面向行業的初始水權配置系統優化

吳 丹,吳鳳平

(河海大學商學院,江蘇 南京 210098)

流域初始水權配置主要包括 2個層次[1-2]:第1層次,即流域初始水權在各區域(涉及流域內省、市和縣3級行政區域)之間的配置;第2層次,即區域初始水權在各用水部門(涉及區域內用水行業或產業和最終用水戶)之間的配置。目前,針對流域初始水權第1層次的配置,國內外學者已進行了系統性的探索研究,國外學者主要根據具體國家和地區的社會制度、水資源情況、文化傳統,沿襲了具有各自歷史合理性的配置方法[3-9],通過立法和過程模擬進行分配研究;國內學者主要通過系統地構建一套水權配置指標體系,建立綜合指標評價模型[1,10-11]對其進行分配研究。

針對流域初始水權第 2層次的配置,國內外學者研究的焦點主要集中于水權配置應遵循的原則與優先序位規則,通過構建目標規劃模型[12-16]進行分配研究。其中,學者們均認為水權配置遵循的原則包括人的基本生活用水優先原則、保障社會穩定和糧食安全原則、重視生態及保護環境原則、經濟效益原則、產業結構合理原則。針對不同用水行業初始水權配置結果是否合理,不同行業能否接受配置結果,鮮見學者進行系統探討。吳鳳平等[17]提出了一種對水權配置方案進行和諧性判別的方法,并在和諧性判別的基礎上研究了一種能有效調整不同地區、不同行業初始水權配置結果的分配方法。但構建的各行業判別指標過于單一,未充分體現行業的水權配置結果與其發展目標之間是否存在一定的匹配關系。

鑒于國內外相關文獻,為保障不同用水行業初始水權配置結果的合理性,滿足不同行業水權配置結果與其發展目標之間的匹配關系,將流域內各區域的生活、生態環境以及生產等用水行業作為初始水權配置對象,從系統角度構建面向行業的初始水權配置系統,在剖析初始水權配置系統內涵與特征的基礎上,提出初始水權配置系統優化思想,結合系統中各用水行業的發展目標構建初始水權配置系統診斷指標體系,建立改進的理想解模型,對流域內各系統中不同用水行業的初始水權配置結果進行診斷,并根據診斷結果結合不同用水行業的發展目標,基于交互式決策理論,將目標規劃模型與逐步折衷法相結合,建立初始水權配置系統優化模型,對流域內各系統中不同用水行業的初始水權進行同步調整,以充分體現流域內各系統中不同行業的水權配置結果與其發展目標之間保持一定的匹配關系,保障流域內各系統中不同行業的水權配置結果合理。

1 面向行業的初始水權配置系統優化思想

1.1 初始水權配置系統的內涵與特征

面向行業的初始水權配置系統是由流域內各區域的生活、生態環境以及生產等相互作用、相互影響、相互制約的不同用水行業構成的具有一定結構、目標與功能的系統,是在水資源管理制度和法律法規體系的前提保障下,充分考慮流域內各區域的水資源與社會、經濟以及生態環境之間相互協調與制約關系,結合生活、生態環境以及生產等用水行業的發展目標,為防止不同用水行業之間的惡性競爭用水問題,以區域產業結構布局的調整與優化為核心,對各用水行業初始水權進行配置的系統。其中,生活、生態環境、第一產業、第二產業以及第三產業等用水行業既是系統不可分割的有機組成部分,又是相對獨立的子系統。

面向行業的初始水權配置系統既要統籌兼顧生活、生態環境、生產的用水需求,又要限制高耗水產業的發展,在保障社會穩定和糧食安全的基礎上,將水資源配給低耗水、高效益的生產用水行業,最終實現區域產業結構布局的調整與優化,提高區域的社會經濟綜合效益,以水資源的可持續高效利用支撐區域經濟社會的可持續發展。

