魯 曉，董 增 川，任 華，臧 冬 偉，朱 振 業(yè)，陳 雨 菲

(1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省水文水資源勘測局 鹽城分局，江蘇 鹽城 224000； 3.鹽城市節(jié)約用水辦公室，江蘇 鹽城 224001； 4.杭州西湖城市建設投資集團有限公司 浙江省杭州市西湖區(qū)“五水共治”領導小組辦公室，浙江 杭州 310012)

1 研究背景

江蘇省鹽城市位于我國東部沿海地區(qū)，降雨時空分布不均且變幅大，又處于流域下游供水末梢，水污染問題嚴重。因此存在著資源型缺水和水質(zhì)型缺水的問題，導致鹽城市水資源供需矛盾突出，這些都嚴重制約了經(jīng)濟社會的發(fā)展。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，需要明確鹽城市水資源承載力在社會經(jīng)濟發(fā)展中存在的問題，有針對性地進行水資源分配與管理，為此對鹽城市水資源承載狀態(tài)進行評價并做歸因分析顯得尤為重要。

針對水資源承載狀態(tài)，學者們已經(jīng)開展了大量的研究工作，且取得了一定的成果。開展水資源承載狀態(tài)的研究一般采用綜合評價法[1]，其基本思路是通過選定的指標體系與評價標準，確定權(quán)重并選用評價方法進行計算，以評價水資源承載狀態(tài)的優(yōu)劣。就賦權(quán)方法而言，主要采用主觀賦權(quán)法[2-3]和客觀賦權(quán)法[4-5]。主觀賦權(quán)法是根據(jù)決策者主觀上對各屬性的重視程度而賦權(quán)的一類方法，比如層次分析法、德爾菲法等；客觀賦權(quán)法是根據(jù)決策問題本身所包含的數(shù)據(jù)信息而確定權(quán)重的一類方法，比如熵權(quán)法、主成分分析法等[6]。然而，主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法都存在一定的片面性，主觀賦權(quán)法的主觀隨意性較強，客觀賦權(quán)法無法體現(xiàn)決策者對屬性的偏好。為了既能體現(xiàn)決策者的偏好又不至于主觀性過強，部分學者提出將組合賦權(quán)法應用到評價中。其中，陳曉雨婧等[7]采用簡單平均的組合賦權(quán)法對甘肅省資源環(huán)境承載力進行了評價；李紅等[8]采用加權(quán)法確定組合權(quán)重，對四川省水資源緊缺度進行評價。組合賦權(quán)法綜合了這兩類賦權(quán)方法的優(yōu)點，但目前組合系數(shù)的確定方法比較簡單，缺少足夠的科學依據(jù)。本文將博弈論的概念引入到組合賦權(quán)中，采用NASH均衡作為協(xié)調(diào)的目標進行組合權(quán)重的分配，更科學地協(xié)調(diào)了主觀賦權(quán)權(quán)重和客觀賦權(quán)權(quán)重之間競爭與協(xié)同的關(guān)系[9]。在此基礎上，對鹽城市2008～2017年的水資源承載狀態(tài)做了系統(tǒng)的評價并對障礙因子進行了分析；同時根據(jù)分析結(jié)果，提出了改善水資源承載狀態(tài)的相應建議，希望對鹽城市未來的水資源管理工作有所幫助。

2 鹽城市概況

鹽城市位于江蘇省中部，淮河入海尾閭、黃海之濱，是江蘇省省轄市中面積最大的市，總面積達16 972 km2，沿海灘涂面積4 553 km2。鹽城市處于北亞熱帶氣候向南暖溫帶氣候的過渡地帶，有明顯的海洋性暖濕季風，降雨時空分布不均，多年平均降水量為1 016.6 mm，多年平均地表水資源量為45.47億m3，多年平均淺層地下水資源量為21.56億m3[10]。過境水量豐富，但由于該地區(qū)以平原為主，調(diào)蓄性湖泊、水庫少，調(diào)蓄能力差，致命過境水的利用難度大。

