白洋淀流域水环境承载力多属性决策方法优选和方案评价研究

水环境承载力可定义为一定区域、一定时期、一定技术水平条件和环境状态下，以可持续发展为原则，以维持水环境系统结构特征和功能正常发挥为前提，水环境系统对该区域经济发展的支持能力，是衡量人水关系协调程度和区域可持续发展水平的重要标尺。 水环境承载力评价问题涉及的影响因素众多，如水环境质量标准、水环境容量、水环境自净能力、流域水资源量、社会生产力水平、科学技术水平、人类生活水平、政策法规和规划等 ，各因素相互影响、相互制约，且其对水环境承载力的影响程度也不尽相同，并且受到数据的稀缺和主观判断的影响，这些因素及其相互作用具有许多不确定性特征。除此以外，为了实现区域水环境保护目标和可持续发展，人们需要基于对水环境的相关认识，在实现水资源开发利用、社会经济与水生态环境保护协调发展、达到水环境质量标准要求、并促进水环境良性发展的前提下，面向尚未发生的时间，考虑不同情况对行动准则与手段进行探索、判断与抉择，从而寻求某种最佳（满意）的水环境承载力保护准则和决策方案。因此 水环境承载力决策评价的过程通常不是单属性决策，而是多属性则决策（Multiple Attribute decision making，MADM），需要在同时考虑多个属性的情况下，解决多属性评价指标的冲突问题，并对多个备选方案进行优选，以便为管理者做出进一步决策提供支持。

随着对决策问题认识的增强和对决策应用重视程度的增加，一些经典的决策方法被用来解决多属性决策问题，如 理想点法（Technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）、多准则妥协解排序法（VlseKriterijumska Optimizacija I Kompromisno Resenje，VIKOR）、优劣系数法（Elimination Et Choice Translating Reality，ELECTRE）、PROMETHEE法（Preference Ranking Organization Method For Enrichment Evaluation）、密切值法等 。这些决策方法各有优劣，如TOPSIS 方法是一种逼近正理想解的决策方法，通过定义一个测度来衡量方案和正理想解（Positive Ideal Solution，PIS）以及负理想解（Negative Ideal Solution，NIS）的距离，并且通过比较测度来实现方案排序，该方法仅仅考虑到每个备选方案和PIS间的距离，并且不同的测度定义可能导致不同的排序结果，因此存在一定的局限性。密切值法将多个决策指标转化成一个能从总体上衡量优劣方案的单一综合值，以便进行方案择优或者排序，它和TOPSIS法在应用过程中对于欧式距离应用有些许偏差，欧式距离要求各指标之间不相关，但是实际情况下各优选指标的关联性可能很强，并且与PIS欧氏距离小的方案可能与NIS的欧氏距离也小，所以根据欧氏距离得出的评价结果有时并不能完全反映出各方案的优劣排序。相比较而言，基于优势关系的粗糙集理论可以利用优势关系代替条件属性集或决策属性集上的等价关系，并保持经典粗糙集的主要性质。 VIKOR方法可以弥补TOPSIS 方法中仅考虑每个备选方案到PIS的距离的不足，不仅同时考虑了每个备选方案到 PIS 和 NIS 的距离，而且通过方案比较和优劣排序优选出的方案带有优先级，可以更逼近于理想方案。 改进密切值法可以通过建立一个虚拟最劣解向量来改进传统密切值法中使用欧氏距离的不足，避免方案与PIS和NIS的欧氏距离都小的情况出现。

