用水效率多情景約束下省區初始水量權差別化配置研究

張麗娜等

摘要面向最嚴格水資源管理制度的新要求，利用情景分析法刻畫用水效率控制約束情景，分情景研究用水總量控制下的省區初始水量權差別化配置問題。從公平性的角度出發，在全面認知省區現實經濟活動量差異、資源稟賦差異和未來發展需求差異，識別影響用水效率控制約束強弱的關鍵情景指標的基礎上，設計省區初始水量權差別化配置指標體系，以區間數描述不確定信息，設置及描述用水效率控制約束情景WECS1、 WECS2和WECS3，構建動態區間投影尋蹤配置模型，利用實數編碼加速遺傳算法進行求解，計算獲得不同用水效率控制約束情景下各省區的初始水量權。不同情景下2030年太湖流域各省區的初始水量權配置區間量測算結果表明：在任意情景下，江蘇省的初始水量權最大，其次是浙江省和上海市，安徽省最少，配置結果在考慮公平的基礎上充分尊重省區的差異性；江蘇省的初始水量權配置區間量隨著用水效率控制強度的增強而減少，浙江省和上海市的配置區間量無明顯增減變化趨勢，安徽省的配置區間量隨著用水效率控制強度的增強而增加，且增加趨勢明顯。配置結果可有效促進各省區尤其是欠發達省區提高用水效率，有利于推進最嚴格水資源管理制度的落實。同時，分情景以區間數的形式給出配置結果，可為水量權配置決策提供更為準確的決策空間。

關鍵詞情景理論；區間投影；差別化；省區初始水量權配置；最嚴格水資源管理制度

中圖分類號 TV213.4文獻標識碼A文章編號1002-2104（2015）05-0122-09doi：103969/jissn1002-2104201505016

我國人多水少，水資源時空分布不均。社會經濟的快速發展和全球氣候變化導致水資源供需矛盾日益突出，引發了水資源短缺、水污染加劇等一系列水問題，已經成為制約我國經濟社會發展的瓶頸[1]。面對我國日益突出的水資源問題，2011年中共中央1號文件《中共中央國務院關于加快水利改革的決定》和中央水利工作會議明確提出要實行最嚴格水資源管理制度，并確立了三條紅線，即水資源開發利用控制紅線、用水效率控制紅線、水功能區限制納污紅線。2012年國務院3號文件《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》（簡稱《意見》）明確了三條紅線的主要目標，指出要抓緊制定主要江河水量的分配方案。這充分體現了國家對水資源管理的戰略需求和制度安排。

明晰流域初始水權是落實最嚴格水資源管理制度的重要途徑和技術支撐。省區初始水權配置包括省區初始水量權配置和省區初始排污權配置，是流域各省利益的重新分配過程，尤其會對水權既得利益者產生極大的影響，是流域初始水權配置的主要內容和關鍵環節，也是最難協調的部分[2]。因此，明晰省區初始水權是保障各區域的合理用水需求，落實最嚴格水資源管理制度的重要手段。考慮到省區初始水權配置具有敏感性和復雜性的特點，逐步尋優的配置過程一般包括三個階段：①省區初始水權宏觀層面的水量配置，即省區初始水量權配置，②省區初始水權微觀調控層面的排污權配置；③基于量質耦合的省區初始水權配置，以實現水權宏觀配置向微觀調控的過渡。本研究的研究范圍是省區初始水量權配置。用水總量控制紅線位于三條紅線之首，是主要控制因素，其目標是以流域生態環境保護為前提，強化水資源管理的約束力，促進水資源優化配置[3]。用水效率控制紅線是節水性協調控制紅線，可以直接影響水量[4]。在用水總量控制要求下，如何有效嵌入用水效率控制約束，實現省區初始水量權科學配置，是當前水資源管理理論和實踐面臨的一個重要課題。

