结合公平性与稳定性考量的决策方法在跨行政区水资源短缺冲突管理中的应用

《Water》：Managing Trans-Jurisdictional Water Scarcity Conflicts Using a Decision-Making Method Combining Fairness and Stability Concerns Jianan Qin, Luguang Liu, Jing Wang, Xia Wu, Junwu Liu, Ting Yu, Jie Huang, He Wang, Meng Gao and Guodong Xing

　　

管理跨行政区水资源短缺冲突是一项棘手的任务，因为它通常面临多个制度上独立的决策主体的挑战，这需要制定合作且自我执行的解决方案。本研究提出了一种结合公平性与稳定性考量的决策方法，以解决短缺条件下的跨行政区水资源分配冲突。基于七种破产规则（bankruptcy rules）产生的水资源分配方案，研究人员分别使用基尼系数（Gini coefficient）和夏普利-舒比克权力指数（Shapley–Shubik power index）从分配正义（distributive justice）和个体层面可接受性（individual-level acceptability）的角度量化其公平性与稳定性标准，然后利用博弈论（game theory）整合两个标准的量化结果，以做出最终的水资源分配决策。该决策方法被应用于中国湖北省汉江流域（Hanjiang River Basin, HRB）的两种水资源短缺情景，该流域由十个市级行政区（city-level jurisdictions）共享。数值结果表明，破产规则被认为在短缺条件下执行跨行政区水资源分配是实用的，但其现实适用性应在实施前进行评估。水资源分配方案之间存在明显的公平性与稳定性权衡（trade-off），并且存在识别折衷方案的空间；结合公平性与稳定性的决策方法分别确定约束平等损失（constrained equal losses, CEL）规则和调整比例（adjusted proportional, APRO）规则为湖北省汉江流域在干旱年和极端干旱年分配水资源的首选规则。研究结果强调了在管理跨行政区水资源短缺冲突时平衡公平性与稳定性标准的必要性和重要性，所提出的方法被证明是促进短缺条件下跨行政区水资源分配谈判的有效决策工具。

**论文解读：结合公平与稳定考量的跨行政区水资源短缺冲突决策方法研究**

**一、 研究背景与问题**

淡水资源是支撑社会经济发展和维护生态环境良性循环的物质基础与能源驱动力。随着人口快速增长和城市化进程加速，全球淡水需求急剧增加。加之气候变化加剧导致可用水资源供应发生变化，全球水资源短缺已成为影响约24亿人口的紧迫发展挑战。跨行政区河流作为淡水资源的主要来源，在促进流域社会经济繁荣方面发挥着不可替代的作用，但当遭遇严重干旱且可用水量无法满足所有行政区总需求时，它们也可能成为地缘政治冲突的根源。

由供需失衡引发的水资源短缺冲突会在不同程度上阻碍社会经济发展并损害生态环境。合理的水资源配置被普遍认为是应对水资源不安全与冲突的主要手段。然而，成功实施跨行政区水资源分配是困难且棘手的，因为它通常涉及多个制度上独立的决策主体，这些主体往往采取单边行动以满足自身需求，而不顾他人和集体利益。

以往研究多采用基于合作博弈论（cooperative game theory）的方法，如核心（core）、夏普利值（Shapley value）、纳什-海萨尼解（Nash–Harsanyi solution）、核仁（nucleolus）等，通过同时考虑个体理性、群体理性和帕累托效率（Pareto-efficiency）来制定主体间的利益补偿，以解决跨行政区或跨境水资源短缺冲突。然而，将跨行政区水资源分配问题概念化为一个合作可转移效用博弈通常复杂且具有挑战性，因为它高度依赖于所有利益相关者的可用效用信息及其认知能力。此外，利益相关者对跨行政区河流系统中水资源短缺的零和博弈认知，可能驱使他们争夺有限的水资源，而非计算联盟收益并寻求某种利益补偿。

近年来，最初为解决冲突性债权问题而设计的破产理论规则，如比例规则（proportional, PRO）、约束平等授予规则（constrained equal awards, CEA）、约束平等损失规则（constrained equal losses, CEL）、调整比例规则（adjusted proportional, APRO）、塔木德规则（Talmud, TAL）等，在跨行政区水资源管理领域受到广泛关注。这些方法直接根据各行政区的用水主张（水需求）分配水资源，无需考虑其效用信息函数和合作的增量收益，因此相对易于操作，其分配结果也更易被个体和政策制定者理解和接受。然而，这些破产规则是基于特定目的的不同内部分配原则制定的，理性的跨行政区主体可能对其持有不同的公平认知，表现出不同的合作意愿。因此，由这些规则产生的水资源分配方案的现实适用性需要进一步研究。

