基于游戏理论组合赋权与模糊物元模型的县域再生水利用风险评价及2025—2035年探索性预测

《Water》：Risk Assessment and Prediction of Reclaimed Water Utilization in Yuyao City, China

　　

再生水可缓解城市水资源短缺，但其利用在生产、输配、使用和管理环节均涉及风险。本研究以余姚市为对象构建了18项指标的评价体系，采用基于博弈论的组合赋权方法将层次分析法（AHP）与熵权法相结合，并运用模糊物元模型评价2020—2023年的历史风险。非线性自回归（NAR）模型对7个时间序列生成三种输出设定，形成2025年、2030年和2035年各2187种非概率输入组合。历史风险始终处于中风险等级但逐年下降。生产与使用准则层的权重最大（分别为0.352和0.336）。再生水使用比例、再生水利用率、建成区绿地率、投资比例和工业用水重复利用率获得最高的指标权重。在各构建组合中，风险指数在2025年为0.361~0.469，2030年为0.376~0.420，2035年为0.286~0.339，算术平均值分别为0.413、0.395和0.312。所有区间均处于中风险等级。进一步降低风险需在生产能力、管网覆盖、利用水平和制度保障方面协同改进。未来研究应采用更长的时间序列、时序验证以及权重与阈值的敏感性检验。

研究背景方面，淡水资源短缺日益被视为全球性系统风险，约三分之二的全球人口面临严重缺水状况，中国、印度等地区水资源禀赋与本地用水需求之间的矛盾尤为突出；全球气候变化与快速城市化背景下的水质恶化可能进一步加剧这一失衡。再生水因供给量大且稳定、易于收集处理、具有环境效益等优势而成为关注焦点，已广泛应用于农业、工业、城市杂用、环境用水和生态补水等领域。然而再生水回用也带来一系列潜在风险，既包括化学物质和微生物对人体健康和生态系统的威胁，也涉及技术、管理和资金等经济与社会风险，社会层面的认知偏差和较低公众接受度亦可能阻碍其推广。现有研究多聚焦于单一环节（如水质健康风险）或宏观层面的静态评价，缺乏面向长江三角洲典型县域尺度、覆盖"生产—输配—使用—管理"全过程的系统性风险评价研究，且对替代输入配置下未来可能风险状况的分析有限，制约了前瞻性风险管理。因此，开展县域尺度再生水利用全过程历史风险评价与未来可能输入条件的探索性分析具有重要意义。

研究人员开展了以下研究并得出相应结论：构建覆盖生产、输配、使用和管理四个阶段的18项指标风险评价体系；通过博弈论方法融合AHP与熵权法确定组合权重，并运用模糊物元模型评价2020—2023年历史风险；利用NAR模型对7个基础时间序列生成低、参考、高三种输出设定，构建2025年、2030年和2035年各3⁷=2187种输入组合；识别再生水风险管理的阶段优先序。研究表明历史风险始终处于中风险等级但逐年下降，2025—2035年各构建组合的风险指数均处于中风险等级，进一步降低风险需在生产能力、管网覆盖、利用水平和制度保障方面协同改进。该研究的主要贡献在于将全过程风险评价与县域尺度探索性未来输入构建相结合，实现历史诊断与前瞻性风险筛查的衔接，为县域再生水风险管理提供依据。

关键技术方法方面（不超过250字）：研究采用基于博弈论的组合赋权方法，将层次分析法（AHP）主观权重与熵权法客观权重按α₁=0.48、α₂=0.52组合；采用模糊物元模型计算风险指数并依据虚拟边界样本确定风险分级阈值；采用非线性自回归（NAR）神经网络对7个基础时间序列进行建模，以2008—2022年共15个年度观测值建模，保留历史平均相对误差（MRE）低于10%的运行结果构建低、参考、高三种输出设定。数据来源包括宁波统计年鉴（2008—2023）、中国城乡建设统计年鉴（2020—2023）、余姚市水资源公报（2019—2023）、污水处理厂与再生水设施月度运行记录、相关规划文件，以及2023—2024年对余姚市水资源管理部门和滨海再生水厂的专家访谈与现场调查原始数据；德尔菲咨询小组由5名专家组成。