目前，國內外學者根據各自的水資源實際狀況、社會體制及文化差異等，分別開展了各具特色的水權或水資源配置理論研究與實踐探索。①多角度開展配置過程模擬研究。Daene等[5]利用面向對象技術把水資源管理模型與GIS有機結合模擬流域水資源配置過程；Ralph[6]為美國的德克薩斯州建立了水權配置模擬模型，模擬不同分水行為下的系統響應；Lizhong Wang，Keith等[7-8]基于保障荒地流域水資源配置過程中兼顧公平和效率的思想，先后提出流域初始水權配置兩階段協作配置模型，基于優先權的最高多階段網絡流程方法和詞典編纂的最小缺水率方法的流域初始水權配置模型；Read 等[9]基于經濟學權力指數配置方法模擬利益相關者談判的過程，尋求穩定性配置方案。②相繼開展水權配置立法實踐。如美國河岸法、日本河川法、澳大利亞維多利亞法等[10-11]。國內學者主要采用多目標優化技術，從公平與效率兩個方面度量不同因素對配水量的貢獻，并分別應用于黃河、太湖、大凌河、塔里木河等流域的水權配置實踐。如陳南祥、黃顯峰、李維乾等[12-14]分別提出基于改進類電磁學算法、遺傳算法、混沌優化算法的水權或水資源配置模型，兼顧多目標需求提高模型的應用效果；吳鳳平、吳丹等[15-16]基于主從遞階思想構建多目標雙層優化模型，實現流域初始水權在不同區域及不同部門之間的合理配置。王宗志、胡四一等[17-18]論證了用水與排污雙總量控制的必要性，并構建了以水資源系統和諧度最大為目標的流域初始二維水權分配模型。王浩等[2]基于水資源“三次平衡”分析進行流域初始水權配置。王慧敏等[19]將綜合集成研討廳理論引入流域初始水權配置中，實現多利益主體定性的、不全面的感性認識的綜合集成。這些理念和方法在初始水量權配置實踐中起到了良好的指導作用，但在最嚴格水資源管理制度的約束下，尚存在兩點不足：①將用水效率控制分情景嵌入到目標函數中的配置模型尚不多見；②受原則量化和高維優化求解困難的限制，綜合度量不確定性條件下區域差異的初始水量權配置研究較少。

針對初始水量權配置中存在的問題，設計兩個關鍵步驟予以解決：①利用情景分析法，識別影響用水效率控制約束強弱的關鍵情景指標，以區間數描述不確定信息，分類設置用水效率控制約束強弱變化的情景。②從公平性的角度出發，嵌入用水效率控制約束，研究用水總量控制的省區初始水量權差別化配置，設計省區初始水量權差別化配置指標體系，構建動態區間投影尋蹤配置模型，并利用實數編碼加速遺傳算法進行求解，計算獲得不同用水效率控制約束情景下各省區的初始水量權。最后，結合太湖流域進行案例分析驗證模型的實用性和有效性。

1省區初始水量權差別化配置指標體系的設計

1.1用水總量控制下省區初始水量權差別化配置影響因素及表征指標差別化配置是相對于絕對平等配置而言的，是在充分承認省區差異基礎上的差額分配，而不是等比例分配或等量分配[20]。用水總量控制下省區初始水量權差別化配置內涵為： 基于流域可分配水資源量（配置對象）的約束，以協調上下游左右岸不同省區的正當用水權益、推動經濟社會發展與水資源水環境承載力相協調為目的，以清晰界定產權歸屬、充分承認省區差異等為配置原則，從公平性的角度出發，綜合考慮省區現實經濟活動量差異、資源稟賦差異和未來發展需求差異3個影響因素，各省、自治區、直轄市等行政主管部門（配置主體）確定某一時期流域內各省區初始水量權的過程。結合以上內涵，系統梳理相關研究成果[1，3，21-23]，在考慮數據可得性和實用性的基礎上，設計表征配置影響因素的指標體系。

（1）省區現實經濟活動量差異。選定現實經濟活動量作為影響水量配置方案制定的主要因素，可鼓勵各省區提高經濟發展、水資源利用水平的積極性，體現了經濟性。本研究選擇萬元GDP用水量（m3/萬元）、多年平均GDP增長率（%）、多年平均耗水率（%）和農田灌溉水有效利用系數四個指標表征社會經濟發展的省區異質性。這四個指標能有效反映各省區的現狀用水情況，直接影響水量在省區間差別化配置結果。

（2）省區資源稟賦差異。考慮省區資源稟賦差異是尊重區域水資源承載力的表現，更符合自然規律，具有公平合理的特征。從而確保水量配置方案的實施具有可操作性。本研究選擇多年平均徑流量（億m3）、多年平均供水量（億m3）和區域面積（km2）作為反映省區資源稟賦差異的表征指標。

（3）省區未來發展需求差異。省區初始水量權配置須體現各省區經濟發展需水及用水節水結構的變化趨勢，以便提高利益相關者的滿意度，促進各省區社會經濟的發展。本研究選擇人均需水量（不含火核電）（m3）和萬元GDP需水量（m3）作為表征省區未來發展需求差異的指標。

