大数据：中国排水系统现状、综合评价与未来政策建议！
利用我国2007年和2015年地级城市排水系统面板数据，从城市排水设施配备水平、排水设施运行水平、污水处理效果3个方面选取合适指标，分析了其空间分布特征和时空演变特征，结果显示：此期间我国排水系统建设取得了很大进展，但各地区间排水系统特征存在显著差异，系统内部也不均衡。各地区排水管网增设规模显著高于其他方面增长，而污水再生利用情况堪忧，各地区排水系统各方面增长还处于失衡状态。未来建设应更加关注排水系统各方面的均衡发展。运用TOPSIS多因子评价法和变异系数法对我国现阶段地级城市的排水系统水平进行了综合评价。贵阳、自贡、鄂尔多斯、邢台、昆明等城市排名前列，伊春、六盘水、揭阳、达州、商洛等城市排名末位，分区来看，排水系统排序依次为华北>华东>西北>西南>东北>华南>华中，同时华北地区显著优于其他地区。通过对比现阶段各地区排水系统不同方面与全国平均水平间差异以及各地区近八年间系统不同方面增长特征，对未来各地区排水系统发展提出了一些建议和方向。
1背景及相关研究
城市化带来人口的快速增加和用地的快速扩张，随之而来的是城市对各类基础设施的需求，尤其是近年来飞速的城市化，排水系统基础设施的发展尤其迅猛。2007年我国污水年排放量361亿m3，之后以每年3.7%的速度持续增加。到2015年底全国建成污水处理厂1944座，污水处理能力约1.4亿m3，污水处理率达到91.9%，2007~2015年全国城镇年污水处理量年均增幅超过11.1%，全国污水处理厂处理能力年均增幅超过12.1%，城市扩张带来需求增大，继而带来设施规模被动增大，导致城市再次扩张，而这种设施的不断扩建与城市发展是否相协调，以及设施之间是否相配套不得而知，而这个问题又关乎城市基础设施能否发挥最大效用，能否满足城市需求服务城市发展等重要命题。排水系统基础设施是城市基础设施的重要组成和确保城市排水安全的重要支撑，根据目前的发展趋势，未来我国的排水系统基础设施的建设压力将进一步加大。未来持续的城市化浪潮下，各地区排水系统的合理建设仍需科学指导。摸清我国现阶段各城市排水系统的配备水平及其演化特征，从而为未来设施规划提供建议和方向显得尤为重要。
国内学者对于城市基础设施的综合评价已有一些探索，黄金川等对中国2007年287个地级及以上城市的基础设施建设水平从发展排序、等级划分、空间分异和统计分布等方面进行了全面、系统的评价研究，程敏等运用因子分析、主成分分析、熵值法、灰色评价和集对分析构成的方法集对全国31个省市的基础设施可持续发展水平进行了综合评价，陈仲常等选用1998~2007年全国30个省市数据构建了城市基础设施现代化评价模型，武力超等构建了我国城市基础设施发展指数，并利用主成分分析法分析了基础设施水平和城市化之间的关系，这些研究主要集中在3个方面：一是给排水、环境卫生、能源系统、道路交通、通信系统等综合评价体系构建;二是层次分析、主成分分析、最大关联法、熵权法等评价方法探索;三是城市基础设施与地区经济间的协调发展评价，目前尚缺乏针对全国水平的排水系统现状及综合评价的研究。城市基础设施的定量化评价方法和研究尺度还有待进一步扩展，相比西方发达国家完备的基础设施评价标准，我国排水系统的评价指标体系构建和评价方法也急需完善。
针对以上问题，本文按照完备性、可行性和必要性原则，从城市排水系统的设施配备水平、设施运行水平、污水处理效果3方面选取合适指标，利用2007年和2015年全国地级城市的排水系统面板数据，分析现阶段排水系统的空间分布特征和时空演变特征，对全国地级城市的排水系统做出了综合评价。并为各地区未来排水系统建设提供了一些建议和方向。
2方法
2.1研究对象
按照我国现阶段行政和地理区划，本文选取2007年和2015年全国所有地级及以上城市作为研究对象。认为这些城市的排水系统特征可代表我国现阶段的总体水平，以2015年为例，共统计到288个地级及以上城市。这些城市分别来自华北、东北、华中、华东、华南、西南和西北等7个区域，分别占到所有城市的12%、12%、18%、23%、13%、12%和10%。
