中国城市供水工程设施随着城市的快速发展也加大了发展的速度, 有了一定基础,但存在发展不平衡的问题,不同地区城市基础设施差别很大。 从整体来看,中国城市供水系统建没现状水平不高,供水水工程设施滞后,无 法满足城市经济飞速发展及人民生活提高的需要。 城市化进程不断加快,进而人口和工业在空l、HJ上不断向城市与城市集聚区 域集中,这样就导致了城f订需水量越来越大,城市用水问题也越来越受到重视, 因为水资源问题已经成为了城市可持续发展的瓶颈因素。然而城市化进程的速 度仍然在加快,城市用水在空问上的集中趋势也越来越明显。此时,城市供水 系统的研究就尤为突出,如若城市供水系统的研究跟不上时代的步伐,跟不上 城市化进程的速度,则城市供水系统的发展将严重制约城市的可持续发展。 总之,积极加快城市供水的发展步伐,稳定地向城市提供质优、量足、压 够的用水,是关系城市可持续发展的大事。城市供水系统的建设要结合城市可 持续发展的方针,立足于城市的现状,充分考虑城市未来的发展状况。保证城 市供水系统可靠、安全的运行,可以保证市民的基本生活和城市功能的『F常运 行以及最大限度的保障城市的可持续发展。

1.2脆弱性概述

从20世纪90年代以来,关于脆弱性问题的研究大量涌现、且有快速增 长的趋势,并且在资源、灾害、环境、经济等领域中已经成为研究的热点,学 术界越来越关注脆弱性的研究,在全球变化的背景下,脆弱性的研究正在成为 新的学科研究方向和科学前沿,并J下在发展为一门新颖的脆弱性科学13J。从l 967 年到2005年在2286份出版物中脆弱性术语出现了939次,且近年来呈快速增 长趋势‘41。 有关脆弱性的研究起源于自然灾害领域,1981年Timmerman P.首先是在地 学领域提出有关脆弱性(Vulnerability)的概念15J。目前,在很多领域都涉及到了 脆弱性的研究,例如在资源、生态、环境、计算机网络等领域中现在已经有学 者做出了相应的研究,并且已经有了相关的文献,但是由于脆弱性的模糊性、 层次性、非线性、动态性、未确知性等复杂的特征,一个能被普遍认可并接受 的脆弱性概念尚未形成,则有关脆弱性的定义目前学术界还没有统一的定义, 就脆弱性概念的问题还存在分歧。因此,当前脆弱性科学一个重要的研究内容 是建立一个通用的脆弱性概念框架,并且建立一个通用的脆弱性概念框架也 是脆弱性研究的一个难题,脆弱性研究的发展在很大程度上取决于此【4 J。由二f 系统本身的复杂性及其脆弱性的复杂与不确定性等自身的特点,使得对系统 脆弱性的研究面临很多困难,系统脆弱性研究尚未成熟16 J,这极大的限制了脆 弱性科学的发展。 李鹤【4l,张平宇,程叶青根据众多学者对脆弱性这一概念的界定,而将脆弱 性的概念总结归纳为四类: 1)系统脆弱性是指暴露于不利影响或遭受损害的可能性,其典型的界定主
要有:

(1)系统可能暴露于灾害及其不利影响的概率问题"】;

(2)由于强烈

的外部扰动事件和暴露组分的易损性,导致生命、财产及环境发生损害的可能
性【8】。

2)系统脆弱性指遭受不利影响损害或威胁的程度,其典型的界定有:

(1)

系统或系统的一部分在灾害事件发生时所产生的不利影响的程度[91;(2)系统、 子系统、系统组分由于暴露于灾害(扰动或压力)而可能遭受损害的程度11…。 3)系统脆弱性是指承受不利影响的能力,其典型的界定是有:
(1)社会个

体或社会群体应对灾害事件的能力,这种能力基于他们在自然环境和社会环境 中所处的形势l…; (2)社会个体或社会群体预测、处理、抵抗不利影响,并
2‘。

从不利影响中恢复的能力Il

4)脆弱性是一个概念的体系,其典型的界定是,(1)脆弱性应包含三层含 义:①它表明系统本身固有的内在不稳定性;②该系统对于外界的干扰和变化 比较敏感,即敏感性;⑨由于外来干扰和外部环境变化的影响,使得系统、群 体或个体容易遭受某种程度的损失或损害,并且难以复原1131;
(2)暴露单元

由于暴露于压力或扰动而容易受到损害的程度以及暴露单元处理、应对、适应

这些压力和扰动的能力称其为脆弱性114];

(3)系统因为暴露于社会和环境变

化带来的压力及扰动,并且系统缺乏相应的适应能力而导致容易受到损害的一 种状态称其为脆弱性Il引。 2006年Birkmannn归纳出了5类脆弱性概念:内在风险因素的自然脆弱性: 可能受到伤害及其程度的脆弱性;具有敏感性与应对能力双重结果的脆弱性; 具有暴露程度、敏感性、适应能力、应对能力等多特征结构的脆弱性;具有自 然、经济、社会、环境、制度等多维特征的脆弱性Il引。 有关脆弱性的概念的研究,不同的研究领域之间还存在分歧,虽然还没有完 全的统一,但是有关于脆弱性的概念也初步达成了一些共识14 J。 (1)脆弱性客体具有多层次性,目前,脆弱性的概念已经被应用到不同层 次,研究对象涉及人群、城市、市场、产业、资源等多种有形或无形的客体。 (2)影响脆弱性研究客体的因素具有多样性。以供水系统为例,影响供水 系统脆弱性的因素有很多种类,既有来自供水系统本身固有,也有来自其外部 的,并且不同的影响因素之间还存在复杂着相互作用。 (3)虽然不同的研究领域对脆弱性的概念还存在分歧,但是有关脆弱性概 念的研究,在不同的研究领域还是运用了一些共同的术语。如敏感性、抵抗力、 恢复力、适应能力等概念已成为构成脆弱性概念的重要元素。 (4)脆弱性总是针对特定的扰影响而言。系统并不是针对任何一种影响都 是脆弱的,系统本身在遭受扰动后具有恢复能力;系统面对不同的扰动以及不同 程度的影响会呈现出不同的脆弱性,因此,脆弱性与影响系统的特定因素联
系密切。

1.2.1供水系统中的脆弱性 供水系统受到的风险包括:自然灾害、蓄意灾害、事故等【l 71。在城市发展 的过程中,城市供水系统所受到的各种风险都会给城市居民生活带来很大的不 便与巨大的经济损失。例如,杭州同供水量60多力.吨的九溪水厂于2003年9月因 变电站突然跳闸,导致水厂停电,机房停止运转,水厂被迫停产,导致部分城 区用水的水压降压严重,而不能满足用户的用水需求;河南汝阳县在2003年10 月发生了蓄水池被人恶意投毒,致使64名居民出现中毒症状;2007年7月占整个 郑州市供水量40%的郑州中法供水公司与供电公司因为纠纷停电,致使郑州大 面积停水【1 3J;2007年5月,太湖蓝藻在短期内积聚爆发,导致太湖水质恶化, 不能满足供水水源水质标准要求使得城区出现了大范围的自来水发臭现象。


976年的唐山地震,致使唐山市70%80%的供水泵房破坏严重,并且造成市

区管网破坏的,使得唐山市区供水全部瘫痪,同时又因为排水管网的破环,严 重污染了饮用水水质,影响了市民的健康;1 995年4月】9同,俄克拉荷马州联邦 政府爆炸事件,关闭了市政给水部门;美国旧金山l 906年发生的地震导致了城



市管网破坏,消防水源断绝,使得由地震引起的火灾无法控制和及时扑灭,造 成800多人死亡和4亿美元的财产损失。 由于“9?ll事件"及各类水质污染事件的影响和各种供水事故的影响,使 各国都认识到着重考虑供水系统安全运行与管理的重要意义。如美国先后颁布 了生物恐怖主义法、国家安全法等相应的法令以及美国环保局公布的相关草案; 并且美国在2002年颁布的《生物恐怖主义法》(PLl07 l 88)中规定所有服务人口 超过3300的供水系统都要实行脆弱性评价【体】。世界其他各国也都加强了对城市 供水系统的保护工作,以此,确保城市供水系统的安全运行。

1.2.2生态脆弱性 关于生态系统脆弱性的研究由来已久,20世纪60年代的国际生物学计 划、70年代的人与生物圈计划以及80年代的地圈、生物圈计划都把生念系 统脆弱性作为重要的研究领域II…。 有关生态系统脆弱性的定义已有许多研究者都提出了自己的见解,概括起 来主要有以下几种理解和认识12 01。1)赵平‘2’1等以自然属性或尘念系统方面的 变化类型和程度来定义,认为生态系统的正常功能被扣‘乱,超过了弹性自我调 节的“阈值”,并由此导致反馈机制的破坏,系统发生不可逆变化,从而失去 恢复能力,称为脆弱生态系统;2)周劲松【22l等认为生态系统发生了根本变化, 并且影响到当前或近期人类的生存和自然资源的利用时,称为脆弱生态系统。 此外还有一些研究人员对生态系统脆弱性给出了其他定义。如王小月.1231 认为生念系统脆弱性是指在生态系统特定区域条件下自身所具有的属性,生态 系统脆弱性仅仅在“外力干扰”的驱动下才能呈现,生态系统脆弱性的大小可 通过稳定性和敏感性等指标进行定量化评价。商彦蕊【24.251认为生态系统脆弱性 是指生态系统受到“外力干扰”时,容易发生状态变化,并且改变之后很难恢 复到初始状态。在状态转变的初始阶段,通常会造成不可弥补的损失、对人类 因素的影响特别敏感、损失和退化一般导致物种多样性降低及生态系统不稳定 性增加等情况的出现。 在气候变化、自然灾害等自然科学领域14,7,261贝0认为脆弱性是系统由于灾害 等不利影响而遭受损害的程度或可能性,其侧重研究单一扰动所产生的多重 影响;在社会科学领域14,27,281认为脆弱性是系统承受不利影响的能力,并且注 重对脆弱性产生的原因进行分析。

1.2.3水资源脆弱性 水资源系统脆弱性研究始于l 968年Margat提出的“地下水脆弱性”,水资源 系统脆弱性的现有定义主要有2类:一是由地下水、灾害、生态系统脆弱性引申 出,最典型的是2002年刘绿柳【291把水资源系统脆弱性定义为水资源系统易遭受

人类活动、自然灾害威胁和损失的性质和状态,受损后难于恢复到原来状态和 功能的性质,包括固有脆弱性和胁迫脆弱性。二是唐国平【3 U1、王国庆13lJ等、James DFetall321等把水资源系统脆弱性定义为在变化环境作用下,水资源系统的结构 和功能发生改变、水资源的数量减少和质量降低、水资源时空分布发生的改变, 以及由此引发的水资源供给、需求、管理的变化和旱涝等自然灾害的发生程度, 主要包括水文系统、水利系统规划与管理、自然地理环境和社会条件等方面的 脆弱性。 水资源系统脆弱性的本义是指系统在环境作用下,系统结构和功能容易破 损的性质,主要由区域水资源系统对气候变化和人类活动等变化环境的敏感性 (系统随环境变化而变化的程度)、系统对变化环境的适应性(系统适应坏境变 化的进化能力)组成的水资源系统脆弱性问题。 政府问气候变化专门委员会(IPCC)推断2050年中国水资源的年人均供给
量将由1 990年的2500 m3下降到1
630

m3,低于国际公认的警戒线1

700

m3。因环

境变化的影响,近40年来中国长江、黄河、淮河、松花江、海河、珠江等六大 江河的实测径流量呈现下降趋势,南方洪涝、北方干旱等极端事件频繁发生, 巢湖、太湖和滇池等众多湖泊富营养化趋势明显。由于地表水量不足或水质恶 化,地下水呈严重超采趋势,地下水位下降、水质恶化。 全国500多条河流已有438条受到严重污染。由于地表水量不足或水质恶 化,地下水呈严重超采趋势,导致土地同益盐碱化和沙漠化、地面沉降、地下 水位下降、水质恶化。可见当今中国水安全问题已十分突出,而水资源系统对 变化环境的敏感性以及缺乏应对能力J下是水安全系统的薄弱环节,它们构成了 水资源系统脆弱性的主要内容。 近10年来许多学者对资源、灾害、生态、安全等系统的脆弱性都做了研究, 有些已经是的研究热点。在这些领域,其系统脆弱性被许多专家学者进行过研 究,其脆弱性概念的提出、发展完善过程阐述的比较详细;掌握不同领域脆弱 性概念的表述,可以为城市供水系统脆弱性概念的提出奠定基础。 目前,中国对供水系统脆弱性方面的研究还比较少,但是面对恐怖主义组织 及各种可能的对供水系统造成的危害和安全性威胁,我们必须对供水系统的脆 弱性进行研究,从而可以对找出供水系统存在的安全隐患和薄弱环节,并且最 大限度的降低恐怖主义及其他可能的威胁和破坏,确保供水系统的安全。

1.3供水系统脆弱性研究 1.3.1供水系统脆弱性研究的目的及意义 城市供水系统是城市基础设施的重要组成部分,供水系统一般由取水构筑 物、水处理构筑物水厂、泵站、调节构筑物以及输配水管网等五部分组成。由 于水的不可替代性,城市供水系统的发展己成为制约中国城市可持续性发展和



建设的重要因素。供水系统的安全直接影响到工业生产和群众生活的需要,牵 动着城市各行各业、千家万户的心。由于其服务是全方位的,影响是全局性的, 因此它们的破坏将会导致整个城市的瘫痪或部分瘫痪,可见保障城市供水系统 安全具有极其重要的地位。 保障供水系统安全、可靠的运行,是保障市民的基本生活及城市功能正常 运行的~个重要环节。为此,对供水系统的脆弱性进行评价与预警研究,有利 于我们及时的采取有效措施以保证城市供水系统正常的运行,也可以为管理者 做好同常安全管理工作,做出合理决策提供科学的依据。城市供水系统脆弱性 评价可以帮助我们检验供水系统内可能存在的薄弱坏节,有利于我们确定合理 的方法以减少风险。 对城市供水系统的脆弱性进行深入分析研究,对保障城市可持续发展具有 现实的指导意义。 供水系统的脆弱性是一个新的概念,但是不可否认它和供水系统的安全 性、可靠性和稳定性都密切相关。减少供水系统故障,提高供水系统的可靠 性,是城市供水系统设计和维护中的重要课题。如何定量分析和评价城市给 水系统的脆弱性己成为一个迫切需要解决的问题。供水系统的脆弱性预警是 对供水系统的脆弱性状况进行分析、评价,对其未来的发展状况进行预测。 供水系统脆弱性预警系统具有超自订性预报的功能,能够提前预测出供水系统 脆弱性演化趋势、方向、速度和后果,在脆弱性问题演化成事故之前及早发 出预警,为供水系统脆弱性控制提供科学依据。建立供水系统预警系统足保 障供水安全的重要途径,城市供水系统脆弱性评价与预警研究可以为管理者 做出科学合理的决策提供依据。

1.3.2供水系统脆弱性研究的现状 30多年日订国外就丌始了对城i订供水系统的脆弱性进行分析研究,美国现 在已经把脆弱性分析作为水司一种基本的、重要的决策制定工具。“9?11”事 件之前,美国就已经对城市供水系统的脆弱性进行了分析和研究Il…。“9?l 1” 事件发生后,各国都更为清楚的意识到城市供水系统的脆弱性问题,各国丌始 着重考虑城市供水系统的脆弱性分析与研究,以此适应不断升级的各种风险。 国外在城市供水系统脆弱性分析研究这一领域主要有以下几种研究方法: 由EPA出资,美国给排水协会和Sandia国家实验室共同丌发的水司风险评价
方法(Risk
Assessment Methodology for