被誉为“华北之肾”的白洋淀湿地在气候调节、洪水调蓄、生物多样性保护和生态平衡维持等方面发挥着极其重要的作用，并且随着雄安新区的大力建设，白洋淀的生态地位日渐突出。近年来通过对保定市区和白洋淀大力度实施生态补水，白洋淀流域水资源极度匮乏、主要河流和白洋淀水质污染严重、局地生态系统退化等水环境承载力超载现象有所改善。但是随着京津冀协同发展与雄安新区的大力发展，人口的增加和经济的发展必将给流域水环境带来巨大压力，同时水环境的变化在某些情况下也会限制流域社会经济的发展。为了达到白洋淀流域的水环境保护目标并实现可持续发展，需要针对流域实际根据不同的管理要求考虑不同情景，并且为水环境管理人员进一步提供情景分析结果，以便管理者采取有效调控措施来达到改善或提升流域水环境承载力的目的。但是， 水环境管理与社会、经济和水环境等多种因素有关，具有复杂的交互、动态和不确定的特征，并且由于各种因素的相互作用，在不同的调控方案之间很难权衡利弊，这就急需一种方法来对各种调控决策情景进行预测和决策。 因此，本研究以白洋淀流域水环境承载力为研究对象，将基于新优势关系的 TOPSIS法 、 VIKOR法 以及 改进密切值法 三种方法应用于白洋淀流域水环境承载力多属性决策评价研究中，在处理水环境承载力管理问题涉及的人口、经济、环境、技术标准等多层面复杂性质的同时，结合流域实际，对流域多属性决策方法和调控决策方案进行优选，以期为水环境承载力调控方案的优选与评价工作提供新的思路。

为有效解决白洋淀流域水环境承载力多属性复杂决策问题， 提出了基于人口-经济-水生态-水资源-水污染的五维复杂性质决策指标评估体系（包括28项指标），并将基于新的优势关系的理想点法（TOPSIS）、多准则妥协解排序法（VIKOR）和改进密切值法应用于白洋淀流域水环境承载力多属性决策方法和方案优选中 ，结果表明：1）变异系数属性赋权方法实现了白洋淀流域水环境承载力多层面和复杂因素影响作用的定量化，并且表明影响该流域水环境承载力的主要因素为地下水资源量、造纸和纸制品业比例、纺织业比例、调水入淀量等。2）三种多属性决策方法中，改进密切值法计算更简便、理论更简单，为优选决策方法，它能在处理水环境承载力管理决策问题涉及的经济、社会、环境、技术标准等多层面复杂性质的同时，更好的实现水环境承载力多属性决策方案评价和优选。3）三种方法得到的多属性决策方案优选排序结果一致性达到83.3%，均表明理想型方案（ F ₁₂ ）为最优，次优方案为可持续发展型（ F ₁₁ ），最劣方案为经济低速发展型（ F ₂ ）。结合白洋淀流域实际，可采取2030年适当降低第一、二产业规模，大力发展高端高新产业和服务业等第三产业，适度发展生态旅游，限期提升改造或关闭纺织业、造纸和纸制品业等高耗水、重污染产业，增加外调水量，采取污水处理厂出水提标至地表水准四类等较严格的水环境保护措施，以达到改善环境的目的，并为管理者制定高效决策提供基础。

白洋淀流域位于海河流域中部，地理位置为113°40′E～116°48′E，38°10′N～40°03′N，流域面积34878.25 km ² ，年均气温12.5℃，多年平均降雨量563 mm，流域整体地跨山西、河北和北京3个省市，其中保定市占该流域总面积的76%，白洋淀流域范围及水系如图1所示。 流域内国家重点生态湿地白洋淀是京津冀区域最大的“水芯”，在维持华北地区生态系统平衡、调节气候、生物多样性保护等方面发挥着极其重要的作用。 随着京津冀协同发展与雄安新区重大国家战略的部署，未来的发展在生态安全、环境质量等方面均将对接国际先进标准，然而目前流域人口和经济的发展与生态环境保护的矛盾依旧突出，主要体现在水资源匮乏，高度依赖地下水和外调水，且河流水质受高耗水和重污染工业、生活和农业污染影响较大， 入淀河流水质较差，主要污染物为化学需氧量、氨氮、高锰酸盐指数和五日生化需氧量等 。近年来通过对市区和白洋淀大力度实施生态补水，淀区水位有所上升，流域总体水质有所改善，但是水资源依旧极度匮乏，流域和淀区生态保护和修复治理亟待尽快加强。