2.2指标体系和数据来源
本研究从城市排水系统设施配备水平、设施运行水平、污水处理效果3方面入手，选取指标来表征城市的雨污水收集设施和污水处理设施的配备水平、污水处理设施的利用与运行水平、污水处理和城市污水再生利用现状等特征，以地级市为单位，数据均来自2007年和2015年《中国城市建设统计年鉴》。
2.2.1指标体系说明以及数据来源(见表1)
2.2.2TOPSIS综合评价法
为了综合评价城市排水系统水平，本文利用TOPSIS综合评价法对全国地级市进行了评价排序，最终得到评价参考值D，D越小则代表评价结果越好，以下i=1∶288,j=1∶5,具体步骤如下：
步骤1：统一各项排水系统指标的单调性，根据指标实际意义，在此采用高优指标即数值越高越好。
步骤2：对各项指标进行归一化处理，如式(1)，其中xij表示第i个地级市在第j个指标上的取值，由此得到归一化矩阵Z，见式(1):
步骤3：依据各项指标的重要程度分配权值，在此按照变异系数法计算指标权重。
步骤4：确定最优方案和最差方案，从矩阵Z中选出各项指标参数值的最大值和最小值，构成最优解和最劣解，见式(2)、式(3)：
步骤5：利用空间多维点距离公式分别计算各地级市与最优方案及最差方案的距离，见式(4)，式(5)：
步骤6：计算综合评价值D，值越小则代表综合评价结果越好，见式(6)：
2.2.3变异系数法
变异系数法是一种客观赋权的方法，直接利用各项指标所包含的信息，计算得到指标的权重。在评价指标体系中，指标取值差异越大的指标，即越难以实现的指标，这样的指标更能反映被评价单位的差距。
为了消除各项评价指标的量纲影响，需要用各项指标的变异系数来衡量指标取值的差异程度。各项指标的变异系数公式如式(7)，其中：j=1∶5,vj是第j项指标的变异系数;δj是第j项指标的标准差;xj是第j项指标的平均数。Wj为各项指标的权重，计算方法如式(8)，最终计算的权重结果为：排水管网密度(15%)，设施规模密度(14%)，污水处理率(3%)，污水厂负荷率(10%)，再生水利用率(58%)
3结果和讨论
3.1现阶段我国排水系统设施特征
本研究选择2015年的城市面板数据分别从地级市层面以及七大分区层面对我国现阶段的排水系统设施空间分布特征进行了描述，为了描述不同地区间的差异性，对各地区间的城市排水系统水平进行独立样本KruscalWallis检验(由SPSS软件实现)，KruskalWallis(KW)结果显示通过检验，说明我国各地区间排水系统设施配备水平、设施运行水平、污水处理效果差异很大，空间分布不均衡。
3.1.1各地级城市排水系统设施空间分布特征
检验是一个关于3组或更多数据的非参数性测试。用来检测总体函数分布的一致性原假设和其替代假设，关于至少2个样本之间存在差异的假设。结果显示通过检验，说明我国各地区间排水系统设施配备水平、设施运行水平、污水处理效果差异很大，空间分布不均衡。
图1~图5分别表示了2015年我国各地级城市排水系统设施各指标空间分布图和频率分布直方图。5个指标在空间上的分布趋势不尽相同，整体来看，全国大多数城市管网密度处于一般水平，平均达到9.27km/km2，方差22.70，最大为无锡市(39.35km/km2)，接下来依次是丽江(23.53km/km2)、巴彦淖尔(23.16km/km2)、天津(22.07km/km2)、常州(21.98km/km2)，而最小为自贡市(0.35km/km2)，其次是揭阳(0.76km/km2)、萍乡(0.98km/km2)，城市间差异较大。长三角、宁夏-内蒙地区和沿海地区的管网密度水平高于内陆及东北地区城市，观察其频率分布直方图，排水管网密度值主要集中在10左右，排水管网密度极高和极低的城市数量较少，除过无锡市城市间数值变化较平滑，大体呈现正态分布趋势。
