基于水足跡理論的區(qū)域水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)

李宗敏，張 琪

(四川大學(xué) 商學(xué)院，四川 成都 610065)

水是生命之源，覆蓋了地球表面的71%。然而，水資源中僅有2.5%是淡水，其中98.8%是冰和地下水，只有不到0.3%的淡水在河流、湖泊和大氣中。水對(duì)所有生物都很重要，如果沒有水，人類幾天內(nèi)就會(huì)死亡。水資源是可能引起爭(zhēng)奪的稀缺性資源之一[1]，是一切社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。工業(yè)化和城市化的迅速發(fā)展給人類社會(huì)帶來了巨大的用水壓力，因此水資源的協(xié)調(diào)是至關(guān)重要的。分配是指按照計(jì)劃進(jìn)行資源配置，其目的是實(shí)現(xiàn)供需平衡。而協(xié)調(diào)則意味著在分配的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以處理因分配不當(dāng)而引起的沖突。水資源協(xié)調(diào)旨在緩解水資源的供需矛盾，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)區(qū)域水資源的協(xié)調(diào)程度進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，可以有效指導(dǎo)水資源的分配，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，降低因水資源引發(fā)沖突的風(fēng)險(xiǎn)。

目前與水資源評(píng)價(jià)有關(guān)的研究主要涉及對(duì)用水效率[2-3]或水資源承載能力[4-5]的評(píng)價(jià)，而關(guān)于水資源協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)研究還很缺乏。此外，已有的研究主要關(guān)注可見水，提供了多種評(píng)價(jià)可見水的方法和可能的水資源分配方法[6-7]。然而，從長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展和區(qū)域水資源協(xié)調(diào)的角度考慮，虛擬水也是非常重要的[8]。虛擬水的概念是由ALLAN[9]提出的，用于指代生產(chǎn)每種農(nóng)業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品所需的淡水量。隨后，HOEKSTRA等[10]提出了水足跡的概念，即一個(gè)國家、一個(gè)地區(qū)或一個(gè)人，在一定時(shí)間內(nèi)消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量，其同時(shí)包括可見水和虛擬水。水資源協(xié)調(diào)應(yīng)該同時(shí)考慮效率、公平和生態(tài)，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的長(zhǎng)期可持續(xù)性發(fā)展，因此評(píng)價(jià)區(qū)域水資源協(xié)調(diào)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮可見水和虛擬水。

在有關(guān)水資源和環(huán)境的決策問題中，多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法得到了廣泛的應(yīng)用[11]，其一個(gè)分支同時(shí)考慮了兩個(gè)層次，即指標(biāo)層和評(píng)價(jià)者層。決策或評(píng)價(jià)信息從底層(詳細(xì)的指標(biāo))到頂層(決策問題或評(píng)價(jià)結(jié)果)逐步整合[12]。多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法已應(yīng)用于可持續(xù)工業(yè)建筑方案的優(yōu)化選擇[13]、電梯安全評(píng)價(jià)[14]等，在決策、評(píng)價(jià)問題中具有良好的應(yīng)用性。因此，筆者采用考慮兩個(gè)層次的多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法，基于水足跡理論進(jìn)行區(qū)域水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)，以期為提高區(qū)域水資源協(xié)調(diào)程度提供指導(dǎo)思路。

1 關(guān)鍵問題描述

1.1 水資源協(xié)調(diào)的重要性

水資源協(xié)調(diào)應(yīng)同時(shí)考慮公平、效率和生態(tài)，才可能實(shí)現(xiàn)區(qū)域的長(zhǎng)期可持續(xù)性發(fā)展。①公平。社會(huì)公平意味著社會(huì)主體可公平地獲取資源[15]。②效率。用水效率與特定地區(qū)的用水行為有關(guān)。通常情況下，由于居民用水效率不高，地區(qū)通過采用節(jié)水技術(shù)或產(chǎn)品等可以帶來可觀的節(jié)水效果。因此，生活用水需求和居民用水行為與是否采用節(jié)水技術(shù)有關(guān)[16]。③生態(tài)。生態(tài)平衡是指人類與周圍的動(dòng)植物和諧共處的能力。隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生態(tài)壓力相應(yīng)增加，如自然資本(即城市內(nèi)部的自然資源)急劇下降、環(huán)境承載力下降等[17]。

