利用我國2007年和2015年地級城市排水系統面板數據，從城市排水設施配備水平、排水設施運行水平、污水處理效果3個方面選取合適指標，分析了其空間分布特征和時空演變特征，結果顯示：此期間我國排水系統建設取得了很大進展，但各地區間排水系統特征存在顯著差異，系統內部也不均衡。各地區排水管網增設規模顯著高于其他方面增長，而污水再生利用情況堪憂，各地區排水系統各方面增長還處于失衡狀態。未來建設應更加關注排水系統各方面的均衡發展。運用TOPSIS多因子評價法和變異系數法對我國現階段地級城市的排水系統水平進行了綜合評價。貴陽、自貢、鄂爾多斯、邢臺、昆明等城市排名前列，伊春、六盤水、揭陽、達州、商洛等城市排名末位，分區來看，排水系統排序依次為華北>華東>西北>西南>東北>華南>華中，同時華北地區顯著優于其他地區。通過對比現階段各地區排水系統不同方面與全國平均水平間差異以及各地區近八年間系統不同方面增長特征，對未來各地區排水系統發展提出了一些建議和方向。
1 背景及相關研究
城市化帶來人口的快速增加和用地的快速擴張，隨之而來的是城市對各類基礎設施的需求，尤其是近年來飛速的城市化，排水系統基礎設施的發展尤其迅猛。2007年我國污水年排放量361億m3，之后以每年3.7%的速度持續增加。到2015年底全國建成污水處理廠1944座，污水處理能力約1.4億m3，污水處理率達到91.9%，2007~2015年全國城鎮年污水處理量年均增幅超過11.1%，全國污水處理廠處理能力年均增幅超過12.1%，城市擴張帶來需求增大，繼而帶來設施規模被動增大，導致城市再次擴張，而這種設施的不斷擴建與城市發展是否相協調，以及設施之間是否相配套不得而知，而這個問題又關乎城市基礎設施能否發揮最大效用，能否滿足城市需求服務城市發展等重要命題。排水系統基礎設施是城市基礎設施的重要組成和確保城市排水安全的重要支撐，根據目前的發展趨勢，未來我國的排水系統基礎設施的建設壓力將進一步加大。未來持續的城市化浪潮下，各地區排水系統的合理建設仍需科學指導。摸清我國現階段各城市排水系統的配備水平及其演化特征，從而為未來設施規劃提供建議和方向顯得尤為重要。
國內學者對于城市基礎設施的綜合評價已有一些探索，黃金川等對中國2007年287個地級及以上城市的基礎設施建設水平從發展排序、等級劃分、空間分異和統計分布等方面進行了全面、系統的評價研究，程敏等運用因子分析、主成分分析、熵值法、灰色評價和集對分析構成的方法集對全國31個省市的基礎設施可持續發展水平進行了綜合評價，陳仲常等選用1998~2007年全國30個省市數據構建了城市基礎設施現代化評價模型，武力超等構建了我國城市基礎設施發展指數，并利用主成分分析法分析了基礎設施水平和城市化之間的關系，這些研究主要集中在3個方面：一是給排水、環境衛生、能源系統、道路交通、通信系統等綜合評價體系構建;二是層次分析、主成分分析、最大關聯法、熵權法等評價方法探索;三是城市基礎設施與地區經濟間的協調發展評價，目前尚缺乏針對全國水平的排水系統現狀及綜合評價的研究。城市基礎設施的定量化評價方法和研究尺度還有待進一步擴展，相比西方發達國家完備的基礎設施評價標準，我國排水系統的評價指標體系構建和評價方法也急需完善。
針對以上問題，本文按照完備性、可行性和必要性原則，從城市排水系統的設施配備水平、設施運行水平、污水處理效果3方面選取合適指標，利用2007年和2015年全國地級城市的排水系統面板數據，分析現階段排水系統的空間分布特征和時空演變特征，對全國地級城市的排水系統做出了綜合評價。并為各地區未來排水系統建設提供了一些建議和方向。
2 方法
2.1研究對象