1.2 初始水權配置系統優化的總體思想

面向行業的初始水權配置系統優化,是在確定流域內各系統中不同行業初始水權配置結果的基礎上,通過對流域內各系統中不同行業的水權配置結果與其發展目標之間的匹配關系的診斷,以驗證不同用水行業初始水權配置結果的合理性。若配置結果不合理,則根據診斷結果,結合不同用水行業的發展目標,通過流域內各系統中不同行業之間的多輪交互協商,對不同行業的初始水權進行同步調整,以保障流域內各系統中不同行業的水權配置結果與其發展目標之間保持一定的匹配關系,實現不同用水行業初始水權的優化配置。

面向行業的初始水權配置系統優化過程分為2個階段,第1階段為初始水權配置系統診斷過程,第2階段即初始水權配置系統優化過程。第1階段是在確定流域內各系統中不同行業初始水權配置結果的基礎上,構建初始水權配置系統診斷指標體系,建立初始水權配置系統診斷模型,對流域內各系統中不同行業的水權配置結果與其發展目標之間的匹配關系進行診斷,以驗證不同用水行業水權配置結果的合理性。第2階段是基于不同用水行業在不同發展時期的用水需求常常處于不斷調整、修正、演化的狀態,根據診斷結果,結合不同用水行業的發展目標建立初始水權配置系統優化模型,通過對流域內各系統中不同用水行業的水權配置結果進行同步調整,充分體現流域內各系統中不同行業的水權配置結果與其發展目標之間的匹配關系。

2 面向行業的初始水權配置系統診斷

2.1 初始水權配置系統診斷指標體系

面向行業的初始水權配置系統診斷是對流域內各系統中不同用水行業初始水權配置結果的合理性進行的診斷,主要體現流域內各系統中不同行業的水權配置結果與其發展目標之間的匹配關系。目前,學者們主要針對水資源承載力評價指標體系、水資源配置系統協調發展評價指標體系、水資源配置系統可持續發展評價指標體系以及水資源配置系統協同度評價指標體系等水資源綜合評價指標體系進行研究探討。基于此,根據各區域不同用水行業的初始水權配置結果,結合流域內各系統中不同用水行業的發展目標,借鑒水資源綜合評價指標體系,采用文獻研究法、頻度統計法、主成分分析法以及專家咨詢法等理論分析方法,在全面深入各區域調研、與各區域利益相關者訪談、征求流域各區域管理機構和水權配置領域專家意見的基礎上,確定影響流域內各系統中生活、生態環境、農業、工業以及第三產業水權配置的診斷指標,構建面向行業的初始水權配置系統診斷指標體系,見圖1。

圖1 面向行業的初始水權配置系統診斷指標體系

從圖1可知,影響流域內各系統中不同行業水權配置的診斷指標主要是結合生活、生態環境、農業、工業以及第三產業等不同用水行業的發展目標,以體現流域內各系統中不同行業的水權配置結果與其發展目標之間的匹配關系。基于初始水權配置系統診斷指標體系,分別以生活、生態環境、農業、工業以及第三產業等用水行業水權配置結果為研究對象,通過構建診斷模型,可進一步驗證流域內各系統中不同用水行業水權配置結果的合理性。

2.2 初始水權配置系統診斷模型

結合初始水權配置系統中生活、生態環境、農業、工業以及第三產業等用水行業的診斷指標,采用改進的理想解模型,對流域內各系統中不同用水行業水權配置結果的合理性進行診斷。改進的理想解模型構建的具體步驟如下:

步驟1分別以生活、生態環境、農業、工業以及第三產業等用水行業為研究對象,結合面向行業的初始水權配置系統診斷指標體系,確定流域內各系統中不同用水行業水權配置結果的診斷指標。

設系統di(即流域內第i區域水權配置系統,i=1,2,…,n)第j(j=1,2,…,5)用水行業水權配置結果的診斷指標體系可表示為Yi={Yi1,…,Yi5},其中,生活診斷指標Yi1={yi11,yi12,yi13},生態環境診斷指標Yi2={yi21,yi22,yi23},農業診斷指標Yi3={yi31,yi32,yi33,yi34},工業診斷指標Yi4={yi41,yi42,yi43},第三產業診斷指標Yi5={yi51,yi52,yi53}。針對流域內各系統中同一用水行業水權配置結果的診斷指標進行指標規范化處理,構造加權指標值。即