水資源協(xié)調(diào)應(yīng)同時(shí)考慮公平、效率和生態(tài)。如果只考慮公平，那么為了使社會(huì)主體獲取相同的水資源，需要將水資源豐沛區(qū)域的水運(yùn)輸?shù)饺彼貐^(qū)，這將帶來過高的時(shí)間成本和資源成本，并對(duì)生態(tài)環(huán)境造成沉重負(fù)擔(dān)。如果只考慮用水效率，將更多的水資源用于工業(yè)、制造業(yè)等以提高經(jīng)濟(jì)效益，那么群眾，特別是農(nóng)民會(huì)因?yàn)槲词艿焦綄?duì)待而引發(fā)沖突。此外，過度利用水資源將導(dǎo)致生態(tài)受到破壞。如果只考慮保護(hù)生態(tài)環(huán)境，那么水壩修建或管道鋪設(shè)將受到限制，而這種過度保護(hù)會(huì)阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展，導(dǎo)致資源利用效率低下，且水資源分配不公平的困境難以解決。

1.2 水資源協(xié)調(diào)中虛擬水的考慮

可見水是司空見慣的，而虛擬水是指生產(chǎn)農(nóng)業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品過程中所需要的水。由于這些產(chǎn)品可在不同地區(qū)甚至世界范圍內(nèi)交易，可以認(rèn)為這些產(chǎn)品中包含的虛擬水也進(jìn)行了交易。HOEKSTRA等提出了水足跡的概念，指出了“消費(fèi)品或消費(fèi)模式”與“水的使用和污染”之間的聯(lián)系?？梢娝吞摂M水之間的關(guān)系如圖1所示?？梢娝ù髿馑⒌乇硭?、土壤水和地下水，并且具有周期性變化。人類社會(huì)利用降雨和轉(zhuǎn)移水來創(chuàng)造可循環(huán)的供水和用水關(guān)系。在此過程中，水資源被用于制造不同的商品。虛擬水的循環(huán)過程與產(chǎn)品的貿(mào)易、消費(fèi)有關(guān)，因此類似于可見水，虛擬水也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)移和輸出。

圖1 可見水與虛擬水關(guān)系圖

2 水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)方法

2.1 水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)方法框架

假設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)者，即Vi(i=1,2,…,n)；p個(gè)指標(biāo)，即Ck(k=1,2,…,p)。筆者考慮了兩個(gè)層次，即評(píng)價(jià)者層次和指標(biāo)層次，通過最小化評(píng)價(jià)者群體的分歧度和猶豫模糊度的模型，確定評(píng)價(jià)者及指標(biāo)的權(quán)重。在搜集所有指標(biāo)的數(shù)據(jù)后，采用TOPSIS方法集結(jié)出最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2 水資源協(xié)調(diào)指標(biāo)選取

水資源協(xié)調(diào)關(guān)于公平、效率和生態(tài)3個(gè)方面指標(biāo)的選取應(yīng)遵循以下原則[18]：①代表性原則，即指標(biāo)應(yīng)代表區(qū)域水資源的協(xié)調(diào)情況。②完整性原則，即指標(biāo)應(yīng)反映區(qū)域水資源在公平、效率和生態(tài)方面的狀態(tài)。③可量化原則，為計(jì)算方便，建議選擇可量化的指標(biāo)。④可比較原則，為保證不同評(píng)價(jià)區(qū)域的評(píng)價(jià)結(jié)果具有可比較性，指標(biāo)的概念和計(jì)算方法應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。⑤易操作原則，指標(biāo)體系應(yīng)全面考慮數(shù)據(jù)源的可獲得性。

根據(jù)以上原則和水資源協(xié)調(diào)的定義，結(jié)合以往的評(píng)價(jià)研究，選取了公平、效率和生態(tài)3方面的指標(biāo)。

2.2.1 公平性指標(biāo)

區(qū)域消耗的水足跡(WF)可采取自下而上法計(jì)算：

WF=WU+∑Pt×VWFt

(1)

式中：WU為可見水用量，包括工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生活用水；Pt為產(chǎn)品t的消費(fèi)量；VWFt為單位產(chǎn)品中虛擬水的含量。主要農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量如表1[19]所示。

