从风险治理到管理效率：城市污水回收系统“健康-失效-管理”过程中的权衡与协同效应

《Journal of Cleaner Production》：From risk governance to management efficiency: Trade-offs and synergies in the “Health-Failure-Management” of Urban Sewage Recycling System

　　•创新性地提出了“健康-故障-管理”综合评估框架，用于城市污水回收系统。
•提出了一种基于AHP-CRITIC和博弈论组合的指标加权方法，用于健康、故障后果和管理系统。
•提出了一种区分健康、故障后果和管理系统之间权衡和协同空间关系的方法。
•识别了子区域内的“关系失衡”和“约束能力”，以精确确定治理优先级。

**引言**
随着全球城市化进程的加快，对城市污水回收系统（USRS）的需求不断增加（Bach等人，2014年；Neumann等人，2015年），使其成为水资源安全和生态健康的关键基础设施（Hoekstra等人，2018年；Zhu和Chang，2020a）。然而，老化的基础设施以及不足的运营和管理能力经常导致溢流、堵塞和管道故障（Lodder和de Roda Husman，2020年；Thompson等人，2020年）。这些问题不仅降低了污水处理效率，危及接收水体的生态系统，还可能导致更广泛的社会影响（Wang等人，2021年，Wang等人，2021年），如果管理不善，还会阻碍水资源的回收（Qian，2016年）。
长期运行和外部负荷使污水管道容易产生结构性损坏或截面变形等缺陷（Anbari等人，2017年）。这些缺陷使系统健康状况降至设计水平以下，降低了污水处理潜力。健康状况的恶化可能导致污水溢流、渗透和水污染（Mugume等人，2015年），从而引发故障后果，包括公共财产损失（Iurchenko等人，2016年；Stone等人，2016年）、关键服务中断（Atambo等人，2022年）以及水资源退化（Baah等人，2015年），从而威胁到水资源安全和城市安全。解决上述问题需要提升系统健康状况（Ogidan和Giacomoni，2016年）和管理水平（Serra Comineti等人，2024年；Xu等人，2024年）。信息和自动化技术的进步（Faris等人，2024年；Li等人，2017年）使城市当局能够在政策和投资的支持下提高风险抵御能力和资源调控能力（Langeveld等人，2023年；Neri等人，2024年；Ugarelli等人，2008年）。鉴于污水故障可能对周边社会经济状况产生不利影响，更高的故障后果需要更强的健康维护和高效的管理（Choudhury等人，2025年）。从资源分配的角度来看，健康状况较高的区域需要较少的管理投资，这样可以将注意力集中在脆弱区域，避免资源浪费（Zheng等人，2025年）。因此，科学评估健康状况、故障后果和管理及其相互关系对于实现综合风险管理、提高管理效率和城市可持续性至关重要。
目前对USRS的评估主要集中在健康状况和故障后果上（Yan等人，2009年；Zhou等人，2024年）。健康评估通常使用CCTV数据量化结构缺陷（如裂缝、腐蚀）和功能缺陷（如沉积、结垢），以识别脆弱管道（Qiu等人，2025年；M. Wang等人，2021年）。当前评估侧重于识别和量化缺陷，但未能充分反映其对流量能力的影响（Liu等人，2021年）。已经提出了考虑工程属性（如材料、直径）和环境条件（如土壤类型）的更广泛的指标系统，用于宏观层面评估（Ma等人，2020年）。然而，管道健康状况的恶化不仅影响污水系统的性能，还影响进入污水处理厂（WWTP）的水量和水质（Diem等人，2022年；Perez等人，2024年）。低进水浓度或水力超载会降低处理效率，威胁整个系统的稳定性（Murali等人，2019年；Xia等人，2024a）。因此，仅从污水网络层面评估健康状况是不够的，需要将污水系统和WWTP视为一个耦合系统进行综合评估（Liu等人，2025年）。
现有的故障后果评估主要强调对社会环境的影响，如对主要交通路线、关键土地用途以及医院和学校等设施的风险（Salman和Salem，2012年）。然而，它们往往忽视了对水生环境的潜在影响——特别是对河流、运河和下游居民区的威胁（Baah等人，2015年；Huang和Lee，2023年）。实际上，系统故障可能直接导致污染物排放，危及城市供水安全和生态健康（Liu等人，2023年，Liu等人，2023年）。为了更好地支持城市水环境保护和风险管理，应包括反映对水体和居民环境影响的各种指标。
USRS管理正朝自动化和智能化方向发展。在线监控能够动态感知水位、流量和水质（Li等人，2022年），而阀门和闸门可以及时调整水流路径（Alshami等人，2024年；Salem等人，2022年；Zhao等人，2023年）。维护团队的快速响应进一步降低了故障风险（Connelly等人，2023年；Li等人，2023年）。一些国家通过综合框架协调WWTP、USRS和水体来提升管理能力（Forsberg等人，1975年；Masi等人，2023年；Yang等人，2024年）。尽管在评估健康状况和故障后果方面取得了进展，现有研究仍受限于指标范围狭窄和WWTP与USRS整合不足。更关键的是，现有框架很少将管理系统纳入污水处理系统的综合风险分析中，限制了整体管理策略的发展。