按照我國現階段行政和地理區劃，本文選取2007年和2015年全國所有地級及以上城市作為研究對象。認為這些城市的排水系統特征可代表我國現階段的總體水平，以2015年為例，共統計到288個地級及以上城市。這些城市分別來自華北、東北、華中、華東、華南、西南和西北等7個區域，分別占到所有城市的12%、12%、18%、23%、13%、12%和10%。
2.2指標體系和數據來源
本研究從城市排水系統設施配備水平、設施運行水平、污水處理效果3方面入手，選取指標來表征城市的雨污水收集設施和污水處理設施的配備水平、污水處理設施的利用與運行水平、污水處理和城市污水再生利用現狀等特征，以地級市為單位，數據均來自2007年和2015年《中國城市建設統計年鑒》。
2.2.1指標體系說明以及數據來源(見表1)
2.2.2TOPSIS綜合評價法
為了綜合評價城市排水系統水平，本文利用TOPSIS綜合評價法對全國地級市進行了評價排序，最終得到評價參考值D，D越小則代表評價結果越好，以下i=1∶288,j=1∶5,具體步驟如下：
步驟1：統一各項排水系統指標的單調性，根據指標實際意義，在此采用高優指標即數值越高越好。
步驟2：對各項指標進行歸一化處理，如式(1)，其中xij表示第i個地級市在第j個指標上的取值，由此得到歸一化矩陣Z，見式(1):
步驟3：依據各項指標的重要程度分配權值，在此按照變異系數法計算指標權重。
步驟4：確定最優方案和最差方案，從矩陣Z中選出各項指標參數值的最大值和最小值，構成最優解和最劣解，見式(2)、式(3)：
步驟5：利用空間多維點距離公式分別計算各地級市與最優方案及最差方案的距離，見式(4)，式(5)：
步驟6：計算綜合評價值D，值越小則代表綜合評價結果越好，見式(6)：
2.2.3變異系數法
變異系數法是一種客觀賦權的方法，直接利用各項指標所包含的信息，計算得到指標的權重。在評價指標體系中，指標取值差異越大的指標，即越難以實現的指標，這樣的指標更能反映被評價單位的差距。
為了消除各項評價指標的量綱影響，需要用各項指標的變異系數來衡量指標取值的差異程度。各項指標的變異系數公式如式(7)，其中：j=1∶5,vj是第j項指標的變異系數;δj是第j項指標的標準差;xj是第j項指標的平均數。Wj為各項指標的權重，計算方法如式(8)，最終計算的權重結果為：排水管網密度(15%)，設施規模密度(14%)，污水處理率(3%)，污水廠負荷率(10%)，再生水利用率(58%)
3結果和討論
3.1現階段我國排水系統設施特征
本研究選擇2015年的城市面板數據分別從地級市層面以及七大分區層面對我國現階段的排水系統設施空間分布特征進行了描述，為了描述不同地區間的差異性，對各地區間的城市排水系統水平進行獨立樣本Kruscal?Wallis檢驗(由SPSS軟件實現)，Kruskal?Wallis(KW)結果顯示通過檢驗，說明我國各地區間排水系統設施配備水平、設施運行水平、污水處理效果差異很大，空間分布不均衡。
3.1.1各地級城市排水系統設施空間分布特征
檢驗是一個關于3組或更多數據的非參數性測試。用來檢測總體函數分布的一致性原假設和其替代假設，關于至少2個樣本之間存在差異的假設。結果顯示通過檢驗，說明我國各地區間排水系統設施配備水平、設施運行水平、污水處理效果差異很大，空間分布不均衡。
圖1~圖5分別表示了2015年我國各地級城市排水系統設施各指標空間分布圖和頻率分布直方圖。5個指標在空間上的分布趨勢不盡相同，整體來看，全國大多數城市管網密度處于一般水平，平均達到9.27km/km2，方差22.70，最大為無錫市(39.35km/km2)，接下來依次是麗江(23.53km/km2)、巴彥淖爾(23.16km/km2)、天津(22.07km/km2)、常州(21.98km/km2)，而最小為自貢市(0.35km/km2)，其次是揭陽(0.76km/km2)、萍鄉(0.98km/km2)，城市間差異較大。長三角、寧夏-內蒙地區和沿海地區的管網密度水平高于內陸及東北地區城市，觀察其頻率分布直方圖，排水管網密度值主要集中在10左右，排水管網密度極高和極低的城市數量較少，除過無錫市城市間數值變化較平滑，大體呈現正態分布趨勢。
