蘇州市再生水利用影響因素識(shí)別及潛力評(píng)估

侯金甫，方紅遠(yuǎn)，李艷明，程倩倩

（揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

再生水被譽(yù)為城市的“第二水源”，其應(yīng)用可在很大程度上緩解自然水資源不足及水質(zhì)污染問(wèn)題。我國(guó)對(duì)于再生水資源的利用仍處于不斷發(fā)展的階段，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［1］，2020年度作為其他水源供水量主要來(lái)源的再生水年利用量達(dá)到108.9億m3，占總供水量的1.89%，全國(guó)再生水生產(chǎn)能力達(dá)到6 095.2萬(wàn)m3／d。為做好城市再生水利用規(guī)劃，促進(jìn)城市再生水利用事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，分析影響城市再生水利用的驅(qū)動(dòng)因素，并對(duì)再生水的利用潛力進(jìn)行評(píng)估具有十分的必要性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生水利用影響因素分析及潛力評(píng)估的方法做了大量研究。MESA-PEREZ等［2］采用聚類分析方法評(píng)估了歐洲再生水回用于農(nóng)業(yè)的機(jī)會(huì)以及阻礙因素；LIAO等［3］基于亞洲48個(gè)國(guó)家和地區(qū)的數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是影響污水處理和再生水利用的主要因素；CHANG等［4］對(duì)比分析了北京市淡水和再生水的消耗情況，考慮了水價(jià)、再生水水質(zhì)和政策等因素對(duì)再生水利用的影響；LI等［5］模擬西北內(nèi)陸地區(qū)再生水利用現(xiàn)狀，建立了預(yù)測(cè)城市再生水潛力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；ZHENG等［6］構(gòu)建了具有隨機(jī)效應(yīng)的潛力預(yù)測(cè)模型，對(duì)全國(guó)再生水利用潛力進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)；余鵬明等［7］運(yùn)用Spearman秩相關(guān)分析了影響再生水利用量的敏感指標(biāo)，為再生水可利用量預(yù)測(cè)提供了可靠的參考依據(jù)；汪妮等［8］考慮到用水對(duì)象對(duì)再生水用水量的影響，對(duì)回用于工業(yè)的再生水和市政雜用的再生水分別采用了改進(jìn)的灰色模型和定額法進(jìn)行需水量預(yù)測(cè)；唐蓮等［9］分別計(jì)算了銀川市再生水供水能力以及利用能力，通過(guò)供需平衡分析確定了其再生水利用潛力。

針對(duì)水資源相對(duì)豐富的南方城市再生水利用潛力的研究尚不多見(jiàn)。蘇州市作為蘇南典型的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，水資源的消耗量十分巨大，且隨之產(chǎn)生的大量工業(yè)、生活污水的排放，導(dǎo)致了較為嚴(yán)重的水質(zhì)型缺水問(wèn)題。以城市污水為水源的再生水利用可以很大程度上減少淡水資源的浪費(fèi)以及改善污水排放問(wèn)題，有利于實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用［10］。本文基于BP-DEMATEL（backpropagation decision-making trial and evalvation laboratory）模型對(duì)影響蘇州市再生水利用的主要因素進(jìn)行識(shí)別。對(duì)比層次分析法等方法，DEMATEL法不要求因素之間相互獨(dú)立，可以分析出各因素對(duì)于目標(biāo)因素的重要性并識(shí)別出各因素之間的影響關(guān)系以及關(guān)聯(lián)性。目前，DEMATEL模型在地區(qū)用水量預(yù)測(cè)［11］、水資源承載力評(píng)價(jià)［12］等方面均有較為良好的應(yīng)用成果。BP-DEMATEL模型則通過(guò)構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型代替問(wèn)卷調(diào)查或?qū)＜掖蚍謥?lái)獲取直接關(guān)聯(lián)矩陣，在一定程度上克服了傳統(tǒng)DEMATEL方法應(yīng)用難度大以及帶有主觀性等不足，擴(kuò)展了模型的應(yīng)用范圍。隨后根據(jù)BP-DEMATEL模型的分析結(jié)果，利用差分GM（1，N）灰色預(yù)測(cè)模型評(píng)估了蘇州市未來(lái)一段時(shí)期的再生水利用潛力，以期為進(jìn)一步提升蘇州市再生水利用率、形成先進(jìn)適用的再生水利用模式、促進(jìn)蘇州再生水事業(yè)的發(fā)展提供依據(jù)，并為其他地區(qū)提高再生水利用水平提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 研究區(qū)概況