1.2用水效率控制約束情景設定及描述

Kahn 和Pearman等[24-25]指出情景（Scenario）是對某些不確定性事件在未來幾種潛在結果的一種假定。規劃年用水效率控制約束的強弱程度不僅僅著眼于過去和現狀，更重要的是展望未來，而用水效率控制約束情景分析是實現從歷年及現狀年到規劃年合理過渡的新手段。因此，該方法具有適用性。本研究借助情景分析法刻畫不同假設條件下用水效率控制約束強弱的變化。主要步驟為：

（1）用水效率控制約束情景主題的確定。為確定用水效率控制約束情景主題，需討論兩個研究對象：一是分析流域內各省區的現狀用水效率，即流域內各省區的工業、農業和生活的用水效率現狀；二是梳理《意見》對用水效率控制指標的階段性要求，及具體流域規劃年用水效率控制指標分解的研究成果。基于以上分析可知，用水效率紅線約束的情景主題是識別和分析影響用水效率紅線約束強弱的影響因素，簡稱為用水效率控制約束的強弱。

（2）識別關鍵影響因素及表征指標。刻畫用水效率控制約束情景主題的影響因素有多個，重點是識別影響用水效率控制約束強弱的關鍵影響因素。目前，該類研究主要是從工業、農業和生活用水效率水平來反映某省區的綜合用水效率水平，表征影響因素的指標主要包括農田灌溉畝均用水量、萬元工業增加值用水量、工業用水重復利用率、人均生活用水量和城鎮供水管網漏失率等[1-2，23]。在比較數據的可得性與表征效果之后，識別關鍵影響因素的表征指標為——農田灌溉畝均用水量（m3）、萬元工業增加值用水量（m3）和城鎮供水管網漏失率（%）。

（3）設置及描述用水效率控制約束情景。《意見》明確提出用水效率管理目標為到2030 年用水效率達到或接近世界先進水平，同時，確定了2020 年用水效率管理目標。為了描述具體流域分階段用水效率控制約束情景，需從以下兩個方面著手：①分析具體流域各省區與國內外用水效率先進水平的差距；②在明確具體流域各省區與國內外用水效率先進水平差距的基礎上，根據相關規劃提出的用水效率控制階段性要求，考慮具體流域各省區水資源現狀用水水平、經濟社會發展規模與趨勢、相關節水規劃等，通過量化關鍵影響因素的表征指標設置用水效率控制約束的三類情景。

設開展省區初始水量權配置的省區為Si，配置指標為Pj，時間樣本點為Tk，省區Si對應于時間樣本點Tk的配置指標Pj的屬性值為x±ijk，其中，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n，k=1，2，…，q，m，n，q分別為配置省區、時間樣本點和配置指標的總數；“+”表示指標的上限值，“-”表示指標的下限值。

情景1：用水效率弱控制約束情景（WECS1）。分階段接近世界先進水平，即關鍵影響因素表征指標均以比例α的浮動接近流域相關規劃設置的用水效率最低控制目標，記為[（x-ijk）1，（x+ijk）1]，j=j1，j2，j3分別表示三個表征指標的序號。

情景2：用水效率中控制約束情景（WECS2）。分階段達到世界先進水平，各指標的消減總量較WECS1時的下限值分別消減比例β，即[（x-ijk）2，（x+ijk）2]=[（1-β）·（x-ijk）1，（x-ijk）1]。

情景3：用水效率強控制約束情景（WECS3）。分階段超過世界先進水平，各指標的消減總量較WECS2時的下限值分別消減比例η，即[（x-ijk）3，（x+ijk）3]=[（1-β）（1-η）·（x-ijk）1，（1-β）（x-ijk）1]。

其中，α、β和η是區間[0，1]上的消減比例參數，其數值越接近于1，用水效率控制約束越強；消減比例參數值視具體流域各省區與國內外用水效率先進水平的差距而定。

1.3省區初始水量權差別化配置指標體系框架

基于上述分析，構建省區初始水量權差別化配置指標體系框架，具體如表1所示。

2省區初始水量權差別化配置模型及求解方法

2.1模型的構建

為實現用水總量控制下省區初始水量權的差別化配置，構建動態區間投影尋蹤配置模型，主要理由如下：一是動態投影尋蹤技術相對于傳統初始水權配置模型，能夠在分階段客觀提取配置指標信息的情況下，將非正態非線性高維數據轉化為一維數據，反映數據的動態性，并可克服傳統方法需要確定時間與指標權重的困難；二是在省區初始水量權配置過程中，由于各個省區的發展變化及水資源開發利用具有不確定性，采取某一點數值量化某些配置指標具有片面性，需引入區間數表示其屬性值，以區間數描述不確定現象或事物的本質和特征，可有效的減少由于測量、計算所帶來的數據誤差、及信息不完全對計算結果帶來的影響[27-28]。模型的設計步驟為：