式中:xijk為系統di第j用水行業水權配置結果的第k項加權指標值;yijk為影響系統di第j用水行業水權配置結果的第k項診斷指標值;Zijk表示對流域內各系統中同一用水行業的診斷指標進行歸一化處理后的指標值;wijk為yijk的權重,可充分利用規范化評價的先驗信息以及專家咨詢法等相結合的綜合賦權法予以確定;k=1,…,L,其中L為系統di第j用水行業的指標總個數(j=1,2,4,5時L=3;j=3時,L=4)。

步驟2確定系統di第j用水行業水權配置的第k項診斷指標的理想值和負理想值。式中:K為效益型指標的下標組成的集合;K′為成本型指標的下標組成的集合。

步驟3計算系統di第j用水行業水權配置結果的診斷指標到指標理想值的距離。

式中為系統第j用水行業水權配置結果的診斷指標到其理想值的距離為系統di第j用水行業水權配置結果的診斷指標到其負理想值的距離。

步驟4計算系統di第j用水行業水權配置結果的診斷指標對其指標理想值的相對接近度。

式中:Cij為系統di第j用水行業水權配置結果的診斷指標對其指標理想值的相對接近度,0≤Cij≤1;α為決策者對診斷指標到其理想值距離的偏好權重;β為決策者對診斷指標到其負理想值距離的偏好權重 ,通常取 α=β=0.5。

步驟5檢驗系統di第j用水行業水權配置結果與其發展目標之間的匹配關系。可用公式表示為

式中:Wij為系統Si第j用水行業的配水量(Wi1,Wi2,Wi3,Wi4,Wi5分別為系統Si的生活、生態環境、農業、工業以及第三產業的配水量);WDij為系統Si第j用水行業的需水量;Eij為系統di第j用水行業的水權配置效率(Ei1,Ei2,Ei3,Ei4,Ei5分別為系統di的人均生活配水量單位綠地面積配水量、單位灌溉面積配水量、單位第二產業產值配水量、單位第三產業產值配水量);Pi,Si,TAi,TIi,TSi分別為系統di的人口總數、綠地面積、灌溉面積、工業產值、第三產業產值;ηj為流域內各系統中第j用水行業(Sij,)的配水效率差異閾值,可根據現狀年國內外典型流域的配水方案,依據流域內各系統不同行業的特點,分析不同系統同一行業的配水效率差值,通過專家咨詢的方法取其平均值予以確定。充分體現了流域內各系統中不同用水行業配水效率差異的合理性。

對于流域內各系統中的生活、生態環境、農業、工業以及第三產業等用水行業的水權配置結果,如果均滿足式(5),則認為流域內各系統中不同用水行業的水權配置結果合理;反之,則需要對流域內各系統中不同用水行業的水權配置結果進行調整。

3 面向行業的初始水權配置系統優化

根據初始水權配置系統的診斷結果,若流域內各系統中不同用水行業的水權配置結果未通過系統診斷,則必須通過各系統中不同用水行業之間的交互協商對初始水權配置系統進行優化。基于此,按照初始水權配置系統中不同用水行業初始水權配置的優先序位,在構建不同用水行業初始水權配置的目標規劃模型基礎上,基于交互式決策理論,將交互式決策方法中的逐步折衷法[18]與目標規劃模型相結合,建立初始水權配置系統優化的交互式目標逐步折衷耦合模型,通過多輪交互式迭代過程對流域內各系統中不同用水行業的初始水權進行適用性調整,以保障流域內各系統中不同用水行業的水權配置結果通過系統診斷。初始水權配置系統中不同用水行業初始水權配置的優先序位如下:①優先滿足人的基本生活用水需求;②優先保障糧食生產用水需求;③保障河道外生態環境的用水需求;④為提高整體的國民經濟效益,按照第二產業、第三產業以及第一產業的用水序位,合理保障三次產業的用水需求;⑤確定三次產業結構比例,以促進三次產業之間的協調發展。