蘇州市位于東經(jīng)119°55'～121°20'，北緯30°47'～32°02'，地處江蘇省東南部，是長(zhǎng)三角地區(qū)重要的中心城市之一，東、南分別與上海市、浙江省接壤，西北則是太湖、長(zhǎng)江等重要湖泊水系，區(qū)域總面積8 657.32 km2，下轄6個(gè)區(qū)、4個(gè)縣級(jí)市。2020年蘇州全市總?cè)丝?44.33萬(wàn)人，全市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值20 170.45億元，其中工業(yè)年增加值為8 514.39億元［13］。市域內(nèi)地勢(shì)低平，境內(nèi)河網(wǎng)密布，湖泊眾多，擁有各級(jí)河道2萬(wàn)多條、大小湖泊300多個(gè)，包括太湖、陽(yáng)澄湖、長(zhǎng)江、京杭運(yùn)河等，太湖水面絕大部分在蘇州境內(nèi)，河流、湖泊、灘涂面積占全市土地面積的36.6%。

2 研究區(qū)污水處理及再生水利用現(xiàn)狀

2018年以來(lái)，蘇州市全力推進(jìn)89座城鎮(zhèn)污水處理廠尾水提標(biāo)改造。目前，全市城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)全面提標(biāo)，達(dá)到蘇州準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年（現(xiàn)狀年），全市污水處理系統(tǒng)累計(jì)處理污水11.5億m3，較2017年增長(zhǎng)15%。截至2020年底，完成提標(biāo)改造的89座城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)均已達(dá)到《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》（DB 32／1072—2018）和“蘇州特別排放限值”標(biāo)準(zhǔn)要求。全市污水治理取得的良好工作基礎(chǔ)，勢(shì)必促進(jìn)本地區(qū)再生水資源開(kāi)發(fā)利用的發(fā)展，同時(shí)通過(guò)合理配置方案的實(shí)施，預(yù)期可全面提高非常規(guī)水源利用率。各區(qū)市（縣）污水處理廠分布以及污水處理情況見(jiàn)圖1。

圖1 2020年蘇州市污水處理廠分布及污水處理情況Fig.1 Distribution and treatment of sewage treatment plants in Suzhou in 2020

市區(qū)范圍內(nèi)（包括吳江區(qū)、吳中區(qū)、相城區(qū)、姑蘇區(qū)、工業(yè)園區(qū)以及高新區(qū)）共有40座污水處理廠。其中：僅有工業(yè)園區(qū)的兩座污水處理廠規(guī)模在20萬(wàn)m3／d以上；而規(guī)模在10萬(wàn)～20萬(wàn)m3／d的污水處理廠共4座；規(guī)模在5萬(wàn)～10萬(wàn)m3／d的污水處理廠共8座；其余污水處理廠規(guī)模均在5萬(wàn)m3／d以下。各縣（市）中，僅昆山市有2座規(guī)模在10萬(wàn)～20萬(wàn)m3／d的污水處理廠，其他污水處理廠規(guī)模較小。