现有研究中对破产规则性能的讨论多从稳定性角度出发。稳定性标准通常从个体层面可接受性角度强调资源协议的现实可行性。事实上，公平性是与分配正义概念相吻合的另一个促成自我执行水资源分配方案产生的必要因素。尽管在公共资源管理领域尚未就公平性标准的通用定义达成一致，但公平的多边环境协议应满足主体对职责与权利合理分配的期望，这涉及平等主义的道德基础。

公平性与稳定性无法在同一方案中同时达到最优，但存在识别折衷方案的空间，这些方案比最稳定的方案更公平，同时比最公平的方案更稳定。显然，短缺条件下的跨行政区水资源管理受益于一个包含公平性与稳定性作为评估指标的决策程序。然而，水资源破产文献中很少有研究同时关注公平性与稳定性标准，也尚未建立有效的方法来平衡这两个标准。

为此，本研究基于多个破产规则产生的水资源分配方案，提出了一种利用博弈论结合公平性与稳定性考量的决策方法来解决跨行政区水资源短缺冲突。随后，以中国湖北省汉江流域（由十个市级行政区共享且经常面临水资源短缺）为例，验证了该方法的有效性。本研究发表在《Water》期刊上。

**二、 主要技术方法概述**

本研究提出的决策方法框架主要包括以下关键步骤：首先，收集跨行政区水资源分配系统的基本数据信息，包括可用水量、涉及的行政区及其水需求。其次，利用七种破产规则（PRO、CEA、CEL、APRO、TAL、PIN、α_min-EA）进行跨行政区水资源分配，将短缺条件下的水资源分配问题建模为破产分配问题，并满足帕累托效率、债权有界性和非负性三个前提条件。第三，基于分配结果计算各行政区的水分配比例。第四，使用基尼系数从分配正义角度量化各分配方案的公平性标准。第五，使用夏普利-舒比克权力指数从个体层面可接受性角度量化各分配方案的稳定性标准，通过计算权力指数值的变异系数来衡量方案的稳定性。最后，将公平性与稳定性标准之间的权衡描述为一个两人博弈问题，并运用博弈论构建综合决策方法，通过最小化可能决策向量与两个基本决策向量之间的偏差，寻求两者之间的均衡与协调，最终计算出公平-稳定性权衡指数，并据此对方案进行排序选择最优方案。案例研究数据来源于湖北省汉江流域十个市级行政区在干旱年和极端干旱年两种情景下的可用地表水量和水需求数据。

**三、 研究结果**

**3.1 基于破产规则的水资源分配结果**
在干旱年和极端干旱年两种情景下，应用七种破产规则对汉江流域十个市级行政区进行了地表水量分配。分配结果（以水量和比例表示）及转化后的需求满足率表明：不同规则下各行政区的分配结果差异显著。例如，PRO规则下所有行政区获得相同的需求满足率；CEA规则倾向于尽可能平等分配，使多数低需求行政区得到完全满足，而高需求行政区（如襄阳）满足率较低；CEL规则则使所有行政区承担相等的水量损失，优先满足高需求行政区，导致部分低需求行政区（如神农架、随州、潜江）在极端干旱年获得零分配。其他规则（APRO、TAL、PIN、α_min-EA）的分配结果介于CEA和CEL这两个极端之间。研究还发现，破产规则对缺水程度变化敏感，且遵循“奖惩顺序保持”和“平等者平等对待”等原则。

**3.2 水资源分配方案的公平性分析**
使用基尼系数量化各分配方案的公平性。结果表明，在两种缺水情景下，基于CEA规则的分配方案的基尼系数值最低，公平性最优，代表了所考察破产规则中公平性的上界；而基于CEL规则的分配方案的基尼系数值最高，公平性最差，代表了公平性的下界。其他规则（PIN、TAL、α_min-EA、PRO、APRO）的公平性介于两者之间。随着缺水程度加剧，CEA方案的公平性（基尼系数降低）变得更好，而CEL方案的公平性（基尼系数升高）变得更差。

**3.3 水资源分配方案的稳定性分析**
使用夏普利-舒比克权力指数及其变异系数量化各分配方案的稳定性。结果表明，在干旱年，CEL方案的权力指数变异系数最小，被识别为最稳定的分配方案；而CEA方案的权力指数变异系数最大，是最不稳定的方案。稳定性量化结果对流域系统的缺水程度敏感。