Water Utilities,RAM.W);在EPA的

协助下,由美国国家农村水协会和国家饮用水管理协会丌发的脆弱性自我评价
法(Vulnerability Self-Assessment);由美国海洋和气象管理局丌发的公共事业 单位脆弱性评价工具(the
Community Vulnerability Assessment

Tool,CVAT);基

于1 997年美国国家安全通信咨询委员会(National

Security Telecommunication

Advi.sory

Committee,NSTAC)指出研究对象的脆弱性是暴露程度(Exposure) Model,IRAM);由EPA开发的主要针对城市供水

与可达性(Access)的函数的观点,Ezell提出了基础设施风险分析模型(the
Infrastructure Risk Analysis

系统被人为投毒污染这类威胁进行脆弱性分析的方法一一威胁综合脆弱性评价
法(The
Threat Ensemble Vulnerability Assessment,TEVA)。

目前,中国对有关城市供水系统脆弱性的研究还比较少,还没有形成比较 完整的理论体系。但是也有一些学者做出了一些研究,例如,吴小刚【33J等采用 最小割集理论建立了城市给水管网系统的故障风险评价模型,并且进行了相关 的实例分析。陈佐…1、孙振世【121等分别探讨了与水源地相关突发环境污染事故 和应急机制,以及相应的监测、管理和应急体系建设。鲁娟(1 3J经过对供水管网 的脆弱性分析,而后建立了供水管网脆弱性评价的指标体系,并且通过用水节 点的脆弱性分析函数量化各节点的指标值,最终得到了供水管网的脆弱性等级。 赵元【341通过对区域供水管网的水力脆弱性评价,分析影响输配水系统水力脆弱 性的因素,建立了区域供水水管网的水力脆弱性评价模型,并进行了实例分析。 李浩宾[351通过对城市供水系统脆弱性的分析与研究提出城市供水系统脆弱性 的概念以及一套城市供水系统脆弱性定量化分析的方法,然后,根据城市供水 系统脆弱性的概念,确定了城市供水系统脆弱性的计算方法为威胁水平与功能 缺失程度的乘积。并且分析总结了城市供水系统面临的人为威胁和自然威胁。 分析城市供水系统的脆弱性能够明确其安全以及易损坏节所在,并且能够 为管理者提供优先次序升级安全系统、改善管理政策的依据,确定降低系统风 险的科学方法,有利于增强系统的安全性1351。城市供水系统脆弱性分析主要包 括以下基本要素1351: 1)分析城市供水系统本身所固有的特点; 21评价城市供水系统现有的安全措施: 3)分析由于城市供水系统发生损害而导致的不利结果; 4)分析城市供水系统现存风险并制定降低风险的有效措施; 51确定由于遭受破坏而可能造成不利后果的城市供水系统的关键设施。 由于不同城市供水系统其系统的特点不同,则其脆弱性分析也具有不同的特点, 但是主要包括以下几个方面:系统规模、用户状况、水处理系统及处理流程的 复杂性、水源系统特点、系统的基础设施及其它因素。 通过上述分析可知,国外学者对城市供水系统的安全运行做过大量的研究, 研发了不少城市供水系统脆弱性分析方法,然而这些研究中存在如下不足13 5J: 1)有关城市供水系统脆弱性的定义的问题,研究者之fHJ还没有达成共识, 有不同的观点,缺乏统一的概念表述;并且以往对脆弱性下的定义没有充分体 现城市供水系统的特点,而只是针对系统设施本身所提的,把敏感性、易损性、 不稳定性等代替系统的脆弱性。

2)在对城市供水系统脆弱性分析时,没有有效的将对城市供水系统脆弱性 评价和对城市供水系统本身的安全性结合起来,没有将城市供水系统功能的缺 失、设施的破坏、威胁的发生有效的结合在一起。 3)缺乏通用的城市供水系统脆弱性定量化分析方法。 国内学者对城市供水系统脆弱性的研究较少,还没有形成系统的理论体系。 系统脆弱性研究始于风险研究领域,其脆弱性是指系统受到危险性的干扰与其 造成的损失间的关系。国内水资源系统脆弱性研究始于20世纪90年代中期的 地下水脆弱性研究,常以“易损性”、“易污染性”、“污染潜力”、“防污性能” 等来代替“脆弱性”术语。
“91

l事件"及各类水质污染事件和各种供水事故的的发生使得各国都非

常重视供水系统的安全运行与管理,以便能够适应不断升级的各种风险。为了 对整个供水系统存在的安全隐患和薄弱环节有足够细致和全面的认识和了解, 国内外学者对供水系统的脆弱性进行了大量的研究。供水系统脆弱性评价及预 警等研究也应引起社会各界的高度重视。

1.3.3城市供水系统脆弱性评价研究现状 供水系统是丌放性、复杂的、基础性的的系统。面对城市发展对安全的需 求同渐升级,供水行业有必要重新审视评价自己的系统,这样yJ‘能更好的应对 同益严峻复杂的形势。脆弱性评价有助于检验系统范围内可能存在的薄弱环节, 以及确定能够减少JxL险的合理方法。对当自订脆弱性评价的技术应用情况进行了 全面的总结¨引。 目前国外常用的地下水脆弱性评价方法有GOD指标法,DIVERSITY法以及 DRASTIC法,其中美国环保署于1 987年提出的DRASTIC法应用最为广泛。在美
国、加拿大、南非及欧共体已被广泛地应用在地下水脆弱性研究中136.3 7|。 邹君19】等通过对地表水资源脆弱性的研究提出了地表水资源脆弱性的概

念,分析了影响地表水资源脆弱性的因素。并从脆弱性构成因素上将它们分解 为自然脆弱性、人为脆弱性和承载脆弱性。在此基础之上构建了地表水资源脆 弱性评价的多用途指标体系。最后,采用参数系统法中的计点系统模型(Point
Count System

Modell并结合AHP法确定指标权重来计算地表水资源的脆弱度。

很多学者普遍认为安全的水源地应该是在具有持续供给能力的基础上有足 够的水量、安全的水质以及较强的环境承载能力,对破坏具有一定的恢复能力, 能够保障周边环境处于良好的状态,同时能较大限度地满足人们安全饮用水的
需要【38】。

1.4本文研究内容 有关供水系统脆弱性的研究还比较少,但是供水系统的脆弱性和供水系统



的安全性,可靠性和稳定性等的概念有密切联系。所以有关城市供水系统脆弱 性的研究可以参考供水系统的安全性,可靠性和稳定性等相关的研究内容。 相对于研究比较成熟的水安全的评价,城市供水系统脆弱性评价的研究相 对比较薄弱。但是对城市供水系统脆弱性评价可以使管理者对系统范围内的关 键设施和相关元件有比较客观详细的认识,对其可能遭受的危险管理者可以采 取合理方法以减少其风险。本文通过对城市供水系统脆弱性分析研究,参考水 安全评价有关内容,将基于联系数的评价模型应用到城市供水系统脆弱性评价 中来。本文主要研究内容如下: 1)在了解水安全方面的有关脆弱性研究成果的基础上,借鉴脆弱性相关研 究成果,结合城市供水系统自身的特点,探讨城市供水系统脆弱性的概念、内
涵和影响因素;

2)分析影响城市供水系统脆弱性的因素,根据指标体系的建立原则建立城 市供水系统脆弱性评价的初步指标体系; 3)利用模糊层次分析法与加速遗传算法相结合的遗传模糊层次分析法¨1
(Accelerating Genetic
Algorithm based Fuzzy Analytic Hierarchy Process,

AGA.FAHP)对城市供水系统脆弱性评价的初步指标体系进行筛选。 4)结合城市供水系统的特点,将基于联系数的评价模型引用到城市供水系 统脆弱性评价中,对城市供水系统脆弱程度做出准确的评估,最终确定供水系 统的脆弱性等级;并且将该方法应用到合肥市供水系统脆弱性评价中来。 本文主要研究内容的结构图如下:
总结借鉴前人以及相关领域的研究结果探讨

城市供水系统脆弱性的内涵、概念和影响冈素

Jr
构建城,1i供水系统脆弱性评价的初步指标体


对评价初步指标体系进行筛选并确定各指标
的权重


确定评价模型

Jr
实例戍川

图1.I本文研究内容结构图

10

第二章城市供水系统脆弱性评价指标体系的建立
城市供水系统脆弱性评价就是检验城市供水系统范围内可能遭受危险侵袭 的关键设施和相关元件,预测和评价外部影响对城市供水系统可能造成的损害, 评价城市供水系统本身以及其对于外部影响的抵抗力以及从不利影响中恢复的 能力。从而有助于确定能够减少危险损害的科学合理方法。完成城市供水系统 的脆弱性评价,就可以对城市供水系统的薄弱环节有一个比较清楚的认识,并 且对城市供水系统的安全形式和运行方式进行确认和分级,以便管理者根据其 脆弱性程度进行分步调整与实施。脆弱性评价的最终目标是保障公众健康和安 全并减少外部威胁对供水系统的不利影响及潜在破坏;并且为管理者提供决策
依据。

城市供水系统脆弱性与诸多的自然、社会、经济要素有着紧密的联系,要 对城市供水系统脆弱性进行评价,必须要了解影响城市供水系统脆弱性的因素, 对其要进行分析,在此基础之上建立相对应的评价指标体系。本章内容为浅析 影响城市供水系统脆弱性的因素,结合城市供水系统的特征以及依据建立评价 指标的原则,建立城市供水系统脆弱性评价的指标体系;并且利用层次分析法 对指标进行筛选。

2.1城市供水系统脆弱性影响因素分析 城市供水系统是一个丌放复杂系统,具有复杂系统的特点。城市供水系统 包括原水水源(地表水或地下水)、原水渠道或管道、原水水池、水处理设备、 输配水管道、泵站和阀门、水塔或水池等环节。系统本身具有不确定性,则城 市供水系统本身也具有一些不确定性,进而影响供水系统的安全;此外系统所 处的环境也会影响系统的稳定性,即城市供水系统的脆弱性受到系统外部环境 的影响,由此我们可以将影响城市供水系统脆弱性的因素分为两大类:第一就 是城市供水系统本身固有的脆弱性,我们简称为固有脆弱性;第二就是相对于 系统本身而言‘的外在的影响因素,我们成为外界因素;而外界因素有人又可分
为自然威胁和人为威胁。

城市供水系统的固有脆弱性与城市供水系统本身的特征有关,如供水规模, 管网的连接形式,运行特点等;供水系统的周边环境、安全设施等因素确定了 城市供水系统面临的外界威胁。

2.1.1

自然因素 国内有关城市供水系统面临的自然威胁因素及其对城市供水系统的影响已

经进行了研究,并且得到了一些可靠的研究成果,为相关管理部门做出科学合 理的预防与应急措施提供了依据【3 51。

本文根据以往的研究成果总结了城市供水系统面临的自然威胁及其危害, 列举了城市供水系统面临的一些自然威胁及影响后果。
1)

台风

台风的破坏主要由强风,特大暴雨和风暴潮造成。强风能掀翻万吨巨轮, 使地面建筑物和通讯设施遭受严重损失;特大暴雨会造成河堤决口,水库崩溃, 洪水泛滥。特大风暴更会产生毁灭性灾害。2001年广西连受“榴莲”、“尤特” 两个台风袭击,致使全区48个县市区上千万人受灾,40多万人一度被洪水围 困。2007年8月的台风“圣帕”使得湖南337)j-人受灾。201 0年台风“鲇鱼” 致使福建60多力.人受灾。 台风对城市供水系统的影响主要有使水库形成巨浪、水位高出水坝,致使 水坝受损;使电缆中断使电力及通信系统失效;对水处理系统设施造成破坏使 城市供水中断。
2)

暴雨

暴雨容易造成城市积水,交通瘫痪,危旧房屋坍塌,严重时会使河水暴涨,水库 垮坝,山洪暴发,房屋被冲毁及使城市供水系统瘫痪等,给社会经济和人民的生命财 产带来严重的危害和损失。l 996年,河北、湖北、湖南、安徽、广西、贵州许多 省市发生洪灾,许多城市进水被淹,柳州市受淹损失达到了1 03亿元Il引。1 998 年大洪水,使长江、松花江相当一部分提防超设计水位挡水,有300多公罩堤
防低于洪水位。l 998年大洪水使全国共有29个省(自治区、直辖市)遭受了

不同程度的洪涝灾害。据各省统计,农F日受灾面积2229万公顷,成灾面积1

378

万公顷,死亡41 50人,直接经济损失255 1亿元。而暴雨对城市供水系统的影

响主要表现在对水库、河流、水处理系统、泵站等的影响,暴雨形成的城市洪 灾对城市供水水源造成污染,严重时可能造成整个城市的供水中断。
3)

干旱

城市干旱是指城市因遇特桔水年或连续枯水年,造成供水水源不足,实际 供水量低于『F常供水量,生活、生产和生念环境受到影响的现象【I引。干旱缺水 是全球面临的一个非常重要的问题,干旱对城市供水系统的安全运行和环境等 有着显著的影响。世界银行提供最新的报告显示:近40%的世界人口不能保障 有足够的干净用水。目前,我国干旱缺水问题同趋突出,根据有关资料统计显 示我国现有城市中有400个城市缺水,其比例高达70%,城市年缺水总量高达
60亿m3【3 91。

干旱不仅影响了作物生长,造成作物减产,而且还会引起城乡缺水,影响 工农业生产,造成城乡人畜饮水困难。干旱缺水对区域城乡生活以及对城市的 可持续发展有着严重的影响。在特殊干旱期会造成城市供水水源水量减少、水 质下降,并且会对城市供水的水压产生影响,而且会增加城市供水企业的运行 成本。这样就严重制约了城市社会和经济的发展。

4)

地震【40J

破坏性地震会造成人员的伤亡,且地震会对建筑物、构筑物、地面及山体 等自然物造成直接灾害性破坏。破坏性地震会对城市造成巨大的人员伤亡和经 济损失。而地震对供水系统可能造成的影响有以下几个方面。 第一地震对水源地可能造成的破坏是引起水库大坝的严重破坏或溃坝,可 能会造成坝体的轻度开裂以及坝座岩体和附属建筑物受损;可能会使地下水收 集井受到破坏;可能会使地表水源及地下水源出现水质污染现象。最终可能造 成城市供水的水量、水质、水压不能满足要求。 第二地震可能会对输水系统造成破坏,输水渠道空问跨度大,遇地震可能 会造成管道的断裂、扭曲、漏损等而中断输水;可能也会对附属建筑物造成毁 坏。最终结果可能是无法满足水量的要求以及出现水质污染,严重时可能造成 供水中断现象。 第三地震可能会对城市配水系统造成破坏,地震可能使管道出现爆管、漏 水;使管道三通、阀门、弯头等受损以及可能会对消防栓、加压泵造成破坏。 最后会出现的结果则是水量不足,水压达不到要求,水质二次污染,严重时可 能造成供水中断。此外,地震对供水管网的破坏也表现有滞后性和延续性。地 震在造成大量管道的破坏,同时也使供水管网出现大量的潜在威胁及薄弱点, 这些威胁及薄弱点成为了同后发生管网事故的隐患。 地震震后使供水系统存在许多不确定性因素,使管理者对管网的状态难以 评估,供水水量与同常情况差别较大。震后供水管网的漏损率变大,并且震区 的供水管网出现不同程度的管网失压的问题。 第四地震可能会对城市地表净水厂造成破坏,地震可能会对水厂的办公楼、 水厂内建筑造成了一定破坏,不利于水厂的管理工作;水厂化验室的倒塌会使 常舰的水质检验不能在水厂完成,降低供水的工作效率;地震可能会对水处理 工艺设施造成影响,如清水池、沉淀池、滤池等出现裂损,影响供水系统的运 行;地震也有可能会使配套的电力系统受损,而影响供水系统的rIF常运行。 第五地震还可能产生多种的次生灾害进而影响城市供水系统的正常运行; 例如地震可能引发火灾、海啸、泥石流、滑坡等。
2008年5月1 2同,四川汶川发生了8.0级特大地震,“5.1 2汶川”大地震