蘇州市各區(qū)市（縣）2020年度再生水利用詳細(xì)情況（表1）如下：吳江區(qū)2020年度再生水利用量為4 648.95萬(wàn)m3，其中98%均用于環(huán)境用水；吳中區(qū)再生水利用量為4 923.35萬(wàn)m3，其中91%被各廠區(qū)留作自用，其余9%用于工業(yè)用水以及環(huán)境用水；相城區(qū)再生水利用量相對(duì)較少，為1 907.48萬(wàn)m3，且除少部分留作廠區(qū)自用外，其余均用于環(huán)境用水；姑蘇區(qū)再生水利用量達(dá)到了10 520.07萬(wàn)m3，利用率為88.3%，高于蘇州其他區(qū)市（縣）；工業(yè)園區(qū)再生水利用總量為6 429.37萬(wàn)m3，除13.37萬(wàn)m3留作廠區(qū)自用外，其余均用于環(huán)境用水；高新區(qū)再生水利用總量為270.59萬(wàn)m3，再生水利用率僅為3.01%，遠(yuǎn)低于蘇州其他區(qū)市（縣）再生水利用水平?？梢钥闯?，吳江區(qū)及姑蘇區(qū)再生水利用率均達(dá)到了50%以上，但兩區(qū)回用于環(huán)境的再生水量均達(dá)到了97%以上，而其他如工業(yè)用水和城市雜用水等途徑的再生水利用量幾近于無(wú)，其再生水配置方案有待進(jìn)一步優(yōu)化，利用潛力仍有提升空間。

表1 蘇州市再生水利用現(xiàn)狀Tab.1 Utilization status of reclaimed water in Suzhou

張家港市再生水利用總量為1 423.31萬(wàn)m3，其中26%用于工業(yè)用水，39%用于環(huán)境用水，余下35%用于城市雜用水、廠區(qū)自用以及其他用途。常熟市再生水利用總量為2 395.97萬(wàn)m3，其中96%用于環(huán)境用水。太倉(cāng)市再生水利用總量為1 847.21萬(wàn)m3，其中75%用于環(huán)境用水，25%被各廠區(qū)留作自用。昆山市再生水利用總量為10 122.61萬(wàn)m3，其中74%用于環(huán)境用水，3.4%留作廠區(qū)自用，3.6%用于工業(yè)用水，其余19%用于城市雜用水及其他用途。

綜合以上分析，2020年蘇州市再生水78.68%用于環(huán)境用水，13.45%被各再生水廠留做自用，工業(yè)用水及城市雜用水僅占2.33%和0.02%，見(jiàn)圖2。目前蘇州市現(xiàn)狀再生水利用還存在著管網(wǎng)覆蓋率底、配置方案不合理等問(wèn)題，但隨著再生水可利用量的逐步提升，配套設(shè)施水平的不斷完善，蘇州市再生水開(kāi)發(fā)利用水平的增長(zhǎng)潛力非?？捎^。

圖2 蘇州市2020年再生水利用比例Fig.2 Proportion of reclaimed water utilization in Suzhou in 2020

3 再生水利用影響因素識(shí)別

3.1 指標(biāo)選取與數(shù)據(jù)來(lái)源

綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多種影響再生水利用量的因素以及相關(guān)文獻(xiàn)［14-18］研究成果，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，確定對(duì)城市再生水利用量存在影響的25個(gè)指標(biāo)因素，見(jiàn)表2。各指標(biāo)因素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的《城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》以及蘇州市水務(wù)局的《蘇州市水資源公報(bào)》，且所有指標(biāo)均包含2008—2020年的完整數(shù)據(jù)序列。

表2 蘇州市再生水利用影響因素指標(biāo)Tab.2 Influencing factors of reclaimed water use in Suzhou

3.2 研究方法

DEMATEL（decision-making trial and evaluation laboratory，決策實(shí)驗(yàn)室分析法）是一種被廣泛應(yīng)用于影響因素識(shí)別的方法，通過(guò)計(jì)算各因素的中心度和原因度構(gòu)建模型，識(shí)別出關(guān)鍵因素及因素間的因果關(guān)系［19］。