（1）配置指標值的無量綱化處理。設J1表示效益型配置指標的下標集，J2表示成本型配置指標的下標集。為消除各指標值的量綱，根據區間數的運算法則[29]，采用公式（1）和（2）將配置指標矩陣Xk=（x±ijk）m×n轉化成規范化矩陣Yk=（y±ijk）m×n。

3.3結果分析

根據表4的配置結果，繪制不同情景類別下2030年太湖流域江蘇省、浙江省、上海市和安徽省的初始水量權配置結果及其變化趨勢圖，如圖1所示。

由圖1可知，在任意用水效率控制約束情景中，江蘇省的初始水量權配置區間量最大，其次是浙江省和上海市，初始水量權配置區間量最少的是安徽省，在考慮公平性的基礎上充分尊重省區的差異性，基本符合各省區的實際情況。理由如下：結合表2的基礎數據，根據面積配置模式得江蘇省、浙江省、上海市和安徽省的配置比例為52.58∶32.78∶14.03∶0.61；按照供水能力配置模式得江蘇省、浙江省、上海市和安徽省的配置比例為48.93∶17.66∶33.34∶0.60。①本研究的配置結果與按照面積配置模式、供水能力配置模式總體一致，這說明本研究的配置方法可體現省區資源稟賦差異，比較尊重區域的水資源承載力，符合自然規律，具有公平合理的特征。②本研究的配置方法與按照面積配置模式的配置結果存在差異，如按照面積配置模式，浙江省相比于上海市處于明顯優勢（浙江省、上海市分別占流域總面積的32.78%和14.03%），但根據本配置方法，從圖1可以看出浙江省相比于上海市不存在明顯優勢，這說明本配置方法可充分考慮省區現實經濟活動量差異（浙江省、上海市萬元GDP用水量分別為192 m3和126 m3，上海市的用水經濟效益優于浙江省），可體現省區現實經濟活動量差異，促進水資源的高效利用。

從圖1的各省區初始水量權配置量變化趨勢曲線可以看出，江蘇省的初始水量權配置區間量隨著用水效率控制強度的增強而弱度減少；浙江省和上海市的初始水量權配置區間量在WECS1、WECS2和WECS3三種情形下，無明顯增減變化趨勢；安徽省的初始水量權配置區間量隨著用水效率控制強度的增強而增加，因安徽省的配水量的基數小而增減變化趨勢顯著。該配置結果符合實際情況，隨著各項節水措施和用水管理制度的實施，安徽省的節水技術及能力逐步提高，江蘇省、浙江省和上海市相對于安徽省節水潛力逐步減少，江蘇省、浙江省和上海市難以因用水效率較高而獲得鼓勵其節水的水量，這使得安徽省的配水量得到提高。事實上，在WECS1、WECS2和WECS3三種情形下，江蘇省水田畝均灌溉水量區間數為[577，587] m3、[501，557] m3、[451，501] m3，萬元工業增加值用水量為[45，50] m3、[41，45] m3、[37，41] m3，城鎮供水管網漏失率為[9.5，10]%、[8.6，9.5] %、[7.7，8.6] %，鑒于這三個指標的指標屬性皆為負向，利用區間數比較的可能度運算[36]，計算得江蘇省的WECS2優于WECS1、WECS3優于WECS2的三指標區間數比較綜合可能度為4.568，而安徽省的綜合可能度為4.768 > 4.568。綜上分析可知本研究配置結果可充分體現省區初始水量權配置過程中嵌入用水效率控制約束的有效性，可有效促進各省區尤其是欠發達省區提高用水效率，有利于最嚴格水資源管理制度的貫徹與落實。

4結論

本研究構建省區初始水量權差別化配置指標體系，以區間數描述不確定信息，設置及描述用水效率控制約束情景WECS1、 WECS2和WECS3，構建動態區間投影尋蹤配置模型，分情景以區間數的形式給出太湖流域省區初始水量權配置結果，為水量權配置決策提供更為準確的決策空間，為省區初始水量權配置決策提供新的研究視角。同時，各省區應該在水量權分配問題上建立合理的協商機制，妥善解決水量權分配過程中出現的各種分歧和爭議，以保證水量權配置方案的順利實施。

（編輯：王愛萍）

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