流域上下游水資源與水污染沖突評估
——基于水足跡-粗糙集理論

薛英嵐,陳 巖,曾維華

(1.北京師范大學環境學院,北京 100875;2.生態環境部環境規劃院,北京 100012)

流域以其得天獨厚的資源、地理優勢,成為各地區經濟和產業發展的核心。但流域本身的整體性和人為行政區劃分割之間的矛盾、水資源利用和水污染排放的外部性,使得流域內各級地方政府在水資源分配、水污染治理上難以達到有效合作[1-2],加劇了流域水資源短缺和水環境污染的問題。流域上下游地區間沖突的識別與評估,是在流域層面對水資源分配與水污染治理矛盾進行協調和解決的關鍵[3]。

目前流域上下游沖突識別與評估主要可分為模糊綜合評價-層次分析法(Fuzzy Comprehensive Assessment-Analytic Hierarchy Process,FCA-AHP)、基于博弈理論的流域沖突分析法、F-H 沖突分析法、圖模型(GMCR)方法和沖突中多主體仿真方法,多為水資源或水污染單方面的研究。

a.FCA-AHP 法側重于沖突風險的評估,首先從流域水量、水質、生態環境和管理體制等方面建立指標體系,通過AHP 法確定權重系數,再采用模糊綜合評價方法評估沖突風險的隸屬度,確定流域上下游沖突的風險等級。胡慶和等[4]采用FCA-AHP法建立非線性模型對資水流域進行水資源沖突風險評估,結果顯示該流域沖突風險等級為中等,人均用水量偏低,水權界定不明晰。FCA-AHP 法通過評價指標體系可對流域沖突的影響因素進行全面考慮,但在評估過程中權重確定較為主觀,且無法反映上下游的沖突類型和程度。

b.基于博弈論的流域沖突分析法,根據博弈模型可分為演化博弈[5]、非合作動態博弈[6]和完全合作博弈[7]等。通過對多種情況下(多個用水戶情景、完全信息情景、公用水權模式等)各利益相關者收益的分析,從不同角度對流域上下游以及不同部分間的水資源分配、水污染治理沖突進行判定,為后續達到均衡條件提供依據?；诓┺恼摰牧饔驔_突分析法根據博弈論中不同的均衡條件,可有效對沖突的協調、緩解提出科學的解決方案,但由于大多數博弈模型均為非合作的一次性(one-shot)模型,而現實中流域利益相關者間的博弈具有長期和經常性的特征,此外流域內水資源、水質都具有動態變化特性,而博弈模型未能考慮其輸水、治水中的時間因素。

c.F-H 沖突分析法是從亞對策分析法基礎上發展而來,于1979 年由Fraser 和Hipel 提出[8],之后逐漸應用于流域水資源管理等領域[9-11]。F-H 沖突分析法包括建模和穩定性分析:建模確定沖突涉及的局中人及其策略集,由此確定沖突的可行局勢和偏好向量;穩定性分析通過一定的邏輯原則確定各局中人的局勢穩定性,為沖突平衡提供依據。在F-H 沖突分析法以表格形式表達的基礎上,Hipel等[12-13]提出沖突分析的圖模型(GMCR),并拓展了其在流域沖突管理中的應用。F-H 和GMCR 分別以表和圖的形式表達沖突,基于對未來情況的邏輯分析對沖突進行識別和判斷,但無法對利益相關者間的沖突程度做出評估[14],缺乏具體量化沖突的指標。近年來,隨著模擬仿真科學的不斷進步,多主體(multi-agents)沖突分析方法逐漸被應用于環境管理和流域規劃中,包括基于元胞自動機(CA)和基于強互惠理論的沖突分析法[15-16],通過對政府Agent和用水Agent 行為偏好的模擬,對不同Agent 間訴求沖突進行模擬和協調。多主體沖突分析方法可以更加全面細致地考慮不同利益相關方間的關系和期望,但在實際模擬過程中,對Agent 決策偏好的制定較為主觀,并缺乏對不同地區資源稟賦的考慮。