导致的供水设施破坏、管网破损、停电等对灾区人民的饮水安全构成极大的威 胁【4¨。汶川大地震使得重灾区城市的绝大部分供水系统受到,形重破坏,致使 四川I全省供水管网受损达7800 km,共1
28 l处取水工程受到破坏,800多个水

池损坏,同时由于地震引起的山体滑坡、泥石流等次生灾害也给灾区的供水安 全带来了众多威胁14…。
5)

山体滑坡、泥石流

山体滑坡、泥石流可能威胁到的城市供水系统的部位是:水库、河流、输

水干管、水处理系统、泵站等。山体滑坡、泥石流可能会使水库水坝崩溃造成 以水库为供水水源的城市供水水源水量不足以及出现洪水灾害现象;山体滑坡、 泥石流可能会造成河流沉淀物增加,影响供水水质;山体滑坡、泥石流可能会 使输水干管断裂而使供水中断,并且会损坏水处理系统的构筑物以及泵站设施 而中断供水。
6)

火山爆发

火山爆发会威胁供水水源水库和河流,造成水源水被污染,水质出现问题, 不能满足供水水质要求。
7)

水传染病

水传染病对供水系统的潜在威胁就是污染水源水质以及水处理系统,造成 的传播,将影响用水用户的健康安全。
8)

极端天气

任国玉等lJ9J认为中国水资源问题的产生不仅与人口和社会经济快速发展 有联系,更与气候环境的显著变化密切相关。极端天气会改变水资源的时空分 布,一定程度上影响区域供水量,增加了供水难度;极端天气会造成干旱这样 就要增加了农业和生态用水,因此,降低了城市可供水量;极端的高温天气使 城市总需水量上升,加剧城市供水压力;极端气候事件降低了城市供水系统的 稳定性,加剧这些地区供水紧张态势。 2003年7月高温时广州市城市用水量不断上升,最高同供水量达393万立 方米,使得广州七大水厂全部满负荷运行14
21。

2.1.2

人为因素 目前,国内有关城市供水系统面临的人为威胁及其危害还没有过多的研究,

在“9?1 1’’事件发生前,对城市供水系统遭受人为威胁的事件的报到比较少,

有关这方面的资料还不是很全面,给研究工作带来了一定的困难。
“9?1

1”事件发生以后,美国实施了一系列的措施加强城市供水系统的安

全性建设,以保证城市的社会与经济的发展;美国对城市供水系统面临的人为 威胁而造成的供水系统的脆弱性进行了研究,并且将研究成果应用到水司的同 常管理和安全设施改造中;现以下内容是对城市供水系统面临的人为威胁及影 响后果进行的总结p
1)
5’。

人为攻击

人为攻击的方式有:中断控制系统、中断电力系统、化学生物的污染等; 由此而可能威胁到的供水系统中的元素为水坝、水库、沟渠、河道、水处理系 统、清水池、水塔、供水干管、泵站、管网、泵站等。中断控制系统的潜在的 危害是造成水坝、水库、沟渠、河道、清水池、水塔、供水干管结构性损坏而 造成供水水源水量不足、洪灾、供水中断的后果;中断控制系统可能威胁到管

网设施损坏,使得供水水量减小、水压降低;还可能使水处理系统和水质监测 系统失控而使供水中断以及影响公众健康;中断控制系统也有可能使泵站停止 运行而中断供水。中断电力系统可能会造成对水库、水坝的监控和控制系统失 效,致使原水供给中断;中断电力系统也会对水处理系统及泵站停止运行有潜 在威胁,进而会造成城市供水中断。化学生物的污染对供水系统的水库、河道、 水处理系统、清水池、水塔和管网有威胁,威胁的后果是造成水源污染,水质 达不到供水的要求,最终可能影响公众的健康。
2)

意外事故

以外事件的威胁方式有入侵电脑、污染物泄露、操作失误等,入侵电脑对 供水系统的潜在威胁是使整个供水系统的控制系统失效,使得供水中断、水质 下降;污染物泄露可造成供水水源污染,影响公众的健康;操作失误可造成整 个供水系统设施损坏及系统失效,产生水质污染或者供水中断。
3)

系统故障

系统故障表现形式就是供水系统运行失常,可能影响到供水设施以及系统 的失效,最终可能造成水质污染、供水中断。

2.2评价指标体系的概念 指标体系是复杂系统的信息集合,是一组反映系统特性或影响系统特性的 信息,是可以从数量方面说明了系统现象的某种属性或特征1431。指标是可以简 化关于诸如脆弱性、安全之类的复杂现象的信息。 一个指标可以是一个变量或多个变量的函数,指标可以是定性变量,也可 以是定量变量(如城市自来水普及率、城市人口总数)。虽然变量指标更直观的 反应系统的特性以及更容易在研究中应用处理,但是当指标是难以定量化时或 当使用定量指标所要花费的代价很高或者当一些简单的定性指标足以说明问题
时,这时定性指标是优于定量指标的1431。

评价指标体系,是指为完成一定研究目的而由若干个指标组成的指标集合
【4

31。指标体系建立时不仅要明确指标体系有那些指标组成,也要指明指标结构。

因此在建立指标体系时既要包括个个指标,也要包括指标的概念、计算范围、 计量单位等。 指标体系的建立过程就是搜集所有数据和信息的过程;研究者要从许多不 同的因素中综合分析出与研究内容有关的关键信息,进而建立关联信息系列; 然后还要确定必要的数据收集和整理;通过分析和汇集城市供水系统脆弱性的 评估内容,进而建立城市供水系统脆弱性评价的初步指标体系。因此,从指标 体系的概念以及建立过程可以知道指标体系的基本结构可以是多指标集合、树 型结构、丛型结构和矩阵结构形式。

2.3建立评价指标体系的原则 城市供水系统脆弱性评价指标选择的原则: 1)系统性原则 城市供水系统是一个开放的复杂的系统,它具有系统整体性的特点,因此, 其评价指标的建立应从城市供水系统的整体出发,在单项指标的基础上,构建 能全面、科学地反映城市供水系统脆弱性的因素及其产生长期影响的各项指标, 构建的城市供水系统脆弱性评价指标体系,应能客观系统地反映城市供水系统 脆弱性与研究地区整个社会、经济、人口和生态环境、资源等系统以及供水系 统本身的相互作用和相互影响、体现城市供水系统脆弱性的内在层次结构。 2)科学性原则 评价指标的设计应尽可能全面地反映城市供水系统脆弱性的各风险因素的 涵盖内容、基本特征和城市供水系统脆弱性成因机制,运用相关的城市供水的 知识,结合社会学、经济学、管理学、工程学及有关学科理论能解释指标体系 的内在联系,确保评价指标的可信度和有效度。系统评价的目的之一就是是为 决策提供依据【1一l;因此,评价的质量直接影响着决策的正确性。 3)易量化,易操作原则 建立评价指标体系时应概念完整、意义明确、可操作性强,并且应满足指 标计算所需的数据易于获得,此外,在统计和计算上应该具有一致性才能够确 保最终结果的可比性【1_9J。能满足城市供水系统实际需要和现实的工作条件,既 要考虑城市供水系统脆弱性评价技术的阶段性以及环境问题的变化,使确定的 指标符合城市供水系统脆弱性评价的阶段性要求,同时又要考虑指标的相对稳 定性,在较长时间和较大范围内都能适用,能为城市供水系统的管理以及城市 的可持续发展提供科学依据。
4)代表性原则

由于供水系统本身具有复杂性以及不确定性,此外,影响供水系统脆弱性 的因素也很多,则在建立指标时不可能将其全部的指标纳入指标体系,必须从 中选择对供水系统脆弱性影响起主导作用的因素。而且,指标的选取并不是越 多越好,指标过多,容易造成指标之间相互关联或包容;指标多了会带来资料 获取的难度和工作量的加大,同时也会因为指标间的相互作用而削弱主要指标 的影响作用,进而影响其评价结果的可靠性。 5)动态性原则 评价指标的选择应尽可能反映城市供水系统脆弱性因子系统与研究地区整 个社会经济系统交互作用的动态变化过程,便于从动态的角度对城市供水系统 的脆弱性的过程进行监测、评估和预警t1’9 J。 以上就是城市供水系统脆弱性评价指标选择的原则,因此应根据研究的目 的、研究地区的社会经济以及环境条件,人类的活动、污染等方面柬选取评价

指标,建立一套系统、客观全面、易操作的指标体系。除了以上原则在评价指 标的建立过程中还要做到尽可能地与国家、地方的方针、政策、法规的要求相 一致,不能相违背。

2.4城市供水系统脆弱性评价指标体系 从有关城市供水系统研究的现状以及文献检索的结果可以看出,目前我国 对城市供水系统脆弱性评价指标体系的研究不多,但是城市供水系统的脆弱性 与系统事故、危险、风险之问的关系密切【l 81。结合这一特点,根据城市供水系 统脆弱性评价指标的建立原则,在城市供水系统脆弱性系统理论分析、供水系 统脆弱性案例调研、文献统计和专家咨询基础上,根据城市供水系统的结构和 功能分析,以及各子系统的结构和功能分析,在此基础之上建立的城市供水系 统脆弱性的初步评价指标体系。 根据城市供水系统的理论知识及系统功能流程,分解给定的给水系统19J。 城市供水系统是指从水源地取水,通过第一泵站输送到自来水厂进行净化工艺 处理,在通过输配水管网和二次供水设施配送到各用户的一系列的组合。其功 能流程如图2.1所示,分解系统如表2.1所示哺J。

图2.1给排水系统功能流科图

表2.1给水系统分解结构

根据对城市供水系统的结构和功能分析以及对其各个子系统的结构和功能 分析,结合指标建立的原则,参考水安全、水威胁、地表水资源脆弱性评价的 文献,本文总结出城市供水系统脆弱性的初步评价指标体系,并将其分为城市 供水水源、设施、输配水、城市以及管理系统的脆弱性评价指标,如表2.2。
17

表2.2城市供水系统脆弱性评价的初步指标体系
子系统 Xl-1-F.程供水能力

指标集 X1.2多年平均降雨鼋 x1.3调水能力 XI 4少雨期降雨量比重 X1.5枯水年来水保障率 X1.6植被覆盖率



城市

供水
系统 脆弱 性评 价的 初步 指标

召l水源子系统

X1 7水利投资I~GDP比重 X1.8水环境缓冲能力

X1.9地表水环境质量标准 XI‘lo地卜.水开采率
Xl-II地卜.水堋深

X1.12含水层的净补给餐 XI-13含水层的岩性
XI

14十壤类,诅

体系 B2设施子系统

兰u』盒丛星曼坐丕塑
X2.I水处理波施的故障率 X2.2泵站故障率

X2.3供电设施故障率
X2.4管网压力监测点 X2 5管网水质监测点 X3.1管网故障率

曰3输配水子系统X3,2管网漏水率 X3.3管网遭受意外事故
X3

4管网材质

X3.5管网使刚年限 』3.6输水管渠可靠性

,2

B。城市子系统
期期舢期

3 4

人r人城 口业均市 产G白 值阱米 )州 卜卜 娩n 及 率

X4.5城市污水处理率 I:业废水达标排放率 X4.6
X4.7再生水利川率

塑:8坚笪!:些生笪堑坐星
X5.I高学历管理人才比例
X5.2水厂自动化水平 B5管理子系统

工5.3配套设施完善度 X5.4管理制度健全水平 X5.5突发事故虑急预案及地信系统、数据库管理情况
x5.6突发事故处理时间、效率

X5.,熟练技术I:人比例

2.4.1水源脆弱性评价指标 1)工程供水能力Xl‘I 用地表供水工程的供水能力指标表征水源地供水量是否安全,工程供水能 力反映取水工程运行状况的良好程度;该指标为负向指标。 工程供水能力=水利工程设计供水能力/水利工程年实际供水能力。 2)多年平均降雨量XI.2 多年平均降雨量反应水量方面的脆弱性,区域水资源时间分和不均匀,用
18

该项指标反应出降雨对地表水源水量的影响。 3)调水能力XI.3 我国水资源有时空分布不均匀的特性,而水调水能力指标正是反应抵抗该 特性带来的水源脆弱性能力。该指标为负向指标。 4)少雨期降雨量比重XI.4 该指标表征的是水源水量方面的脆弱性,其值越大说明水源脆弱性越严重。 该指标为正向指标。 5)枯水年来水保障率X1.5 枯水年来水保证率指标表征水源地供水量的安全性以及水源地来水量的变 化情况,反映出地表水水源地现状水平年来水量的保证程度;表征水量方面的
脆弱性。

河道:水平年枯水流量/设计枯水流量×100%。 湖库:水平年来水量/设计枯水年来水量×100%。 6)植被覆盖率XI.6 植被覆盖率是人为可以控制的因子,因为植被覆盖率受人类的影响比价严 重。它包含了研究区域气温、下挚面、地形等多方面的因素影响地表水源脆弱 性的自然地理信息;植被覆盖率越大越有利于城市供水系统脆弱性的降低,则 该指标为负向指标。
7)水利投资占GDP比重X1.7

水利投资占GDP的比重是指研究区域当年水利投资占当年该区域国内生产 总值的百分比,该比重越大,则说明投入治理水问题的力度就越大。对水利工 程安全运行,改善环境质量提供了有利的保障。所以,需要保证水利投资占当 年GDP的一定比例。该指标值越大越有利于保障城市供水系统的安全运行,则
改指标为负向指标。

8)水环境缓冲能力XI,8 城市水源地是为城市提供清洁的生态环境基础,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。水环境自净能力反应出水体在各种物理、化 学和生物的综合作用下对进入水体的污染物有一定的抵抗能力。水体的这种提 抗能力越小,就表示水体的自净能力越差,供水水源越脆弱,水源地对污染物 的敏感性就越高,水源地安全风险就较高。 9)地表水环境质量X1.9 因为不同的水源地水质有差异,影响系统的jF常运转与否。 比如取用巢

湖水时,因为巢湖水质较差,在天气突变时候,水质会发生突然改变,影响生 产。有时候不得不停止使用巢湖水。 10)地下水丌采率xI.Io 地下水也是城市供水水源之一,地下水的丌采率表征的是城市供水系统脆