3 水資源承載狀態(tài)評價及障礙因子診斷方法

3.1 水資源承載狀態(tài)評價方法

3.1.1水資源承載狀態(tài)定義

綜合學者們的研究成果，本文將水資源承載狀態(tài)定義為：在某一特定的區(qū)域，在特定的社會經(jīng)濟規(guī)模下，區(qū)域內(nèi)水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的總體狀況。水資源承載狀態(tài)的核心內(nèi)涵為可持續(xù)發(fā)展內(nèi)涵，體現(xiàn)為拒絕以破壞生態(tài)環(huán)境、犧牲未來用水為代價發(fā)展社會經(jīng)濟，保證資源的可持續(xù)利用，即要求水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.1.2評價指標的確定

本文選用協(xié)調(diào)發(fā)展度[11]來表征水資源承載狀態(tài)。區(qū)域水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展程度及其協(xié)調(diào)關(guān)系決定了該區(qū)域的水資源承載狀態(tài)，協(xié)調(diào)發(fā)展度正是反映發(fā)展協(xié)調(diào)關(guān)系的指標，因此承載狀態(tài)的優(yōu)劣可以由協(xié)調(diào)發(fā)展度的大小表征。為了滿足協(xié)調(diào)發(fā)展度計算的需要，并同時考慮3個系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)和影響，本文從承載主體和承載客體的角度出發(fā)構(gòu)建綜合評價體系，遵循全面性、精練性和可操作性的原則選取評價指標，具體的指標及其含義列于表1。

3.1.3基于博弈論的組合賦權(quán)法確定權(quán)重

博弈論主要研究激勵結(jié)構(gòu)間的相互作用，是研究具有競爭性質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學理論和方法。在博弈論中，博弈雙方為尋求利益最大化，需要尋找一致和妥協(xié)?；诓┺恼摰慕M合賦權(quán)法的基本思想，就是在不同的權(quán)重之間尋找一致和妥協(xié)，本文引入了NASH均衡概念作為協(xié)調(diào)的目標，即極小化可能的權(quán)重跟各個基本權(quán)重之間的各自偏差，分析兩種賦權(quán)方法之間相互競爭又協(xié)調(diào)一致的關(guān)系[9，12]。賦權(quán)步驟為：指標歸一化—主客觀賦權(quán)—組合賦權(quán)，賦權(quán)流程如圖1所示。

表1 水資源承載狀態(tài)評價指標體系

圖1 賦權(quán)流程示意Fig.1 Empowerment flow chart

(1) 指標歸一化。所選評價指標因為量綱不同需要進行標準化處理，具體公式如下。

正向指標：

(1)

逆向指標：

(2)

式中：xij和pij分別為j個標準化方案中第i個指標的原始值和標準化值；max(xij)和min(xij)分別為j個待標準化方案中第i個指標的最大值和最小值。

(2) 主客觀賦權(quán)。確定指標權(quán)重的單一賦權(quán)方法主要有2類，即主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。本文主觀賦權(quán)法選用層次分析法，客觀賦權(quán)法選用熵權(quán)法，對承載主體和承載客體分別進行賦權(quán)。層次分析法通過專家打分構(gòu)造決策矩陣，可以把決策規(guī)劃過程中定性分析與定量分析有機地結(jié)合起來[13]，具體步驟見參考文獻[14]。熵權(quán)法是對當前的樣本數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，根據(jù)信息論的基本原理確定指標權(quán)重，權(quán)重僅與當前樣本數(shù)據(jù)相關(guān)，避免了主觀因素帶來的偏差，具體步驟見參考文獻[15]。

(3) 組合賦權(quán)。設基本權(quán)重向量集uk=(uk1，uk2，…，ukn)，線性組合系數(shù)α=(α1，α2，…，αL)，其中n為指標數(shù)量，L為賦權(quán)方法數(shù)量，本文L=2，具體賦權(quán)步驟如下：

一致性檢驗。為了避免不同方法求得的權(quán)重完全相背，組合賦權(quán)前需要先進行一致性檢驗。當L=2時，主、客觀賦權(quán)法的一致性程度適合用Spearman等級相關(guān)系數(shù)或距離函數(shù)來刻畫；當L>2時，可用非參數(shù)Kendall協(xié)和系數(shù)檢驗法來檢驗[9]。

(3)

確定目標函數(shù)，以u與各個uk的離差極小化為目標：

(4)

解優(yōu)化組合系數(shù)αk，根據(jù)矩陣微分性質(zhì)，式(4)最優(yōu)化的一階導數(shù)條件如下：

(5)

將優(yōu)化組合系數(shù)歸一化：

(6)

求組合賦權(quán)：

(7)