表1 主要農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量 m3/kg

(1)水資源支持能力(C11)。水資源對(duì)人類活動(dòng)的支持能力(人/10 000 m3)的定義如式(2)所示，其中RP為區(qū)域內(nèi)的人口。

(2)

(2)水資源協(xié)調(diào)基尼系數(shù)(C12)?；嵯禂?shù)是由意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家基尼于1912年在勞倫茨曲線基礎(chǔ)上提出的、用于判斷收入分配公平程度的經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)。結(jié)合基尼系數(shù)的內(nèi)涵，筆者引入水資源協(xié)調(diào)基尼系數(shù)。為便于計(jì)算，采用梯形面積計(jì)算方法，其計(jì)算公式為[20]：

(3)

式中：xj為第j個(gè)子區(qū)域的水資源量(或水資源使用量)累計(jì)百分比；yj為GDP的累計(jì)百分比，當(dāng)j=1時(shí)，(xj-1,yj-1)視為原點(diǎn)(0,0)。水資源協(xié)調(diào)基尼系數(shù)C12的警戒線為0.4，當(dāng)C12小于0.2時(shí)，說明水的協(xié)調(diào)性是高度或絕對(duì)相等的；當(dāng)C12在0.2～0.3之間時(shí)，意味著相對(duì)協(xié)調(diào)；當(dāng)C12在0.3～0.4之間時(shí)，表示協(xié)調(diào)；當(dāng)C12在0.4～0.5之間時(shí)，表示不協(xié)調(diào)；當(dāng)C12高于0.5時(shí)，表示高度不協(xié)調(diào)。

2.2.2 效率性指標(biāo)

(1)缺水程度(C21)[21]時(shí)。一個(gè)區(qū)域的缺水程度等于水足跡(WF)與區(qū)域可用天然水資源(WA)之間的比率。

(4)

若C21>100%，則該地區(qū)的水資源消耗大于水資源承載能力；若C21=100%，則該地區(qū)的水資源消耗等于可用水資源量，處于水資源承載能力的臨界點(diǎn)；若0

(2)萬元GDP水足跡量(C22)。萬元GPD水足跡量描述了用于生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)利潤的用水效率。

C22=WF/a

(5)

其中，a為一個(gè)地區(qū)的GDP。若C22值較大，則表示區(qū)域GDP發(fā)展嚴(yán)重依賴可見水和虛擬水；若C22值較小，則表示該區(qū)域正在有效利用其可用水資源。

(3)水資源利用率(C23)的表達(dá)式如式(6)所示，其中m1，m2分別為一個(gè)區(qū)域的生活用水和生產(chǎn)用水。

(6)

2.2.3 生態(tài)性指標(biāo)

(1)人均COD排放量(C31)?；瘜W(xué)需氧量(COD)是廢水排放污染物的主要復(fù)合指標(biāo),可以選擇COD來計(jì)算灰水足跡。人均COD排放量(C31)為個(gè)人污染物的平均排放量。

(7)

其中，TCOD為區(qū)域總的COD排放量。

(2)灰水足跡承載力系數(shù)(C32)。已知灰水足跡WFgray的計(jì)算公式為：

(8)

式中：PL為污染物負(fù)荷量；Cmax為污染物的最大可接受濃度；Cnat為接收水體中的自然濃度。

由于WFgray只反映吸收污染所需的淡水量，因此使用灰水足跡承載力系數(shù)(C32)可以更好地說明水污染壓力，C32值越大，表示水污染壓力越大。

(9)

其中，Tws為區(qū)域中水資源的供應(yīng)總量[22]。

(3)生態(tài)用水率(C33)。為了評(píng)價(jià)區(qū)域水資源對(duì)生態(tài)用水的支持程度，定義生態(tài)用水率為：

C33=m3/WF

(10)

