基于Spearman秩相關的再生水利用量影響因素研究

余鵬明，管孝艷，陳俊英，管佳潔，張晨陽，郝彥昕

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京100048)

0 引 言

水資源是人類賴以生存與社會經濟活動不可或缺的資源。隨著國民經濟的迅猛發展，水資源消耗不斷增加，水污染問題日益加劇，水資源短缺已經成為眾多地區經濟發展的瓶頸[1]。再生水是指將污水通過適當處理并且到一定水質標準后可供給使用的水，是緩解城市水資源短缺的“第二水源”。再生水以供給穩定、水源可靠、成本低廉、既節約天然水資源又能凈化污水的多重屬性, 成為緩解水資源供需矛盾的重要途徑[2-3]。2015年4月，國務院出臺《水污染防治行動計劃》對再生水利用進行專門規定，目標是到2020年，缺水城市再生水利用率不低于20%，京津冀區域再生水利用率不低于30%[4]。在中央提出大力開發非常規水資源的大背景下，開展再生水開發利用的研究工作具有非常重要的現實意義。

國外學者對歐洲再生水回用潛力進行分情景研究，結果表明地中海地區的再生水利用有著巨大潛力[5]；還有學者同時考慮技術，社會，經濟和環境方面對突尼斯Nabeul-Hammamet區域再生水最佳灌溉地點進行比較排序[6]；Adapa[7]等對促進與阻礙澳大利亞再生水利用的因素進行研究，結果表明用戶對再生水的抵制與社會經濟福利以及對再生水的認知有關。

國內再生水利用影響因素的研究較少。Qianxin Gu[8]等對天津市再生水利用影響進行調查研究，結果表明受過高等教育和高收入水平的人群更傾向于使用再生水，并且更愿意為此付費。國內再生水價值評價、風險評價及費用效益等研究較多。傅平等[9]從必要性、經濟可行性兩方面將我國城市再生水利用分為五個戰略區。李梅[10]運用系統動力學從城市污水處理、供需水狀況、人口和水價等方面分析了污水再生回用影響因素并構建了城市污水回用的系統動力學模型。高旭闊[11]從再生水資源的經濟功能、環境功能、社會功能等方面建立再生水資源價值評價指標體系；李朦等[12]通過模糊物元法建立了包含經濟、社會、生態環境等方面的再生水資源價值指標評價體系；吳夢煙等[13]考慮再生水風險、經濟、社會和技術等因素建立較為全面的再生水綜合發展“壓力-條件-影響”指標體系。以上研究，一方面存在著指標篩選主觀性較強的不足，另一方面，已有研究多為局部地區定性定量研究，忽略了再生水利用發展的宏觀研究。大尺度再生水利用潛力的研究較少且缺乏數據支持。這是再生水利用研究的重、難點所在。

本文將綜合經濟、社會和環境因素，基于2012-2017年分省份統計數據(西藏自治區、上海市除外)，運用Spearman秩相關分析并確定影響再生水利用量的敏感指標。本研究旨在為推動再生水開發利用提供參考，為制定再生水開發利用的政策規劃提供科學依據。

1 國內再生水利用現狀概況

據城建部《城市建設統計年鑒》再生水利用量的統計數據，2011-2017年期間，全國再生水利用量逐漸增長，如圖1所示。2017年，全國城市再生水利用量為71.34 億m3。東部地區再生水利用量較高并且增長較快，為32.48 億m3，約占全國再生水利用總量的71.75%，中部地區、西部地區和東北地區分別為5.32、4.92和2.52 億m3(2016年)。東部地區作為國內經濟、人口密集地區，有著巨大的再生水需求，有力地推動我國再生水利用的發展。

根據2017年分省份的再生水利用量統計數據，省份間的再生水利用量分布極不均衡。其中，北京市再生水利用量達105 085 萬m3，位居全國第一，約占全國再生水利用總量的14.73% ；再生水利用量超過10 000 萬m3的省(市)有北京、內蒙古、河北等14個省份(直轄市)；再生水利用量低于3 000 萬m3的省份有吉林、貴州、重慶、青海、云南和海南6個省份(直轄市)。

圖1 再生水利用量變化情況Fig.1 Changes in the amount of recycled water used

2 數學模型與方法

2.1 Spearman秩相關系數法

為了研究經濟、社會及環境因素與再生水利用量之間的關系，進而確定顯著相關的因素指標，需要進行相關性分析。Pearson相關和Spearman秩相關是研究兩個變量相關關系的常用方法[14]。本文以國內省份數據為樣本(隨年份變化為26～28個)，樣本數較少且解釋變量與被解釋變量之間的聯合分布不滿足正態分布。Spearman秩相關作為非參數統計有著對異常值敏感度低、數據不須滿足正態性假設等優點[15,16]，可以滿足本研究數據的特征。故本文采用Spearman秩相關來研究再生水利用量與各潛在因素之間的相關性。