性的水源水量脆弱性指标。地下水开采率:实际供水量/可开采量,其直接影响 着地下水系统的输出,则也就相应地影响着其脆弱性。地下水开采率越高,表 征城市供水系统脆弱性越强。 11)地下水的埋深x1.II 地下水埋深关系着污染物到达含水层之前传输媒介材料的厚度,并且有助 于确定与周围介质接触的时间【441。因此,地下水的埋深越深,污染物到达含水 层所需要的时间就越长,这样就越有利于含水层水质的保护,则含水层受污染 的程度也就越弱,反之越强。地下水埋越浅,取评分值高;反之,其埋越深, 则取评分值低。 12)含水层的净补给量X1.12 净补给量是指单位面积内通过地表到达含水层的水量【4训。污染物可通过补 给水传输到含水层,因此补给水成为了污染物浸析和运移到含水层的主要工具。 同时净补给量也表征地表水对地下水的补充水量,而DRASTIC方法对净补给 的评分没有反映污染物稀释这一因素。无论是从水质脆弱性还是从水量脆弱性 方面考虑,含水层净补给量都是一个非常重要的指标。 13)含水层的岩性z1.13 14)土壤类型X1.I


土壤介质对渗入地下的补给量具有明显的影响,不同土壤类型的蓄水能也 不同。因此对污染物垂直运移至渗流区有显著的影响【441。


5)含水层导水系数1441

X1.1 5

导水系数反映含水层材料的水力传输性能,控制着地F水在一定的水力梯 度下水的流动速率,而水的流动速率控制着污染物在含水层内迁移的速率。导 水系数越大,易污染越高。

2.4.2设施脆弱性评价指标 1)水处理设施的故障率X2.1 水处理设施主要是对原水进行水处理以求达到用户对水质的要求,如混凝 设备、沉淀池、滤池等都属于水处理设施, 2)泵站故障率X2,2 泵站主要是向输配水系统提供动力,如若一级泵站出现问则原水无法输送 到水厂,二级泵站如若出现问题则是处理合格的水无法配送给用户,最终造成 供水中断。 3)供电设施故障率x2.3 保障供电设施的安全是保护城市供水系统正常运行的必须的措施,电能是 供水系统的主要能源。 4)管网压力监测点X2.4

20

管网压力监测点主要是监测管网的压力数据,为防止管网压力超出限值出 现爆管提供重要的资料。 5)管网水质监测点X2,5 监测管网中的水质,以防止出现的各种事故对管网水造成的二次污染水配 送到用户,影响人的健康。

2.4.3输配水系统脆弱性评价指标 长期以来,城市给水管网由于多种因素的影响,爆管、漏水事故频繁,给 供水运行造成极大困难。 1)管网故障率X3.I 管网运行故障,比如爆管、阀门损坏、管道接口损坏、或者人为破坏等。 综合这些因素本文选用管网故障率柬表征管网发生故障概率。每次事故不但给 供水企业造成一定的经济损失,更重要的是造成供水中断,危及社会公共安全。 2)管网漏损率X3.2 城市供水管网漏损率145】为:漏损水量/城市供水总量。近年来我国城市供水 漏损率一直很高,直接威胁到我国城市供水的安全。1996至2008年问,我国城 市市政供水企业供水平均漏损率从l 1.3%增加到了l 5.2%[461(如表2.3)。管网漏损 的原因有:r1)管道材质不达标、管网连接安装工艺较差和管网老化的问题,最 终导致了管网抗腐蚀与抵抗冲击的能力变弱,因此,造成了漏损现象严重;(2) 用户水表计量与管理不善,使得有一些“盗用水”现象出现,造成用水量计量 误差较大的结果。管网漏损不仅造成水资源的浪费和加剧城市缺水,而且也增 加了供水企业的制水成本和供水设施的投资费用。因此,管网漏水率指标对城 市供水系统脆弱性有重要的影响。
表2.3我国城市公』乓供水渊损率

3)管网遭受意外事故X3.3 管网以外事故不仅影响城市供水的水量安全,还会影n向到供水的水质安全, 在管网发生事故时如管网有裂缝不仅会造成漏损现象同时水管周围环境中的介 质也会渗入管网中对供水造成二次污染。 4)管网材质x3.4 管网材质属于管网本身的固有特性指标,它关系到管网的寿命以及管道的 承压能力。该指标是输配水系统脆弱性中重要的评价指标。 5)管网使用年限X3,5

管网的使用年限直接影响到管网的老化、退化问题,该指标属于管网本身 的固有特性指标。 6)输水灌渠可靠性X3.6 输水灌渠可靠性指标主要是表征输水灌渠的脆弱性,如若输水灌渠发生故 障,则输送到水厂的水量就会受到影响,进而不能满足城市供水系统对充足水
量的要求。

2.4.4城市指标
1)人口X4.1

人口是社会发展的指标,人类的社会的发展不只是带来经济的发展,同时 由于人类活动的加剧而破坏了水资源的完整性,降低水资源的再生能力【4 71。人 口的增长就是地表水资源系统的外部驱动力之一。人口越多表示取水城市或城 镇对该取水口的依赖性越高,对社会稳定的影响也越大,即人群安全和社会安 全风险越高。则该指标为正向指标。 2)人均工业产值X4.2 工业产值是社会经济发的指标,该指标主要是从人类社会经济系统对水的 需求的角度表征地表水源系统的外部驱动力大小【4 7’。虽然有相同水资源数量, 但是不同的经济发展水平给水水源系统的压力是不一样的,从而呈现出不同的
脆弱性。 3)人均GDP
X4.3

人均GDP是度量国家、地区人民生活水平的指标,并且是一个综合性的指 标。区域GDP反映社会、经济因素对安全JxL险评价的影响,人均GDP越高,水 源地安全的经济风险越高,该研究区域要求的安全保障越高,如果水源地安全 遭到破坏,可能造成的经济损失巨大。 4)城市自来水普及率x4.4 城市自来水普及率:自来水受水人口/总人口×100,该指标主要是从人类 社会经济系统对水的需求的角度表征地表水源系统的外部驱动力大小。同样的 水资源数量,不同的经济发展水平和消费水平给水源系统水量压力是不一样的,
进而呈显出不同程度的脆弱性。 51城市污水处理率X4.5 城市污水处理率:水处理量/污水总排放量×l oo,城市污水处理率可以反

映出排放到环境中的污水量,从水质方面反应城市供水系统水源水质脆弱性。 城市污水处理率越高,说明排出的污水量越少,则对水质的影响就越小。 6)工业废水达标排放率x4.6 工业废水达标排放率:水排放达标量/废水排放量×1 00,水厂的常规水理 工艺主要是出去浊度和细菌,对有机物尤其是溶解性有机物的去除能力很低,

22

对病原微生物和重金属污染物也难以有效去除。而工业废水中会含有一些常规 水处理工艺无法去除的污染物,会造成水质的污染。所以工业废水达标排放率 指标值越大,城市供水系统的脆弱性越小,该指标为负向指标。 7)再生水利用率X4


再生水利用率:工业,回用水/工业用水量X l oo。再生水利用率则是从提高 水的利用用效率、减少需水量的角度来表达供水系统的脆弱性,用水效率越高, 同等数量的水产出增加,从而减少了对水的需要量,相当于增加了水资源的数 量。有利于城市供水系统的稳定。该指标值越大,城市供水系统的脆弱性越小, 该指标为负向指标。 8)单位工业产值耗水量x4.8 单位工业产值耗水量则是反应工业用水量,则从水需求方面表示了城市供 水系统水量方面的脆弱性,单位工业产值耗水量越高,同等数量的工业产值则 需要的水量越多,从而增加了城市供水系统对水量的需求,则影响了城市供水 系统的脆弱性。

2.4.5管理指标 1)高学历管理人/j‘比例X5.1 高学历管理人爿‘比例:高学历管理人数/总管理人数,高学历管理人/j‘比例 反应供水企业的管理水平以及应对突发事故的能力。
21水厂自动化水平X5,2

水厂实现自动化可以提高生产的可靠性和安全性,有利于实现优质和高效 供水,并且可以降低能耗,从而获得良好的经济效益和社会效益。因此,水厂 自动化水平反应出管理水平,自动化水平越高,越有利于降低城市供水系统的
脆弱性。 3)配套设施完善度X5,3

配套设施越是完善越有利提高管理水平以及稳定城市供水系统,进而影响 城市供水系统的脆弱性。则配套设施完善度是一负向指标。 4)管理制度健全水平x5.4 健全管理制度可以提高管理和服务水平,减少在管理中出现职能交叉、效 率低、责权不清等问题;健全管理制度为城市供水系统的正常运行服务。 5)突发事故应急预案及地信系统、数据库管理情况X5,5 建立城市安全供水应急机制可以加强对城市供水管理,可以为确保城市供 水安全提供相应的措施,可以城市供水应对突发情况事故的能力。利用相应的 应急预案采取针对性措施,高效、有序地组织应急反应行动,最大限度保障供 水安全。但是供水系统中的突发事件不是一成不变的,应对那些未预料到事件 就要看应急决策能力,光靠应急预案是不够的,这是就需要地信系统及数据库

提供相应的资料,为采取措施提供依据。从以上的分析可以看出突发事故应急 预案及地信系统、数据库管理情况为J下向指标。 6)突发事故处理时间、效率X5.6 在供水系统发生突发事故以后事故肯定都要被处理,但是事故处理的时间 是在事故发生后的第一时间还是有所拖延关系到供水安全,在第一时间处理及 处理的效率高可以减少损失。突发事故处理的效率越高,则城市供水系统的脆 弱性会降低。 7)熟练技术工人比例x5.7 熟练技术工人可以减少操作失误,而减少对供水系统的潜在威胁。该指标 属于负向指标。

2.5评价指标体系的筛选 2.5.1指标筛选模型 前文已经建立了城市供水系统脆弱性评价的初步指标体系,根据指标体系 建立的原则,则并不是指标越多越好,在选着指标时要选着主要的、具有代表 性的、数据易于取得的指标建立指标体系,所以要对初步的指标体系进行筛选, 在筛选指标时运用邹乐乐,会菊良…等的基于遗传模糊层次分析法的评价指标 体系筛选模型进行城市供水系统脆弱性评价指标的筛选。 首先根据表2.2城市供水系统脆弱性评价的初步指标体系设计专家咨询表 格,请城市供水系统脆弱性评价方面的专家填写咨询表格中子系统以及指标的 重要性排序值。例如在表2.4的咨询表格中:若认为BI水源子系统、口2设施子 系统、B3输配水子系统、B4城市子系统、B5管理子系统的重要性顺序(按照从 重要到不重要的顺序)为BI水源子系统、曰3输配水子系统、B2设施子系统、 B4城市子系统、B5管理子系统,则B1水源子系统、B2设施子系统、B3输配水 子系统、B4城市子系统、B5管理子系统的重要性排序值分别填写为l、3、2、4、 5(即“1”为同一表格中相对最重要的要素所对应的排序值,“2”为同一表格 中相对第二重要的要素所对应的排序值,依此类推);若认为B.水源子系统、 B2设施子系统、B3输配水子系统、B4城市子系统、B5管理子系统的重要性顺序 (按照从重要到不重要的顺序)为Bl水源子系统=B3输配水子系统=B2设施子 系统、B4城市子系统、B5管理子系统,则Bl水源子系统、B2设施子系统、B3 输配水子系统、B。城市子系统、B5管理子系统的重要性排序值分别填写为2、2、 2、4、5(即同等重要的要素的排序值取其平均值);则各个子系统的指标重要 性排序方法依此类推。

24

表2.4城市供水系统脆弱性评价指标体系各子系统的重要性排序值咨询表格 子系统 Bl水源子系统 口2设施子系统 B3输配水子系统 Ba城市子系统
B5管理子系统 子系统的排序值

设x,,u为专家J对子系统f指标k的重要性排序值,j=l,2,…,%。其中,竹 为专家的数目。则子系统f指标七的重要性排序值的均值和标准差分别为

墨,^=∑一^J/m,
t=l

(2.1)
ml

J,,女==【∑(一,≈,,——i,I)2/(m/——1)】。?5

(2.2)

取重要性排序值的均值和标准差相对较小的指标,组成最终的水库诱发地震综 合风险评价指标体系。为了更好的量化各指标的相对重要性,即确定各个子系 统以及其个指标的权重值,应用AGA.FAHPlll方法筛选评价指标体系。 显然,重要性排序值越小则说明该项指标的重要性越高,掘此建立系统f 的模糊互补判断矩阵 名=(p“,,),Pi^,=量,,/(置,t+置,/)
(2.3)

式中:Pf^,为系统f中指标k优于指标f的程度;k=l,2,…,聆,;,=1,2,…,门f。具体 规定是:当P以.t>0.5时说明指标七比指标,更为重要,并且P“./越大则越说明 指标k比指标f重要;反之亦然。若P,的一致性不满意,则需要进一步的修币。 设P,的修正判断矩阵为
Qf_(g啪,f), Q,的各指标的权重仍汜为

{w.。I f=1,2,…,m;k=1,2,…■},则称使式(2.4)最小的Q,为Pf的最优模糊一致性 判断矩阵(金菊良等,2007):
疗. 月. 即. ”.

rainCIC(n,)=∑∑旧¨一‰,l/霄+∑∑J o.5(吩一1)(%一w,,)+o.5-qm,,IIn2,
^=l/=l 女=I/=l

(2.4)
s.t

1-q,,女,,=q,,女,f∈【只,々,,一d,P,,★.,+d】n[0,l】(k=1,2,…,吩一1;l=k+1,…,rl/),
,,.

q,,kJ=o.5(后=1,2,…,_),w,k>0(尼=1,2,…,一),∑w,k=l。式中:CSC(nD称
k=l

一致性

指标系数(Consistency

Index

Coefficient);d为非负参数根据经验可从【O,0.5】

内取值;其余符号同前。式(2.4)中权重W以(k=l,2,…,门,)和修正判断矩阵Q,--(q从.I) 的上三角元素为优化变量,对子系统f的F/,阶模糊互补判断矩阵P,共有

nt(n,+1)/2个独立的优化变量。加速遗传算法是一种通用的全局优化方法,其是 模拟生物优胜劣汰规则与群体内部染色体信息交换机制的一种方法【481,用它来 求解式(2.4)所示的问题比较简便和有效。当CIC(n,)小于某一临界值时,可认为 P,具有满意的一致性,由此计算的各要素的排序权值W雅是可以接受的;否则 就需要修改原判断矩阵P,或提高参数d,直到具有满意的一致性为止【491。选取 同一子系统中评价指标的权重相对较大的Ⅳf个指标,组成最终的城市供水系统 脆弱性评价指标体系{XikI i=1,2,…,掰;k=l,2,…,Ni)。

2.5.2指标筛选的计算 就表2.2城市供水系统脆弱性评价的初步指标体系中5个子系统及其指标 集,设计了类似表2.4的5张咨询表格,邀请城市供水系统脆弱性评价方面的 专家同行进行咨询,返回了相应的咨询表格。根据式(2.1)、式(2.2),11式(2.4)计 算出5个子系统以及其指标集的重要性排序值的均值、重要性排序值的标准差 和各要素权重如表2.5至表2.10所示。在用AGA.FAHP计算这6张咨询表格所 对应的模糊互补判断矩阵的指标权重中,这些矩阵的一致性指标系数值分柿为 O.0051,O.072,0.0043,O.006,0.0141和O.0044,均小于0.1,故这些矩阵均 具有具有满意的一致性,据此计算的各指标权重是可以接受的。
表2.5城市供水系统脆弱性评价指标体系各子系统的筛选计算值
子系统 Bl水源子系统 B2设施子系统 B3输配水子系统 曰4城市子系统 重要性排序值的均值
1.333 2.9i7 2.250 4.333 4.000