其中，m3為區(qū)域的生態(tài)用水量。

2.3 權(quán)重的確定

2.3.1 猶豫模糊語言集描述

評(píng)價(jià)者是具有水資源分配和評(píng)估經(jīng)驗(yàn)的水資源管理專家，分別就水資源協(xié)調(diào)性指標(biāo)的重要性做出判斷。不同的專家有不同的認(rèn)知風(fēng)格和經(jīng)驗(yàn)，這會(huì)影響他們對(duì)不同指標(biāo)重要性的理解[23]。例如，在評(píng)價(jià)相同的指標(biāo)時(shí)，他們可能使用不同的術(shù)語。當(dāng)評(píng)價(jià)者很有把握時(shí)，則傾向于給出一個(gè)肯定的答案，例如“水資源支持能力是最重要的”；但當(dāng)評(píng)價(jià)者不夠確定時(shí)，則可能會(huì)給出一個(gè)“閉區(qū)間值”，例如“水資源協(xié)調(diào)基尼系數(shù)的重要程度在重要和非常重要之間”。有的評(píng)價(jià)者也可能會(huì)給出一個(gè)“開區(qū)間值”，例如“水資源短缺程度在重要及以上”，有的評(píng)價(jià)者則可能給出更復(fù)雜的回答,例如“水資源利用率的重要性介于重要和極其重要之間，但很可能是非常重要”。當(dāng)不熟悉某些指標(biāo)時(shí)，專家很難給出自己的評(píng)價(jià)，讓他一定要做出判斷是不必要的。因此，筆者采用猶豫模糊語言集[24]來描述專家對(duì)指標(biāo)重要性的評(píng)價(jià)，這種描述方法可以更加靈活地表示語言信息、且不丟失語言信息。

圖2 猶豫模糊語言集示例

2.3.2 專家權(quán)重的確定

專家權(quán)重的確定很復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)是很難說明的。已有研究往往賦予評(píng)價(jià)者相同的權(quán)重。然而，高群體共識(shí)度和低猶豫模糊程度對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和有效性至關(guān)重要。因此，筆者提出了一種優(yōu)化模型，同時(shí)最大化群體共識(shí)度、最小化猶豫模糊程度，從而確定評(píng)價(jià)者的權(quán)重。

首先，專家對(duì)水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性做出判斷。用猶豫模糊語言集描述專家的判斷，然后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的猶豫模糊數(shù)hik(并延長(zhǎng)至相同的長(zhǎng)度L)。

i=1,2,…,n,k=1,2,…,p}

(11)

對(duì)于指標(biāo)Ck的重要性，hik和hi′k之間的歐式距離，即專家i和專家i′之間分歧程度可表示為：

(12)

(13)

其次，為了獲得具有較高確定性的評(píng)價(jià)結(jié)果，筆者對(duì)專家評(píng)價(jià)的猶豫模糊程度進(jìn)行了測(cè)量。定義猶豫模糊數(shù)hik的平均值為[26]：

(14)

則hik的猶豫模糊程度為：

(15)

φhik和φhi′k之間的歐式距離，即專家i和專家i′之間的猶豫模糊程度之差可以表示為：

(16)

(17)

為了實(shí)現(xiàn)最大化群體共識(shí)度的同時(shí)能最小化群體的猶豫模糊度，應(yīng)確保加權(quán)后的猶豫模糊數(shù)之間的分歧度最小且猶豫模糊程度的總和也最小?；谏鲜龇治觯u(píng)價(jià)結(jié)果與猶豫模糊程度之間差異最小化的優(yōu)化模型為：

(18)

2.3.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)的重要性也可以從專家給出的猶豫模糊評(píng)價(jià)中確定。已知專家對(duì)指標(biāo)重要性的評(píng)價(jià)為hik，筆者采用加權(quán)平均算法來確定指標(biāo)權(quán)重。

(1)將各專家給出的猶豫模糊評(píng)價(jià)值延長(zhǎng)至相同的長(zhǎng)度。

i=1,2,…,n,k=1,2,…,p}

i=1,2,…,n,k=1,2,…,p}

(19)

(20)

(21)

(4)與直覺模糊數(shù)的加權(quán)平均運(yùn)算過程類似，采用式(22)計(jì)算第k個(gè)指標(biāo)的權(quán)重：

(22)

2.3.4 基于TOPSIS的集結(jié)方法

在多準(zhǔn)則決策問題中，TOPSIS可根據(jù)有限個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與積極理想化目標(biāo)(PIS)、消極理想化目標(biāo)(NIS)的接近程度進(jìn)行排序[28]。