BP-DEMATEL模型［20］是在傳統(tǒng)DEMATEL模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)過(guò)不斷修正滿足模型誤差要求，從而得到輸入值與輸出值之間的權(quán)值矩陣，并以此替代問(wèn)卷調(diào)查或?qū)＜掖蚍謥?lái)計(jì)算獲取直接關(guān)聯(lián)矩陣，在一定程度上克服了傳統(tǒng)DEMATEL方法應(yīng)用難度大以及帶有主觀性的不足，擴(kuò)展了模型的應(yīng)用范圍［21］。建立BP-DEMATEL模型對(duì)影響蘇州市再生水利用的因素進(jìn)行識(shí)別，確定關(guān)鍵影響因素，具體步驟如下。

構(gòu)建影響因素矩陣X＝（x ij）m×n以及目標(biāo)指標(biāo)矩陣Y＝（yit）m×k，并對(duì)矩陣進(jìn)行歸一化處理，歸一化后的影響因素矩陣和目標(biāo)指標(biāo)矩陣分別作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入和輸出向量。其中：m、n分別為樣本、影響因素個(gè)數(shù)；k＝1為目標(biāo)因素個(gè)數(shù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練完成后得到輸入層與隱含層之間的權(quán)值矩陣（W）n×t和隱含層與輸出層之間的權(quán)值矩陣（W）t×k。

計(jì)算整體權(quán)值矩陣ω＝mean（｜W｜×｜w｜），其中：ω＝（ω1，ω2，…，ωn）；｜W｜、｜w｜指對(duì)矩陣中每個(gè)元素取絕對(duì)值。

計(jì)算影響因素指標(biāo)之間的直接關(guān)聯(lián)矩陣

式中：A為直接關(guān)聯(lián)矩陣；（表示因子i對(duì)因子j的影響程度），若ωj＝0，則aij＝0。

歸一化直接關(guān)聯(lián)矩陣

計(jì)算綜合影響矩陣

式中：T為綜合影響矩陣；tij為因素i對(duì)j的綜合影響程度；B為歸一化后的直接關(guān)聯(lián)矩陣；（I－B）－1為（I－B）的逆矩陣；I為單位矩陣。

建立因果關(guān)系圖，定義影響度D為T各行之和，被影響度R為T各列之和。

式中：Di為因素i的影響度；Ri為因素i的被影響度。

中心度D＋R值表示因素對(duì)系統(tǒng)的影響程度，該值越大代表因素越重要；原因度D－R值為某因素對(duì)其他因素的影響程度。分別以D＋R和D－R為橫、縱坐標(biāo)，將各因素點(diǎn)在圖中繪制出來(lái)。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

本次研究共有13組數(shù)據(jù)，分別為2008—2020年蘇州市再生水利用量及其主要影響因素。以25個(gè)影響再生水利用量的因素為輸入值，年再生水利用量為模型的輸出值，在MATLAB軟件中構(gòu)建含有一個(gè)隱含層的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)多次模型運(yùn)行試驗(yàn)，并對(duì)比分析結(jié)果之后，確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置［22］如下：訓(xùn)練次數(shù)為50 000、學(xué)習(xí)速率和期望誤差分別為0.05、0.000 01，此時(shí)模型運(yùn)算結(jié)果最佳。導(dǎo)出輸入層至隱含層、隱含層至輸出層之間的權(quán)值矩陣，根據(jù)公式（1）～（5）計(jì)算直接關(guān)聯(lián)矩陣和綜合影響矩陣，并計(jì)算影響度D、被影響度R、中心度D＋R和原因度D－R的值，見(jiàn)表3。并依據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制各因素的因果關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 影響因素因果關(guān)系Fig.3 Causal diagram of influencing factors

表3 再生水利用影響因素的中心度和原因度Tab.3 Centrality and cause degree of influencing factors of the utilization of reclaimed water

根據(jù)DEMATEL模型分類要求，可按照原因度D－R值的正負(fù)將全部影響因素分為原因因素和結(jié)果因素兩類：D－R＞0意味著其為原因型因素，對(duì)其他因素影響較大，其自身則較為穩(wěn)定，又稱驅(qū)動(dòng)因素；D－R＜0意味著其為結(jié)果型因素，容易受到驅(qū)動(dòng)因素的影響，又稱特征因素。同時(shí)可將所有因素中心度均值和標(biāo)準(zhǔn)差之和作為界限值，大于該值的因素為關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素及關(guān)鍵特征因素［23］，界限值經(jīng)計(jì)算為1.84。