图1 白洋淀流域范围及水系图

本文主要基于白洋淀流域水环境承载力问题识别，在提出体现人口-经济-水生态-水资源-水污染五维复杂性质的决策指标评估体系的基础上，将基于新的优势关系的TOPSIS法、VIKOR法和改进密切值法引入到白洋淀流域水环境承载力调控方案多属性决策过程中，并结合白洋淀流域“三线一单”中主体功能区划的定位，根据白洋淀生态环境治理和保护规划（2018-2035年）、保定市水利发展“十三五”规划等规划、计划中的相关要求和趋势，考虑决策者进行单方、多方、速度和力度调控的不同偏好， 设置12种多属性决策情景，探索不同决策方法在白洋淀流域水环境承载力多属性决策过程中的应用价值，并对不同偏好的调控决策方案进行优选。 研究技术路线如图2所示。

图2 研究技术路线示意

影响水环境承载力的要素较多，主要可以体现为人口、经济、水资源、水污染和水生态几个方面。根据白洋淀流域水环境承载力特征，根据流域各用水主体行为和具体工业产业归类，从人口-经济-水资源-水污染-水生态复合系统入手，突出高耗水和重污染产业，同时综合考虑指标的敏感性和可获得性等，在参考前人研究以及前期研究中系统动力学敏感因素筛选和监测预警指标筛选的基础上， 结合白洋淀流域实际情况进行综合考量，选取28个指标作为白洋淀流域水环境承载力调控的决策因子 （表1），并构建体现人口-经济-水资源-水污染-水生态五维复杂性质的决策指标评估体系，其中人口和经济维度的发展会对流域水质、水量和水生态维度产生影响，同时水环境的改变也会对人口和经济的发展产生影响。除此以外，考虑决策者可能进行单方、多方、速度和力度调控的不同偏好， 设置12种情景方案进行方案优选，分别为现状发展型（ F ₁ ）、经济低速发展型（ F ₂ ）、经济中速发展型（ F ₃ ）、经济高速发展型（ F ₄ ）、产业结构低速调整型（ F ₅ ）、产业结构中速调整型（ F ₆ ）、产业结构高速调整型（ F ₇ ）、低度水环境保护型（ F ₈ ）、中度水环境保护型（ F ₉ ）、高度水环境保护型（ F ₁₀ ）、可持续发展型（ F ₁₁ ）、理想型（ F ₁₂ ） ，各方案调控说明如表2所示，评价指标值如表3所示。本研究所采用的数据来源于：保定市经济统计年鉴（2013-2019年）、保定市环统数据（2012-2017年）、河北省环统数据（2018年）、河北省土地调查统计年鉴（2012-2017年）、保定市水资源公报（2012-2017年）等。

表1 白洋淀流域水环境承载力多属性决策因子

表2 多属性决策调控情景方案设置

表3 白洋淀流域水环境承载力多属性决策方案指标值

1）基于新的优势关系的TOPSIS法。

2）VIKOR法。

3）改进密切值法。

1）熵权法和变异系数法权重分配结果比较。

由熵权法和变异系数法进行白洋淀流域水环境承载力多属性权重分配结果可知，前15项较重要的属性名称一致，均为地下水资源量（ C ₁₇ ）、纺织业比例（ C ₈ ）、造纸和纸制品业比例（ C ₇ ）、调水入淀量（ C ₂₀ ）、污水处理厂出水COD浓度（ C ₂₈ ）、造纸和纸制品业废水排放系数（ C ₂₆ ）、单位造纸和纸制品业增加值用水量（ C ₁₈ ）、造纸和纸制品业废水COD浓度（ C ₂₅ ）、纺织业废水排放系数（ C ₂₇ ）、纺织业废水COD浓度（ C ₂₄ ）、单位纺织业增加值用水量（ C ₁₉ ）、造纸和纸制品业废水收集处理率（ C ₂₃ ）、生态与环境补水量（ C ₁₂ ）、年降水量（ C ₁₄ ）、人工湿地面积（ C ₁₃ ），但是排序有所不同，具体权重分配结果如表4所示。