基于“HE、FA和MA”框架的USRS综合评估中，大量复杂且高度相关的指标使得科学确定指标权重变得至关重要。目前的指标加权方法大致分为主观方法和客观方法（Tang等人，2025年）。主观加权方法（如层次分析法AHP）严重依赖专家经验和专业判断。尽管逻辑清晰，但在处理大规模指标系统时容易受到认知局限性的影响。例如，在评估系统健康状况时，专家可能过分强调结构性缺陷而忽视环境因素（Lai等人，2015年）。相比之下，客观加权方法（如CRITIC方法）虽然基于数据标准差和相关性，但未能考虑运营和管理中的实际情况。例如，在评估故障后果时，它们可能低估了社会因素（如医院存在）的重要性（Zhu和Chang，2020b）。为了结合专家判断和数据特征（Peng和Zhang，2022年），采用了纳什均衡博弈组合权重方法来协调主观和客观权重之间的差异，实现权重分配的最佳平衡（Li和Hu，2024年）。本研究提出了一种基于博弈论的AHP–CRITIC组合加权方法，在保持专家知识合理性的同时，增强了权重结果的客观性和稳定性，从而提高了评估结果的可靠性。
准确评估USRS需要识别健康状况（HE）、故障后果（FA）和管理水平（MA）。HE反映了USRS维持正常运行的能力；FA表示USRS在功能故障时对环境和社会系统的潜在影响；MA则体现了通过运营、维护、监测和调度等管理措施干预和调节系统风险的能力。改善健康状况涉及通过工程措施增强USRS的固有稳定性，而加强管理则更多依赖于人为干预和基于信息的工具，属于非工程措施。两者共同影响FA系统：健康状况主要影响故障后果的严重程度，而管理可以在一定程度上减轻或放大故障后果的严重性。因此，在故障后果较高的区域，必须协同提升HE和MA以减轻社会经济风险；相反，在HE或MA已经具有相对优势的区域，应适度调节经济投入以避免资源浪费。为了实现可持续管理，引入了“权衡与协同”的生态理论（J. Wang等人，2024年）来分析这三个维度之间的动态关系。Liu等人使用权衡和协同模型分析了耕地的多功能价值如何随着社会经济变革而演变（Liu等人，2023年，Liu等人，2023年）。Xia等人应用空间分析揭示了不同空间和时间尺度上生态系统服务之间的权衡和协同变化（Xia等人，2023年）。基于类似的方法框架，Zhang等人划分了土地利用功能区，以促进可持续的土地管理（Zhang等人，2019年）。当一个系统的供应因另一个系统的增加而减少时，就会出现权衡；而当多个系统同时得到增强时，就会出现协同效应（Qiu和Turner，2013年；Spake等人，2017年）。因此，这种方法也适用于研究城市污水系统中HE、FA和MA的协调发展，有助于制定优化投资成本的整体管理策略。

**研究区域**
本研究选择北京中心区域作为代表性研究区域（图1）。作为高度城市化的特大都市和中国智慧城市发展的试点城市，北京体现了先进的城市化进程和增强的城市治理能力。其特点包括人口密集（北京市统计局，2024年）、经济活动活跃（Yao等人，2025年）以及不断扩展的污水基础设施（北京市水资源局，2024年）。

**博弈论组合加权结果**
健康指标系统的综合加权结果如图4(a)所示。主观权重更加重视WWTP状况（C25）和管道缺陷（C11），反映出运营安全和处理效率对系统健康的重要性。客观权重较高的工程属性（C13和C18），突显了施工参数的影响。通过博弈论整合，主观和客观权重得到了平衡。

**比较系统指标的优先级并识别评估偏差**
为了构建具有可持续运行的USRS综合评估模型，本研究整合了三个维度：HE、FA和MA。根据权重分配结果，HE系统强调提高系统管理效率（如减少溢流造成的资源损失）需要从设计、输送到处理的所有阶段的协同优化。单个环节的投资可能会受到系统瓶颈的限制。其次，FA系统……

**结论**
本研究开发了一个空间分析框架，用于评估城市污水回收系统中HE、FA和MA之间的权衡和协同效应，提供了支持可持续运行的定量工具。它识别了关系失衡的区域，并有助于优先考虑空间目标措施，以实现系统安全和风险管理，对其他城市化城市具有借鉴意义：

**作者贡献声明**
Hao Wang：撰写——审阅与编辑、资源、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。
Chuqin Duan：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。王子健：方法论、形式分析
魏佳佳：方法论、调查
杨卫超：监督、形式分析
周俊军：验证、监督、资金筹集

**资助信息**
本研究由中国国家自然科学基金通用项目（项目编号：72373011）、北京市自然科学基金（项目编号：8242003）、重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2024NSCQ-MSX0557）以及内蒙古自治区黄河流域水资源保护与综合节水利用重大科技创新试点项目（项目编号：2023JBGS0007）提供资助。

**利益冲突声明**
作者声明：他们没有任何已知的财务利益冲突或个人关系，这些因素可能会影响本文所报告的工作内容。
作者名单：王昊 | 段楚秦 | 王子健 | 魏佳佳 | 杨卫超 | 周俊军