由此可見,針對流域水資源利用和水環境保護上下游權責沖突,目前的水資源和排污負荷分配沖突研究一方面對分配原則的指標和上下游決策考慮較為主觀,另一方面對流域內水質、水量的關聯及其動態變化考慮不全面。本文將水足跡理論引入流域上下游沖突評估體系中,在水足跡框架下考慮流域不同區域水資源稟賦與水質現狀,基于粗糙集理論對流域不同利益相關方的水資源分配和水污染之間的沖突進行程度量化。通過核算藍水和灰水足跡的可持續性,從客觀上表征上、下游區域對既有分配方案的認同和偏好態度。此外,水足跡以自然徑流量和實際徑流量反映水資源和水環境的承載能力,充分考慮了水質、水量的相關性及其動態變化,可以為流域規劃和生態補償等相關沖突協調制度提供更加客觀和科學的依據。

1 基于水足跡-粗糙集的流域沖突評估方法

1.1 水足跡理論與核算方法

水足跡(water footprint,WF)理論以虛擬水(virtual water) 為理論基礎,由Hoekstra 等[17]于2002 年提出,指一定范圍內(某區域或某些人口)在一定時間內消耗的所有產品和服務所需要的水資源量。水足跡以水量為單位,包括綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡三方面[18-21]。其中,綠水足跡指植被的雨水總蒸散量與儲存在農作物或林木內水分之和;藍水足跡指生產產品或提供服務過程中所消耗的水資源量;灰水足跡指以水質標準為基準,將生產過程中產生的污染負荷稀釋與同化所需的水資源量。

本文以藍水足跡表征流域水資源的利用與供給,以灰水足跡表征流域水污染物排放與水環境質量。與傳統的取水量、排污量等指標相比,水足跡可以從“需求”的角度核算流域上下游地區社會經濟發展的資源需求量[22]。傳統的核算口徑表征的區域往往為基于現狀,其需求可能未得到充分的滿足;此外,水足跡可以從資源可獲取量角度,將流域的水質和水量聯系起來,并通過引入環境基礎流量(environmental flow requirement,EFR),在分配上下游水資源時考慮水生態因素[23]。

1.1.1 流域上下游區域水足跡核算方法

1.1.1.1 藍水足跡

根據區域的用水結構,將藍水足跡分為種植業、畜牧業、工業、居民生活4 個部門。其中,居民生活又分為城鎮居民生活和農村居民生活兩部分。區域藍水足跡核算為

式中:FBlue-farm、FBlue-gra、FBlue-ind、FBlue-urpop、FBlue-rupop分別為種植業、畜牧業、工業、城鎮居民生活和農村居民生活的藍水足跡;i、j、s分別為種植農作物種類、養殖牲畜種類和工業產業種類;ETC,i為農作物i的單位面積生長需水量;Qeff為有效降水量;A為農作物種植面積;Hj為牲畜j的養殖耗水強度;Mj為牲畜j的養殖規模;Hs為單位工業增加值的耗水強度;Is為產業s的增加值;Purban和Prural分別為區域城鎮和農村人口;K1為城鎮居民綜合用水定額,表征城鎮居民生活和第三產業的綜合用水;K2為農村居民生活用水定額[24]。

對于作物單位面積生長需水量ETC,一般根據聯合國糧食及農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)發布的CROPWAT 模型確定:

式中:ET0為標準農作物的單位面積生長需水量,m3/m2;Δ為溫度-飽和水氣壓曲線的斜率,kPa/℃;Rn為地面凈輻射蒸發當量,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量,MJ/(m2·d);γ為溫度計常數,kPa/℃;T為平均氣溫,℃;v為平均風速,m/s;pa為飽和水氣壓,kPa;pd為實際水氣壓,kPa;KC,i為農作物i的植物系數。

有效降水量Qeff計算公式為

式中Qmonth為月降水量,mm。根據藍水足跡表征的內涵,由于作物耕種期間每個生長周期的需水情況均不相同,因此,種植業藍水足跡以月為單位進行核算,再進行全年累加。

