雄安新区水资源一体化管理要素分析与体系构建
熊谦, 唐文哲, 王忠静    
清华大学 水利水电工程系, 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084
摘要:雄安新区对中国城市发展与地区开发模式优化有重大意义, 但其水资源利用效率亟待提升, 探究水资源一体化管理模式对雄安新区的建设至关重要。该研究对雄安新区水资源一体化管理进行了问卷调研与实地考察, 应用主成分分析与系统聚类方法对调研数据进行分析。研究结果表明:雄安新区对水资源一体化管理需求较强; 主成分分析与系统聚类分析将水资源一体化管理要素分为4类, 分别对应水资源配置、涉水相关方管理、智慧化管理和水务市场调控。该研究据此构建了雄安新区水资源一体化管理体系, 针对涉水相关方与水务市场一体化管理, 生态、生产、生活用水一体化管理, 以及水资源一体化智慧管理平台搭建3个方面提出了管理建议。该研究结果揭示了雄安新区水资源一体化管理的关键特征, 为当地涉水管理部门优化水资源管理模式提供了实证依据。
关键词水资源一体化管理    相关方管理    资源配置    市场调控    信息技术    主成分分析    系统聚类分析    
Factor analysis and system construction of integrated water resource management in the Xiong'an New Area
XIONG Qian, TANG Wenzhe, WANG Zhongjing    
State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Objective Located in the Baiyangdian Basin, the Xiong'an New Area is important for the optimization of urban and regional development modes in China. However, the Xiong'an New Area has a weak water resource carrying capacity, and its utilization efficiency of water resources urgently needs improvement. Integrated water resource management refers to systematically considering all aspects of water resource use to improve utilization efficiency, which is crucial for the construction and sustainable development of the Xiong'an New Area. Previous studies have explored integrated water resource management in terms of basin scheduling, market construction, and so on. However, these studies are often limited to a certain aspect of integrated water resource management without a holistic perspective and lack empirical data support. Consequently, this research takes the Xiong'an New Area as the research area, aiming to identify the key aspects contributing to successful integrated water resource management and provide practical and managerial suggestions. Method This research conducted a questionnaire survey and interviews to obtain data on the demand and situation of water resource management in the Xiong'an New Area. At the same time, statistics released by the government were collected to reflect the current situation of water resource utilization in the Xiong'an New Area. This research first adopted a descriptive statistical analysis to explore the survey data. Subsequently, principal component analysis was applied to categorize the 16 factors for integrated water resource management into several key aspects for the Xiong'an New Area. Additionally, hierarchical cluster analysis was used to extract the factors, aiming to complement the results of the principal component analysis. Results The results show that the Xiong'an New Area has a strong demand for integrated water resource management, and importance should be attached to all factors in the survey. Principal component analysis and hierarchical cluster analysis consistently divide the factors into four categories, indicating that water resource allocation, water-related stakeholder management, intelligent management, and water market regulation should be comprehensively considered to achieve integrated water resource management in the Xiong'an New Area. On the basis of local water resource endowment and the characteristics of water-related stakeholders, this research further structures an integrated water resource management system for the Xiong'an New Area comprising four strategies. (1) Integrated management of stakeholders and water markets recommends that administrative departments should encourage water enterprises to optimize resource allocation through industrial chains, establish a public participation mechanism, give full play to the role of the market in water resource allocation, and realize real-time monitoring of the market and stakeholders. (2) Integrated management of ecological, production, and domestic water consumption should consider the water demands of different stakeholders and encourage industrial restructuring, water recycling, and modernizing water-saving projects. (3) An integrated intelligent management platform for water resource based on information technology should be used to provide convenient, quick, and efficient service to the public, administrative department, and water enterprises. Conclusions These findings reveal the key aspects for successful integrated water resource management in the Xiong'an New Area and provide an empirical basis for optimizing the water resource management mode, which could help clarify and reasonably distribute the responsibilities, rights, and interests of local water-related stakeholders and establish a collaborative working mechanism to improve the efficiency of local water resource uses.
Key words: integrated water resource management    stakeholder management    resource allocation    market regulation    information technology    principal component analysis    hierarchical cluster analysis    

