水资源配置方案评价研究进展

李德良， 姜 宁

（黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 前言

我国水资源在时空上分配不均， 长期面临着洪涝与干旱频发、水质遭受污染、可被利用的水资源短缺等水资源问题， 随着人口增长和经济社会发展，水资源问题愈发严峻。 水资源问题带来的影响也是多方面的，将会恶化生态环境，制约社会经济的发展， 威胁世界粮食安全以及影响人民生活的幸福感。 水资源配置是实现水资源在不同区域和用水户之间合理公平分配， 从而达到水资源可持续利用的重要手段[1]。 水资源配置能够协调水资源的保护与开发、局部与整体、水资源用户之间的关系， 促进水资源在生态环境与社会经济可持续发展， 水资源的合理性配置还能够有效地缓解日愈严重的水资源问题。

水资源配置是指在流域或特定区域范围内，以水资源安全和可持续利用为目标，遵循公平、高效和环境完整性原则， 通过各种工程与非工程措施对多种可利用水资源在各区域和用水部门之间进行合理分配[2]。 从水资源配置概念中可看出，水资源配置是一个多目标决策问题， 既要综合考虑水资源在各种用途、 用水行业里的水量和水质合理配置，也要兼顾水资源在时间、空间上的分配，在水资源的供给，经济、社会、生态各方面达到平衡。 从而实现水资源在流域或者特定区域范围内的综合效益得到最大化，实现水资源可持续利用。

水资源优化配置方案在 “华北地区水资源开发利用的优化配置”研究中被应用[3]。 在“黄河流域水资源合理分配和优化调度” 中亦发挥了重要作用， 有效地解决了黄河流域水量在空间上的调度问题[4]。 在“西北地区水资源合理开发利用及生态环境保护研究”工作中，加入了“生态需水量”计算，生态环境因素更加受到重视[5]，在解决水资源相对匮乏的西北地区水资源开发问题的同时，还兼顾了生态建设任务。 随着水资源配置研究的不断深入，还加入了动态水循环、水质水量联合配置和调控等方面的内容， 并进一步发展优化配置理论，改进配置模型，以寻求更加优化的水资源配置方法。

1 水资源配置方案评价

1.1 水资源配置方案评价的内涵

水资源配置方案评价是一个多层次、 多目标的群决策过程， 是系统综合评价法在解决水资源问题中的一项综合性运用。 水资源配置根本目的是为水资源综合规划服务， 所以水资源配置方案评价是站在水资源合理利用的角度， 运用综合评价的方法，从多视角综合考虑，对水资源配置方案进行评价，要求在社会、经济、生态、效率以及资源等方面做到全面兼顾，平衡稳定[6]。

水资源配置方案评价经过多年的研究发展，基本形成了一套评价流程，基本步骤为：确定评价目标——建立评价指标体系——评价指标规范化处理——计算指标权重——应用评价模型——得出并分析评价结果。

1.2 水资源配置评价的意义

一方面， 水资源优化配置涉及到 “资源——人——生态环境——社会经济” 这一复杂系统的众多子系统以及不同维度的平衡问题。 在构建优化模型时，需要考虑实际条件的影响，理论和方法会做出不同程度的调整和简化。 同时，还存在许多不确定因素无法直接体现在一个独立的模型上。通过对水资源配置方案进行评价， 可以评估配置方案的合理程度， 决定是否需要对该方案其进行调整，起到反馈作用。 另一方面，同一个水资源配置工作， 运用不同模型和方法得到的水资源配置方案定必然存在一定的差异，其结果各有侧重，达到的效果通常是局部最优。 通过对多个水资源配置方案进行综合评价， 最终依据评价结果得出最契合研究目标和决策者要求的水资源配置方案。