**3.4 水资源分配方案的公平-稳定性权衡分析**
分析显示，公平性指数与稳定性指数之间存在明显的权衡关系：公平性越高的方案（如CEA），其稳定性往往越差；反之，稳定性越高的方案（如CEL），其公平性往往越差。这证实了公平性与稳定性无法在同一方案中同时优化。通过引入博弈论计算公平-稳定性权衡指数，成功实现了对两者权衡的量化。根据该指数排序，在干旱年，CEL方案被确定为汉江流域水资源分配的首选方案，而PIN方案是最不理想的；在极端干旱年，APRO方案被评为最佳选择，而CEA方案是最差选择。决策结果对缺水程度敏感。

**四、 讨论与结论**

**讨论部分总结：**
管理短缺条件下的跨行政区水资源分配冲突是困难的。基于合作博弈论的方法虽然有效，但其实际应用高度依赖于所有利益相关者的可用效用信息及其认知能力，限制了其广泛推广。破产理论规则作为有前景的替代方法，基于不同的分配原则可能产生不同的分配方案，其现实适用性需进一步评估。公平性与稳定性标准是实现资源共享协议的基本要素。本研究创新性地提出了一种结合公平性与稳定性考量的决策方法，分别使用基尼系数和夏普利-舒比克权力指数从集体和个体层面量化公平性与稳定性，并首次将两者平衡建模为两人博弈问题，利用博弈论将其整合到决策过程中。

以湖北省汉江流域为例验证了该方法的有效性，研究结果可为湖北省水利厅在该流域两种缺水情景下的地表水量分配提供决策建议。根据公平-稳定性权衡指数的决策结果，建议在干旱年采用CEL规则进行分配，在极端干旱年采用APRO规则。由于该方法使用的所有方法相对客观、确定且易于实施，因此具有高度的灵活性和可移植性，可应用于汉江流域的其他缺水情景以及其他跨行政区水资源管理系统。

值得注意的是，水文条件、社会经济发展状况和水管理政策的不确定性会影响跨行政区河流的可用水量和各行政区的水需求。因此，未来需进一步努力增强所提决策方法对跨行政区水资源管理的适应能力。

**研究结论翻译：**
本研究旨在提出一种结合公平性与稳定性考量的新型决策方法来管理跨行政区水资源短缺冲突。选择中国湖北省汉江流域作为案例研究以验证其有效性。首先，将湖北省汉江流域的跨行政区地表水量分配表述为一个破产分配问题，并引入七种破产规则（PRO、CEA、CEL、APRO、TAL、PIN和α_min-EA），在其十个市级行政区的两种缺水情景下生成水资源分配方案。然后，使用基尼系数和夏普利-舒比克权力指数量化这些水资源破产分配方案的公平性与稳定性标准。随后，运用博弈论构建了结合公平性与稳定性考量的决策方法。最后，使用该决策方法确定湖北省汉江流域的优选水资源分配破产方案。主要结论可总结如下：
（1）基于常识且无需确定可用效用信息和增量收益，当总水需求超过可用水量时，破产规则被认为是执行汉江流域水资源分配的实用方法。然而，鉴于它们是依据不同的分配原则制定的，且汉江流域十个行政区对其持有不同的偏好，其实施前的现实适用性应予以评估。
（2）如果一个水资源分配方案的公平性指数值相对于另一个方案较高，则其稳定性指数值相对较低，这证实了水资源分配方案之间存在明显的公平性与稳定性权衡。
（3）尽管公平性与稳定性标准无法在同一方案中同时优化，但存在识别折衷方案的空间，这些方案比最稳定的方案更公平，同时比最公平的方案更稳定。
（4）公平-稳定性权衡指数在干旱年将CEL和PIN方案分别确定为汉江流域水资源分配的首选和最不理想方案。在极端干旱年，APRO和CEA方案分别被评为最佳和最差选择。
（5）研究结果强调了在管理跨行政区水资源短缺冲突时平衡公平性与稳定性标准的必要性和重要性，博弈论可以提供有见地的权衡方法。
结果证明了所提决策方法的优势，研究发现可为湖北省汉江流域在两种缺水情景下的地表水量分配提供决策建议。其所用的所有方法相对客观且易于实施，这确保了其高度的灵活性和可移植性。同时，其决策结果易于被利益相关者和政策制定者理解和接受。