重要性排序值的标准筹
0.5164 0.6645 0.41 83 1.2I 1 1 1.0954

权重
0.256
0.i 78 O.242 0.1 l 6 O.208

B5管理子系统

表2.6水源子子系统各指标的筛选汁算值
指标 重要 性排 序值 的均 值 重要 性排 序值 的标 准筹 权重
0.087 0.083 0.085 0.062 0.066 0.054 0.84 3.64 1.77 1.47 3.83 3.28 3.78 2.00 4.92 4.42
x1.1 X1.2 Xl,3 工I,4 xl,5 xl,6 XI,7 xl,8 xl,9 XI,10 Xl,ll xl,12 XI,1 3 XI,14 X1,1 5

8.83

6.42

10.00

1 1.50

6.33

4.83

5.83

9.25

8.08

13.67

12.67

I I.42

4.19

3.53

2.29

2.44

4.I 5

1.50

2.06

3.41

0.053 0.072 0.085

0.08 1

0.06 1

0.063

O.028

0.053

O.054

26

表2.7

设施子系统子系统各指标的筛选计算值

重要性排序值的均值
重要性排序值的标准

4.08 2.87

4.58 1.96

5.58 1.68

3.42
3.01

2.92 2.06

4.42 2.62

5.66
1.86

5.33 1.50

权重0.140

0.127

0.108

0.141

0.144

0.1 27

O.090

0.1 16

表2.5说明:在城市供水系统脆弱性评价指标体系中,5个子系统按照从 重要到不重要的顺序分别为水源子系统、输配水子系统、设施子系统、管理子 系统和城市子系统,说明在城市供水系统脆弱性研究中应特别关注水源子系统、 输配水之系统,在表2.5中并且给出了5个子系统的权重值。城市子系统和管 理子系统的重要性排序值的标准差值相对比较大,这说明各个专家的意见相对 比较分散,而另3个子系统重要性排序值的标准差较小,说明各专家的意见相 对集中、认识一致。 表2.6说明:在水源子系统中,指标X1.1 3(含水层的岩性)、指标X1.14(土 壤类型)、指标x1.I 5(含水层导水系数)相对更不重要,笔者认为可以筛去,
其余的1 1个指标最终组成水源子系统。其中,指标x1.1(工程供水能力)、指

标xI,2(城市区域多年平均降雨量)、指标xI.3(调水能力)、指标X1.9(地表水 环境质量标准)和指标x1.10(地下水丌采率)相对更重要,其对应的权重也就 比较大,所以在城市供水系统脆弱性评价研究中应给以更多的关注,并且要在 城市供水系统脆弱性检测和预警系统研究中也要给予必要的重视。这l 5个指标

重要性排序值的标准差比表2.5较大,这说明各专家的意见相对较分散,反映 了影响城市供水系统水源子系统脆弱性的因素比较复杂和目前认识的局限性。 表2.7说明:在设施子系统中,指标x2.5(管网水质监测点)相对更不重 要,笔者认为可以筛去,其余的4个指标最终组成设施子系统评价指标。其中, 指标X2.1(水处理设施的故障率)、指标X2,2(泵站故障率)、指标X2,3(供电设 施故障率)相对更重要,在城市供水系统脆弱性评价研究中应给以更多的关注, 并且要在城市供水系统脆弱性检测和预警系统研究中也要给予必要的重视。这 5个指标重要性排序值的标准差较小,说明各专家和打分者的意见相对集中、 认识较一致。 表2.8说明:在输配水子系统中,指标X3.5(管网使用年限)相对更不重 要,可以筛去,其余的5个指标最终组成输配水子系统的评价指标。其中,指 标x3.I(管网故障率)、指标X3,2(管网漏水率)、指标X3.4(管网材质)、指标 X3.6(输水管渠可靠性)相对更比较重要,在城市供水系统脆弱性评价研究中 应给以更多的关注,并且要在城市供水系统脆弱性检测和预警系统研究中也要 给予必要的重视。这6个指标重要性排序值的标准差较表2.6、表2.7大,较表 2.5小,说明各专家的意见相对较分散,反映了对城市供水系统输配水系统的 各种影响因素认识上存在一定的局限性。 表2.9说明:在城市子系统中,指标x4.7(再生水利用率)相对更不重要, 可以筛去,其余的7个指标最终组成灾情子系统。其中,指标X4.1(人口)、指 标X4.2(工业产值)、指标x4,4(城市自来水普及率)、指标X4,5(城市污水处理 率)和指标x4.6(工业废水达标排放率)相对更重要,在城市供水系统脆弱性 评价研究中应给以更多的关注,并且要在城市供水系统脆弱性检测和预警系统 研究中也要给予必要的重视。主要体现了城市人口、经济社会发展对城市供水 系统脆弱性的影响。这8个指标重要性排序值的标准差较小,说明各专家的意 见相对集中、认识较一致。
表2.1 0说明:在管理子系统中,指标X5.4(管理制度健全水平)和X5.7(熟

练技术工人比例)相对更不重要,可以筛去,其余的5个指标最终组成灾情子 系统。其中,指标x5.2(水厂自动化水平)、指标X5.5(突发事故应急预案及地 信系统、数据库管理情况)和指标X5.6(突发事故处理时间、效率)相对更重 要,在城市供水系统脆弱性评价研究中应给以更多的关注,并且要在城市供水 系统脆弱性检测和预警系统研究中也要给予必要的重视。主要体现了供水系统 的管理水平对城市供水系统的脆弱性的影响。这7个指标重要性排序值的标准 差较小,浼明各专家的意见相对集中、认识较一致。 综合以上计算和分析结果,最后得出城市供水系统的脆弱性评价指标体系,
如表2.1 1所示。

表2.11城市供水系统脆弱性评价的指标体系
子系统 XI.I—I-程供水能力

指标集 X1.2多年平均降雨量
XI.3调水能力 XI.4少雨期降雨量比重

Bt水源子系统

XI.5枯水年米水保障率 xI。6水利投资i11.GDP比重 x1.7水环境缓冲能力 x1.8地表水环境质量标准
x1.9植被覆盖率 01,率采开水.卜地 xl-ll地下水坤深
xl

兰1J

2盒丛星的塑±!给塑

X2.1水处理殴施的故障率 曰:设施子系统

笔:;覆葱嫠霪襄障率
x2.4管网压力监测点

4城市供水系统脆弱性评价的指标体系

x5.1高学历管理人才比例
B5管理子系统 X5.2水厂白动化水平 x5.3配套没施完善度 X5.4突发事故戍急预案及地信系统、数据席管理情况

x5.5突发事故处理时间、效率

2.6指标权重的计算 在2.5节中利用式(2.4)已经计算出了各个指标的权重值,但是在指标筛选以 后,所计算的指标权重值已经不满足归一化的条件,这里需要对各个子系统以 及其指标的权重值做归一化计算。

‰:县
∑∥,。
有筛选之自仃的第i个系统第k个指标的权重值;刀,为第f个系统的指标数。

(2.5)

式中:w以为第f个系统第k个指标的权重值,缈’“为利用式(4)计算出的指标没

29

利用公式(2.5)以及以上表2.5、表2.6、表2.7、表2.8、表2.9、表2.1 O中 的数据计算得出经过筛选之后的指标权重值。如表2.1 2、表2.1 3、表2.1 4、表 2.15、表2.16、表2.17所示。
表2.12

各个子系统的权重值

2.7小结

分析了影响城市供水系统脆弱性的人为和自然因素,分别介绍了一些认为 和自然因素对供水系统的潜在危险以及可能造成的危害,结合城市供水系统与 地区社会经济系统交互作用的机理,确定了城市供水系统脆弱性评价初步指标 体系的设置原则,根据这些原则、按照城市供水系统与研究地区整个社会经济 系统交互作用机理以及城市供水系统本身的结构特点,建立了由供水水源、设 施、输配水、城市和管理5个子系统及其二级评价指标组成的城市供水系统脆 弱性评价的初步指标体系,再利用专家咨询信息,采用模糊层次分析法与加速 遗传算法相结合的遗传模糊层次分析法筛选该初步指标体系,从而建立了城市 供水系统脆弱性评价指标体系以及计算出了各个子系统及其元素的权重指标

30

值。

城市供水系统脆弱性评价指标体系的各子系统及其二级评价指标的筛 果说明:5个子系统按照从重要到不重要的顺序分别为水源、输配水、管 设施子系统,但它们的重要性差异不大。在城市供水系统脆弱性评价指标 中,评价指标选取的合理与否对城市供水系统脆弱性评价结果有重要影响

第三章城市供水系统脆弱性的评价
3.1

系统评价概述 系统评价是系统分析和系统决策分析的结合点,其既是系统分析的后期工

作,又是系统决策分析的前期工作,在系统工程理论与实践中处于至关重要地 位,广泛应用在各种应用系统工程中,具有较高的应用价值【5引。 (1)系统评价的概念 系统评价是对所研究的系统评价对象应用适当的分析方法和手段,对系统 的目标、结构、功能、输入输出、影响因素等要素进行分析,进而建立评价指 标体系,构建适合的评价模型,经过计算和分析,对系统的社会性、经济性、 技术性以及其萨常的运行等方面进行综合评价或在总体上进行分类排序,为决 策者提供科学依据‘50彤】。 系统评价的分类,在评价过程中根据有无评价标准,分成两类,一类是聚 类评价,其是无评价标准的评价,另一类是等级评价,其是有评价标准的评价
【60】


(2)系统评价的一般流程见图3.115 uJ
确 定 评 价 对 象 系 统 分 析 对 象 系 统 构 建 评 价 指 标 体 系 评 价 指 标 定 量 化 化 图3.1 评 价 指 标 无
上上

建 卫 评 价 模 型
,‘

计 算 分 析 评 价 结


毕.

纲 化 系统评价的流程图

3.1.1城市供水系统脆弱性评价的概念 所谓城市供水系统脆弱性评价,就是对城市供水系统脆弱性评价对象应用 合适的方法,对城市供水系统脆弱性的各要素进行分析,进而构建评价指标体 系,建立评价模型,经过计算并对结果进行分析,对系统进行综合评价。这样 可以检验系统范围内可能遭受危险的关键设施和相关元件。完成了脆弱性评价, 就可以对系统薄弱环节有一个相对清楚的认识,并且对系统安全运行方式进行 确认,以便为管理者提供科学的依据ll引。

3.1.2城市供水系统脆弱性评价的目的以及研究进展 城市供水系统脆弱性评价的两个最终目标是捍卫公众安全和健康并减少 供水系统系统的潜在的威胁。进行城市供水系统脆弱性评价的目的有‘54】:保护

公众的安全和健康;确保供水系统正常运行;保护设施应对风险;为安全管理 实践提供依据;为实施降低内部危险的措施提供依据;保护计算机数据、通信 等系统;保护系统的附属设备的正常运行;保护供电系统的安全。一个有效的 脆弱性评价可以为管理者做出各种有效的方案以减少系统遭受以及潜在的威胁 提供依据。城市供水系统脆弱性评价不仅可以做整个系统的评价,而且也可以 研究各个其子系统的脆弱性,这样不仅可以整体系统的考虑问题,同时也突出 各个子系统的特性。因此,可以更好的保障系统的安全运行。 无论是供水系统整体的脆弱性评价,还是各个子系统的脆弱性评价,其脆 弱性评价基本上都是基于系统的任务、目标、设备和运行的特点,分析确认系 统的潜在负面影响,以及研究有关水质、公共健康、经济影响等的重要程度次 序;通过风险分析做出降低风险的预案以及对原有预案的升级MJ。 随着社会的进步经济的发展,对供水系统安全要求的增加,许多的学者也 对供水系统脆弱性的评价进行了研究。赵元1551分析了余氯、水龄对输配水系统 水质脆弱性的影响,并分别对余氯、水龄计算模型进行了探讨,建立了区域给

水管网的水质脆弱性评估模型一基于蒙特卡罗法的给水管网系统脆弱性分析模
型(Vulnerability
Analysis

Model of Water

Supply

System,简称VAM WSS),计算

出实际输配水系统管网的脆弱度,进而对实际管网的脆弱性进行了评估,帮助 供水企业决策提供了理论依据。 吴众华【56】在对给水管网的脆弱性评价问题研究的基础上,根据管网中各节 点受到污染后整个管网暴露在污染风险下的服务人口百分数来确定节点的脆弱 性,暴露人口百分数越大则该节点的脆弱性越大,反之则脆弱性越小。整个管 网暴露在污染风险下的服务人口百分数是利用EPANET2模拟管网节点的污染 物浓度变化得到的。并且根据暴露服务人口百分数的大小依次将管网节点的脆 弱性评价为红色、橙色、绿色三级。 邹君19】等在对资源环境科学领域有关脆弱性研究的成果进行了分析和对 比,并且结合南方地表水资源系统的特点,提出了地表水资源脆弱性的概念和 地表水资源脆弱性包括水量和水质两个方面的观点。最后应用到实例中,以实 际的研究区域构建了一个反映研究区域地表水资源系统脆弱性的12个评价指 标,用于评价我国南方地区地表水资源在水量方面脆弱性的指标。并且运用综 合指数法进行了实例计算,最终认为这1 2个指标具有可信度。

3.1.3脆弱性评价工具及方法 有关脆弱性的评价美国学者研究的比较早,他们有了一些相对成熟的评价 方法用于城市供水系统脆弱性的评价。城市供水系统脆弱性的评价也属于系统 评价的范畴,所以一些系统评价的方法被应用于城市供水系统的脆弱性的评价。 下面对系统评价常用的一些评价工具或模型进行简单的介绍。

3.1.3.1

层次分析法概述

层次分析法(AHP)是1977年美国运筹学家、匹兹堡大学教授在第一届国 际数学建模会议上首次提出的,又称多层次权重解析方法。层次分析法是一种 定量分析和定性分析相结合,将主观判断与人的经验用数字形式表示和处理的 系统评价与决策方法15引。 (1)层次分析法的基本原理 层次分析方法是将难以完全用定量方法或单一结构进行分析的多属性、结 构复杂的评价对象,分解成一个属性集的递阶层次结构模型,然后构造判断矩 阵,并通过矩阵的知识进行判断矩阵的一致性检验以及权重计算的定性定量综 合集成方法15引。 (2)层次分析法基本步骤
1)

建立系统的递阶层次结构模型。在分析评价对象的基础上根据各因素

相互之间的关系,将这些因素分成若干个层次。不失一般性,层次结构模型由 从上至下的目标层A、中间层B、效果层C组成15肌53 J。层次结构模型各层中的 总目标、子系统、评价指标称为系统的要素。
2)

构造比较判断矩阵。构造比较判断矩阵是层次分析法的关键。对B层

(设有"个因素)和C层(设有m个因素)的要素,分别以各自的上一级层次 的要素为准则进行两两比较,可采用l~9级及倒数的9标度法或取2,l,0三 个判断尺度的3标度法来描述各要素的相对重要性【43’60川1,得到构造判断矩阵 B=(6,山。盯和C=(ci,)埘。m。因素f和因素/比较判断与因素,和因素f比较判断互
为倒数。

3)确定同一层次各要素对于上一层次某个要素的相对重要性的排序权 值,并检验各判断矩阵的一致性。根据判断矩阵,可用特征向量法、最小偏差 法、梯度特征向量法、最小平方法等‘6肌641求解同一层次各要素对于上一层次某 要素的排序权值暇。判断矩阵的一致性检验用随机一致性比率指标CR
(Consistency Ratio)束判断16引,即单排序一致性指标C1(Consistency Index)