2 国外水资源配置方案评价研究情况

国外水资源合理配置的研究进行得比较早，水资源配置方案评价研究在美国、 澳大利亚等水市场较为成熟的国家发展较快， 且得到了较好的应用。 1999 年，Michelle 等[7]运用决策支持系统（DSS） 构建评估框架对泰国北部湄南小流域进行水量分配评价研究， 结果表明有较大运用潜力。2003 年，A.J.Jakeman 等[8]尝试运用综合评估（IA）模型， 对澳大利亚纳莫依河流域水资源配置合理性进行了探讨，并分析了其评价的过程。 2006 年，B.F.W.Croke 等[9]基于A.J.Jakeman 的研究结论，开发了一种分布式流量模型， 用于支撑评价流域的水量分配合理性。2010 年，Jeniffer 等[10]采用水评价和规划（WEAP）模型，基于目标流域的用水平衡情景对水资源开发进行评价， 目的是保证流域内各用水部门需水量与水资源量相匹配。2011 年，Biju George 等[11]提出了一种水资源规划综合管理和经济政策相结合的评价模型， 用于评估水资源配置方案。2017 年，Alexander Kaune 等[12]建立了一系列指标体系， 用于评估灌区的水文信息和水量分配决策。 总体来说，水资源配置方案评价在国外的研究由已经相对系统， 在水资源丰富和匮乏的国家都有着较为广泛的实际运用。

3 国内水资源配置方案评价研究进展

3.1 评价指标体系的建立

为有效地建立评价指标体系，使评价结果更加客观合理，评价指标体系的构建应当遵循“系统性、一致性、独立性、可测性、科学性、可比性”原则[13]。 从结构上分，指标体系一般分为：目标层（O）、准则层（G）、指标层（C）。综合评价指标体系的构建步骤大致为：根据评价目标和影响因素，初步构建评价指标——梳理各影响因素的相互关系；遴选评价指标——评价指标标准化。

耿雷华[14]表示，水资源配置方案综合评价指标体系应充分考虑研究区域的实际条件， 力求充分地反映水资源配置的的内涵和任务， 服务于可持续性发展。 2006 年，王济干等[15]针对水资源配置问题，采用了系统分析的方法，从水资源配置的和谐度角度出发， 构建了一套衡量水资源配置和谐度的指标体系。 这套评价指标体系在某区域的实际运用证明可行。 同年，曾国熙等[16]在对黑河流域进行水资源配置合理性评价时， 运用可持续性发展理论和水资源二元承载力理论相结合。 将指标层分为评价因子和评价指标两部分， 从多维度视角建立了符合流域实际情况的流域水资源配置评价指标体系。 2011 年，李洋等[17]基于某重点工程建立了一套水资源配置评价指标体系， 并提出了一种指标量化方法。 2017 年，张兵堂等[18]以“方案——实施——效果——可持续性” 的模式建立指标体系，并提出在建立评价指标体系之后，还需进行指标效度检验， 以保证指标体系的合理性。 采用了Alpha 系数对指标体系的可靠性和准确性进行了校验。 2018 年，宋秋波等[19]结合我国近些年实施的水资源管理政策， 建立了一个可供各地参考选用的水量配置方案组织实施评价指标库， 根据其必要性分为必用类和可用类两大类型指标， 并提出了指标在遴选时能够作为参考的比照方法。

总体上来说， 我国水资源配置方案的评价指标体系应遵循的原则基本已经定性， 构建步骤和体系结构也已经明确， 各流域或区域可根据实际情况自行构建符合客观条件和需求的指标体系。有学者正尝试将评价指标体系做成一个完整系统供各地区直接选用， 以提高工作效率并做到规范和统一，这不失为一个值得研究与展望的课题。

3.2 指标权重的计算

权重是指每项指标对总目标实现的贡献程度，是综合评价中的重要信息，反映的是各指标在评价对象中价值地位的系数[13]。在系统综合评价技术中，权重的确定方法可以分为主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法。 其中，主观赋权法主要依赖于专家的知识和决策者的个人经验与偏好， 具有较大主观臆断性和不确定性， 代表方法有专家咨询法、最小平方法、特征向量法、层次分析法（AHP）等。 客观赋权法是以实际数据，根据特定的数学模型计算权重，使系数具有绝对的客观性，主要有熵值法、理想点逼近法等。 组合赋权法是结合主观赋权法与客观赋权法的权重， 根据具体情况确定各自比例得出综合评价权重系数得到一种方法。