雄安新区位于白洋淀流域,邻近北京市、天津市,地处河北省中部,涵括雄县、容城、安新3县,面积约1 770 km2,对于疏解北京非首都功能、探索人口经济密集地区开发新模式有重大意义[1-2]。雄安新区3县多年平均降水量为516 mm,地表水与地下水资源总量约1.2×108 m3,其中地下水资源量占比超过90%,目前面临水资源承载力较弱、可持续程度较低的问题[3-4]。随着雄安新区建设的推进,如何贯彻习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路,恢复白洋淀生态功能,实现水资源的高效利用,对雄安新区的可持续发展与建设至关重要[5-6]

水资源高效利用与社会、经济及生态环境密切相关,有多个涉水相关方参与,是一项复杂的系统工程[7]。水资源一体化管理最早于20世纪90年代提出[8],旨在对水资源利用的各环节施行统一管理,以提升水资源利用效率,达到水资源供需与生态环境保护的综合平衡[9]。现有研究从行政流域统筹、水资源利用环节、涉水相关方管理、水务市场建设、信息技术等方面对国内外水资源一体化管理进行了研究[10-14]。但是,已有文献往往局限于水资源一体化管理的某一方面进行定性分析,缺乏从整体、系统的视角进行研究,且缺少实证数据支撑。

本文以雄安新区为研究对象,分析当地水资源一体化管理要素;基于主成分分析与系统聚类分析方法,揭示雄安新区水资源一体化管理的关键特征;并构建雄安新区水资源一体化管理体系,提供相关对策与建议。本研究结果有助于明确各涉水相关方需求,合理分配各方责、权、利,建立协同工作机制,以提高水资源利用与管理效率。

1 研究方法 1.1 数据收集方法

本文以雄安新区为研究对象,采用了问卷调研、实地考察、政府统计数据检索相结合的数据收集方法。首先,本研究问卷主要采用Likert 5分量表,结合文献调研与雄安新区水资源管理现状设计题项,并与行业专家多次讨论,不断优化。调研对象包括来自容城县(9%)、安新县(35%)和雄县(35%)涉水管理部门,以及雄安新区水务公司(21%)的管理人员和技术人员,共收集问卷88份,有效问卷81份。调研对象从业年限分布如图 1所示。

图 1 问卷调研对象从业年份分布

其次,本研究实地考察了雄安新区的水务工程,并访谈了来自上述单位的32位专家,访谈主题包括雄安新区水资源配置、生产生活生态供水、工业农业节水、涉水事务利益相关方协调管理等。此外,本研究还收集了国家和当地政府发布的统计数据,以验证调研与访谈结果,并进行补充分析,以提升研究的广度与深度。

1.2 主成分分析方法

主成分分析方法按方差最大原则对多维坐标系进行旋转、翻转和平移变换,以实现指标降维,即将多个指标在信息损失量最小的情况下转化为几类综合指标,能够起到简化指标体系、提炼信息的作用[15-16]

本研究应用主成分分析方法对雄安新区水资源一体化管理要素进行分类,以揭示实现水资源一体化管理的关键特征。研究采用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)值和Bartlett球形检验值校核主成分分析方法的适用性;参考碎石图确定最优主成分数,即碎石图走势由陡峭变为平稳时对应的主成分数。上述计算均通过统计软件SPSS 24.0完成。

1.3 系统聚类方法

系统聚类方法是一种用于分类指标的多元统计方法,首先将所研究样本各自视为一类,随后按照相似度不断进行两两合并,直至合并为一类[17-18]。系统聚类方法常结合主成分分析方法,对指标分类结果的可信度进行双重验证[19-20]

本研究应用系统聚类方法将雄安新区水资源一体化管理要素按照重要性进行聚类,与主成分分析所得结果相互印证。采用离差平方和法(Ward法),选择Euclid距离,进行个案(Q型)分析,并得到聚类分析谱系图。参考已有文献[16],本研究选取类间距离为15时的系统聚类结果。相关计算通过统计软件SPSS 24.0完成。

2 调研结果与分析 2.1 雄安新区水资源利用现状

根据被调查对象提供的内部资料[21],2019年雄安新区供用水情况如图 2所示。雄安新区水资源主要来自引江水、地下水与引黄水,地表水资源较少,农业用水与生态用水占比较大。随着人口不断增长,雄安新区生活用水、工业用水量不断增加,农业用水量正在逐渐减少。同时,雄安新区生态系统建设所需绿化用水量不断增加,利用生态补水改善白洋淀生态环境的需求持续扩大,生态、生产、生活用水矛盾日益凸显。

图 2 2019年雄安新区供水与用水情况(数据来自文[21])