交互式目標逐步折衷耦合模型是逐步折衷法與目標規劃模型相結合的耦合模型,其將流域內各系統中不同用水行業的發展目標細分為3個子集,即:①必須加以改進現有水平的目標集;②至少應保持現有水平的目標集;③可適當減少現有水平的目標集。通過多輪交互迭代過程,不斷調整流域內各系統中不同用水行業的目標值與約束條件,然后建立新的目標規劃函數,以修正各系統不同用水行業的配水量,從而獲得較滿意的水權配置結果。

交互式目標逐步折衷耦合模型有2個核心思想:第一,充分考慮到決策者的偏好,用 Δqij修正約束條件;第二,為避免新模型與舊模型的解重復,用新的約束條件替代舊模型的約束條件,同時,不改變用水行業水權配置的優先級別。根據交互式目標逐步折衷耦合模型的思想,通過流域內各系統中不同用水行業之間的交互協商,假定用水行業的目標調整規則為:①系統Si的生活用水行業、生態環境用水行業的發展規劃目標至少應保持不變;②系統Si的農業用水行業在保障糧食總產量的基礎上,其配水量Wi3可適度降低,降低的量為 Δqi3(流域內其他系統的行業配水量若需調整,則可類似考慮),建立系統優化的交互式目標逐步折衷耦合模型,即

式中為系統Si第j用水行業經水權調整后得到的解;Zi1,Zi2,Zi3,Zi5,Zi7,Zi8分別為系統Si生活用水的目標值、糧食總產量的目標值、河道外生態環境用水的目標值、第三產業生產總值的目標值、第一產業與第二產業產業結構比的目標值、第二產業與第三產業產業結構比的目標值;ai,bi,ci,ei分別為系統Si每立方米水的糧食產量、第二產業增加值、第三產業增加值、第一產業增加值,分別為系統Si第m個目標超過Zim目標值的正偏差量,以及未達到Zim目標值的負偏差量。

采用GLPS目標規劃軟件,對式(7)進行求解,對于流域內各系統的不同用水行業可獲得系統Si不同用水行業的新的水權配置結果。通過多輪交互迭代,最終保障流域內各系統中不同用水行業的水權配置結果通過系統診斷。

4 實例分析

以大凌河流域為例,在確定規劃年2030年該流域各區域的初始水權配置方案的基礎上,對各區域不同行業的配水量進行診斷與優化。大凌河是一條獨流入海的河流,大凌河流域是內蒙古自治區、遼寧省、河北省3個省級行政區域的跨省流域,包括遼寧省的錦州市、阜新市、朝陽市、盤錦市、葫蘆島市5個地級市13個縣(市、區)及內蒙古自治區通遼市、赤峰市和河北省承德市等部分地區。規劃年2030年大凌河流域各地級市的社會經濟發展指標值可通過大凌河流域各地市的水資源公報及《水權制度建設試點經驗總結——大凌河流域初始水權制度建設資料匯編》[19]以及調研等方式予以得到。大凌河流域多年平均可分配水資源總量為12.494億m3,流域內各區域的水權初始配置方案見表1。

表1 大凌河流域各區域的水權初始配置方案 萬m3

根據表1,以生活、生態環境、農業、工業以及第三產業等用水行業為研究對象,結合改進理想解模型,對大凌河流域各區域不同用水行業的水權配置結果進行診斷,依據區域用水行業的特點,確定生活、生態環境、農業、工業以及第三產業配水效率的差值閾值η1=20m3/人,η2=0.15萬m3/hm2,η3=0.45萬m3/hm2,η4=0.004m3/元,η5=0.0002m3/元。大凌河流域各區域不同用水行業的診斷指標特征值見文獻[20]。