3.2.1 主观赋权法

主观赋权法的研究比较成熟， 在水资源配置方案评价中运用较多，其中适用性最好、运用最广泛的是层次分析法。 2005 年，舒卫萍等[20]在对12个灌区运行状态进行综合评价时， 建立与灌区管理相关的指标体系， 使用层次分析法对指标进行权重计算，进而得出综合评价值，对灌区的管理状态进行了较为准确的评价。 2010 年，游进军等[21]考虑到层次分析法中，运用1—9 标度法构建判断矩阵容易出现信息损失，针对这一问题，对层次分析法进行了改进。 由改用底层方案数据进行判断矩阵构造，直接得出满足一致性的判断矩阵，保证了权重信息的传递性。 2017 年，张成凤等[22]在评价某区域优化后的水资源配置的和谐程度时， 运用层次分析法与区间数相结合的方法对确定指标体系的权重系数， 并根据改进的评价模型对配置方案进行了评价，结果表示水资源配置方案优化后，较之前方案和谐度明显提升。

3.2.2 客观赋权法

客观赋权法优点在于可以将定性分析和定量分析相结合，降低主观臆断影响。 其中，熵值法运用较广。 2015 年，费良军等[23]考虑到普通熵值法有时候会出现计算公式没有意义的情况， 对熵值法进行了改进。 对评价指标极值法进行处理后的值加上一个系数，保证了特征比重不出现无效值，使得熵值法的运用更加广泛。 之后，孙国营等[24]运用改进的熵权法确定指标权重， 对某市的水资源配置方案进行评价，印证了此法的可行性和有效性。2017 年，郭磊等[25]采用了熵值法来计算指标权重，有效降低了评价指标主观性带来的负面影响，充分挖掘了数据中隐含的客观信息。

3.2.3 综合赋权法

综合赋权法由于能综合主观赋权和客观赋权的优点， 在一定程度上既能体现决策者的主观偏好， 又能保证权重的客观性不会降低太多。 2015年，巍光辉等[23]将层次分析法与熵值法相结合，通过控制主客观权重向量的占比系数， 利用公式计算出综合权重。 最终得到的评价结果经验证，表现得准确合理。 2004 年，罗朝晖等[27]在对区域水资源开发利用程度评价时， 运用层次分析法计算主观权重，变异系数法得到客观权重，再将这两个权重进行求和计算得到组合权重。 2018 年，肖婷婷等[28]采用和前者一样的计算方法确定主、客观权重，但是对组合权重计算公式进行了改进， 得到了更优的组合权重。 在此基础上对辽宁省的水资源配置方案进行了评价，为辽宁省的资源、环境等评价工作提供一定的有效参考。2020 年，在陕西省引汉济渭工程的水资源配置评价过程中，郭娇等[29]也运用此法进行权重组合， 在一定程度上平衡了权重结果的主观性和客观性。

综合国内学者对指标权重计算方法的选择可以看出， 主观赋权法中的层次分析法和客观赋权法中的熵值法运用较为广泛。 但是，这些方法都仍存在各自的缺点。 为了克服这些缺点，对单一的赋权法进行改进的研究较多。 组合赋权法理论上能一定程度地融合主、客观赋权法的优点，但是组合赋权法计算权重尚不完善，主要表现在：第一，运用主观赋权法和客观赋权法计算得到的权重本身就具有一定的不确定性， 还未有准确的理论依据为主观权重和客观权重各自的比重的确定作为参考。 第二，主、客观权重的搭配方法也还不够成熟，选取不同的主观赋权法和不同的客观赋权法相组合，都会对最终的评价结果产生不一样的影响。 第三，目前使用的组合权重计算方法过于简单，计算公式主要是基于累加法或乘积法。 在权重的融合过程中， 如何缩小组合权重与各权重之间的偏差还是一个正在探讨的课题。