与同阶平均随机一致指标RI(Random Index)的比值。
RC1.3(( =——<0.1 0
RI

:竺<o.1



如若满足式(3.1),则认为判断矩阵具有满意的一致性,否则,需反复调整有关 判断矩阵,直至具有满意一致性为止。 式(3.1)中:C,为单排序一致性指标是通过判断矩阵的最大特征值计算得出的, 尺,为平均随机一致性指标,通常由实际经验给定,尺Jr值见表3.1【511
表3.1

平均随机一致性指标

34

4)层次总排序及一致性检验,即确定同一层次各要素对于最高层要素的总 排序权值以及检验判断矩阵的一致性。同样总排序一致性比率指标值小于1时 认为具有满意的一致性,总排序权值是可以接受的;否则,需反复调整有关判 断矩阵,直至具有满意一致性为止。

构造各层冈索的比较判断矩阵


计算各层冈素的排序权值

否//\
1L
</ 图3.2

CR<O.107\>

AHP法的结构框图

以上4个步骤是AHP法的基本步骤,其结构框图见图3.2【6 51。随着应用以
及研究的进行出现了一些改进的AHP法。

对于层次分析法中判断矩阵的一致性以及计算排序权值的问题,金菊良等 [641提出了检验判断矩阵一致性的遗传层次分析法(AGA—AHP)。

3.1.3.2模糊综合评价方法 美国自动控制专家L.A.Zadeh在l 965年提出了模糊数学的理论,模糊数学 是模糊评价法(fuzzy
comprehensive

evaluation,FCE)的基础。20世纪80年代后

期,模糊技术在同本得到了广泛的应用众多领域。对于模糊综合评价方法的理 论研究,主要集中在模糊数学界,人们也提出了一些新的模糊综合评价的思想。 如,陈守煜【60,62]教授根据自己建立的“模糊优选理论”提出了“优属度”概念
并将之应用于综合评价。

目前在多指标综合评价实践中模糊综合评价方法是应用最广的方法之一的 评价方法,由于模糊综合评价方法的实用性以及模糊数学普及与发展,使得模 糊综合评价在较多的领域都得到了应用,涉及到的领域有经济问题评价、管理 问题评价、环境评价、教育评价、科技评价、采矿、工程技术、医学等。

模糊综合评价是一种运用模糊变换原理分析和评价模糊系统,以及是以模 糊推理为主的定性与定量相结合分析评判方法【621。在模糊综合评价模型中,建 立单因素评判矩阵和确定权重分配是两项关键性的工作。 一般而言,模糊综合评价过程大致包括这样几个环节: 1)选择评价因子,集合; 31设计隶属函数,构建模糊关系矩阵; 4)建立权重集合,模糊矩阵复合运算; 5)进行模糊综合评价。

3.2

集对分析理论 集对分析(set
pair analysis

method,SPA)是赵克勤1 989年在内蒙古包头

的全国系统理论会议上提出的一种用联系度a+bi+cj处理确定不确定性系统的 分析方法16引。集对分析理论用联系度统一地处理模糊、随机、中介和信息不完 全所致的各种不确定性,用联系度把不确定性利用一个具体的数学模型表达出 来163]。城市供水系统的脆弱性有随机性、模糊性和灰色性等多种不确定性因素, 当前供水系统脆弱性的不确定性研究的重要问题之一,就是如何统一地综合分 析和有效供水系统脆弱性随机性、模糊性、未确知性等各种不确定性,因而不 确定分析理论在城市供水系统脆弱性研究中具有重要意义。 传统的不确定分析理论有:基于数理统计和随机过程的随机分析方法,灰 色系统理论、分形与混沌分析方法,系统论信息论与控制论方法、3S(RS、GIS 和GPS)方法,以及模糊集理论、人工神经网络理论、遗传算法等智能科学方 法。在城市供水系统脆弱性评价问题中,虽有很多模型,也得到广泛应用,但 这些模型还存在着一些缺点,而集对分析方法不仅具有简便、计算量小、易于 理解等优点,而且具有“系统描述、具体分析、定量刻画”164-661的特点。集对 分析是研究和解决不确定问题的一种方法,把其中的确定性与不确定性先分离 成两个集合,再把这两个集合联系起来作研究1671。

3.2.1集对分析的基本原理 集对分析(SPA)是一种通过一定的分析和数学处理的方式从同、异、反 三方面处理不确定性问题的系统分析方法。全面刻画两个事物的联系度。 集对分析是通过集对及其联系度这两个基本的概念来反映其基本理论思想 的。集对的概念就是两个具有一定联系的集合所组成的对子。按照集对的某一 属性对其展丌展丌分析,集对在一定问题背景下的联系度甜表达式为:
u=a+bi+cj
(3.2)

式中:a为两个集合的同一度;b为两个集合的差异度;C为两个集合的对立度; f为差异标记符号或相应系数,取值于[一1,1],,为对立标记符号或相应系数,

36

规定取值为一l,根据定义知口,b,c满足归一化条件a+b+c=l。其中a,c是相 对确定的,而b是相对不确定的,当f取.1和1时表示b是确定性的,而随着 f接近于0,则b的不确定性也随之增强;因而说明联系数是一种确定不确定结 构函数,它体现了确定不确定系统的对立统一关系。 集对分析经过多年的研究发展,可归纳出如下一些认识【64,59,601: (1)集对分析的核心思想是把事物的确定性和不确定性作为一个系统来考 虑的,并对其作同、异、反定量的描述,并且最后通过联系度来呈现两者之间
的统一。

(2)在确定一不确定系统中不确定性是绝对的,确定性是相对的。确定
性和不确定性是相互依存、相互联系、相互渗透,并其在一定条件下相互转化。 对不确定性的分析必须同时从确定性和不确定性两个方面去考虑,式(3.2)联系 度中的6f项正是体现了这一思想。

(3)在用联系度表达的确定一不确定系统中,系统的确定性和不确定性
是相互渗透,并且其不确定性包含随机、模糊、中介、信息缺少和未知等多种 形式,因此可对差异不确定做出进一步的同异反扩展分析,即bi=ai+6Iil+cdl。 依次类推,对式(3.2)中口、c也可有类似的分析,可将相对确定的信息中,即可 对a进一步做同异反扩展分析,同样c中也包含确定不确定信息,可将其分为

a和6f。因此只要我们有足够准确的观察和分析的手段,就可以将确定一不确
定系统逐步准确分析出来,对事物做出更加准确的分析判断。

(4)确定一不确定系统的中确定与不确定可用集对分析联系度来刻画,
但是联系度中f的取值不确定,因而即使是确定了a、b、C,因f的不确定取值, 联系度仍然呈现既确定又不确定的特征,包含着丰富的系统结构信息,便于我们 从结构和层次的角度进行系统分析,把握事物的本质。 (5)式(3.2)可根据不同的研究对象作不同层次的展丌,体现了认谚{上的一
利,无限深入,无限可分的思想。

3.2.2

联系度 联系度是集对分析的基础,两个集合之I、日J的不确定性的定量关系可以用联

系数表征,用式(3.2)统一表示。它与随机理论的相关系数,模糊集理论的隶属

度类似㈣。
赵克勤于1 996年提出了联系数概念,形如U=A+Bf+cj",A+Bi,Bi+cj,

彳+C,的数称为联系数,其中彳,B,C是任意非负实数,J=一1,f∈【一l,l】且 不确定取值,联系数是一种具有层次结构的函数【64’6引。联系数可根据不同的研 究对象对集对的特性作不同层面的展开,因此,有三元联系数,多元联系数的 应用。在2005年的中国人工智能学会会议上赵克勤根据系统普遍发展的观点提 出了偏联系数1691。由此得出联系数所描述的事物的实际发展趋势是『F向发展趋

势和负向发展趋势矛盾运动的综合结果【7

21。

集对分析理论在应用时,多数是需要计算出联系度值砌.曰(或联系数值) 来解决问题。由于差异度系数f在[一1,1]之间取值不确定,最终导致联系度∥爿.8 呈现既确定又不确定的特征。所以当在应用中必须用联系度值∥一.占(或联系数 值)解决问题时,计算脚.占就成为了关键问题。在式(3.2)中,一般取7=一1, 因此如何确定差异度系数f的值就成为集对分析理论应用遇到的一个核心内 容。下面介绍f取值的多种方法。

3.2.3

差异度不确定系数f的确定方法【64,70]
由于差异度系数f在卜l,1】之间取值,因此i的取值不同会给结果带来一些

影响,故对f的取值需要具体问题具体分析,并且需要对其进行分析研究。差 异度不确定系数f的确定的方法有:(1)顺势取值法;(2)采用计算取值法;(3) 逆势取值法估算f的取值;(4)采用随机取值法;(5)还有特殊取值法等;(6) 均分原则;(7)偏联系数确定新方法。 (1)顺势取值法:在不要改变原有的势级状态的情况下一般适用该方法。应 用该法的过程相当于对b按原有a、b、C的比例关系作了“一分为三”的分解,
再按此比例分给口、c及b。

(2)计算取值法:当系统地确定不确定程度主要由f变化引起时,可根据∥
的变化求f的值,这就是f的计算取值法。

(3)逆势取值法:f的逆势取值要根据集对日具有同势或者反势的不同的情
况求解关于f的一元一次不等式。

(4)随机取值法:当集对H是均势时,f可以在定义区问[一l,1]中利用随机
数表、随机读数或随机抽样自由取值。

(5)特殊取值法:f可以在区I’日J[-1,l】中取值,如O,O.5,.0.5等。但是当i=0 一般不做零处理,应理解成将b保留在U中。j的特殊取值还包括f自身的/7(,z ≥2)次幂。
(6)均分原则【4 7】.对于多元联系数u=a+biI+ci2+……+di..2+kj中f,.,的取值,

一般可以采用“均分原则”。由于“∈[_1,1],将区问【-1,l】进行(胛一1)等分,把左 至右(门一1)个分点值依次分别作为J,in.2,“-I,……,it…*R


f2,fl的取值,即

/2一l,in-22(3一n)/(n一1),……,it=(n—l一21)/(n一1),i2=一1+2×(门一3)/(n—1)=(胛一5)/(n一1),

il=一1+2×(F/一2)/(n—1)=(”一3)/(n—1)。本文就是采用的这种“均分原则”。 (7)偏联系数的方法: 联系数的层次结构隐着被刻划对象的发展趋势变化信息。从系统普遍发展 的观点看,原联系数所描述的事物向正方向发展的趋势,用偏正联系数 0u+=0a+iab表示。用偏负联系数au一=O_a+阳一b表示原联系数所描述的事物向 负方向发展的趋势l¨’72 J。

用偏联系数【711确定f的方法,其实质是将差异度b按一定的比例分别分配 给同一度a和对立度c。用Oa=aI(a+b)表示原本处在b层次上的事物正向发展 到a层次上的比例;用O_c=c/(b+c)表示原本处在b层次上的事物负向发展到 c层次上的比例,按“比例原理”给f一个确定值(.1≤f≤1),即令

待旦+三, 卢而+鬲,
3.2.4

。j?j’ (3.3)

集对分析在系统评价中的研究进展 集对分析及联系数学理论经过二十多年的发展,已经被广泛应用,例如在

水文水资源、环境质量、防洪减灾、医疗、水质等领域的评价中都有用到集对 分析理论,并且集对分析理论也广泛应用于气象预报、体育领域、人工智能中 的推理研究、网络计划、模式识别等系统评价和系统决策的领域。


万星、丁晶等17 3J对关中平原的地下水资源承载力应用集对分析法进行综合 评价,评价结果与其它的一些评价方法基本相同。如模糊综合评价和投影寻踪法 等。 冯煜和孙根年【74】利用集对分析的方法,完成了地F水水质的动态评价。其 评价结果显示西安市近20年地下水水质总的呈现出由重污染到污染、轻污染、 尚清洁的趋势,部分年份有所波动。
王红芳、丁晶【7 5】等在频率曲线拟合度的定量评价中应用了集对原理,应用

实例为对安宁河流域德昌站年最大流量频率曲线拟合度进行了分析。结果显示, 在基于集对原理的频率曲线拟合度的定量评价中,利用集对分析的同、异、反 的数值能提供更多的信息、更多对比,使得推断合理可行。
覃杰、赵克勤【7 2J将集对分析理论应用到医院医疗质量发展趋势综合分析中

来。应用联系数综合评价某医院一定年度的医疗质量,得到了与他人研究结果 相同的结果。同时利用集埘分析的偏联系数的有关理论知识进一步对某医院的 医疗质量做了趋势分析。

赵吴静、吴丌亚和会菊刚‘76】提出了用集对分析方法构造可变模糊集的相对
差异度函数,并建立流域防洪工程体系安全模糊综合评价的新方法(Set
Analysis based
on

Pair

Fuzzy Comprehensive

Evaluation.SPA—FCE)。

王国平和王洪光17 7J应用集对分析方法,建立了综合评价污水处理厂的定量

评价模型。并进行了实例运用,表明了集对分析同一度综合评价方法概念清晰, 用于多目标决策评价可行,是一种比较适用的新方法。 苏美蓉、杨志峰等【7 9J将集对分析方法应用到评价城市生态系统健康状况中 来,通过相对贴近度来从横向和纵向描述城市生态系统健康状况。并且运用该
方法进行了实例应用。

以上只是对集对分析在系统评价中的研究进展状况进行了简单的说明,并 没有包括所有资料。虽然集对分析理论及联系数学的研究还不是完全的成熟,
39

但是其具有广阔的应用发展前景。本文将集对分析理论应用到城市供水系统脆 弱性评价领域中。

3.3基于集对分析理论的供水系统脆弱性评价 建立了城市供水系统脆弱性评价指标体系之后,然后用基于加速遗传算法 的模糊层次分析法筛选指标、确定各指标和子系统的权重,在此基础上,利用 用集对分析方法建立了基于联系数的城市供水系统脆弱性评价模型。 利用基于联系数的评价模型进行城市供水系统脆弱性评价的7个步骤。 (1)根据城市供水系统脆弱性评价的内涵和目标以及城市供水系统本身的 特性,采用系统性和实用性等原则,将城市供水系统脆弱性评价系统分为水源、 设施、输配水、城市和管理5个子系统。在理论分析、文献统计、专家咨询等
的基础上【12-1 3,30,33-41】,根据城市供水系统自身的特性及其影响因子的综合分析,

将城市供水系统脆弱性评价系统各子系统细分为若干评价指标。由此建立的城 市供水系统脆弱性评价指标体系可表示为{x,tl,_1,2,…,m;/c=-1,2,…,ns.)。其中,m 为城市供水系统脆弱性评价系统的子系统数目(这里取5),nj为子系统,的评价
指标数目。

(2)用AGA.FAHP筛选城市供水系统脆弱性评价指标体系{x,^I,-
l,2,…,m;/F-1,2,…,吩)。

(3)根据评价指标体系的物理含义及其对城市供水系统脆弱性的作用影响 等方面,建立城市供水系统脆弱性评价等级标准fSejkle=l,2,…,E;
.,-1,2,…,m;k=l,2,…,nj.},

对应的评价指标样本数据集记为{x,女l

/=1,2,…,m;尼=1,2,…,n,)。其中E,m和n,分别为城市供水系统脆弱性的系统的评 价等级标准的等级数目、子系统数目和子系统,的评价指标数目。 (4)用集对分析构造供水系统子系统,指标k的样本值x,^与城市供水系统 脆弱性评价标准之f日J的单指标联系数us.★。其中/=1,2,…,m;尼=1,2,…,nj。即利用

集对分析的理论对指标集{x,川肛l,2,…,Ⅳ,)和标准{S。jkle=l,2,…,E;k=l,2,…,Nj)
两个集合建立集对【28J进行同、异、反三方面的定量比较分析,用式(3.4)计算E
元联系数l强42,4
t y ,




¨





+ V



+ 矿 E E

+ V







“(

,.,



=L



'.