3.3.1 驅(qū)動(dòng)因素分析

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，污水處理投資（X18）、排水設(shè)施投資（X17）、居民家庭用水量（X14）、全年水資源總量（X5）、萬(wàn)元GDP用水量（X7）5項(xiàng)因素為關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。建成區(qū)面積（X8）、排水管道密度（X20）、供水總量（X6）3項(xiàng)因素的中心度高于其余16個(gè)因素的平均值，說(shuō)明其對(duì)再生水利用量也有較大的影響。

分析可知，增加污水處理投資可提升污水處理廠的污水處理能力以及出水水質(zhì)，從而提升再生水生產(chǎn)量，加速城市再生水利用發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)：至2020年底蘇州市污水處理投資總額已達(dá)26.75億元；加大城市排水管網(wǎng)設(shè)施投資有利于提升城市各行業(yè)及生活污水的收集效率和能力，通過(guò)增加污水處理廠的進(jìn)水來(lái)源間接影響再生水利用水平，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析蘇州市對(duì)于排水設(shè)施的投資整體呈上升趨勢(shì)，城市排水設(shè)施正在逐步完善；居民家庭用水產(chǎn)生的污水是再生水的重要水源之一，故而用水量的多少也影響著再生水利用發(fā)展，與再生水利用量呈正相關(guān)；水資源總量匱乏與否是驅(qū)動(dòng)城市發(fā)展再生水代替常規(guī)水資源的重要因素，結(jié)合研究區(qū)情況分析，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，蘇州市面臨著水質(zhì)型缺水的現(xiàn)狀，2020年蘇州市地表水國(guó)考斷面水質(zhì)為Ⅲ類及以下的達(dá)到81.25%，太湖及陽(yáng)澄湖總體水質(zhì)仍處于Ⅳ類，發(fā)展再生水事業(yè)對(duì)于改善水環(huán)境狀況十分關(guān)鍵；萬(wàn)元GDP用水量代表了城市水資源利用水平，其值越低說(shuō)明利用效率越高，蘇州市萬(wàn)元GDP用水量從2008年的113 m3下降至2020年的25.57 m3，與再生水利用量呈負(fù)相關(guān)。

建成區(qū)面積可反映城市污水再生回用相關(guān)配套設(shè)施的完善程度，與再生水利用量呈正相關(guān)。排水管網(wǎng)密度增加可提升污水收集率，避免部分污水直接進(jìn)入水資源系統(tǒng)。供水總量一定程度上決定了污水排放量等關(guān)鍵因素，與再生水利用量呈正相關(guān)。其余X9、X11、X12、X24等驅(qū)動(dòng)因素對(duì)再生水利用量影響程度較低，結(jié)合蘇州市實(shí)際情況分析，這些因素歷年來(lái)的變化趨勢(shì)較為緩慢，沒(méi)有對(duì)再生水利用量提升起到明顯的推動(dòng)作用。例如，再生水管道長(zhǎng)度自2009年至2020年僅增加了20 km，而再生水利用水平較高的北京市再生水管網(wǎng)長(zhǎng)度達(dá)到了1 719 km［24］，這在一定程度上也反映了蘇州市再生水輸配基礎(chǔ)設(shè)施需要進(jìn)一步完善，以有效促進(jìn)再生水資源得到充分利用。