根據式(1)～(4)得到流域各區域中同一用水行業發展目標的相對貼近度,見表2。

表2 大凌河流域各區域同一用水行業發展目標的相對貼近度

經診斷可知,行業水權配置結果存在不合理性。結合優化模型式(7),優化大凌河流域各區域不同用水行業的配水量,使流域各區域的用水行業水權配置結果與其發展目標之間保持一定的匹配關系。大凌河流域各區域的水權優化配置方案見表3。

表3 大凌河流域各區域的水權優化配置方案 萬m3

表3中,赤峰和通遼第三產業水權配置結果雖未滿足式(5),但其已達到第三產業需水量,因此可認為其第三產業的水權配置結果合理,即流域各區域的用水行業水權配置結果與其發展目標之間保持一定的匹配關系,流域各區域不同用水行業的水權配置結果合理。

5 結 語

在構建面向行業的初始水權配置系統、剖析初始水權配置系統內涵及其特征的基礎上,提出了面向行業的初始水權配置系統優化的思想,建立了初始水權配置系統診斷指標體系與模型,通過系統優化的交互式目標逐步折衷耦合模型,實現了流域各區域的不同用水行業水權合理配置。基于大凌河流域各區域不同行業的水權配置方案,進一步驗證了模型的合理性。

:

[1]吳鳳平,葛敏.水權第一層次初始分配模型[J].河海大學學報:自然科學版,2005,33(2):216-219.

[2]葛敏,吳鳳平.水權第二層次初始分配模型[J].河海大學學報:自然科學版,2005,33(5):592-594.

[3]GOPALAKRISHNAN C.The doctrine of prior appropriation andits impact on water development:a critical survey[J].American Journal of Economics and Sociology,1973,32(1):61-72.

[4]HOWE C W,SCHURMEIER D R,SHAW W D.Innovative approaches to water allocation:the potential for water markets[J].Water Resources Research,1986,22(4):439-445.

[5]MATHER J.Water resources[M].New York:John Wiley&Sons,Inc.,1984.

[6]WILLIAM G.Waterlaw[M].2nded.Michigan:Lewis Publishers,Inc.,1988.

[7]KEL MAN J,KELMAN R.Waterallocationfor economic production in a semi-arid region[J].WaterResources Development,2002,18(3):391-407.

[8]TEERINK J R,MASAHIRO N.美國日本水權水價水分配[M].劉斌,高建恩,王仰仁,譯.天津:天津科學技術出版社,2000.

[9]ROBERT B,EDWYNA H.Efficiency gainsfrom water markets:empirical analysis of water move in Australia[J].Agricultural Water Management,2008,95:391-399.

[10]陳艷萍,吳鳳平,吳丹.基于模糊優選和TOPSIS法的流域初始水權分配模型[J].河海大學學報:自然科學版,2009,37(4):467-471.

[11]佟金萍,王慧敏,牛文娟.流域水權初始分配系統模型[J].系統工程,2007,25(3):105-110.

[12]王治.關于建立水權與水市場制度的思考[N].中國水利報,2001-12-25(4).

[13]曾勇,楊志峰,劉靜玲.一種區域水資源初始產權配置模型[J].資源科學,2005,27(2):28-32.

[14]周念來,紀昌明.區域水權初始配置模型研究[J].水電能源科學,2007,25(3):6-8.

[15]董增川.水資源規劃與管理[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[16]吳丹,吳鳳平,陳艷萍.面向行業的初始水權配置系統模型構建[J].水利水電科技進展,2010,30(5):29-32.

[17]吳鳳平,葛敏.基于和諧性判斷的交互式水權初始分配方法[J].河海大學學報:自然科學版,2006,34(1):104-107.

[18]汪敏,王麗錚,朱美琪.一種交互式船型優化方法的探討及應用[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2002,26(1):99-102.

[19]高而坤,黨連文.水權制度建設試點經驗總結:大凌河流域初始水權制度建設資料匯編[G].北京:中國水利水電出版社,2008.

[20]吳風平,吳丹,陳艷萍.流域初始水權配置系統方案診斷模型[J].系統工程,2010,28(4):24-29.