2019年雄安新区水资源利用效率[21]图 3所示,其万元国内生产总值用水量高于全省与全国平均水平,城镇居民人均生活用水量和耕地实际亩均灌溉用水量均略高于全省平均水平(1亩=666.67 m2),表明雄安新区农业用水、工业用水与生活用水效率仍有提升空间。

图 3 2019年雄安新区水资源利用效率(数据来自文[21])

2.2 水资源一体化管理需求分析

水资源一体化管理主要涉及取用水环节协调、行政流域统筹、信息技术支撑、公众参与以及涉水部门协作等方面。雄安新区水资源一体化管理需求调研结果如表 1所示。

表 1 雄安新区水资源一体化管理需求(1=很不需要,5=很需要)
指标 得分 排序
配水、调水、取水、用水、节水和回水利用一体化管理 4.35 1
数字化、信息化、智能化管理 4.32 2
淀区与上下游行政区域相结合的水资源配置 4.28 3
涉水事务各部门协同管理 4.23 4
公众参与和社会监督 4.21 5
市政、农业、工业和生态环境用水协调管理 4.19 6
均值 4.26

表 1可知,雄安新区水资源一体化管理需求得分均值为4.26,各项得分不低于4.00,表明各项需求均较强。为实现水资源高效利用,雄安新区需建立流域与上下游行政区域相结合的管理机制,统筹配水、调水、取水、用水、节水、排水、污水处理、再生水回用等涉水环节,运用信息技术,以实现生态、农业、工业与生活用水整体优化。

2.3 水资源一体化管理要素分析 2.3.1 描述性统计

本研究对雄安新区水资源一体化管理要素重要性进行评估,结果如表 2所示。由表 2可知,雄安新区水资源一体化管理要素得分均值为4.27,说明各项要素对于雄安新区具有较强的重要性。优化农业种植结构、优化配置水资源分别排第1与第4位,表明综合各产业用水需求来优化水资源配置,对实现水资源高效利用至关重要。水资源利用智慧调度、水资源利用智慧决策分别排第2与第5位,表明雄安新区水资源利用在智慧化管理方面有较大需求。构建水资源高效利用管理体系排第3位,表明雄安新区需明确水务管理部门职责,加强涉水相关方管理。建立水权交易市场机制、通过水价调整促进节水排序靠后,表明雄安新区对水务市场调控重视不够,需优化该地区的水价设定与水权交易市场机制。

表 2 雄安新区水资源一体化管理要素(1=很不重要,5=很重要)
指标 得分 排序
优化农业种植结构 4.46 1
水资源利用智慧调度 4.38 2
构建水资源高效利用管理体系 4.38 3
优化配置水资源 4.37 4
水资源利用智慧决策 4.37 5
信息化水资源利用监测 4.33 6
采用先进的节水技术 4.31 7
制定明确的节水指标 4.30 8
制定合理的用水定额 4.29 9
推进工业节水改造 4.29 9
水资源利用数据平台搭建 4.29 11
明确水资源高效利用管理职责 4.28 12
使用现代化节水器具 4.26 13
推进农业灌溉节水改造 4.19 14
建立水权交易市场机制 4.10 15
通过水价调整促进节水 3.79 16
均值 4.27

2.3.2 主成分分析

主成分分析旨在提炼雄安新区实现水资源一体化管理的关键特征。研究结果表明: 本文数据集KMO值为0.796(> 0.7),Bartlett球形检验值小于0.001,适合进行主成分分析。碎石图如图 4所示,主成分分析结果如表 3所示。可见,当主成分数大于4个时,碎石图走势明显放缓,且累计方差贡献率达到87.90%(> 85%),符合要求。因此,本文最终选取主成分数为4个。

图 4 主成分分析碎石图

表 3 主成分分析解释总变量
主成分个数 特征值 累计方差贡献率% 主成分个数 特征值 累计方差贡献率/%
1 9.90 61.87 9 0.14 97.38
2 1.93 73.94 10 0.12 98.14
3 1.59 83.91 11 0.10 98.75
4 0.64 87.90 12 0.07 99.19
5 0.58 91.50 13 0.06 99.56
6 0.37 93.82 14 0.04 99.83
7 0.24 95.31 15 0.02 99.96
8 0.19 96.49 16 0.01 100.00

经过正交变换,得到主成分载荷矩阵如表 4所示。可知,雄安新区水资源一体化管理主要包括以下4个特征:

表 4 主成分分析旋转后的成分载荷矩阵
指标 主成分
F1 F2 F3 F4
优化农业种植结构 0.39 0.07 0.10 0.15
推进工业节水改造 0.38 0.12 -0.03 0.14
使用现代化节水器具 0.37 0.04 0.28 0.00
推进农业灌溉节水改造 0.36 0.12 0.22 0.06
采用先进的节水技术 0.34 0.19 0.23 0.07
优化配置水资源 0.34 0.16 0.27 0.07
构建水资源高效利用管理体系 0.04 0.44 0.12 0.00
制定合理的用水定额 0.09 0.44 0.16 0.07
明确水资源高效利用管理职责 0.12 0.43 0.07 0.09
制定明确的节水指标 0.17 0.36 0.15 0.15
信息化水资源利用监测 0.17 0.30 0.37 0.14
水资源利用数据平台搭建 0.19 0.21 0.44 0.18
水资源利用智慧调度 0.21 0.16 0.41 0.18
水资源利用智慧决策 0.16 0.20 0.39 0.23
建立水权交易市场机制 0.08 0.05 0.06 0.64
通过水价调整促进节水 0.05 0.06 0.15 0.60

第1主成分(F1)反映水资源配置,旨在综合考虑市政、农业、工业、生态用水,从配水、调水、取水、用水、节水和回水利用等角度进行一体化管理。

第2主成分(F2)反映涉水相关方管理,旨在明确涉水相关方的水资源管理职责,推行水资源高效利用评价机制,统筹源水、供水、用水、排水、治污、再生水利用等方面管理职能。

第3主成分(F3)反映智慧化管理,旨在应用信息技术,综合考虑水资源管理部门的一体化管理要求,并结合水务企业各业务活动和用水户需求,建立水资源利用一体化智慧管理平台。

第4主成分(F4)反映水务市场调控,旨在通过完善水务市场建设,运用调整水价、规范水权交易等方式,激励涉水相关方节约用水,提升用水效率。

2.3.3 系统聚类分析

系统聚类分析旨在将雄安新区水资源一体化管理要素按照重要性进行聚类,以补充验证主成分分析结果。所得聚类分析谱系图如图 5所示。类间距离为15时,雄安新区水资源一体化管理要素被分为4类,总体上与主成分分析结果一致,具体如下:

图 5 系统聚类分析谱系图

第1聚类包括优化水资源配置、采用先进的节水技术、使用现代化节水器具、推进农业灌溉节水改造、优化农业种植结构、推进工业节水改造等要素,对应F1(水资源配置);第2聚类包括通过水价调整促进节水、建立水权交易市场机制等要素,对应F4(水务市场调控);第3聚类包括信息化水资源利用监测、水资源利用数据平台搭建、水资源利用智慧决策、水资源利用智慧调度等要素,对应F3(智慧化管理);第4聚类包括明确水资源高效利用管理职责、制定合理的用水定额、构建水资源高效利用管理体系、制定明确的节水指标等要素,对应F2(涉水相关方管理)。

3 讨论与对策 3.1 雄安新区水资源一体化管理体系

综合2.3节主成分分析和系统聚类分析结果,雄安新区水资源一体化管理需综合考虑水资源配置、涉水相关方管理、智慧化管理、水务市场调控4个方面,如图 6所示。雄安新区应从整体、系统角度,以涉水相关方的用水需求与责、权、利分配为重点,综合水务市场调控、水资源配置与智慧化管理等管理要素,构建水资源一体化管理体系。后文将从涉水相关方与水务市场一体化管理,生态、生产、生活用水一体化管理,以及水资源一体化智慧管理平台搭建3个方面详细阐述。

图 6 雄安新区水资源一体化管理体系

3.2 涉水相关方与水务市场一体化管理

雄安新区涉水相关方主要包括水务管理部门、水务企业和用水户: 水务管理部门制定和落实水务相关政策及管理制度,对水务市场进行监管;水务企业负责取水、供水、节水、污水处理、再生水利用、水生态环境治理等业务,在水务市场中提供产品与服务;用水户既是水务市场中水资源的使用者,包括工业、生活、农业、生态4大用水方,也具备社会监督职责。涉水相关方与水务市场一体化管理中各方关系如图 7所示。

图 7 涉水相关方与水务市场一体化管理

对于涉水相关方,水务管理部门一方面应促使水务企业在各涉水业务活动中,通过产业链进行资源优化配置,以高效促进用水户生产、生活与生态用水目标的实现;另一方面,应综合地区资源与不同用水户的需求,优化水资源规划与配置,并激励广大用水户对水务管理部门以及水务企业进行社会监督,以营造全社会共同节水的良好氛围。