3.3 综合评价方法

3.3.1 模糊综合评价法

模糊综合评价法是基于模糊数学理论， 对本身就具有模糊性的事件， 将其中不易划定优劣界限、无法精确量化的因素定量，从而进行综合评价的一种方法。 水资源配置方案的合理性就是一个典型的模糊问题。

传统单因素综合评价的基本步骤是在对各类指标的评价等级进行划分后,通过隶属函数确定被评价事物对各等级子集的隶属度， 进而得到模糊关系矩阵。 再将模糊关系矩阵与模糊权向量组合得到模糊综合评价结果向量，进而对其进行分析，最终得到综合评价结果。 多级模糊评价就是将指标从不同维度进行分类成多个子集， 对各个子集进行单因素综合评价， 再将得到的评价结果进行更高一级的评价，得到最终模糊评价结果。 模糊综合评价的核心点是建立隶属函数并计算隶属度。定量指标一般由数值表现结果， 其隶属度函数建立比较直接，方便计算。 定性指标的隶属度主要采用的方法为等级比重法。 由于等级比重法是以模糊统计实验为依据， 需要有充足的实验次数才能保证等级比重贴近隶属度。 所以此模型适用于评价体系中定量指标居多的评价工作。

2018 年，娄思静等[30]在对抚州市水资源配置效果进行评价时， 采用单层模糊评价模型计算各方案的隶属度，选定最好的方案。 模糊评价模型好坏的关键在于隶属函数的选取， 但是隶属函数的建立具有一定的“主观性”，需要长期修正。 并且函数组合的差异也会影响评价结果。陈守煜[31]针对这些问题引入了相对隶属函数， 通过计算相对隶属度来解决这一系列问题， 并运用在西北某地的水资源利用评价工作中， 其结果显示优于传统的模糊评价法。 2009 年，张冰等[32]在对河南省水资源配置方案优选工作中，建立“多层次模糊优选模型”。其中也采用了计算相对隶属度， 通过计算指标相对差异度，进而得出各方案的综合隶属度。 隶属度的最优值越大，方案就越接近评价目标，最终优选得出的最合理水资源配置方案， 适用于河南省实际状况。 2018 年，丁零等[33]在对广东省水权交易试点的水权分配方案进行合理性等级评判时， 采用了多层次模糊可变模型， 对各个指标从不同维度进行多层次的相对隶属度计算。

3.3.2 多属性综合评价法

结合水资源配置评价的内涵， 水资源配置方案评价的任务之一就是从社会、经济、生态、效率以及资源等方面综合考虑， 在备选的方案中选出最优、 平衡性最好的水资源配置方案用于实际工程中。 多属性综合评价法是对若干个备选方案中进行多维度综合评价， 根据评价结果分出方案的优劣，从中选出最佳方案的一种评价方法。

目前， 多属性综合评价方法中运用较广泛的为“理想点法（TOPSIS 法）”和“ELECTRE 法”。 其中， 二者在水资源配置方案评价中运用最多的是TOPSIS 法， 其优势在于将抽象的评价转化成直观的理想距离计算， 对指标体系中的信息挖掘比较全面，运用性较好。TOPSIS 法主要通过构造多属性决策问题的正理想解和负理想解， 计算各方案与正理想解和负理想解的距离， 以靠近正理想解和远离负理想解两个基准作为评价依据来确定方案的排序[34]。

2007 年，索晓波等[35]采用TOPSIS 法对辽西沿海诸河流多段流域进行水资源评价分类， 评价结果显示与预计得到的结果相同， 这证明了TOPSIS法可用于水资源配置方案评价工作。 传统的TOPSIS 在诸多方面存在着问题， 不同领域的学者都对传统的TOPSIS 法进行了相应地改进。 在水资源配置方案评价工作中，有学者也将TOPSIS 法根据实际需求做出了改进。 2017 年，郭磊等[25]指出：运用传统的TOPSIS 法对水资源配置方案进行价评，评价结果准确性仍有所欠缺，于是将其中的评价值公式进行了改进。孙国营等[24]在对TOPSIS 进行改进的同时， 还对灰色系统理论进行了一定的改进，并将二者结合在一起，最终求得各方案的相对贴近度，以相对贴近度越大的方案为越优，评价结果与原始评价结果相比更优。 2018 年，肖婷婷等[28]针对TOPSIS 法的最优解不仅可贴近负理想解，而且也能贴近于正理想解这一问题，利用垂直距离理论对TOPSIS 法进行了改进。 在计算欧氏距离时，采用正交投影法，评价指标贴近理想与负理想解的排序结果不同使得方案的优选更加准确。