3.1.4協(xié)調(diào)發(fā)展度計算

(1) 發(fā)展指數(shù)計算：

(8)

(9)

式中：f(x)，g(y)分別指承載主體發(fā)展指數(shù)、承載客體發(fā)展指數(shù)；pi，pj分別指經(jīng)過歸一化后承載主體和承載客體的指標值；ui，uj分別指承載主體和承載客體指標的權(quán)重；p，q分別指承載主體和承載客體選取的指標數(shù)量。

整機測試流程啟動控制：測試工程師將裝置放在指定位置，管理裝置自動感應裝置是否放穩(wěn)，并將裝置推進測試區(qū)，同時控制裝置電源把座氣閥機構(gòu)，給裝置上電。讓裝置優(yōu)先運行，節(jié)約裝置上電等待時間。

(2) 發(fā)展度計算：

T=af(x)+bg(y)

(10)

式中：T為系統(tǒng)綜合發(fā)展度；a、b均為權(quán)重系數(shù)，一般分別取0.7和0.3。

(3) 協(xié)調(diào)度計算：

(11)

(12)

式中：C表示承載主體和承載客體之間協(xié)調(diào)度；Cfg表示離差系數(shù)，Cfg越小，系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性越高；K為調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取2～5。

(4) 協(xié)調(diào)發(fā)展度計算：

(13)

式中：D為協(xié)調(diào)發(fā)展度，值越大表示協(xié)調(diào)發(fā)展水平越高，表征整個系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性更強。

3.2 障礙因子診斷方法

為了深入探究鹽城市水資源承載狀態(tài)變化的原因，有針對性地改善區(qū)域水資源承載狀態(tài)，有必要對各項指標的障礙作用大小進行評估，以識別出影響水資源承載狀態(tài)的主要障礙因子。本文分別對承載主體和承載客體進行了障礙因子診斷，具體步驟如下。

(1) 歸一化。進行障礙因子分析時，指標歸一化根據(jù)標準進行，其中，指標值達到等級Ⅰ時，指標值為優(yōu)，令值為1；指標值等級為Ⅲ時，指標值為劣，令值為0，具體公式如下。

正向指標：

(14)

逆向指標：

(15)

式中：ki1為第i個指標的Ⅰ-Ⅱ級分界線標準值；ki2為第i個指標的Ⅱ-Ⅲ級分界線標準值。

(2) 計算指標偏離度Sij，即與水資源承載狀態(tài)目標的差距：

Sij=1-pij

(16)

(3) 計算因子貢獻度Ti，即單項指標對總體目標的影響程度：

(17)

(4) 計算障礙度Pij，即對水資源承載狀態(tài)的影響度：

(18)

式中：n為指標體系所選的指標個數(shù)。

4 鹽城市水資源承載狀態(tài)評價

4.1 數(shù)據(jù)來源與指標值的獲取

鹽城市各年份指標值(見表2)和鹽城市水資源承載狀態(tài)評價的指標標準值(見表3)主要通過查閱鹽城市2008～2017年的水資源公報，江蘇省2008～2017年的統(tǒng)計年鑒，江蘇省水利相關(guān)規(guī)劃、環(huán)境保護和生態(tài)建設規(guī)劃、經(jīng)濟和社會發(fā)展綱要等文件，并且參考了平均值后確定的。

表2 鹽城市2008～2017年各年份指標值

表3 鹽城市水資源承載狀態(tài)評價的指標標準

4.2 歸一化值及指標權(quán)重的確定

依據(jù)式(1)和式(2)，將指標值和水資源承載狀態(tài)評價的指標標準值進行了歸一化處理，歸一化結(jié)果列于表4。

表4 指標值及指標標準值歸一化結(jié)果

表5 鹽城市水資源承載狀態(tài)評價的指標權(quán)重

4.3 承載狀態(tài)評價結(jié)果

依據(jù)公式(8)～(13)可以計算協(xié)調(diào)發(fā)展度，將表4中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的指標標準值分別代入公式，得到對應的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級協(xié)調(diào)發(fā)展度，再將其作為水資源承載狀態(tài)好、中、差的評價標準(見表6)；將表4中2008～2017年鹽城市指標值代入公式，經(jīng)分析得到鹽城市水資源承載狀態(tài)評價結(jié)果(見表7)。水資源承載狀態(tài)的變化趨勢可以由協(xié)調(diào)發(fā)展度的變化趨勢表征(見圖2)，各年份水資源承載主體和承載客體的發(fā)展度高低以及兩者的協(xié)調(diào)度高低決定了協(xié)調(diào)發(fā)展度的大小(見圖3)。