設施規模密度體現了地區污水處理設施的配備水平，全國地級市的污水處理設施規模密度平均0.24萬m3/(d˙km2)，方差0.012，最小為嘉峪關市(0.03萬m3/(d˙km2))，其次是固原(0.04萬m3/(d˙km2))、拉薩(0.06萬m3/(d˙km2))，最大為上海市(0.79萬m3/(d˙km2))，其次是佛山(0.76萬m3/(d˙km2))、本溪(0.60萬m3/(d˙km2))、珠海(0.60萬m3/(d˙km2))、平頂山(0.57萬m3/(d˙km2))，城市間差異不大，長三角及腹地、渤海灣及腹地、珠三角及腹地設施規模密度較高，觀察期頻率分布直方圖，數值較大和較小的城市比較少，除過上海市城市間數值變化較平滑，大體呈現正態分布趨勢。
負荷率反映了污水處理設施的運行狀況，全國地級城市的污水處理廠負荷率普遍較高，平均達到0.84，方差0.07，最小為巴彥淖爾市(0.33)，其次是嘉興(0.36)、定西(0.37)、崇左(0.38)、榆林(0.39)，最大為嘉峪關市(3.00)，其次是宜賓(2.55)、牡丹江(1.78)、貴港(1.71)、柳州(1.69)，37個城市負荷率大于1，污水處理廠超負荷運轉情況較嚴重，城市間差異很大，整體來看，負荷率呈現南高北低、沿海高內陸低的趨勢，從頻率分布直方圖來看，指標數值較為集中，峰值左偏。
污水處理率反映了城市污水最終的處理程度，我國地級城市的污水處理率普遍較高，基本大于80%，除過東北部分地區和拉薩、七臺河等內陸少數城市，全國平均水平達到了90.31%，方差0.009，城市間差異很小，最小為拉薩(0.18)，其次是七臺河(0.39)、崇左(0.40)、綏化(0.48)、達州(0.49)，最大為遼陽、鐵嶺、滄州、新余、盤錦和黃岡，其城市污水處理率達到了100%，從頻率分布直方圖也可以看出，污水處理率指標數值較為集中，峰值右偏。
污水再生利用是合理利用現有水資源的有力舉措，其受地區政策影響很大，全國平均水平只有7.5%，方差0.021，171個城市接近于0，最大值貴陽市(0.97)，其次是自貢(0.93)、鄂爾多斯(0.66)、邢臺(0.65)、昆明(0.60)，城市間差異很大，整體來看，北方城市污水再生利用優于南方地區，觀察頻率分布直方圖，除去污水再生零利用的城市之外，指標數值較為分散，峰值嚴重左偏。
3.1.2分地區城市排水系統設施特征及近年來增設概況
圖6描述了我國各地區2007年和2015年平均排水系統設施指標分布值，圖中高低紅色虛線分別表示2007年和2015年各指標的全國平均水平。分析2015年指標表現，分地區來看排水管網密度，華東、華北地區高于全國平均水平，分別達到12.49km/km2和9.63km/km2，華南、華中和西南地區與全國平均水平相近，東北和西北地區管網密度較低，只有6.14km/km2和5.55km/km2，顯著拉低了全國平均水平。分區來看設施規模密度，華南和華中地區顯著高于全國平均水平，分別達到了0.29萬m3/(d˙km2)和0.27萬m3/(d˙km2)，東北、華北和華東地區的規模密度水平比較相近全國平均水平，西北和西南地區分別只有0.19萬m3/(d˙km2)和0.18萬m3/(d˙km2)，顯著低于全國平均水平。分區來看污水處理廠負荷率，華北、西北、東北地區城市污水處理廠負荷率低于全國平均水平，地區間差異不是很明顯，華中和華東地區污水處理廠負荷率水平接近全國平均水平，西南和華南地區高于全國平均水平。分區來看污水處理率，各地區間整體發展水平比較相近，東北、西南和華南地區稍低于全國平均水平。分區來看污水再生利用率，地區間差異顯著，華北地區地區利用率最高達到了20%，西北地區次之達到了10%，華東和西南地區達到9%，而東北、華南和華中地區分別只有4%、1%和2%，顯著低于全國其他地區。