3.3.2 特征因素分析

污水處理量（X3）、污水處理能力（X22）、污水排放量（X4）、城市用水人口（X15）4項(xiàng)因素為關(guān)鍵特征因素。排水管道長(zhǎng)度（X19），二、三級(jí)污水處理量（X23），人均GDP（X2），公共服務(wù)用水量（X13），再生水生產(chǎn)能力（X21）等因素中心度高于其余16項(xiàng)因素，也會(huì)對(duì)再生水利用量產(chǎn)生直接影響。根據(jù)分析得出，污水處理量及處理能力對(duì)再生水利用直接影響最大，并且容易受到污水處理投資、排水設(shè)施投資、用水量等因素的影響。由于再生水廠的進(jìn)水來(lái)源為經(jīng)城市污水處理廠處理后的出水，故污水處理量和處理能力的提升可直接增加再生水廠的進(jìn)水量，優(yōu)化進(jìn)水水質(zhì)，從而使城市再生水利用量穩(wěn)定增長(zhǎng)并得到合理配置，推動(dòng)再生水利用事業(yè)的發(fā)展。城市用水人口及污水排放量的增加也可直接影響再生水水源，分析歷史數(shù)據(jù)可知，蘇州市污水排放及處理量歷年來(lái)不斷提升，且增長(zhǎng)趨勢(shì)十分一致，均與城市再生水利用量呈正相關(guān)。

排水管道長(zhǎng)度，二、三級(jí)污水處理量，公共服務(wù)用水量等因素與污水排放處理量有著密切的聯(lián)系，同樣會(huì)對(duì)再生水利用量產(chǎn)生重要影響。人均GDP則反映了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，蘇州市人均GDP水平保持持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，與再生水利用量呈正相關(guān)；再生水生產(chǎn)能力反映了再生水廠的生產(chǎn)水平和處理能力，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，蘇州市2011年至2018年再生水生產(chǎn)能力并沒(méi)有明顯提升，不過(guò)近兩年隨著各污水處理廠及再生水廠逐步完成提標(biāo)改造，其再生水生產(chǎn)水平也開(kāi)始進(jìn)步，這必然會(huì)促進(jìn)再生水利用量的增加。

因此，若要進(jìn)一步提升蘇州市再生水利用水平，需要做到：加大污水處理投資，對(duì)污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造，提升其處理規(guī)模；加大排水設(shè)施投資，完善城市污水收集管網(wǎng)，提升污水收集率；同時(shí)注重科技水平發(fā)展，提升對(duì)水資源的利用效率。

4 再生水利用潛力評(píng)估

根據(jù)上述對(duì)蘇州市再生水利用影響因素的分析識(shí)別，將篩選出的9項(xiàng)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素和關(guān)鍵特征因素的數(shù)據(jù)作為相關(guān)因素序列數(shù)據(jù)，構(gòu)建GM（1，N）灰色預(yù)測(cè)模型，對(duì)蘇州市再生水的利用潛力進(jìn)行評(píng)估。

4.1 研究方法

GM（1，N）模型是灰色系統(tǒng)理論中常用的模型之一［25］，該模型的原理是利用離散的數(shù)據(jù)序列作為輸入變量建立微分方程以及預(yù)測(cè)模型，反映其對(duì)目標(biāo)變量的影響［26］。建模過(guò)程如下：

設(shè)系統(tǒng)有特征數(shù)據(jù)序列

則相關(guān)因素序列為

GM（1，N）近似時(shí)間相應(yīng)式為

4.2 關(guān)鍵影響因素?cái)?shù)據(jù)序列延展

基于灰色預(yù)測(cè)GM（1，N）模型對(duì)蘇州市未來(lái)再生水利用潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要各影響因素的未來(lái)值，由于其數(shù)據(jù)難以獲得，因此，這里采用延展各影響因素?cái)?shù)據(jù)序列的方法［27］，以時(shí)間為自變量對(duì)各因素變化進(jìn)行擬合，關(guān)鍵影響因素2021—2025年的預(yù)測(cè)值見(jiàn)表4。

表4 2021—2025年關(guān)鍵影響因素延展數(shù)據(jù)Tab.4 Extension data of key influencing factors from 2021 to 2025

