基于水權管理的水資源可持續承載力測評研究

王鵬全，張麗娟，吳元梅，曹進軍

(1. 青海民族大學建筑工程學院， 西寧 810007；2. 青海省水利水電科學研究所 青海省流域水循環與生態重點試驗室，西寧 810001；3. 甘肅省水利廳石羊河流域管理局，甘肅 武威 733000)

我國西北內陸干旱區水資源稟賦不足，經濟社會的快速發展對水資源的剛性需求日益增加，人均水資源占有量不斷下降，水生態、水環境問題日趨嚴重，部分流域水資源開發利用程度已超出其承載能力，水危機成為建設生態文明和發展區域社會經濟的“瓶頸”。水資源可持續承載力的研究能夠有效地規劃區域經濟社會發展規模，合理開發水土資源，對水資源的可持續利用和經濟社會的可持續發展提供決策指導和參考價值[1,2]。

自1989年水資源承載力這一概念提出以來，國內學者從水資源開發規模和水資源支持可持續發展能力等角度對水資源承載力的定義不盡相同[3-5]，并提出了指標體系綜合評價法[6]、生態足跡法[7,8]、VAR模型法[9]、系統動力學模型法[10]、多目標優化模型分析法[11]等多種評價水資源承載能力的研究方法。但由于水資源承載力研究涉及的因素多、范圍廣且系統復雜，目前常用的各種評價方法都難以全面刻畫水資源開發利用的高效性、公平性、協調性和可持續性。

水權制度是最嚴格水資源管理制度和水資源資產化管理的具體體現，基于水權的用水總量控制、用水效率控制及水功能區限制納污“3條紅線”管理是以市場機制、政府協調和民主參與的形式對稀缺水資源進行優化配置和提高水資源承載能力的有效途徑[12]。目前，利用水權理論研究水資源可持續承載力的研究較少，水權理論則更多應用于研究水資源的優化配置和管理。例如王學鳳[13]、吳丹[14]、肖淳[15]等通過建立多目標水權配置模型研究了流域初始水權在各區域及其各行業之間的合理配置。

西北內陸干旱地區水資源在不同水權主體間進行配置和使用時容易引起利益沖突。水權制度作為水資源管理的“活鑰匙”，通過政府宏觀調控和市場微觀調節，設置行業用水優先權，形成用水總量控制、用水效率控制和水功能區納污3條紅線“倒逼”機制，實現水資源的產權化管理和用途管制，提高水資源利用的效率和效益。水權管理的根本目標是促進水資源公平、高效、永續利用及協調水資源與社會、經濟發展與生態環境的關系，動態調整水資源在時間、空間、數量和質量上的要求，創造良好的用水秩序，從而實現水資源的二次優化配置，提高水資源的可持續承載能力[16]。

水資源的優化配置、承載能力和可持續利用都闡述了社會系統、經濟系統、生態環境系統與水資源系統的內在聯系，3者是相輔相成的。水資源優化配置是指利用科學手段使有限的水資源進行合理配置，實現水資源的可持續利用，保證社會經濟、水資源、生態環境的協調發展，強調水資源的有效利用；可持續觀念強調了水資源開發利用的可持續性、協調性、公平性以及水資源的價值觀；承載能力則是以水資源優化配置為出發點，以可持續發展為原則，強調水資源能夠支持人口與社會經濟發展速度與規模的極限值[17]。顯然，水資源優化配置是實現水資源可持續利用的技術手段，可持續發展是水資源合理配置與承載能力研究的指導思想，承載能力是可持續發展理論的結論[18]。要使水資源的開發利用達到可持續發展，必須進行水資源優化配置和承載能力研究。

本文將水資源可持續承載力界定為：在未來時空尺度上，以可預見的技術經濟發展水平為依據，以水權(Water Right)管理為手段，以水資源“3條紅線”為約束，以水資源開發利用的公平(Equity)、高效(Efficiency)和生態(Ecology)安全為目標，區域水資源可供人口和生產規模(工業增加值、農業灌溉面積)可持續發展的極限值。研究基于水權管理建立WR-3E水資源配置模型，設計不同的水資源開發利用預案和經濟社會發展模式，提出相應的水資源配置方案。由于不同水資源開發利用預案下的承載能力不同，通過層次分析模糊優選理論選取可持續發展程度較高的水資源配置方案，并在此基礎上測評區域水資源的可持續承載能力，以期對西北內陸干旱區水資源的可持續承載力評價提供借鑒。本文的研究框架見圖1。