设施规模密度体现了地区污水处理设施的配备水平，全国地级市的污水处理设施规模密度平均0.24万m3/(d˙km2)，方差0.012，最小为嘉峪关市(0.03万m3/(d˙km2))，其次是固原(0.04万m3/(d˙km2))、拉萨(0.06万m3/(d˙km2))，最大为上海市(0.79万m3/(d˙km2))，其次是佛山(0.76万m3/(d˙km2))、本溪(0.60万m3/(d˙km2))、珠海(0.60万m3/(d˙km2))、平顶山(0.57万m3/(d˙km2))，城市间差异不大，长三角及腹地、渤海湾及腹地、珠三角及腹地设施规模密度较高，观察期频率分布直方图，数值较大和较小的城市比较少，除过上海市城市间数值变化较平滑，大体呈现正态分布趋势。
负荷率反映了污水处理设施的运行状况，全国地级城市的污水处理厂负荷率普遍较高，平均达到0.84，方差0.07，最小为巴彦淖尔市(0.33)，其次是嘉兴(0.36)、定西(0.37)、崇左(0.38)、榆林(0.39)，最大为嘉峪关市(3.00)，其次是宜宾(2.55)、牡丹江(1.78)、贵港(1.71)、柳州(1.69)，37个城市负荷率大于1，污水处理厂超负荷运转情况较严重，城市间差异很大，整体来看，负荷率呈现南高北低、沿海高内陆低的趋势，从频率分布直方图来看，指标数值较为集中，峰值左偏。
污水处理率反映了城市污水最终的处理程度，我国地级城市的污水处理率普遍较高，基本大于80%，除过东北部分地区和拉萨、七台河等内陆少数城市，全国平均水平达到了90.31%，方差0.009，城市间差异很小，最小为拉萨(0.18)，其次是七台河(0.39)、崇左(0.40)、绥化(0.48)、达州(0.49)，最大为辽阳、铁岭、沧州、新余、盘锦和黄冈，其城市污水处理率达到了100%，从频率分布直方图也可以看出，污水处理率指标数值较为集中，峰值右偏。
污水再生利用是合理利用现有水资源的有力举措，其受地区政策影响很大，全国平均水平只有7.5%，方差0.021，171个城市接近于0，最大值贵阳市(0.97)，其次是自贡(0.93)、鄂尔多斯(0.66)、邢台(0.65)、昆明(0.60)，城市间差异很大，整体来看，北方城市污水再生利用优于南方地区，观察频率分布直方图，除去污水再生零利用的城市之外，指标数值较为分散，峰值严重左偏。
3.1.2分地区城市排水系统设施特征及近年来增设概况
图6描述了我国各地区2007年和2015年平均排水系统设施指标分布值，图中高低红色虚线分别表示2007年和2015年各指标的全国平均水平。分析2015年指标表现，分地区来看排水管网密度，华东、华北地区高于全国平均水平，分别达到12.49km/km2和9.63km/km2，华南、华中和西南地区与全国平均水平相近，东北和西北地区管网密度较低，只有6.14km/km2和5.55km/km2，显著拉低了全国平均水平。分区来看设施规模密度，华南和华中地区显著高于全国平均水平，分别达到了0.29万m3/(d˙km2)和0.27万m3/(d˙km2)，东北、华北和华东地区的规模密度水平比较相近全国平均水平，西北和西南地区分别只有0.19万m3/(d˙km2)和0.18万m3/(d˙km2)，显著低于全国平均水平。分区来看污水处理厂负荷率，华北、西北、东北地区城市污水处理厂负荷率低于全国平均水平，地区间差异不是很明显，华中和华东地区污水处理厂负荷率水平接近全国平均水平，西南和华南地区高于全国平均水平。分区来看污水处理率，各地区间整体发展水平比较相近，东北、西南和华南地区稍低于全国平均水平。分区来看污水再生利用率，地区间差异显著，华北地区地区利用率最高达到了20%，西北地区次之达到了10%，华东和西南地区达到9%，而东北、华南和华中地区分别只有4%、1%和2%，显著低于全国其他地区。
