基于協調均衡的水資源配置決策方法研究

賈正茂，趙新磊，崔長勇

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司)

1 概論

水資源是稀缺有限的，如何高效科學地利用水資源，將有限的水資源合理地配置給不同用戶，一直是國內外學者研究的重點。在水資源配置研究方面，國際上研發了一系列水資源配置模型，如MIKEBASIN、Waterware、IQQM 等。中國有關水資源配置的研究，經歷了單一水源工程配置、基于宏觀經濟的區域水資源配置、面向生態的水資源配置階段、面向全屬性功能的水資源配置4 個階段。水資源配置的核心是結合國家發展目標和社會需求，促進經濟發展與資源、生態、環境相協調，以水資源的可持續利用促進社會經濟的可持續發展。

2 水資源配置決策方法

2.1 理論基礎

20 世紀末Grossman 等提出了環境庫茲涅茨曲線（EKC），成為研究經濟社會發展與生態環境系統關系的經典理論。基于環境庫茲涅茨曲線，很多學者研究了經濟社會發展與生態環境變化的關系，然而該曲線不能全面反映經濟社會和生態環境的問題，還需要建立經濟發展綜合評價指標系統和生態環境綜合評價指標系統。

耦合理論可以用來描述兩個或者兩個以上系統之間相互作用的影響程度，然而耦合度可以顯示各系統之間關聯作用的強弱，不能顯示系統的整體協調水平。通過耦合度可以進一步計算出系統之間的協調程度，清晰地反映出系統之間相互作用、相互影響的協調水平，能夠判斷出系統之間是否和諧發展，稱之為協調度。協調度是指在相同的時間段內不同地區或同一地區不同的時間點內，各要素相互影響、相互配合程度的定量描述。協調度是一個不斷變化的概念，表現為某一狀態的值，是對系統間協調發展狀況的最終判斷。一些學者引入協調均衡原理，對水資源與其它子系統間的內部關系進行了研究，并提出了優化方案。

2.2 面向水資源配置的三系統指標評價體系構建

過去對水資源配置技術評價，多以追求缺水率最小，或用水效率最高為目標，對經濟社會、資源社會經濟、資源稟賦、生態環境各系統的特點考慮較少。本次研究遵循相關性、全面性、科學性、可比性、適用性、可操作性等原則，從水資源科學配置的目的出發，構建基于社會-資源-生態三系統綜合考量的指標評價體系見表1。經濟發展系統從經濟水平、產業結構兩個方面挑選，共提出人均GDP、第二產業比重、第三產業比重3個指標；資源稟賦系統從水資源、綠地資源方面挑選，共提出人均水資源量、人均供水量、人均綠化面積3個指標；生態環境主要從污染物排放出發，提出人均廢污水入河量、人均氨氮入河量、人均COD入河量3個指標。指標屬性為正，表示該指標越大對子系統越好，反之，指標屬性為負，表示該指標越小對子系統越好。

表1 社會-資源-生態指標評價體系表

2.3 社會-資源-生態協調度模型構建

通過分析評價體系中9項評價指標2005-2014年的變化趨勢，采用信息熵的方法計算得到社會-經濟-生態各系統內部指標的單項權重αsoc，i、αres，i、αeco，i。由于各評價指標單位不同，正負屬性不同，對各指標進行標準化處理。按照公式（1）計算社會經濟系統綜合評價得分：

式（1）中：Xsoc表示社會經濟系統綜合評價得分；αsoci表示社會經濟系統中各指標的權重，αsoc1+αsoc2+αsoc3=1。資源稟賦系統綜合評價得分Xres、生態環境系統綜合評價得分Xeco可以參考此公式得到。

文章借用物理學的容量耦合概念和模型，提出耦合度：

式（2）中：C3表示三系統耦合度；Xsoc、Xres、Xeco分別表示社會經濟、資源稟賦、生態環境每個系統的綜合評價得分。耦合度Cn的取值范圍為［0，1］，耦合度值越大，表示三系統之間的關聯性越好，值越小，說明越不關聯。

計算出耦合度后，可以計算三系統綜合發展得分，能反映社會經濟、資源稟賦、生態環境的整體效應和貢獻：

式（3）中：T3表示三系統綜合發展得分；βi表示三系統之間的權重系數，計算方法有主觀賦權法和客觀賦權法。文章認為社會經濟、資源稟賦、生態環境三系統之間的貢獻值是相同的，所以取等值權重即β1=β2=β3=1/3。