近年間，我國各地區排水系統設施均有大幅度增長，如圖6，按照全國、東北、華北、華東、華南、華中、西北、西南的順序，各地區的2015年排水管網密度依次增長為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年設施規模密度依次增長為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年污水處理廠負荷率依次增長為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年污水處理率依次增長為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、華北和華東污水再生利用率較2007年有所提高，尤其是華北、西北和西南地區成效較為顯著，而華南、華中和東北地區不僅沒有成效，2015年污水再生利用率反而低于2007年，綜合來看，各地區排水管網增設規模顯著高于其他方面增長，而此階段各地區污水再生利用情況堪憂，各地區排水系統設施各方面增長還處于失衡狀態。未來建設應更加關注排水系統各方面均衡發展。
3.2現階段我國地級城市排水系統設施綜合評價
圖7為現階段各地級市排水系統綜合評價結果的空間表征和各地區TOPSIS結果，分區來看，排水系統排序依次為華北>華東>西北>西南>東北>華南>華中，華北地區顯著優于其它地區。分城市來看，大多數城市的評價值處于0.90~1.00，東北地區部分城市、東南沿海和內陸多數城市TOPSIS指標值大于0.94，水系統設施綜合評價值高，反映為城市排水系統綜合水平較低，長三角及腹地、珠三角及腹地和西北地區部分城市的評價值處于0.90~0.94，反映為城市排水系統綜合水平一般，東北地區的大慶、大連等城市，環渤海地區及腹地，及西北內陸少數城市綜合評價值小于0.9，反映為城市排水系統綜合水平較高。分城市來看，貴陽和自貢市的綜合評價值遠遠低于全國其他城市，城市排水系統水平居于前列，鄂爾多斯、邢臺、昆明、北京、東營、日照、金昌、大連、晉城、邯鄲、無錫、唐山、濰坊、淄博、常州、張掖、中衛、蘇州市作為全國前20強，顯示良好的排水系統綜合水平，如表2所示，除去自貢市主要由于污水再生利用率較高而入圍前20強之外，其他城市的的排水系統各方面指標均表現良好;伊春、六盤水、揭陽、達州、商洛、雞西、咸寧、延安、通化、定西、萍鄉、茂名、白山、烏蘭察布、崇左、臨汾、雙鴨山、銅川、隴南、廣安市為排序后20名，排水系統總體水平較低。
鑒于篇幅限制，此處只列出排名前20強進行分析，見表2。像無錫、常州等城市的排水管網密度、設施規模密度和污水處理率指標均表現良好，但其他指標表現稍差，所以排名靠后，而像昆明、北京及大連等城市各指標表現均一般，卻排名靠前，充分說明，城市排水系統是一個有機整體，只有各方面均衡發展才能達到最佳利用狀態，同時可以看出，像上海、廣州、深圳、重慶、杭州等綜合實力較強的城市并沒有出現在城市排水系統排名前20強中，所以說城市綜合實力以及對基礎設施的投入能力與實際的城市排水系統的綜合水平表現并沒有必然的聯系。
3.3未來各地區排水系統設施建設方向與建