表6 鹽城市水資源承載狀態(tài)評價標準

分析表7和圖2可知：2008～2017年鹽城市水資源協(xié)調(diào)發(fā)展度總體呈增大趨勢，水資源承載狀態(tài)呈好轉(zhuǎn)態(tài)勢。因為承載主客體的發(fā)展指數(shù)都在上升，且變化趨勢相近，協(xié)調(diào)度也較好，因此承載狀態(tài)整體好轉(zhuǎn)。其中，承載主體承載狀態(tài)與水資源的數(shù)量和質(zhì)量相關(guān)，水資源數(shù)量受自然因素影響較大，所以年份之間有較大的變化，隨著水質(zhì)不斷提高，承載主體承載狀態(tài)仍呈好轉(zhuǎn)的趨勢；承載客體承載狀態(tài)與社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境相關(guān)，隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展，用水水平、截污限排水平和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷提高，承載客體發(fā)展指數(shù)穩(wěn)步上升，承載狀態(tài)越來越好。

表7 鹽城市水資源承載狀態(tài)評價結(jié)果

圖2 鹽城市水資源承載狀態(tài)變化趨勢Fig.2 Variation trend of water resources carrying status in Yancheng City

注：由評價結(jié)果知，鹽城市2008～2017年水資源承載狀態(tài)暫未達到等級Ⅰ，故選取表4中指標標準的Ⅱ～Ⅲ級分界值來比較發(fā)展度的高低，將其分別帶入公式(8)，(9)，(10)，得到f(x)，g(y)和T的分界值為0.307，0.299和0.305，參照已有成果的協(xié)調(diào)度分級方法，C取0.500作為高低界限。圖3 鹽城市水資源承載狀態(tài)各年份分布示意Fig.3 Annual distribution of water resources carrying status in Yancheng City

具體到各年的變化情況，分述如下：

(1) 鹽城市2009～2013年承載狀態(tài)等級為差。其中，2009年水質(zhì)較差，用水水平和污水處理率也偏低；2010年水質(zhì)有所提升且生態(tài)環(huán)境用水較高，承載狀態(tài)略有好轉(zhuǎn)；2011年水質(zhì)較差同時水環(huán)境用水分配不合理，這3 a的承載主客體發(fā)展協(xié)調(diào)但發(fā)展指數(shù)都較低，處于協(xié)調(diào)但發(fā)展度低的狀態(tài)。2012年和2013年協(xié)調(diào)發(fā)展度大幅下降，鹽城市2012年和2013年屬于枯水年，年降水量分別比多年平均降水量減少14.0%，25.1%，水資源數(shù)量少，而且2012年水功能區(qū)達標率為10 a的最低，水質(zhì)差，導致水資源承載主體發(fā)展指數(shù)低；同時，承載主客體發(fā)展不協(xié)調(diào)，處于不協(xié)調(diào)且發(fā)展度低的狀態(tài)，承載狀態(tài)差。

(2) 鹽城市2008年以及2014～2017年的承載狀態(tài)等級為中。2008年鹽城市城鎮(zhèn)環(huán)境用水量較高，水質(zhì)達標率也較高，因生態(tài)環(huán)境較好協(xié)調(diào)發(fā)展度較高；2014年與前年相比，水量增多且污水集中處理率有較大提升，協(xié)調(diào)發(fā)展度大幅增加；隨著經(jīng)濟社會的進步，用水效率不斷提高，污水處理技術(shù)也不斷進步，2015年和2016年協(xié)調(diào)發(fā)展度遠高于趨勢預測值；2017年承載客體發(fā)展指數(shù)繼續(xù)升高，承載主體匹配不上承載客體發(fā)展速度，使得協(xié)調(diào)度略有下降。這幾年都處于協(xié)調(diào)且發(fā)展度高的狀態(tài)，承載狀態(tài)較好。