1.1.1.2 灰水足跡

與藍水足跡類似,區域灰水足跡也分為種植業、畜牧業、工業和居民生活4 個部門?？紤]了化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)3 種污染物來計算灰水足跡,并取其最大值作為實際灰水足跡,表示為

式中:FGrey-farm、FGrey-gra、FGrey-ind、FGrey-urpop、FGrey-rupop分別為種植業、畜牧業、工業、城鎮居民和農村居民的灰水足跡;U為作物的單位面積施肥量(分為氮肥和磷肥) (種植業污染物包括NH3-N 和TP,不含COD);θ為作物化肥流失系數;CS和Cnat分別為區域的水質目標和污染物本底值;Z為單位養殖規模的排污量;M為區域內養殖規模;H為產業排污強度(分為COD、NH3-N 和TP);D1為城鎮居民綜合排污系數;D2為農村居民生活排污系數;αur為區域內城鎮生活污水收集率;βur為城鎮生活污水處理率;λrupop為農村生活污水的入河系數,不考慮農村生活污水的收集和集中處理。

1.1.2 流域上下游水足跡可持續性評估方法

在對流域內上下游區域的水足跡進行核算后,借鑒水足跡可持續性評估的理念,以藍水足跡可持續性表征水資源的承載狀態,以灰水足跡可持續性表征水環境的承載狀態。以上下游水資源和水環境承載狀態的差異作為流域用水、排污沖突評估的依據。

1.1.3 基于藍水足跡的水資源可持續性評價

在特定時間段t內,區域x可利用藍水資源量Qblue,即為區域自然徑流量Qnat減去環境基礎流量QEFR:

環境基礎流量為維系淡水和河口生態系統及流域內人類生存和福祉所需的水量[25]。目前環境基礎流量的通用計算規則是,在開發條件下河流每年、每月的平均徑流相當于未開發條件下的±20%[26]。而藍水足跡可持續性指標Bblue,等于可利用藍水資源量與藍水足跡的比值:

1.2 基于灰水足跡的水資源可持續性評價

流域灰水足跡的影響取決于流域可容納污染物的徑流大小,某流域內一定時間的水質標準得不到滿足,即等同于污染物的量消耗掉水體全部的納污能力?；宜阚E可持續性又稱為水污染程度,指已消耗的納污能力占總納污能力的比例,等于實際徑流與灰水足跡的比值:

1.3 基于水足跡-粗糙集的流域沖突評估方法

沖突(conflict),在社會學上可定義為若干個社會單元在目標上互不相容產生的矛盾。而沖突局勢(conflict situation)是對沖突問題的描述,由沖突方、沖突變量及約束條件組成。與沖突方對應的是“偏好”(preference),指某一沖突方對某個沖突變量值的喜愛程度。對于流域內的社會經濟發展,沖突具體指流域范圍內不同地區間的用水和排污沖突。沖突方對應上下游不同的行政單元,沖突變量包括水資源量(對應藍水足跡)和允許排污量(對應灰水足跡)等。采用粗糙集理論,可以對上下游水足跡可持續性的沖突局勢進行評估,對沖突程度進行量化。粗糙集理論由波蘭學者Pawlak[27]于20 世紀80 年代提出,是一種描述不完整性和不確定性的數學工具。我國學者安利平等[28-29]利用粗糙集理論中的信息系統表示沖突問題,并提出沖突矩陣的概念,在此基礎上進行沖突描述和分析。

基于粗糙集的離散型沖突量化方法可表示為:首先定義信息系統為二元組S=(N,L),其中N為非空有限對象集,L為非空有限屬性集,?a∈L。定義函數a:N→Va,其中Va為a的值域。對于流域社會經濟發展,N中元素為所有的沖突局中人,即為流域上下游不同的行政單元,L中元素為各爭端問題,包括水資源(藍水足跡) 的分配和允許排污量(灰水足跡) 的分配等。Va={+1,0,-1},即局中人(流域上下游) 對分配方案的態度,+1、0 和-1 分別表示贊成、中立和反對。由此可建立一個描述流域水系統規劃沖突的信息系統,對規劃(分配) 方案的沖突進行識別和量化。