Spearman秩相關系數的計算公式可由下式計算：

式中：秩相關系數記為rs；di為兩變量每一對樣本的等級之差；n為樣本容量；rs的取值范圍在(-1，1)之間，絕對值越大相關性越強，取值符號表示相關的方向。

2.2 影響因素與指標選擇

再生水利用的發展受經濟、生態環境、處理技術等多方面因素影響[17]。本文以再生水利用量作為待研究的解釋變量，結合文獻調查，從供需兩方面選取影響再生水利用量的各級指標。選取經濟投資因素、城市規模與人口因素、污水處理因素等8個類別的30個指標，指標體系見表1。

2.3 數據來源及統計軟件

數據來源于2012-2017年《城市建設統計年鑒》、《中國統計年鑒》和《中國環境統計年鑒》。運用SPSS18.0進行分析計算， Arcmap10.3進行圖表繪制。

3 再生水利用量影響因素分析

3.1 水資源因素

再生水開發利用旨在代替部分自來水、緩解水資源短缺和建設可持續城市水環境系統[18]。為了明確水資源豐缺與再生水利用量的關系，選取人均水資源量作為衡量地區水資源狀況豐缺的指標，結果見表2。

表1 指標選取匯總表

表2 水資源因素分析結果

結果表明，2012-2017年期間，人均水資源量與再生水利用量具有較為密切的負相關關系。除2015年以外，各年份相關性均顯著(p≤0.05為顯著，下同)。一方面，由于各區域水資源狀況本身存在差異，再生水需求亦不同；另一方面，人均水資源量隨時間變化波動，再生水利用量也隨之變化。這表明再生水能夠在一定程度上起到了備用水源的作用。在人均水資源量不足的情況下，再生水利用量相對較大。

3.2 用水水平因素

為了研究再生水利用量與用水水平因素的關系，本研究選取用水普及率、人均用水量、萬元GDP用水量和工業用水重復利用率4個指標。其中，用水普及率是指非農業用水人口數與非農業人口數之比，可以反映用水基礎條件狀況；人均用水量可以從數量上反映用水水平的高低；萬元GDP用水量可以代表單位地區生產總值的用水效率；工業用水重復利用率可以反映工業廢水處理技術水平的高低。分析結果如表3所示。

表3 用水水平因素分析結果

結果表明：近兩年來，用水普及率和萬元GDP用水量與再生水利用量關系密切。隨著基礎用水設施建設的深入發展、人們節水意識提高和節水型社會建設的推進，我國用水效率大幅提高，再生水利用量也隨之提高。

3.3 用水類別因素

關于不同用水類別下再生水利用量的研究較少。國內學者常采用定額法研究特定區域的各類再生水利用量。有學者對寶雞市再生水用于工業、生活、城市雜用三個類別以及銀川市再生水用于工業、景觀等6個類別進行了定量研究[18,19]，雖然得到了該地區不同用途再生水的需求量，但未能研究其動態變化情況。

目前，國內尚無按用途類別分類的再生水利用量的統計數據。為了研究近年來國內再生水利用量與用水類別的關系，本研究選取生產運營用水量、公共服務用水量、農業用水量、居民家庭用水量和生態環境用水量五種用水量，研究它們與再生水利用量的關系，結果如表4所示。

表4 用水類別因素分析結果

結果表明，再生水利用量與生產運營和公共服務用水量相關性較大，與居民家庭用水量和生態環境用水量的相關性大小次之，且近三年以來相關性逐漸增加。這表明再生水在生產運營、公共服務、居民家庭和生態環境用水類別中發揮重要作用。農業用水方面，再生水利用量與農業用水量各年份的相關性均不顯著，可能是由于農業用水量遠大于其他用水類別的用水量，而再生水農用占比較低所致。

3.4 城市規模因素

為了研究再生水利用量與城市規模因素的關系，本研究選取城市用水人口、城市人口密度、城鎮人口比重和建成區面積4個指標，研究再生水利用與城市規模因素的關系。結果見表5。

表5 城市人口與規模因素分析結果

結果表明：近兩年來，再生水利用量和城市用水人口及建成區面積具有顯著的相關性，與城鎮人口比重的相關性次之。城市規模快速擴張的中小城市一般會對再生水產生較大的需求，同時也為發展再生水設施尤其是再生水管網建設提供了最有利的時機，因為新開發的城市新區較老城區再生水管網建設的成本要低很多。此外，城市規模快速增長的城市，一般而言也具有較高的財政投入能力，有利于開展再生水利用設施的大規模集中建設。

3.5 生態環境因素

2015年4月出臺的《水污染防治行動計劃 》強調全面控制污染物排放，深化水環境污染物排放總量控制。此外，隨著黑臭水治理工作在國內普遍開展，政府投入了大量的財力和物力用以提高廢水收集處理能力， 改善雨污混流等狀況，可為再生水利用發展創造良好的條件。各種廢污水作為再生水的主要來源，可滿足再生水持續穩定生產。本研究選取廢水排放量，研究其與再生水利用量的關系，見表6。