4.3 再生水利用潛力評(píng)估

使用MATLAB軟件建立差分模擬形式的GM（1，N）預(yù)測(cè)模型，將預(yù)測(cè)關(guān)鍵影響因素?cái)?shù)據(jù)序列作為輸入變量，預(yù)測(cè)蘇州市2021—2025年再生水利用潛力，并繪制模型擬合結(jié)果及預(yù)測(cè)圖，見(jiàn)圖4。根據(jù)計(jì)算，2025年蘇州市再生水利用潛力預(yù)計(jì)可達(dá)到59 630.52萬(wàn)m3，利用率可達(dá)到51.85%。

圖4 GM（1，N）模型擬合結(jié)果及預(yù)測(cè)Fig.4 Fitting results and prediction diagram of GM（1，N）model

4.4 模型精度檢驗(yàn)及合理性分析

模型精度各檢驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表5，根據(jù)模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：－a＝0.026 1＜0.3，表明模型適合中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)；方差比C＝0.037 8＜0.35，且小誤差概率P＝1，模型預(yù)測(cè)等級(jí)為好；關(guān)聯(lián)度R＝0.680 9，在0.6～0.7，合格。模型基本滿足各種檢驗(yàn)，可用于再生水利用量的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。

2.成本最低：采用以成本最低為目標(biāo)與效益最高為目標(biāo)比較類似，因?yàn)橛?jì)算成本雖然比較困難，但以效益為目標(biāo)更加難以操作。

表5 模型精度檢驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of model accuracy test

對(duì)比2008—2020年蘇州市再生水實(shí)際利用量與GM（1，N）模型輸出的預(yù)測(cè)值可知，模型的擬合精度較高，見(jiàn)表6，平均誤差僅為0.22%，其中最大擬合誤差為6.55%。模型擬合結(jié)果說(shuō)明通過(guò)BPDEMATEL模型識(shí)別出的9個(gè)關(guān)鍵影響因素可以表明蘇州市再生水利用量的原始信息。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，蘇州市2021—2025年再生水利用量將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，這符合“十四五”規(guī)劃中優(yōu)化再生水利用規(guī)劃布局、擴(kuò)大再生水利用領(lǐng)域和規(guī)模的總體要求，預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的合理性與可參考性。

表6 2008—2020年模型擬合結(jié)果及誤差Tab.6 Fitting results and errors of the model from 2008 to 2020

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用BP-DEMATEL模型對(duì)影響蘇州市再生水利用水平的因素進(jìn)行了識(shí)別分析，并以識(shí)別出的關(guān)鍵因素指標(biāo)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了GM（1，N）灰色預(yù)測(cè)模型，對(duì)蘇州市未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)再生水利用潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，結(jié)果如下。

通過(guò)引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)DEMATEL模型進(jìn)行改進(jìn)，有效識(shí)別出了污水處理投資、排水設(shè)施投資、居民家庭用水量、全年水資源總量、萬(wàn)元GDP用水量5項(xiàng)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素以及直接影響再生水利用量的污水處理量、污水處理能力、污水排放量、城市用水人口4項(xiàng)關(guān)鍵特征因素。

構(gòu)建了基于差分模擬形式的GM（1，N）模型，根據(jù)計(jì)算可知，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際再生水利用量擬合度較高，模型精度較好。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，蘇州市“十四五”時(shí)期將保持再生水利用量穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，預(yù)期至2025年，再生水利用量、利用率分別可達(dá)到59 630.52萬(wàn)m3、51.85%，與現(xiàn)狀利用水平相比提升潛力巨大。

綜合考慮影響因素和潛力評(píng)估結(jié)果，結(jié)合蘇州市再生水利用現(xiàn)狀分析，目前蘇州市再生水利用潛力較大但利用形式單一，若要促進(jìn)蘇州市再生水利用事業(yè)的發(fā)展，需要加大污水處理投資，對(duì)污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造，提升其處理規(guī)模以及處理技術(shù)水平，加大排水設(shè)施投資，完善城市污水收集管網(wǎng)，提升污水收集率，進(jìn)一步完善配套設(shè)施、提升再生水管網(wǎng)覆蓋率，使再生水資源得到更為合理的配置。