川 肚七



l 2





“n

式中:vj.幻是联系数uj女的联系数分量,“肼是样本值x肚与城市供水系统脆弱性评


价标准等级P之I、日J单指标联系数,均为非负值,且满足量v.,:1,其中Vjkl
P=1.,庀P

为同一度分量,v,托为对立度分量,其余分量为差异度分量;II,12,…,IE.2 为指标样本值与2级到(E.1)级评价标准的差异度系数,J为对立度系数,这些系 数可按“均分原则”在[.1,1]中取值。
40

将城市供水系统样本值xm与城市供水系统脆弱性评价标准等级e作为两个集合 构成一个集对,对两集合的接近属性作同、异、反的定量分析[2,58,79】:若它们 处于相隔的等级中则uj,。=一1;若它们处于相邻的等级中则uj,。∈【.1,1】;若它们 处于同一等级中则对应集对的联系数为”胁=1,进而计算得出单指标联系数分

量vj,。。枷与等级e越是接近则uj,。=l,札与等级e相隔的等级越是接近则嘶妇=.1。
由此联系数甜m就是可变模糊集“标准等级P”的一种相对差异度12,621,样 本值x雎隶属于模糊集“标准等级e”的相对隶属度可表示为:


v'j七e

o?5+o?5“jke(j=1,2'…,优;七=1,2,…,Ⅳ严。1,2,…,E)

(3?5)

经过式(3.5)进行归一化处理后,可得单指标联系数分量v触:

‰=篪咏。
12,791..

(3.6)

单指标联系数吩女的计算过程,取E=5个评价标准等级(e=1~5),评价指标 乃^随着评价标准等级e的增大而增大的指标,称为正向指标,反之,称为反向

指标。则样本值狮与水安全评价标准等级e问的联系数‰。的具体计算公式为

1,正向指标x"≤Sllk或反向指梳肛≥∞肛
1—2(x,★一Silk)/(J2肚一Silk),正向指标sI止<z肛≤¥2Ik,或反向指标一一>x,^≥52一 一1,正向指标x,★>¥2Ik'或反向指标x,★<s2肛
(3.7)

1—2(sI业一■t)/(一,^一SO,女),正同L,"4日‘---t个,J"J汶肚≤Silk或反向指标x,^≥墨肚 l,正向指标_,★<■★≤¥2Ik或反向指标气一>x,^≥s2,★ I一2(x,★一¥2/k)/(为肛一s2肚),J下向指标s2,★<x,^≤J3,^,或反向指标J2肚>_々≥S3什 一i,正向指标,x一>S3业,或反向指标x肚<岛业
(3.8)

-1,正向指标,x,^≤Silk或反向指标x肚≥_雎 1—2(s2,^一X/k)/(52业一量,^),正向指标_,^<z,^≤S2.1k,或反向指标一且>■^≥S2¨ 1,正向指标s2业<x,七≤S3,^,或反向指标s2,^>x,^≥S3肚 1—2(x,★一岛,★)/(s4,^一为p),正向指标与肚<x,^≤¥4/k'或反向指标邑,膏>x,々≥s4止 一1,正向指标,x肛>S4肚,或反向指标x肚<S4肚
(3.9)

4I

-1,正向指标,一。≤S2jk或反向指标%≥J2业
1-2(S3业一x业)/(s3业一s2止),正向指标岛肚<Xjk≤S3jk,或反向指标s2业>Xjk≥s3且

l,正向指标岛社<‰≤S4一,或反向指标s3业>“≥S4p
1—2(x且一5"4一)/(岛且一S4业),正向指标_业<Xjk≤S5)k或反向指标s4业>X3^≥岛肛
(3.1 0)

f-1,正向指标,‰≤¥31k或反向指概肛≥s3一 %5={l-2(S4业一%)/(s4业一S3jk),正向指标邑业<‰≤S4∥或反向指标墨一>‰≥&肚 【l,正向指标s4p<嘶≤S5jk,或反向指标_肚>Xy★≥S5业
(3.1 1)

式中:SI.,k~ssyk分别为1~5级评价标准等级的限值,Sojk为各指标1级评价标准 等级的另一端点值;j=l,2,…,m;k=l,2,…,n/。式(3.7)~式(3.1 1)的“紧凑梯形式” 的函数结构利用了作为点值信息的样本值石,七与作为区间值信息的评价标准等 级e之间的同、异、反三方面的定萤信息12’7 91。根据式(3.5)和式(3.6),即可由

即。计算单指标联系数分量队。,再经式(3.4)可计算毗。
(5)由式(3.4)可得子系统J与城市供水系统脆弱性评价标准之间的子系统联系
数吩: 甜,=丫,l+V/2,1+V/3,2+…+V/(E_I)Iu一2+■FJ(j=1,2,…所) 式中I
~,

(3.1 2)

%=∑y,★V,打(/=1,2,…,m;e=1,2,…,E)
k=l

(3.1 3)

式中:wjt为用AGA.FAHP[281求得的子系统/指标k的权重,满足
Nt E

∑W,。=1;∑V,。=1。
k=l F=I

(6)由式(3.1 2)可得样本与城市供水系统脆弱性评价标准之问的样本联系
数“:
甜=’’1+V2,l+屹,2+…+Vh-I,,i一2+VFJ (3.14)

式中:

屹=∑W,V∥(P=l,2,…,E)


(3.1 5)



式中:wj为用AGA-FAHP‘281求得的子系统/的权重,满足∑W,=l;∑匕=1。
/=1 e=l

(7)城市供水系统脆弱性等级判断。联系数在区间[一l,1】取值,则可根据“均 分原则”,先将区问【一1,l】进行(E.1)等分,把从右至左(E-1)个分点值分别作为Il, 12,…,IE.3,IE.2,J的取值,把这些取值分别代入式(3.4)、式(3.12)和式(3.14),

可分别得到指标、子系统和样本3个层次的联系数值;再根据“均分原则”,将 区间卜1,1】进行E等分,如若E=5,则将卜1,l】区间5等分,得到的从左至右5 个子区间【.1,.0.6)、【.0.6,.0.2)、[-0.2,0.2)、【0.2,0.6)和【0.6,1.O],分别对应评价标 准等级5,4,3,2,1,将求得的指标、子系统和样本3个层次的联系数值与 这些子区问进行比较,可分别得到指标、子系统和样本3个层次的城市供水系 统脆弱性评价等级值,进而可以得出城市供水系统的脆弱性的评价结果。

3.4小结

本章内容主要介绍了城市供水系统评价的相关理论知识,介绍了层次分析 理论以及该方法在评价中的应用,模糊综合评价方法的简单介绍。本论文城市 供水系统脆弱性评价主要用到了基于联系数的评价模型,该模型应用到了集对 分析的理论,所以在本章内容中对集对分析理论以及在评价中的应用情况做了 简单介绍。并且本章介绍了基于联系数的评价模型的应用于城市供水系统脆弱 性评价的7个步骤过程。

第四章城市供水系统脆弱性评价实例分析
4.1合肥市概况1801 合肥是安徽省的省会,位于中国中部,江淮之间,巢湖西北岸,通过南淝 河通江达海,具有承东启西、接连中原、贯通南北的重要区位优势,是全省政 治、经济、科教、文化中心和交通枢纽。 合肥市有两千多年历史,在1 949年中华人民共和国成立后设合肥市。现辖 瑶海、庐阳、蜀山、包河个区,肥东、肥西、长丰3个县,以及合肥高新技术 产业丌发区、合肥市经济技术丌发区、新站综合丌发试验区三大丌发区。全市 行政辖区总面积为7029.48平方公罩,其中巢湖水面面积233.4平方公里,市 区总面积838.52平方公罩,其中巢湖水面面积72.93平方公罩,新增南岗镇面 积91.95平方公罩,新增烟墩乡面积l 06.78平方公里。 合肥以平坦的地形为主,大部分地区坦荡丌阔,少数地区有波状起伏,总 的地势西北高、东南低,海拔一般在12"-'--45米之间,区域内最高点大蜀山海拔 为282米。合肥市土地类型多样,分为低山丘陵、低丘岗地和平原好区三大类。
自l 949年1月21日合肥解放,这座历史悠久的古城迅速成为新兴的社会

主义工业城市,特别是改革丌放以后,合肥市把贯彻党的路线、方针、政策与 具体市情相结合围绕建设现代化大城市的战略目标,积极实施科教兴市,丌放 强市、工贸富市、城乡一体的可持续发展战略,保持了社会经济发展的良好势
头。

4.1.1合肥市气象与水文水资源【81】
1)气象概述

合肥属亚热带湿润季风气候。气候温和,四季分明。春季天气多变、冷暖无 常,初夏梅雨显著,盛夏炎热多,秋季降温快,冬季干冷,雨雪较少。一年四 季冬季最长,夏季次之,春季最短。同照充足,光能资源丰富,无霜期较长。 年降雨量适中,但分配不均匀,夏季降水最多,占年降水量的42%,冬季降水
最少,仅占年降水量的11%左右,季风气候显著。

合肥市全年平均F1照时数为2200多个小时,年平均温度为1 5.7℃。合肥 市主导风向,全年为东北偏东风,夏季盛行东南风和东风,冬季多东北风和西 北风,历年土地冻结深度6~8cm,最大冻结度为11m。地下潜水水位埋深1.5~
2m。

根据本市多年平均降水资料统计,自北向南由925mm递增到1

075mm,l 954

年降水量最大为1 549mm,年降水量最小为573mm,年际变化达2.7倍,月降
水量最大为1 954年7月,达588.4mm,最少为1 959年7月,仅1 7.6mm。降

水主要集中在三个时期,即春雨期,梅雨期,秋雨期。合肥市多年平均降水量
960mm左右。

2)水文水资源 合肥市的水资源主要来自大气降水,地表水资源相对丰富,地下水资源贫 乏。2008年地表水资源量为16.92亿m3。由于合肥降水分布不均,年际变化较 大,最丰水期(p=5%)可产水40.96亿立方米,最枯水期(p=5%)只产5.49亿立方 米,一般年份产水量约在1 8.25亿立方米之间。合肥市人均占有地表水资源量 593m3,约为全省人均占有量的一半左右。现农业灌溉、工业生产和城市人民 生活用水,主要是利用地表水。地下水资源贫乏,开发价值不大,城市供水不 用地下水资源,只是农村掘井汲取饮用,其量甚微。 合肥市地表水体主要包括巢湖西半湖、董铺水库、大房郑水库、南淝河等, 以上各河流均为巢湖支流。 南淝河为某市主要受纳水体,是巢湖水系一大支流,发源于某市西北的将 军岭、长岗店一带,全长70km,流域面积为l 464km2。南淝河由西向东南穿城 而过,沿途有四罩河、板桥河、史家河、二十埠河、二罩河等支流汇入。南淝 河污染严重,目前为地面水V.劣V类标准【82J。 十五罩河发源于合肥城西郊大蜀山东南测,河道长28.8km,流域面积
11

1.25km2,河宽2~1 Om,不能通航。因为十五罩河接纳合肥市西南部工业及

生活废污水,污染严重,控制断面现状水质为劣V类。 董铺水库【82 J又称蜀山是水库,位于合肥市西北部,南淝河上游,建成于1 959 年,是一座除城市防洪功能外,还是合肥市的供水水源之…的综合利用功能的 大型水库。水库控制流域面积207.5km2,在正常蓄水位28.Om时,水面面积为 16.2kin2,库容为O.77亿m3【54J。总库容2.42亿m3,防洪库容1.83亿m3。常年
蓄水量为600

700力.m3。董铺水库在充分利用本地径流供水外,在遇到水量

不足的情况时与淠河引水工程联合调度,由淠河引水弥补水源缺口。董铺水库 现状的现状水质是II~IIl类。 大房郧水库182’83】位于合肥市西北,除作为城市供水水源以外,主要还有城 市防洪的功能,其是一个综合利用水库。大房郧水库的流域面积为1 84km2,水
库的证常蓄水位为28.Om时,水面面积约1 5.6km2,库容约为O.65亿m3,总库

容1.84亿m3,水库平均水深约4.5m,最大水深约1 2m;坝址多年平均径流 量O.42亿m3,多年平均计算入库径流量1.1 4亿m3。据了解2008年该水库 水质II类水出现几率加大,一直稳定在III类水。 巢湖是安徽省最大的湖泊,是全国血大淡水湖之一,在蓄水位8.Om时,
湖泊面积为755km2,湖泊容积为17.11亿m3l配】。巢湖流域面积13310km2,为

半封闭型湖泊,主要支流有南淝河、派河、航埠河、丰乐河、十五罩河、柘皋 河等,总容量48.1亿m3,最高达52.8亿m3。巢湖污染严重,该状况受到了极 大的关注。由于污染致使巢湖水质不稳定,取水量变化较大,因此现在巢湖仅 作为补充水源使用。

45

4.1.2合肥市供水现状瞵UJ 合肥市1954年开始建供水工程,近50年来合肥市城市先后以南淝河、董 铺水库、大房郧水库、作为水源地,分别建立了水源厂、水厂、加压站等,现 属于合肥供水集团有限公司。由于供水水源不断的出现问题,为了保障供水安 全,则建成溟史杭灌溉渠和驰马山引水渠两大工程,西可引大别山水,东可提 长江水。按现有工程设施,平均每年可引、提水10亿m3,使的得合肥市水量 得到了较大的补给,更有力的保障了合肥市的用水安全。 合肥市2008年总供水能力达117万m3/d,供水主干管网11062km,供水 区域己延伸到市属三县部分地区,供水生产、管理和服务全面实现了规范化、 自动化、科学化,对出厂水有70个管网监测点水质定期迸行抽检考核,水质综 合合格率达l 00%;并且有40多个管网压力监测点检测管网的水压以保证供水 压力满足要求以及防止爆管的发生。合肥市供水集团提供合肥市城区用水,部 分大型企业建有自备水源以解决本企业的部分工业用水。 合肥市供水集团供水水源主要有董铺水库和大房郧水库,由于巢湖污染治 理效果不理想,因此其仅作为合肥市的补充水源。 董铺水库作为合肥市的主要水源,年供水量相对比较稳定,一般在1.4~ 1.5亿m3,2002年董铺水库取水量为1.46亿m3,2003年为1.42亿m3。 合肥市供水发展的过程中,并不是一帆风顺的。由于供水水源受到污染的 问题使得合肥市几次的更换取水水源。曾因为南淝河受到严重污染,不得不新 建干渠从巢湖引水,但是后来随着社会经济的发展,污染问题并没有得到很好 的解决,随后巢湖也出现了污染严重的问题,其水质不能满足作为水源水取用, 这样给合肥供水带来了许多困难,因此,合肥供水集团不得不在1 999年至2003 年,耗费巨资,从南淝河上游的董铺水库铺设长度约1 2.44km、大口径的水源 联络管,以解决供水水源问题。