(1)令xjk為第j(j=1,2,…,m)個(gè)區(qū)域的第k個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。為消除各指標(biāo)間不同量綱的影響，按照式(23)對(duì)xjk進(jìn)行歸一化處理：

(23)

(3)構(gòu)造加權(quán)的區(qū)域水資源評(píng)價(jià)矩陣V。

(24)

(4)水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最優(yōu)值和最劣值分別為A+和A-，則：

(25)

(26)

(5)計(jì)算每個(gè)待評(píng)價(jià)區(qū)域與A+之間的歐式距離：

類似地，計(jì)算每個(gè)待評(píng)價(jià)區(qū)域與A-之間的歐式距離：

(6)計(jì)算待評(píng)價(jià)區(qū)域與最優(yōu)值A(chǔ)+的相對(duì)貼近度：

(29)

3 算例驗(yàn)證

以我國某區(qū)域作為算例，驗(yàn)證筆者所提出方法的有效性。專家對(duì)水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性評(píng)價(jià)如表2所示，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的猶豫模糊數(shù)。

表2 專家對(duì)水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性評(píng)價(jià)

指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重wC={0.120 9，0.120 6，0.136 0，0.110 0，0.129 0，0.136 0，0.145 0,0.102 4}。

通過對(duì)公開資料的整理和計(jì)算，獲得我國某區(qū)域水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)數(shù)值分別為：C11=22，C12=0.305 9，C21=2.830 4，C22=42，C23=71.39%，C31=0.004 0，C32=908，C33=11.19%。經(jīng)TOPSIS方法集結(jié)后，得到最終的水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)為0.452 4，由此可見，該區(qū)域的水資源協(xié)調(diào)程度為相對(duì)協(xié)調(diào)。

作為我國一線城市之一，算例區(qū)域擁有先進(jìn)的技術(shù)，水資源利用效率高(71.39%)且重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)。人均COD排放量很低，但因其人口密度高、廢水排放總量較大，灰水足跡承載力系數(shù)較高。該區(qū)域水資源協(xié)調(diào)基尼系數(shù)約為0.31，各行業(yè)用水協(xié)調(diào)程度很好。水資源支持能力為22人/10 000 m3，缺水程度高達(dá)283.04%，處于極度缺水狀態(tài)。該區(qū)域應(yīng)重視減少污水排放量，強(qiáng)化水資源循環(huán)利用，通過引入實(shí)體水(如區(qū)域調(diào)水工程)和虛擬水(如引進(jìn)虛擬水含量高的產(chǎn)品)，有助于緩解區(qū)域缺水壓力。

4 結(jié)論

人們普遍認(rèn)同的評(píng)價(jià)體系直接確定了各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，而面對(duì)較為新穎的評(píng)價(jià)問題，各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的確定容易產(chǎn)生分歧，且評(píng)價(jià)者自己也難以下定論。通過運(yùn)用猶豫模糊語言集，提高了評(píng)價(jià)者的語義靈活性，對(duì)水資源協(xié)調(diào)指標(biāo)的重要性進(jìn)行了判斷。通過最小化評(píng)價(jià)者的分歧度和猶豫模糊度的模型，分別確定了評(píng)價(jià)者的權(quán)重、指標(biāo)的權(quán)重。筆者的主要貢獻(xiàn)是考慮與水足跡有關(guān)的協(xié)調(diào)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，以評(píng)價(jià)區(qū)域水資源的協(xié)調(diào)程度。以我國某區(qū)域作為算例，驗(yàn)證所提出方法的有效性。該方法不僅適用于區(qū)域水資源協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)，還可應(yīng)用于其他具有猶豫模糊語言評(píng)價(jià)的多準(zhǔn)則決策問題中。在以后的工作中，考慮將提出的方法應(yīng)用于區(qū)域水資源協(xié)調(diào)程度預(yù)測(cè)中，即基于區(qū)域已有的數(shù)據(jù)，分別在“該區(qū)域不調(diào)整現(xiàn)有水資源規(guī)劃”和“該區(qū)域調(diào)整水資源規(guī)劃”兩種情景下，預(yù)測(cè)區(qū)域水資源協(xié)調(diào)程度的變化趨勢(shì)。