研究结果方面：第一，指标权重与指标相对重要性。基于博弈论组合赋权得到综合评价体系权重，准则层中生产（B1）和使用（B3）权重最大，分别为0.352和0.336，其次为管理（B4，0.169）和输配（B2，0.143）；指标层中权重最大的5项为再生水使用比例（T12，0.083）、再生水利用率（T6，0.077）、建成区绿地率（T14，0.072）、投资比例（T16，0.070）和工业用水重复利用率（T15，0.069），合计占总权重的37.1%，上述权重反映评价框架赋予的相对重要性而非某年实际风险贡献。第二，历史风险演变分析。运用模糊物元模型计算2020—2023年风险指数，风险分级为低风险（0≤R_i≤0.249）、中风险（0.249i≤0.714）和高风险（0.714i≤1），结果表明风险始终处于中风险等级并逐年下降；2023年风险指数较低与多项指标变化相吻合：滨海再生水厂于2022年底完成"超滤+反渗透"双膜改造，出水氨氮（T10）和COD（T11）降至低风险阈值以下；再生水与污水管道密度增加；2022年激励政策（T17）和管理措施（T18）出台；建成区道路面积比由21.86%降至18.28%；但再生水利用率（T6）仍低于5%、生产负荷（T5）急剧上升等问题尚未解决。第三，指标贡献分析。基于标准化指标值和综合权重计算2020—2023年指标贡献值，再生水利用率（T6）和工业用水重复利用率（T15）在各年计算结果中贡献最大；2020年和2021年投资比例（T16）、激励政策（T17）和管理措施（T18）亦居前五位；2022年供水漏损率（T9）进入前五位，2023年再生水生产负荷（T5）进入前五位，表明使用类指标在整个评价期始终突出，其他指标相对贡献随年份变化。第四，探索性未来风险评价。通过重复NAR运行预测7个基础时间序列并与规划指标设定整合，保留运行的整体历史MRE均低于10%；各目标年风险区间为2025年0.361~0.469、2030年0.376~0.420、2035年0.286~0.339，算术平均值分别为0.413、0.395和0.312，均处于中风险等级，区间宽度分别为0.108、0.044和0.053，2030年和2035年区间较2025年窄但宽度并非单调下降；结果表明生产能力、管网覆盖、再生水利用和制度支持的协同改进是进一步降低未来风险的关键。

讨论部分总结：历史评价显示余姚市再生水利用总体风险指数由2020年的0.611降至2023年的0.534，仍处于中风险等级；准则层权重反映组合赋权方法赋予四阶段的相对重要性而非实际年度贡献，指标年度贡献还取决于其标准化指标值；年度贡献分析表明输配和管理阶段不应仅因准则权重较低而被视为不重要。管理启示方面，生产阶段应协调产能扩张与需求增长、加强进出水监测并推行分质供水；输配阶段应将再生水管网纳入城市基础设施规划并与建成区扩展和用户空间分布相协调，重视管网延伸、漏损控制和压力管理；使用阶段应拓展再生水在工业非饮用、市政杂用和生态补水等领域的应用并将激励政策与实际再生水消费和节水绩效挂钩；管理阶段需要稳定投资、可执行的技术标准和定期绩效评价。与既往研究相比，本研究将指标明确组织为生产、输配、使用和管理四阶段并应用于县域尺度，博弈论组合赋权降低了单一赋权方法的依赖，NAR模型与规划政策设定相结合构建的2187种组合用于探索性风险筛查而非概率预测。局限性包括：NAR模型仅用15个年度观测值建模，名义70:15:15划分不能视为严格时序样本外验证且不能排除过拟合可能，预测轨迹应解释为探索性未来输入设定；不同数据时段服务于不同分析目的；2187种组合无发生概率且权重与阈值固定，未来应开展权重与阈值扰动敏感性检验；部分管理指标为二元变量，水质指标未涵盖痕量污染物和病原微生物。研究结论：本研究通过结合博弈论赋权、模糊物元模型、NAR模型和构建输入组合，建立了余姚市再生水利用历史与未来风险评价的综合框架；历史评价表明总体风险由2020年至2023年下降但仍处于中风险等级，生产和使用阶段获得最大综合权重，再生水使用比例、再生水利用率、建成区绿地率、投资比例和工业用水重复利用率被识别为重要指标；各构建输入组合下风险指数2025年为0.361~0.469、2030年为0.376~0.420、2035年为0.286~0.339，算术平均值分别为0.413、0.395和0.312，均处于中风险等级，这些数值为所选组合集合的汇总而非概率加权预测；进一步降低风险需在再生水系统各环节协同施策，包括加强生产能力与水质监测、协调管网建设与城市发展、改善漏损控制与网络覆盖、在水质和规划要求满足的前提下扩展再生水应用并以稳定投资、可执行技术标准和绩效激励为支撑；未来研究应采用更长的时间序列和独立或滚动原点验证，检验结果对指标权重和风险阈值的敏感性，并纳入更详细的政策实施、新污染物、病原体和生态效应指标。