圖1 研究框架

1 水資源承載力計算模型構建

1.1 WR-3E水資源配置子模型

針對本文對水資源可持續承載力的界定，以及對水權制度、水資源優化配置和可持續發展關系的分析，基于水權管理建立以公平性、效益性和生態安全性為目標的水資源優化配置模型(簡稱WR-3E模型)如下：

f(x)=opt[f1(x),f2(x),f3(x)]x∈X

(1)

f1(x)為公平性目標，以滿足不同區域間、行業間以及用戶間對水資源及其效益的合理分配利用，體現水資源使用權的優先級。鑒于公平性目標的模糊性，研究用行業缺水率均方差描述水資源空間分配的公平性：

(3)

f2(x)為效益性目標，表現為水資源開發利用對國民經濟發展產生的價值。研究以水資源、水環境調整后的綠色GDP(EDP)最大作為效益性目標的衡量標準：

(4)

式中：bi為行業用水效益系數，元/m3；ci為行業用水費用系數，元/m3，包括供水成本費用、水環境保護支出費用、水資源耗減價值和水環境退化價值。

f3(x)為生態環境目標，區域生態環境的安全是經濟社會發展的保障條件。研究以區域污水排放中主要污染物BOD含量最小作為生態環境目標的衡量標準[19]：

(5)

式中：di為用水行業i的污水排放率；pi為用水行業污水排放量中重要污染因子BOD的含量，mg/L。

模型的約束條件主要有取水總量控制約束、行業用水總量約束、用水效率指標約束和水功能區納污限制指標約束等。WR-3E模型則由以上公平性目標、效益性目標、生態安全性目標以及約束條件組合而成，用于求解各方案下的水資源配置結果。由于上述3個目標具有對立統一性，利用權函數法統一協調公平、效率和生態目標的利弊關系，并將各目標函數進行歸一化處理。將綜合目標表示為：

maxf(x)=-λ1f1(x)+λ2f2(x)-λ3f3(x)

(6)

式中：λ1、λ2、λ3分別是公平、效率、生態穩定性目標的權重。

1.2 方案優選子模型

1.2.1 水資源配置方案集

在水權制度的驅動下，區域不同的發展模式對應的水資源配置方案各異，受社會發展、政策水平、生活習慣等因素的影響，水資源承載力處于動態變化當中。西北內陸干旱區，農業用水比例大，用水效率低，生態環境用水被嚴重剝奪。因此，依托水權管理作為頂層設計，科學處理開源與節流的關系，調節產業結構，減壓農業耕地面積，推廣高效節水技術，控制GDP增長速率，促進水權交易，貫徹生態優先和綠色發展的理念是該地區實現有限水資源優化配置和提高水資源可持續承載力的主要措施。將以上措施進行情景組合，并采用WR-3E模型求解，則得到若干個水資源配置方案集。

1.2.2 層次評價指標體系

研究借鑒國內水資源可持續利用指標體系的相關研究[20]，以水資源可持續發展為目標層，選取發展程度、協調程度和公平程度3個準則層和12個分指標層，利用層次分析法建立區域水資源可持續發展程度評價指標體系[21]，見圖2。圖2中：I1為人口增長率；I2為城市化水平；I3為工業增加值增長率；I4為人工生態面積；I5為BOD超標倍數；I6為水資源開發利用程度；I7為人均水資源量；I8為工業萬元增加值用水量；I9為農業萬元產值用水量；I10為生態用水比例；I11為行業缺水率均方差；I12為GDP增加值。

圖2 可持續發展指標評價體系

1.2.3 方案優選模型

可持續發展程度是一個模糊概念，不能用確定性的指標量化。研究采用系統層析模糊優選理論，以水資源利用的發展性、協調性和公平性的綜合優屬度衡量可持續發展程度，從而篩選可持續發展程度較高的水資源配置方案。具體計算過程如下。