通過耦合，得到三系統的協調度：

式（4）中：D3表示三系統協調度；C3表示三系統耦合度；T3表示三系統綜合發展得分。

按照三系統協調度的大小，可將三系統協調狀況分為五個等級階段，如表2。

表2 三系統協調度評價標準表

3 實例研究

3.1 研究區概況

駐馬店市下轄1區8縣，總面積13 633 km2，1956-2014年多年平均水資源總量451 323萬m3，其中地表水資源量341 571萬m3。

水資源供需矛盾日益突出，隨著經濟社會快速發展、工業化和城鎮化進程加快和國家糧食安全保障需要，水資源需求不斷上升，基準年（2014年）缺水量9 607萬m3，缺水率達9.80%。供水結構不合理，近6 a平均地下水供水量占總供水量的比例高達78%左右。水質狀況不容樂觀，據2014年監測資料，除了汝河上游、臻頭河上游、泌陽河等河段水質良好，水質達到Ⅲ類或優于Ⅲ類標準外，其他大部分河流河段水質都低于Ⅲ類標準，其中Ⅴ類和劣Ⅴ類的河流河段占了約50%。

3.2 結果分析

駐馬店市國民經濟發展總需水量2020年為125 891萬m3，2030 年為149 184 萬m3，16 a 凈增了50 737 萬m3，年增長率為2.60%。采用傳統水資源配置網絡模型，構建駐馬店市水資源供需平衡計算節點圖。以各節點為單位，以1956-2014年59 a系列逐月為時限輸入水資源評價數據。供水優先序設置方面，優先考慮城鎮生活、農村人畜、河道內生態環境用水，工業用水次之，農業灌溉及河道外生態最后滿足。

對比各水平年駐馬店各縣區協調發展情況，如圖1，可知，現狀2014年各縣區三系統協調度在0.41～0.52之間，只能達到中級協調發展水平；現狀年各縣區中上蔡縣協調度最小為0.41，驛城區、泌陽縣最大，均為0.52；主要原因是上蔡縣人均GDP最小，只有1.57萬元/人，驛城區人均GDP最高，為2.82萬元/人，泌陽縣的人均GDP、人均水資源量、人均供水量各項指標均較高。

2020 年通過合理調配各行業配置水量，各縣區協調度明顯提高，協調度高達0.80～0.83 之間，相比現狀2014 年提高0.28～0.39，各縣區均達到優質協調發展的要求；2020 年各縣區中協調度提高值最小的為驛城區，由現狀年0.52 提高至0.80，提高了0.28，協調度提高值最大的為上蔡縣，由現狀年0.41 提高至0.80，提高了0.39；主要原因是驛城區2020 年人口大幅度增加，增加了40.89萬人，各項人均指標提高幅度十分有限，上蔡縣由于現狀協調度最低，2020年通過提速發展、產業結構優化、增加供水量、減少排污量等措施，協調度大幅度增加。

表3 2020年水資源配置成果表

表4 2030年水資源配置成果表

圖1 不同水平年協調度情況圖

2030 年通過繼續的科學調配水量，各縣區協調度繼續提高至0.81～0.92 之間，相比2020 年提高程度達到0.01～0.12，各縣區協調發展水平進一步調高；2030 年各縣區中驛城區協調度最大為0.92，主要原因是驛城區作為駐馬店市的經濟、政治、文化中心，各項指標增長幅度較大。

4 結語

①文章引入了社會-資源-生態協調均衡理論，從水資源科學配置的目的出發，提出了一套面向水資源配置的三系統指標評價體系，構建了三系統均衡協調度模型。并以駐馬店市為研究實例，通過協調均衡水資源配置決策，得出2020年水平駐馬店市配置河道外供水量118 714萬m3，三系統協調度可達到0.81，2030年水平配置河道外供水量139 654萬m3，三系統協調度可達到0.86。文章以實現水資源的協調均衡為配置目標，更新了傳統的水資源配置思路，可為今后開展水資源規劃配置工作提供參考和借鑒。②建議進一步尋找更廣泛、代表性好、敏感度高的指標，根據水資源協調均衡配置特點，進一步研究各指標賦權方法技術。