表4 熵权法和变异系数法计算白洋淀流域水环境承载力属性权重结果

熵权法和变异系数法属性权重分配结果均表明 流域地下水资源储备、纺织业、造纸和纸制品业等高耗水、重污染产业的占比、单位增加值用水、废水排放及排污情况、外调水量、生态与环境补水量的供应以及人工湿地的净化情况等对白洋淀流域水环境承载力有较大影响。 其中，熵权法和变异系数法属性权重分配均克服了主观赋权中受自身偏好影响的不足，但是采用熵权法进行权重分配时，由于部分属性值分布相对集中而导致指标权重出现趋于零或等于零的情况（图3），从而可能导致重要程度很高的属性信息丢失。而采用变异系数法进行属性权重分配，可以克服此不足，且其属性权重分配结果表明影响白洋淀流域水环境承载力的主要因素主要为地下水资源量、造纸和纸制品业比例、纺织业比例、调水入淀量等，研究结果体现了白洋淀流域水环境受水资源量、关键产业和客水支持系统影响等特点，与白洋淀实际相符。

图3 熵权法和变异系数法属性权重计算结果

图4 各决策方案到正负理想方案距离比较结果

2）各决策方案到正理想方案和负理想方案的距离结果比较。

表5 白洋淀流域水环境承载力多属性决策方案到 PIS _x ⁺ 和 NIS _x ^- 的距离

3）多属性决策方法优选结果。

本文所使用的三种多属性决策方法中，改进密切值法和VIKOR法均使用变异系数法进行属性权重分配，基于新的优势关系的TOPSIS法使用熵权法进行属性权重分配。变异系数法与熵权法相比，在权重分配过程中可以有效避免由于部分属性值分布相对集中而可能导致重要程度很高的属性信息丢失的情况出现。除此以外，VIKOR法虽然能够在若干个相互冲突的目标下给出折中方案，并且优选结果的分辨率较高，但是其中决策系数的取值可能存在一定的主观性，并且决策系数的不同取值可能会对决策方案最终优选结果产生影响。相比较而言， 改进密切值法不仅使用变异系数法进行属性权重分配，而且通过构建虚拟最劣解的方法有效避免了传统密切值法中决策方案与正理想和负理想方案距离都近的情况出现，并且改进密切值法在三种多属性决策方法中计算更简便、理论更简单，因此推荐改进密切值法为本文中水环境承载力多属性决策方案评价的优选方法。

1）决策方案评价结果比较。

本文中基于新的优势关系的TOPSIS法、VIKOR法和改进密切值法的白洋淀流域水环境承载力多属性决策方案评价结果表明，12种决策方案中理想型方案（ F ₁₂ ）均为最优方案，次优方案均为可持续发展型方案（ F ₁₁ ），最劣方案均为经济低速发展型方案（ F ₂ ）（表6）。三种方法相互验证，方案排序结果一致性达到83.3%，也进一步说明了运用优选的改进密切值法进行决策方案评价的有效性。因此，运用本文中优选的改进密切值法能够科学、有效的实现调控方案间的利弊权衡，并以定量排序形式直观的体现方案优选结果，可为管理者制定高效决策提供基础。

表6 白洋淀流域水环境承载力方案三种多属性决策方法评价结果

2）优选决策方案分析。

决策方案优选结果表明，对于白洋淀流域水环境保护来说，流域人口和经济的快速增长以及雄安新区建设工作的大力开展会增大对流域水资源的需求量，给流域水环境承载力带来较大压力，同时可能加大对流域水环境的污染程度。理想型情景下，采取产业结构高速调整和污水处理厂出水提标至地表水三类等高标准水环境保护措施可能使流域水环境承载状态有较大改善，但是可能需要付出较大的环保投入才能实现。因此结合流域实际，并考虑决策方案的可行性、经济性以及环境质量标准要求，可根据可持续发展型方案，采取产业结构中速调整、经济中速发展、中度水环境保护措施、污水处理厂出水提标至地表水准四类等较高标准的调控措施，以达到减缓流域人口和经济维度对水资源、水污染和水生态维度的压力，切实保护并改善流域水环境的目的。