設由WR-3E模型組合計算得到n個水資源配置方案集，按照評價指標體系準則層數目劃分p個評價塊，每個評價塊有mi個評價指標。則對第i個評價塊第j個待選方案可用特征向量表示為：

S(i)j=(S(i)1j,S(i)2j,…,S(i)mij)T

(7)

于是第i個評價塊待優選的n個方案可用mi×n階特征矩陣表示為：

(8)

式中：S(i)kj表示第i個評價塊中方案j評價指標k對應的特征值，i=1,2,…,p；j=1,2,…,n；k=1,2,…,m。

為了計算方便，將[S(i)kj]中的評價指標特征值歸一化，轉化為相應的隸屬度，得到其模糊指標特征矩陣為：

(9)

對于正相關指標：

對于負相關指標：

式中：inf、sup分別表示指標行向量中特征值的最小值和最大值。

考慮到n個水資源配置方案優選的相對性，從各方案中選取優等方案和劣等方案。則第i個評價塊中優等水資源配置方案用行向量表示為V(i)1=(v(i)11,v(i)12,…,v(i)1mi)；劣等水資源配置方案用行向量表示為V(i)2=(v(i)21,v(i)22,…,v(i)2mi)。v(i)1k表示第i個評價塊中mi個評價指標的隸屬度是n個水資源配置方案中相應評價指標隸屬度的最大值；v(i)2k表示第i個評價塊中mi個評價指標的隸屬度是n個水資源配置方案中相應評價指標隸屬度的最小值。

采用陳守煜[22]提出的待選方案與優等方案和劣等方案間歐氏權距離的概念，得到第i個評價塊中第j個待選方案的優屬度為：

(10)

式中：ω(i)k表示第i個評價塊中第k個評價指標的權重。

通過將從屬于發展、協調和公平3個評價塊的優屬度加權求和則得到每個水資源配置方案的綜合優屬度，即水資源可持續發展程度。

(11)

式中：ω(i)表示第i個評價塊的權重；μj表示第j個待選方案的水資源可持續發展程度。

1.3 水資源可持續承載力計算子模型

水資源可持續承載力是一個動態性概念，隨技術和管理水平的發展而變化，相同的水資源量在不同時空尺度上具有不同的承載能力。本文探究的水資源可持續承載力基于水權管理和可持續發展程度較高的水資源配置方案上，承載能力的量化指標可以描述為：

Cw(t)={C1,C2,C3}

(12)

式中：Cw(t)表示水資源承載力量化指標的集合；C1、C2、C3分別表示人口總數、工業增加值和農業灌溉面積對水資源的承載力的指標。

根據本文對水資源可持續承載力的界定，提出水資源可持續承載力量化指標的計算模型如下：

(13)

式中：Wj,i表示水資源配置方案j下用水行業i的水權水量；qj,i表示水資源配置方案j下用水行業i的用水定額，反映特定水資源開發利用模式下的用水效率。

2 實例應用

利用以上模型測算石羊河流域下游民勤縣不同水平年的水資源可持續承載力。石羊河流域水資源匱乏，生態問題十分敏感，農業用水比例大且耗水量高，水資源利用效率和效益整體較低。考慮到以上問題，重點從生態治理，高效節水，經濟結構調整和提高用水效率和效益等方面設置水資源開發利用情景預案。Ⅰ： 調整農業內部種植結構，推廣節水技術，低GDP增長；Ⅱ： 實行水資源產權化管理與水權交易等措施調整產業結構，壓田節水，高GDP增長；Ⅲ：調整產業結構，壓田節水，較高GDP增長，強化生態優先和綠色發展；Ⅳ：開源節流，控制人口增長，強化生態建設。采用WR-3E模型求解上述預案則得到若干個水資源配置方案集，通過WR-3E子模型求解各預案在不同水平年的水資源優化配置結果見表1。利用2020年的水資源配置結果，采用系統層次分析模糊優選理論篩選可持續發展程度最高的預案。選取上文所述I1,I2,…,I12共12個評價指標構建民勤縣水資源配置預案評價指標特征矩陣見表2。