对于水务市场,水务管理部门应充分行使其市场监管职能,可通过许可证发放、投融资、水务工程建设、委托运营管理或特许经营、水价机制等方面的调控措施,确保用水户与水务企业在规范、公开、公平的市场环境中进行生活、生产活动。此外,还应建立信息反馈机制,充分利用数字信息技术实时收集涉水相关方与水务市场的集成数据,以辅助水务管理部门提高决策水平,降低政府监管资源的投入。

3.3 生态、生产、生活用水一体化管理

水资源配置需要综合考虑生活、农业、工业、生态用水方的水资源供需情况。在供给侧,基于流域与区域协作机制,优化配置水资源;在需求侧,通过产业结构调整、水资源循环利用和现代化节水改造,系统提升用水效率。具体措施如下:

农业用水方面,应优化农业种植结构,应用先进节水技术提升管道输水、喷灌、微灌的节水效果,并对地下水开采、渠道渗漏、农业灌溉用水进行精准监控。

工业用水方面,应限制高耗水工业进入,严格管理工业污水排放、收集、处理和再生水回用。同时,需推广水平衡测试,精准监控企业用水户的耗水情况,促进其通过生产工艺节水改造提高用水效率。

生活用水方面,应完善供水管网建设,运用信息技术精准计量用水情况,实现精确到户的水资源利用管理,并加强管网漏损控制。同时,应推广生活节水器具,开展节水宣传活动,以提升居民节水意识。此外,还需加强城乡污水收集和处理能力,并通过再生水回用补给白洋淀和城市生态用水。

生态用水方面,应针对雄安新区水资源短缺,合理配置南水北调水和引黄入冀水补给白洋淀。此外,需加强农田周边林地、湿地、生态塘等生态工程建设,发挥其涵养水源、补给地下水和改善生态系统的作用。同时,还需结合污水处理及回用、防洪及库淀联动等措施缓解补水压力。

3.4 搭建水资源一体化智慧管理平台

信息技术在水资源一体化管理中的应用需以各类用水户需求、水务管理部门对市场和行政的监管要求为出发点,结合水务企业的业务活动,建立水资源一体化智慧管理平台,如图 8所示,具体如下:

图 8 水资源一体化智慧管理平台架构

1) 在智慧感知层面,通过建设智慧感知体系,实时监测洪涝灾害、水文气象、水质、地下水、水生态、城市管网、河湖管理和水务工程等方面的信息,实现全流域各涉水环节的实时监控。

2) 在数据中心层面,需要收集、整合感知设备上传的数据,统一数据格式,构建数据库,并实时更新,以支撑水务工程建设、取水、供水、节水、污水处理、再生水回用、防洪排涝、水生态环境保护等涉水业务。

3) 在智慧控制层面,需要建设水资源调度、水利设施控制、给排水控制等控制体系,利用物联网与信息技术,基于以上各业务数据,集成分析,进行决策,以高效调配水资源,提升污水处理能力,实现管网渗漏排查、水污染预警、防洪排涝的快速响应。

4) 在智慧应用层面,搭建智慧服务平台实现现代化便民应用、政务处理与水资源管理,以此促进用水户、水务管理部门、水务企业以及水务市场的协同管理,实现补水、治污、防洪的一体化管理和水资源高效利用。

4 结论

雄安新区当前面临着水资源承载力较弱、可持续程度较低的挑战,水资源一体化管理对新区可持续发展与建设至关重要。调研结果表明,雄安新区对水资源一体化管理需求较强,且重视各项水资源一体化管理要素。主成分分析与系统聚类分析结果一致,将雄安新区水资源一体化管理要素划分为4类,分别对应水资源配置、涉水相关方管理、智慧化管理和水务市场调控4个方面。

基于雄安新区水资源情况与当地涉水相关方特点,本文构建了雄安新区水资源一体化管理体系,并提出了涉水相关方与水务市场一体化管理策略,生态、生产、生活用水一体化管理策略,以及水资源一体化智慧管理平台搭建策略。

本研究结果能够协助雄安新区涉水管理部门明确各涉水相关方需求,合理分配各方责、权、利,建立协同工作机制,提高当地水资源利用与管理效率。未来研究方向主要包括: 1) 在雄安新区建设过程中,采集不同时间点的水资源一体化管理要素得分,以研究其变化趋势;2) 扩大数据收集范围至全国乃至全球范围;3) 构建水资源一体化管理评价指标体系。

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