城市排水系統是一個有機整體，由污水收集、污水處理和污水再生利用構成，3方面設施配備水平均衡發展，才能達到最佳處理效果。排水管網密度體現了污水處理前端的城市污水收集能力，設施規模密度則體現了地區污水處理設施的配備水平，負荷率反映了污水處理設施的運行狀況，污水處理率則說明城市污水最終的處理程度，通過對比現階段各地區的系統不同指標特征與全國平均水平間的差異以及各地區近年間系統不同指標增長特征，可以為未來的設施規劃建設提供有價值的建議。
分析現階段各地區排水系統特征和近年來增設特征，如表3，現階段東北地區的排水管網密度顯著低于全國平均水平，設施規模密度卻超過了全國平均水平，說明東北地區的污水收集能力與處理能力是不匹配的，結果是污水處理廠負荷率和污水處理率均低于全國平均水平，較豐富的污水處理設施資源并沒有得到有效利用，而近八年間排水管網增設規模低于全國平均水平，設施規模密度增設規模顯著高于全國水平，因此未來應加大排水管網建設力度，同時充分利用現有污水處理設施資源提高設施負荷率。華北地區的排水管網密度和設施規模密度均高于或接近于全國平均水平，在達到較高污水處理率的情況下，污水廠負荷率卻低于全國平均水平，說明華北地區的污水處理設施資源過于豐富，而近八年間該地區污水收集設施增設規模顯著高于全國平均水平，因此未來水系統設施的發展重點不是設施的增設，而是充分利用現有設施資源，逐步提高污水處理設施負荷率。
西北地區的污水收集水平和污水處理水平及污水處理設施負荷率均低于全國平均水平，尤其是排水管網的配置水平，因此未來應進一步加大排水管網設施和污水處理設施的建設力度，同時也要注意提高設施利用率。西南地區的污水處理設施密度顯著低于全國平均水平，而其污水廠負荷率卻高于全國平均水平，說明，西南地區的污水處理設施配置水平較低，無法滿足污水處理需求，且近八年間污水處理設施增設規模顯著低于全國水平，因此未來應進一步加大其建設力度。污水再生利用受地區政策影響很大，且目前整體水平還有待提高，華北地區再生水利用率顯著高于其他地區，相對于華東、西北和西南地區，東北、華南和華中地區的再生水利用水平尤其需要額外關注。
4結論
本文針對城市排水系統配備水平、排水系統運行水平、污水處理效果3方面，分析了其空間分布特征和時空演變特征，近年來我國排水系統建設取得了很大進展，排水管網增設規模顯著優于其他方面，污水再生利用狀況堪憂，同時發現地區間存在顯著差異，系統內部也不均衡，認為各地區應根據自身系統特征制定合適的未來發展規劃。并從本研究角度給出了一些建議和方向。
(1)城市排水系統是一個有機整體，只有各方面均衡發展才能達到最佳利用狀態，研究運用TOPSIS多因子評價法對我國現階段地級城市的排水系統設施水平進行了綜合評價。貴陽、自貢、鄂爾多斯、邢臺、昆明等城市排名前列，伊春市、六盤水市、揭陽市、達州市、商洛市等城市排名末位，分區來看，排水系統排序依次為華北>華東>西北>西南>東北>華南>華中，而華北地區顯著優于其他地區。同時認為城市綜合實力以及對基礎設施的投入能力與實際的城市排水系統的綜合水平表現并沒有必然的聯系。
(2)通過對比現階段各地區排水系統不同方面與全國平均水平間差異以及各地區近年間排水系統不同方面增長特征，認為東北地區需要大力發展排水管網建設，以匹配現有污水處理設施規模，從而提高污水處理設施利用率;華北地區未來的發展重點不在于設施增設，而在于努力提高設施利用率，充分利用現有設施資源;華東和華南地區未來的發展重點在于解決設施之間的配套問題，應分別適當放緩排水管網設施和污水處理設施的建設;華中和西北地區未來還需進一步加大水系統的全面建設力度，尤其要注重排水管網設施的建設，西南地區則要加大污水處理設施建設力度，以滿足未來日益增長的污水處理需求。同時全國各地級市均應出臺相應政策措施擴大污水再生利用規模，提高污水再生利用率，加大宣傳教育力度，全社會共同努力合理利用水資源。
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