4.2合肥市供水系统脆弱性评价 改革丌放以来,合肥市经济社会发展突飞猛进,连续20多年来合肥的GDP 保持在两位数以上增长,综合经济实力不断增强,经济总量和人均水平跨上新 台阶。经初步核算,2008年合肥总人口达到203.48力.人,2008年全市国内生 产总值达到1225.3766亿元;工业总产值达到l 5724693万元,城镇居民人均可
支配收入达到1 5590.59元。城市社会经济发展了,则城市需水量也会增加,2008

年合肥市总用水量25830.3万吨,生活用水量l

307

1.9万吨。

为了配合合肥经济社会的发展,以及更好的保障合肥城市的可持续发展, 这样就对合肥的供水事业发展的有了更高的要求。需要合肥供水系统随着社会 的发展而发展,跟上时代的步伐。通过本论文对合肥市供水系统的脆弱性评价, 希望对合肥供水事业的发展有所帮助。

4.2.1合肥市供水系统脆弱性评价指标的选择 本论文第二章内容已经介绍了城市供水系统脆弱性评价的的指标选择的方 法以及选择的最终结果。但是为了具体问题具体分析,使合肥市的供水系统脆 弱性评价结果可靠可信,以上结果之上在做具体的分析筛选,在介绍合肥市供 水基本情况时知道合肥市的供水水源选用的是地表水,地下水没有作为供水水 源,所以在对合肥市供水系统脆弱性评价时,评价指标中的有关地下水的评价 指标筛除。则最终得到的合肥市供水系统脆弱性评价指标见表4.1(按筛选后 的指标体系对指标序号重新编号)。
表4.1合肥市供水系统脆弱性评价的指标体系


4.2.2合肥市供水系统脆弱性评价指标权重的确定 在第二章第五节中已经介绍了指标的权重的计算方法,则最终归一化以后得到 的各个子系统以及其各个指标的权重值如表4.2,表4.3,表4.4,表4.5,表4.6,
表4.7。

表4.2各个子系统的权重值

指标X4,l

X4,2

X4,3

工4,4

工4,5

X4,6

X4,7

4.2.3合肥市供水系统脆弱性评价等级标准确定 根据这些指标的物理含义及其对城市供水系统脆弱性的影响,参考城市供 水系统安全指标临界值的研究成果和其他城市供水系统脆弱性评价标准,国家
以及地方政府颁佰的标准和规划区目标、水资源保护要求,以及参照水安全指

标标准等,建立了合肥市供水系统脆弱性评价等级标准‘2.8,9.13.20.34,56.84-89],如表
4.8,续4.8表所示。 表4.8合肥市供水系统脆弱性评价指标标准

续表4.8合肥市供水系统脆弱性评价指标标准

4.2.4子系统及其指标与评价标准之间的联系数的确定 在合肥城市供水系统脆弱性评价指标选择、权重计算、评价标准完成以后。 根据所选择的指标以及相应的资料找到相应的指标数据即样本值。本文所用数
49

据为2008年合肥市的相关数据,数据来源有安徽省统计年鉴、合肥市统计年鉴、 安徽省水利统计年鉴、安徽省水资源公报、合肥市供水集团网站和文献总结以 及相关专家经验打分等【90刖01;2008年合肥市城市供水系统脆弱性评价指标值 如表表4.9所示。
表4.9合肥市供水系统脆弱性评价指标值

在计算指标X1.6水利投资占GDP比晕时,作者认为由于水利工程投资是一 个长期的过程,所以在计算该指标值时并不是采用2008年当年的水利投资额进 行的计算,而是利用合肥“十一五”水利投资占合肥“十一五”期间GDP的比 重值代替2008年的数值。 由各个指标的指标值,利用第三章介绍的基于联系数的评价模型的计算方 法中子系统及其指标与评价标准之I'BJ的联系数的确定方法进行计算,即利用公 式3.4~3.11进行计算。 利用式3.5~3.1l计算出的各个子系统的单指标联系数分量v舭见表4.1
表4.11,表4.1 2,表4.1 3表4.1 4,表4.1 5。
O,

袭4.1 0水源子系统各指标的联系数分鼙

50

表4.11

设旃子系统各指标的的联系数分量

利川式3.4和式3.1

2"---"3.1 3计算出的各个子系统的联系数分量吁以及其联系

数吩。多元联系数嘶=吩l+v,fll+vj3Iz+vj413+vtsd中,I,12,13,/的取值采用“均 分原则’’【4",则Jfl,,2,13,L,的取值为O.5,0,.O.5,.1。在计算时各个指标以 及各个子系统的权重值利用上文中表4.2~4.7的计算结果。
计算结果见表4.15。
表4.1 5 各子系统的联系数分餐

4.2.5样本与评价标准之间的联系数的计算 利用式4.14,式4.15计算合肥市2008年供水系统样本与脆弱性评价标准 之间的样本联系U。
表4.16

系统的联系数

联系数值对应的评价等级为第2等级即临界脆弱,由此可以判断合肥市 2008年城市供水系统脆弱性评价结果为处于临界脆弱状态。

4.3结果分析
表4.1 5说明:1)合肥市供水系统子系统水源系统、输配水子系统和管理

子系统的联系数分别为0.3083,0.4845,0.5894,由此可以判断其处于第二等 级即临界脆弱性;设施子系统的联系数为0.6099,由此判断其处于第一等级即 不脆弱;城市子系统的联系数为0.1 071,因此其处于第三等级即弱脆弱等级。 2)水源子系统、输配水子系统和管理子系统的评价结果虽然都处于第二等级, 但是从三个子系统的联系数O.3083,0.4845,O.5894可以看出三个子系统的稳 定性从高到低的排序为:管理子系统、输配水子系统和水源子系统;设施子系 统的联系数O.6099显示其处于第一等级,但是从联系数的大小呵以判断出其处 于第一等级偏向于第二等级。3)在这5个子系统中最为不稳定即偏于脆弱的是 城市子系统。 这评价结果与合肥市的供水实际情况基本吻合,合肥市在改革丌放以来社 会经济有了很大的发展,其城市需水量也突飞猛进。社会发展对供水系统的影 响也是显见的,其对供水系统安全等级的要求也是越来越高。合肥随着经济的 发展需水量在加大的同时,其产出的污水以及对水环境的污染也有加重的趋势, 所以缺水出现了水量和水质缺水情况并存的结果。但是为了城市的可持续发展 决策者做出了相应的对策,例如为了解决城市水源问题采用了远距离输水的对 策以及加大对水污染的防止与治理工作。 为了城市供水系统的水源可靠性,减少水源故障或输水管故障会对整个给 水系统的影H向。因此,应该考虑多水源供水系统,保证水源满足水量、水质的 要求供应水。要充分利用水利设施以丰补桔、进行水量的引取、蓄放与调节。
以此保障供水水源安全可靠。

城市输配水和设施系统属于可修复系统。输配水和设施系统发生故障会影 响到整个供水系统的稳定性,因此,为了提高其可靠性,务必使输配水系统不 发生或少发生故障,即使发生故障后能及时加以排除。从本文合肥市的供水系 统脆弱性评价的结果可以看出,降低输配水和设施系统故障率以及提高维修速 度对城市供水系统脆弱性有重要的影响。

从评价结果可以看出其供水系统有一定的脆弱性,要求管理者要更加注意 供水安全的问题。 对于该市供水系统脆弱性从5个子系统以及其各个指标的评价结果进行分 析可知,水源子系统引起该市脆弱的指标主要是水利投资占GDP比重、少雨期 降雨量比重、枯水年来水保障率、工程供水能力等。为了降低该市的城市供水 系统脆弱性,则决策者应该加大对水利设施的投资,保障水利设施对水量时空 分布的调节,这样可以降低少雨期、枯水年水量减少对该市城市供水系统的不 利影响,以此保障供水的安全。为了降低这些指标引起的供水系统脆弱性,决 策管理者还可以注重对其管辖内的水资源科学合理的调控问题,充分利用水资 源,提高水资源利用效率。 工程供水能力指标也影响到了该市供水系统的脆

弱性,为了提高工程供水能力,则需要管理者定期对供水工程检查以减少以外 事件的发生,并随着社会经济的发展决策管理者也应该加大对供水工程人力和 物力的投入,以此减小该指标引起的供水系统的脆弱性来保障城市用水的安全。 从计算评价的结果可以看出该市的供水系统的设施子系统中管网压力监测 点的行置还不完善,为了降低该指标引起的供水系统的脆弱性,则需要决策管 理者增加管网压力监测点,这样可以尽可能的实时监测管网的压力情况,将更 多实时的压力数据反馈给管理者,更有利于使管理者对管网爆管等事故做出最
快的处理。

在供水系统的输配水子系统中管网故障率指标对供水系统脆弱性的影Il向比 较突出,管网发生故障时不仅不能满足用户水量的要求,其水压也不能满足要 求,会造成大面积的停水,为了减少管网故障率,则需要管理者,定期对管网 零部件做定期的检修,同时最好更换那些超过适用年限的管道以及零部件。另 一方面也需要管理者做好标示宣传的工作,尽量减少认为的对管网的破坏。 对于城市子系统中的指标人均GDP、人口、工业产值等对该市的供水系统 脆弱性影响比较明显,原凶可能是随着改革丌放的发展该市的社会经济都有了 突飞猛进的发展,其要求的水量、水质即水安全等级也提高,则相应的基础设 施没有跟上社会经济发展的步伐。这样就需要管理者加大对供水系统的投入。 对于城市供水系统管理者从当着莺要的角色,则在该市的管理子系统中高 学历管理人/j‘比例以及突发事故处理的时问、效率等还有待提高,为了增加高 学历管理人才比例需要供水企业引进大量的专业高素质人才‘以提高其管理水 平,为了突发事故处理的时间、效率,则建立管理部门培训专业熟练的技术工 人以配套的专业设备;还需要管理部门完善突发事故应急预案及地信系统、数 据库管理,为维修提供专业的指导已经准确的信息。

第五章
5.1

总结与展望

总结

本文对城市供水水系统脆弱性的概念、内涵以及影响因素和评价做了初步 的尝试,对城市供水水系统以及各个子系统进行了脆弱性评价。主要做了如下
工作:

(1)通过阅读大量国内外关于脆弱性、城市供水水系统脆弱性文献以及和 脆弱性相关的文献,对城市供水系统脆弱性的概念、内涵、影n向因素以及其研 究进展做了介绍。 (2)在分析城市供水系统脆弱性以及大量阅读文献的基础之上,构建了城 市供水系统脆弱性评价分为五个子系统以及各个子系统的初步指标体系。 在分析影响城市供水系统脆弱性的人为和自然因素的基础之上,分别介绍 一些人为和自然因素对供水系统的潜在危险以及可能造成的危害,结合城市供 水系统与地区社会经济系统交互作用的机理,确定了城市供水系脆弱性评价初 步指标体系的设置原则,根据这些原则以及城市供水系统本身的结构特点,建 立了由供水水源、设施、输配水、城市和管理5个子系统及其评价指标组成的 城市供水系统脆弱性评价的初步指标体系,再利用专家咨询信息,采用模糊层 次分析法与加速遗传算法相结合的遗传模糊层次分析法筛选该初步指标体系, 从而建立了城市供水系统脆弱性评价指标体系以及计算出了各个子系统及其元
素的权重指标值。

城市供水系统脆弱性评价指标体系的各子系统及其评价指标的筛选结果说 明:5个子系统按照从重要到不重要的顺序分别为水源、输配水、管理和设施
子系统。

(3)通过阅读文献简单介绍了一些评价理论以及评价模型,并且将用于区 域水安全评价的基于联系数的评价模型应用至0城市供水系统脆弱性评价中。并 且对该模型进行了介绍。介绍了城市供水系统评价的相关理论知识,介绍了层 次分析理论和该方法在评价中的应用,以及模糊综合评价方法的简要介绍。基 于联系数的评价模型应用到了集对分析的理论,所以在本章内容中对集对分析 理论以及在评价中的应用情况做了简单介绍。并且介绍了基于联系数的评价模 型的应用于城市供水系统脆弱性评价的7个步骤过程。 (4)将以上内容应用到实际的城市供水系统脆弱性评价中即实例分析。脆 弱性评价采用分层的分析体系,将定性与定量方法相结合。实例分析应用到合 肥市供水系统,评价的结果显示合肥市2008年供水系统子系统水源系统、输配 水子系统和管理子系统评价结果处于第二等级即临界脆弱性;设施子系统的评 价结果是处于第一等级即不脆弱;城市子系统评价结果处于第三等级即弱脆弱 等级。评价结果显示其供水系统有一定的脆弱性,要求管理者要更加注意供水

安全的问题。

5.2

展望 对城市供水系统脆弱性评价问题进行研究,既是对城市供水系统脆弱性问

题的认识研究,也是对系统评价方法的探索和研究。本文将利用集对理论的基 于联系数的评价方法引入到城市供水系统脆弱性评价问题,但无论是在集对分 析方法方面,还是在城市供水系统脆弱性评价问题等实际应用方面部存在不少 问题,尚须继续研究不断完善。 (1)目前脆弱性的概念还没有统一的认识。随着对脆弱性的研究越来越多, 有规范和科学合理的脆弱性概念更有利于脆弱性的研究。则有关城市供水系统 的脆弱新概念也需要进一步的发展与完善。在对城市供水系统脆弱性研究时, 完善和加强城市供水系统脆弱性研究工作的基础性工作也是非常重要的。城市 供水水系统脆弱性研究工作的丌展要以相当一部分的基础工作为前提,主要指 相关的基础数据统计工作,如供水水系统中各组成部分的故障概率统计。有了 可靠的统计数据对分析的结果的准确性至关重要。城市供水系统脆弱性研究工 作成果最终是要运用于生产实践。由于我国城市供水系统脆弱性研究工作起步 较晚,在对脆弱性理论研究外,也要注意理论与实际的结合。 (2)在利用集对分析理论时差异度系数f怎样取值的问题,一直是一个难 点问题,希望有更好的解决方法。随着集对分析的深入研究,必将会有广阔的
应用研究前景。

(3)基于统计数掘用概率统计以及参考文献和专家定值的方法确定指标分 类标准,然后按此分类标准作集对分析。该方法确定指标标准具有一定的实用 性,但是也存在主观性,对于指标标准的确定还可以更为深入的研究。 (4)评价等级的划分本文根据“均分原则”将【.1,l】进行等分,进而判断 脆弱性等级,该方法简单适用,但是也其局限性。所以有关其等级的划分方法 还可以做进一步的研究。 (5)针对同一评价问题采用不同的评价方法可能会得到不同的评价结果, 但是这些评价方法所得结果之间可以相互的验证。本文只是利用一种方法进行 了脆弱性评价,还可以用其它评价方法对城市供水系统脆弱性进行评价。但是 如何衡量评价结果的客观准确性等问题都需要进一步探索和研究。 (6)由于数据资料有限等原因,本文在选择脆弱性评价指标可能不是十分 的全面详细,但是如若对各个子系统进行评价时评价指标需要尽可能的全面洋
细。

(7)本文对城市供水系统脆弱性的评价实例只是应用到了2008年的样本 值,如若可以对其多年城市供水系统脆弱性进行评价可以总结出其发展规律, 对城市供水系统脆弱性进行预警研究。

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城市供水系统脆弱性研究
作者: 学位授予单位: 和蕊 合肥工业大学

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