結果表明：近3年來，再生水利用量與廢水排放量有較大的正相關性，且相關性與顯著性逐年提高。

廢水排放量受生態環境方面的政策影響，隨著廢水排放標準的提高，廢水排放成本將上升并促進廢污水排放提標改造，進而提高再生水利用量。例如2018年，湖北省于7月實施更嚴格的水污染排放標準以保護漢江中下游環境；福州于6月底完成14座污水處理廠提標改造；雄安新區于9月份將污水排放標準由過去的一級A提高至Ⅲ類水質標準。隨著生態文明建設不斷深入進行，廢水排放的嚴格限制使其與再生水利用量的關系越來越密切。

表6 生態環境因素分析表

3.6 經濟投資因素

再生水利用工程具有前期投入大、資金回收期長、公益性較強、利潤微薄等特點。尤其是城市再生水利用工程，較高的水質要求增加了深度處理的投資[20]。研究表明，我國中小城市的再生水利用設施建設滯后、再生水利用水平不理想，主要原因是投資效率低下[21]。

本研究選取排水設施投資、污水處理投資、污水處理費、城鎮人均可支配收入、人均GDP和治理廢水投資6個經濟投資因素指標，研究它們與再生水利用量的關系，結果如表7所示。

表7 經濟投資因素分析結果

結果表明：再生水利用量與排水設施投資具有顯著的相關性。除2014年以外，各年份相關性均顯著，且近三年的相關性與顯著性逐年增加；近兩年來，再生水利用量與污水處理投資的相關性較大，這表明新建的污水處理設施以及提標改造設施對再生水利用具有促進作用；近兩年來，再生水利用量與污水處理費具有一定的相關性。污水處理費是保證污水集中處理設施正常運行的重要資金，新版水污染防治法強調了收取的污水處理費用應當用于城鎮污水集中處理設施的建設運行和污泥處理處置，不得挪作他用。這將保證再生水利用設施正常運行，進而提高再生水利用量。

3.7 管網建設因素

再生水管網是再生水利用設施建設的重要環節，城市建成區配套再生水管網不僅投資較高，施工建設難度也比較大[19]。隨著再生水用戶的增多,再生水管網運行壓力逐年增大，如出現再生水管道頻繁爆管、漏水率居高不下、管網水壓不足、局部管網出現死水等現象。本研究選取再生水管道長度、排水管道長度和排水管道密度，研究它們對再生水供給和生產的作用，結果見表8。

結果表明:再生水利用量與再生水管道長度在各年份均具有顯著的相關性；近3年來，其與排水管道長度具有較大的相關性，且相關性與顯著性逐漸增加。

3.8 污水處理因素

污水處理廠二級出水是再生水利用的主要來源之一。較大且穩定的污水處理量可以為日后再生水供給提供必要的保障。國內學者在污水處理量的基礎上對海拉爾區再生水量進行了預測，結果表明隨著該市城鎮污水量的增加,再生水利用量也會相應增加[22]。

表8 管網建設因素分析結果

為了研究再生水利用量與污水處理因素之間的關系，本研究選取再生水生產能力、污水處理能力、污水處理總量、二三級污水處理量、污水集中處理率和污水處理率6個指標，結果如表9所示。

表9 污水處理因素分析結果

結果表明：除了污水集中處理率以外，再生水利用量與其他污水處理因素指標均具有正相關性。其中，再生水利用量與再生水生產能力的相關性最高，并且各年份的相關性均顯著；再生水利用量與污水處理能力、污水處理總量和二三級污水處理量具有較高的相關性，并且近三年的相關性逐漸增加；再生水利用量與污水處理率具有一定的相關性，這意味著較高的污水處理水平是再生水利用的基礎，再生水利用傾向于在污水處理水平較高的地區發展。

據《城市建設統計年鑒》統計數據，2017年再生水利用量占再生水生產能力比重過半的省份僅有10個，這表明許多再生水廠的實際運營情況不佳，這可能是再生水管網建設滯后、用戶市場發展滯后等因素造成的。

4 結 語

本研究以國內分省份(直轄市)6年的統計數據為基礎，按因素類別利用Spearman秩相關對我國再生水利用量的影響因素及指標進行研究。根據各類指標的分析結果，結論如下。

(1)再生水利用量的影響因素類別方面，污水處理因素具有重要作用。污水處理的質量越高，污水再生利用越容易實現，再生水利用量越高。

(2)再生水利用量的影響因素指標方面，相關性顯著的年份達到5年的指標有再生水生產能力、再生水管道長度、排水設施投資和人均水資源量4個指標。

(3)我國再生水利用量與生產運營用水和公共服務用水方面具有密切的關系，在生態環境和居民家庭用水方面具有較大的發展空間。