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近年间，我国各地区排水系统设施均有大幅度增长，如图6，按照全国、东北、华北、华东、华南、华中、西北、西南的顺序，各地区的2015年排水管网密度依次增长为2007年的3.3倍、3.1倍、3.7倍、4.4倍、4.2倍、2.3倍、1.6倍、3.0倍;2015年设施规模密度依次增长为2007年的1.37倍、1.99倍、1.12倍、1.23倍、1.98倍、1.29倍、1.33倍、1.13倍;2015年污水处理厂负荷率依次增长为2007年的1.28倍、1.33倍、1.34倍、1.23倍、1.21倍、1.43倍、1.28倍、1.47倍;2015年污水处理率依次增长为2007年的1.38倍、1.48倍、1.34倍、1.28倍、1.49倍、1.50倍、1.39倍、1.44倍。西北、西南、华北和华东污水再生利用率较2007年有所提高，尤其是华北、西北和西南地区成效较为显著，而华南、华中和东北地区不仅没有成效，2015年污水再生利用率反而低于2007年，综合来看，各地区排水管网增设规模显著高于其他方面增长，而此阶段各地区污水再生利用情况堪忧，各地区排水系统设施各方面增长还处于失衡状态。未来建设应更加关注排水系统各方面均衡发展。
3.2现阶段我国地级城市排水系统设施综合评价
图7为现阶段各地级市排水系统综合评价结果的空间表征和各地区TOPSIS结果，分区来看，排水系统排序依次为华北>华东>西北>西南>东北>华南>华中，华北地区显著优于其它地区。分城市来看，大多数城市的评价值处于0.90~1.00，东北地区部分城市、东南沿海和内陆多数城市TOPSIS指标值大于0.94，水系统设施综合评价值高，反映为城市排水系统综合水平较低，长三角及腹地、珠三角及腹地和西北地区部分城市的评价值处于0.90~0.94，反映为城市排水系统综合水平一般，东北地区的大庆、大连等城市，环渤海地区及腹地，及西北内陆少数城市综合评价值小于0.9，反映为城市排水系统综合水平较高。分城市来看，贵阳和自贡市的综合评价值远远低于全国其他城市，城市排水系统水平居于前列，鄂尔多斯、邢台、昆明、北京、东营、日照、金昌、大连、晋城、邯郸、无锡、唐山、潍坊、淄博、常州、张掖、中卫、苏州市作为全国前20强，显示良好的排水系统综合水平，如表2所示，除去自贡市主要由于污水再生利用率较高而入围前20强之外，其他城市的的排水系统各方面指标均表现良好;伊春、六盘水、揭阳、达州、商洛、鸡西、咸宁、延安、通化、定西、萍乡、茂名、白山、乌兰察布、崇左、临汾、双鸭山、铜川、陇南、广安市为排序后20名，排水系统总体水平较低。
鉴于篇幅限制，此处只列出排名前20强进行分析，见表2。像无锡、常州等城市的排水管网密度、设施规模密度和污水处理率指标均表现良好，但其他指标表现稍差，所以排名靠后，而像昆明、北京及大连等城市各指标表现均一般，却排名靠前，充分说明，城市排水系统是一个有机整体，只有各方面均衡发展才能达到最佳利用状态，同时可以看出，像上海、广州、深圳、重庆、杭州等综合实力较强的城市并没有出现在城市排水系统排名前20强中，所以说城市综合实力以及对基础设施的投入能力与实际的城市排水系统的综合水平表现并没有必然的联系。
3.3未来各地区排水系统设施建设方向与建
城市排水系统是一个有机整体，由污水收集、污水处理和污水再生利用构成，3方面设施配备水平均衡发展，才能达到最佳处理效果。排水管网密度体现了污水处理前端的城市污水收集能力，设施规模密度则体现了地区污水处理设施的配备水平，负荷率反映了污水处理设施的运行状况，污水处理率则说明城市污水最终的处理程度，通过对比现阶段各地区的系统不同指标特征与全国平均水平间的差异以及各地区近年间系统不同指标增长特征，可以为未来的设施规划建设提供有价值的建议。