3.3.3 集对分析法

集对分析法以全局的视角将确定的和不确定的因素都作为一个系统，整体考虑。 关键步骤是确定相互关联的集合之间的联系度。 在水文水资源研究领域， 集对分析法在水资源承载力评价和安全评估等工作中运用较多。 其中，水资源配置方案评价工作中，由于每个方案的构建方法不一样，有不同维度的侧重。 所以，对多个备选方案进行综合评价和排序也是一个系统分析问题， 可以运用集对分析方法进行研究。 2016 年，吴征等[36]认为集对分析法不仅能有效解决综合评价中的不确定性问题，而且对指标中的信息利用较全面和具体，计算的操作性也较好。 于是提出将此评价方法引入水资源配置方案评价工作中， 并在实际案例中加以证实，评价结果经分析，表示准确可行。 目前集对分析法在水资源配置方案评价的研究与应用尚未成系统，存在着较大的探索和运用的空间。

3.3.4 灰色系统理论评价法

灰色关联度分析是一种多因素统计分析方法， 它以各因素的样本数据为依据用灰色关联度来描述因素间关系的强弱、大小和次序[13]。 基本思路是将被评价样本的指标构造进行无量纲化处理，构造数据矩阵。 同时构造理想样本，计算二者的灰色关联度。 根据关联度越大，被评样本就越接近理想样本，即为更优样本的原则，将各个被评价样本进行优劣排序，最终选出最好的样本。 其优点是对数据要求较低且计算量小。

灰色关联度的运用， 还有学者将其与TOPSIS法相结合， 共同对水资源配置方案进行评价。 例如，张阳等[37]在对天津市水资源配置方案优选工作中，应用了TOPSIS-灰色关联度分析的方法分别计算各方案与正、负理想解的欧式距离后，还通过计算各方案与正理想解、 负理想解的灰色关联度对欧式距离距离进行规范化处理， 最终得出各方案的相对贴近度， 实现了在更加充分地利用指标中的信息的同时，降低各因素之间的不确定性。

4 总结与研究期望

1）水资源合理配置是解决水资源问题，实现水资源可持续利用的有效手段。 对水资源配置方案进行综合评价， 是水资源实现合理配置的有力保证。 水资源配置方案评价的理论与方法都有较广泛研究，并在实际中应用。 已形成一套成熟的评价流程， 科学地运用了综合评价系统的理论体系和评价方法。

2） 评价指标体系的构建方法已经较为成熟，今后的研究可根据各研究区域的实际情况进行构建。 针对特定流域或区域建立评价指标体系库有较强的实用性， 但目前对该方向的研究工作开展不多。 当需要对该流域或区域的某个水资源区开展评价工作时 （包括但不限于水资源配置方案评价），从指标库中选取所需指标，建立相应评价指标体系。 这将提高工作效率，也能使同流域或区域的指标体系建立趋于统一。

3）指标权重计算方面，众多学者对传统的主、客观赋权计算方法进行了改进。 但综合赋权法的运用在近些年才得到重视， 还存在较多的不确定性，有较大的改进空间。 综合评价方法选用方面，考虑到传统评价方法各有优劣， 对传统评价方法的改进和评价方法组合运用仍是今后的研究趋势。

4）水资源配置方案评价的研究经验，可供水资源其他评价性工作开展不足的研究领域进行参考借鉴。 例如：在农业水价综合改革的背景下，各用水行业水权分配、 灌区水权分配的合理性亟需评价；水权交易市场下，也需要对已有的水量分配方案进行综合性评价，可为水权交易提供参考。 □