本文中白洋淀流域水环境承载力调控决策方案的研究结果与前人研究相比趋势类似但并非完全一致，如李传哲等在总结分析当前白洋淀流域水资源变化特征以及水安全形势的基础上，从可持续水资源管理的角度，针对流域范围提出了采用节约用水、污染控制、中水回用、水系连通、域外调水，以及加强气候变化研究、强化制度保障等水安全保障策略。本文在进行水环境承载力决策方法和方案优选时所使用的指标体系涉及社会、经济、水生态、水资源、水污染以及技术管理领域，所涉及的指标广泛而又具体，并且结合相关规划、计划等要求，考虑决策者进行单方、多方、速度和力度调控的不同偏好的决策情景设置过程，能为更精准的识别问题并实现有效调控提供依据。本文中虽然考虑了水环境承载力调控决策因素具有多属性、多指标的特点，并考虑决策方案的可行性、经济性以及环境质量标准要求实现了方案优选，但是与前人对改进密切值法在城市供水方案评价中的应用研究相比，尚未考虑投资、运行费用等对调控决策方案制定的影响，后期研究中有待于进行进一步完善。

3）政策建议。

具体来说，建议可采取以下措施： ①调整和优化产业结构。 结合流域实际，2030年可使第一、二产业规模在现状基础上降低20%，大力发展高端高新产业和服务业等第三产业，争取使流域第三产业占比在2030年达到65%。结合流域实际限制纺织业、造纸和纸制品业等高耗水、重污染产业发展规模，限期关闭淘汰落后产能，尤其是关停雄安新区现存纺织业、造纸和纸制品业等高耗水、重污染产业。除此以外，调整种植结构，推进绿色生态农业，控制牲畜养殖增长规模为10%，高效实现牲畜养殖污水无害化处理与资源化利用，使旅游业占比在现有基础上提高10%，并发展生态旅游。 ②大力采取节水和污染治理措施。 提高流域水资源利用效率，将农田灌溉水有效利用系数提高至0.71以上，并采用清洁生产技术对高耗水、重污染产业进行提升和改造，如使其单位增加值用水、污染排放系数和废水中污染物浓度在现有基础上减少40%，适度恢复森林和湿地。 ③建立多元补水机制，开源节流。 2030年可在现有基础上增加40%的外调水量，减少地下水开采量，保证淀区水位在8.492米，完善流域水污染治理设施，提高污水资源化再生利用率，采取污水处理厂出水提标至地表水准四类等较高标准的水污染物减排措施，努力实现污水全收集、全处理，加大环保投资力度，尽快实现流域水环境质量达标以及人口、经济和环境协调发展的目的。

本文针对白洋淀流域水环境承载力系统，提出了体现人口-经济-水生态-水资源-水污染五维复杂性质的决策指标评估体系（28个指标），并将基于新的优势关系的TOPSIS法、VIKOR法和改进密切值法应用于白洋淀流域水环境承载力多属性决策方法优选和方案综合评价中，比较三种方法解决高维水环境承载力管理决策问题的能力并进行方法优选，结果表明：

1）变异系数法权重分配结果表明影响 白洋淀流域水环境承载力的主要因素为地下水资源量、造纸和纸制品业比例、纺织业比例、调水入淀量等 ，体现了白洋淀流域水环境受水资源量、关键产业和客水支持系统影响等特点，与白洋淀流域实际更符合。

2）三种多属性决策方法中， 改进密切值法计算更简便、理论更简单，能在处理水环境承载力管理决策问题涉及的经济、社会、环境、技术标准等多层面复杂性质的同时，更好的实现水环境承载力多属性决策方案评价和优选。

3）三种决策方法方案排序结果一致性达到83.3%，且均表明 最优为理想型方案（ F ₁₂ ），次优为可持续发展型方案（ F ₁₁ ），最劣为经济低速发展型方案（ F ₂ ） 。结合流域实际，可采取产业结构和经济中速调整、污水处理厂出水提标至地表水准四类等较高标准的调控决策措施，以达到减缓流域人口和经济增长对水环境的压力，切实保护并改善水环境的目的，并为管理者制定高效决策提供基础。