表1 民勤縣各預案不同水平年的水資源配置結果

注：配水總量為紅崖山水庫出庫水量與井口可供水量。

表2 民勤縣2020年水資源配置預案評價指標特征矩陣

按照圖2所示的層次分析結構劃分發展、協調、公平3個評價塊，采用satty指標法確定各評價塊的權重為ω(i)=(0.540,0.163,0.297)；各評價塊的指標權重分別是ω(1)k=(0.066,0.096,0.347,0.152,0.164,0.175)；ω(2)k=(0.094,0.330,0.205,0.371)；ω(3)k=(0.667,0.333)。通過方案優選子模型得到各水資源配置預案的優屬度計算結果見圖3。其中將綜合優屬度作為水資源可持續發展程度的量化指標，即各預案的可持續發展程度為μj=(0.097,0.673,0.634,0.380)。故以最優預案Ⅱ和次優預案Ⅲ的水資源配置結果分別計算區域不同水平年的水資源可持續承載力指標。

圖3 2020年各預案的優屬度計算結果

根據本文提出的水資源可持續承載力計算子模型分別求解最優預案Ⅱ和次優預案Ⅲ下民勤縣水資源可承載人口、工業增加值和農業灌溉面積的指標見表3。選取2020年的計算結果，通過與文獻[23,24]的研究成果對比，最優預案Ⅱ所得到的人口承載力指標增加2.02%，工業增加值指標增加10.94%，農業灌溉面積減少10.12%；次優預案Ⅲ所得到的人口承載力指標增加1.16%，工業增加值指標增加4.30%，農業灌溉面積減少7.68%。研究的計算結果提高了人口與工業增加值的承載容量，這與石羊河流域調整產業結構，壓田節水，促進水權從農業向工業流轉等一系列水資源管理制度相適應，證明本文所建立的水資源可持續承載力測算模型具有較強的可靠性和操作性。

表3 預案Ⅱ和預案Ⅲ的民勤縣水資源可持續承載力指標

3 討 論

(1)以水資源開發利用“3E”目標為出發點，基于水權管理的水資源優化配置模型、方案優選模型和水資源可持續承載力測評模型組成的集成模型能夠較全面的刻畫水資源開發利用的高效性、公平性、協調性和可持續性，在一定程度上克服了以往對水資源承載能力評價的局限性，這是本文價值所在。

(2)石羊河流域水資源匱乏，農業用水比例大，耗水量高，要實現稀缺水資源的高效利用，有必要以水權交易制度 “倒逼”農業用水由“粗放”到“精細”轉變，使農業耕地面積與農業水權相適應，實現農業生產的集約化與規模化，從而調整水資源在各產業間的分配比例，提高用水效率和效益，防治生態用水被剝奪。因此，預案Ⅱ具有一定的合理性。

(3)模型應用實例成果與已有成果進行對比，最優預案Ⅱ所得到的人口承載力指標增加2.02%，工業增加值指標增加10.94%，農業灌溉面積減少10.12%，水資源承載能力得到了極大改善。驗證了本文對水資源可持續承載力界定的合理性及其計算模型的實用性。

(4)水資源匱乏的民勤地區，在開源有限的條件下，通過調整產業結構，壓田節水，強化生態優先和綠色發展，實現水資源產權化管理與水權交易等措施是進一步提高水資源可持續承載力的主要途徑。

4 結 語

本文通過總結眾人的研究成果建立了水資源可持續承載力測評模型，該模型考慮了社會系統、經濟系統、生態系統和水資源系統的對立統一性，在一定程度上克服了以往對水資源承載能力評價的局限性，但是對于生態承載力及生態足跡的描述有所不足，需要進一步討論。其次，評價水資源可持續發展程度的指標體系需要進一步補充完善。研究基于最嚴格水資源管理制度和水權制度，通過水資源的可持續承載力研究，制定科學合理的水資源開發利用方案，將對西北內陸干旱區經濟社會發展規模的規劃及水資源的科學管理提供參考和指導價值。

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