5 鹽城市水資源承載狀態(tài)障礙因子分析

根據(jù)上述障礙因子診斷方法，計算鹽城市水資源承載狀態(tài)障礙因子的障礙度，識別出鹽城市水資源承載主體承載狀態(tài)的主要障礙因子為水功能區(qū)水質(zhì)達標率，平均障礙度為72.95%；承載客體的主要障礙因子為建成區(qū)植被覆蓋率、污水集中處理率、人均GDP和生態(tài)用水占比，平均障礙度分別為26.51%，19.21%，17.67%和16.73%，詳細結(jié)果分別列于表8和表9。

表8 2008～2017年鹽城市障礙度計算結(jié)果

分析可知：影響鹽城市水資源承載狀態(tài)的障礙因子主要為水質(zhì)相關(guān)指標，經(jīng)濟社會用水指標的障礙度較小且呈降低趨勢。承載主體承載狀態(tài)的首要障礙因子為水功能區(qū)水質(zhì)達標率(C2)，障礙度呈上升趨勢，隨著社會經(jīng)濟規(guī)模的擴張，總體排污量增大，而截污限排水平未得到較快提升，導致鹽城市河湖污染嚴重。承載客體承載狀態(tài)的首要障礙因子為建成區(qū)植被覆蓋率(C8)，建成區(qū)開發(fā)利用過度，綠化面積不足導致生態(tài)系統(tǒng)退化，影響承載狀態(tài)；其次是污水集中處理率(C5)，鹽城市是農(nóng)業(yè)大市，面源污染嚴重，污水集中處理率較低，但隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，污水處理技術(shù)不斷提升，障礙度呈降低趨勢；人均GDP(C6)和生態(tài)用水占比(C9)的障礙度也較高，其中生態(tài)用水占比的障礙度受水資源配置影響較大，水環(huán)境用水分配合理的年份(2008～2010年)障礙度較低。

表9 鹽城市水資源承載狀態(tài)的主要障礙因子

根據(jù)上述結(jié)果，可為鹽城市水資源管理提出以下建議：

(1) 鹽城市應加強水功能區(qū)管理，嚴格按照水功能區(qū)限制納污紅線控制污水排放，解決河湖水質(zhì)問題；對排污量已超出水功能區(qū)限制排污總量的水體，提出分階段控制措施，確保水功能區(qū)水質(zhì)達到保護目標。

(2) 做好城市綠化工作，選擇適合本地種植的作物，改善生態(tài)環(huán)境，改善承載客體承載狀態(tài)。

(3) 大力推動鹽城市各縣區(qū)城鎮(zhèn)管網(wǎng)及污水處理廠建設，提高生活污水和工業(yè)污水的集中處理率，并加快再生水處理廠建設，提高中水回用率；減少農(nóng)業(yè)面源污染，嚴格控制畜禽養(yǎng)殖水污染排放，發(fā)展清潔養(yǎng)殖，種養(yǎng)結(jié)合。

6 結(jié) 論

(1) 將基于博弈論的組合賦權(quán)法應用到水資源承載狀態(tài)評價中，鹽城市水資源承載狀態(tài)評價結(jié)果顯示：2008～2017年，鹽城市水資源承載狀態(tài)整體呈好轉(zhuǎn)趨勢，評價等級由差發(fā)展為中，2015年協(xié)調(diào)發(fā)展度最高，達到了0.721。其中2012年和2013年因為承載主體承載狀態(tài)差導致協(xié)調(diào)發(fā)展度有大幅下降，分別為0.296和0.311。承載主體因為與水資源的數(shù)量和質(zhì)量相關(guān)，受自然因素影響較大，年份之間有較大變化；承載客體發(fā)展指數(shù)穩(wěn)步上升，說明鹽城市隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展，承載客體承載能力越來越大。

(2) 障礙因子診斷結(jié)果顯示：鹽城市水資源承載主體承載狀態(tài)的主要障礙因子為水功能區(qū)水質(zhì)達標率，平均障礙度為72.95%；承載客體承載狀態(tài)的主要障礙因子為建成區(qū)植被覆蓋率、污水集中處理率、人均GDP和生態(tài)用水占比，平均障礙度分別為26.51%，19.21%，17.67%和16.73%。鹽城市水資源承載狀態(tài)的障礙因子主要為與水質(zhì)相關(guān)的指標，建議鹽城市做好截污限排，多措并舉落實最嚴格水資源管理制度，同時加強對生態(tài)環(huán)境的保護，改善水資源承載狀態(tài)。