分析现阶段各地区排水系统特征和近年来增设特征，如表3，现阶段东北地区的排水管网密度显著低于全国平均水平，设施规模密度却超过了全国平均水平，说明东北地区的污水收集能力与处理能力是不匹配的，结果是污水处理厂负荷率和污水处理率均低于全国平均水平，较丰富的污水处理设施资源并没有得到有效利用，而近八年间排水管网增设规模低于全国平均水平，设施规模密度增设规模显著高于全国水平，因此未来应加大排水管网建设力度，同时充分利用现有污水处理设施资源提高设施负荷率。华北地区的排水管网密度和设施规模密度均高于或接近于全国平均水平，在达到较高污水处理率的情况下，污水厂负荷率却低于全国平均水平，说明华北地区的污水处理设施资源过于丰富，而近八年间该地区污水收集设施增设规模显著高于全国平均水平，因此未来水系统设施的发展重点不是设施的增设，而是充分利用现有设施资源，逐步提高污水处理设施负荷率。
华东地区和华南地区的污水处理厂负荷率和污水处理率均接近与全国平均水平，而排水管网密度和设施规模密度却极不均衡，近八年间，华东地区的污水收集设施增设规模显著高于全国水平，而华南地区的污水处理设施增设规模显著高于全国水平，因此此二地区未来的发展重点应是解决设施之间的配套问题，应分别放缓排水管网建设和污水处理设施建设。华中地区与华南地区面临相似问题，设施规模密度显著高于全国平均水平，管网密度却低于全国平均水平，而近八年间华中地区的污水收集设施和处理设施的增设规模均显著低于全国水平，因此未来还应继续加大二者的建设力度，但此过程中，相对污水收集设施，应适度放缓污水处理设施的建设力度。
西北地区的污水收集水平和污水处理水平及污水处理设施负荷率均低于全国平均水平，尤其是排水管网的配置水平，因此未来应进一步加大排水管网设施和污水处理设施的建设力度，同时也要注意提高设施利用率。西南地区的污水处理设施密度显著低于全国平均水平，而其污水厂负荷率却高于全国平均水平，说明，西南地区的污水处理设施配置水平较低，无法满足污水处理需求，且近八年间污水处理设施增设规模显著低于全国水平，因此未来应进一步加大其建设力度。污水再生利用受地区政策影响很大，且目前整体水平还有待提高，华北地区再生水利用率显著高于其他地区，相对于华东、西北和西南地区，东北、华南和华中地区的再生水利用水平尤其需要额外关注。
4结论
本文针对城市排水系统配备水平、排水系统运行水平、污水处理效果3方面，分析了其空间分布特征和时空演变特征，近年来我国排水系统建设取得了很大进展，排水管网增设规模显著优于其他方面，污水再生利用状况堪忧，同时发现地区间存在显著差异，系统内部也不均衡，认为各地区应根据自身系统特征制定合适的未来发展规划。并从本研究角度给出了一些建议和方向。
(1)城市排水系统是一个有机整体，只有各方面均衡发展才能达到最佳利用状态，研究运用TOPSIS多因子评价法对我国现阶段地级城市的排水系统设施水平进行了综合评价。贵阳、自贡、鄂尔多斯、邢台、昆明等城市排名前列，伊春市、六盘水市、揭阳市、达州市、商洛市等城市排名末位，分区来看，排水系统排序依次为华北>华东>西北>西南>东北>华南>华中，而华北地区显著优于其他地区。同时认为城市综合实力以及对基础设施的投入能力与实际的城市排水系统的综合水平表现并没有必然的联系。
(2)通过对比现阶段各地区排水系统不同方面与全国平均水平间差异以及各地区近年间排水系统不同方面增长特征，认为东北地区需要大力发展排水管网建设，以匹配现有污水处理设施规模，从而提高污水处理设施利用率;华北地区未来的发展重点不在于设施增设，而在于努力提高设施利用率，充分利用现有设施资源;华东和华南地区未来的发展重点在于解决设施之间的配套问题，应分别适当放缓排水管网设施和污水处理设施的建设;华中和西北地区未来还需进一步加大水系统的全面建设力度，尤其要注重排水管网设施的建设，西南地区则要加大污水处理设施建设力度，以满足未来日益增长的污水处理需求。同时全国各地级市均应出台相应政策措施扩大污水再生利用规模，提高污水再生利用率，加大宣传教育力度，全社会共同努力合理利用水资源。
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