將沖突的程度定義為沖突度。規劃方案(分配方案)a對n個局中人(流域上下游)的沖突度定義為

式中:y∈N代表y為N中的某一局中人,a(y)=+1 或a(y)=-1 則表示局中人y對分配方案a的態度為贊成或反對;card() 為集合的基數;int 為取整函數。

對于屬性集L(?a∈L),其沖突度定義為用來量化整體局勢S=(N,L) 的沖突程度:

根據其定義,其值在[0,1]的區間內,對其沖突程度分級見表1。

表1 沖突程度評價分級

對于各局中人(流域上下游)之間,其就某一規劃方案的不同偏好,可以認為是一種距離,距離越大表示局中人之間的沖突程度越大,從而表征局中人之間的沖突程度。

對于沖突局勢S=(N,L),設b?A,定義

表示局中人y和z在規劃方案集合b上的距離總和。對于方案a,y與z沖突的距離d可表示為

則局中人y與z就分配方案集合b的沖突程度為

2 案例分析

2.1 研究區簡介與數據來源

以青海省湟水河流域的小峽橋斷面上游為研究區。湟水河流域位于青海省東北部,處于青藏高原與黃土高原的過渡地帶,是黃河上游最大的一級支流。研究區地理區位如圖1 所示,其范圍包括西寧市區(城東區、城北區、城中區和城西區)、大通回族土家族自治縣、湟中縣、湟源縣、海晏縣和互助土家族自治縣6 個區域。本文的用水-排污沖突評估,也在這6 個區域間展開。

圖1 青海省湟水河流域區位與行政區劃

本文涉及的區域水足跡核算,其周期從2011—2015 年。各區域的社會經濟數據主要來源于《青海省統計年鑒》《西寧市統計年鑒》以及各區縣的《國民經濟和社會發展統計資料》,其他參數取值見表2。

表2 數據來源

2.2 水足跡可持續性核算

根據水足跡可持續性核算方法,得到湟水河流域上下游6 個區域2011—2015 年的藍水和灰水足跡可持續性,如圖2 所示。由圖2 可以看出,各區域水足跡可持續性均存在較大差異。

圖2 各區域2011—2015 年藍水和灰水足跡可持續性

藍水足跡方面,下游的西寧市區和上游的海晏縣可持續性均高于1,表明這兩個區域目前水資源有一定的開發潛力;中游的湟源縣和湟中縣可持續性在1/3～1/2 之間,表明其存在一定的水資源欠缺問題,而大通縣和互助縣可持續性最低,表明水資源處于嚴重短缺狀態。

灰水足跡方面,大部分區域可持續性均小于1。海晏縣等上游區域,由于其較高的水質標準,水環境超載情況較為嚴重;互助縣、大通縣、湟中縣和湟源縣均存在不同程度的超載情況;西寧市區可持續性最強。

2.3 沖突度與沖突距離核算

根據各區域藍水和灰水足跡的可持續性,首先評估流域整體的沖突局勢。基于可持續發展的目標,進一步細化偏好程度,設Va={2,1,0,-1,-2,-3},其中每個數值對應的偏好態度如表3 所示。

表3 不同水足跡可持續性指數的偏好態度

根據式(9),對各區域之間的水資源利用和污染物排放沖突度進行核算,得到2011—2015 年藍水足跡和灰水足跡的沖突局勢,如圖3 所示。由圖3可以看出,在水資源方面,上下游區域間在2013 年出現較為嚴重的沖突.根據藍水足跡可持續性評價結果,2013 年為干旱年,全流域可利用水資源均大幅降低,因此導致沖突增大。此外,“十二五”末期(2014—2015 年)的水資源利用沖突比前期低。在污染物排放方面,2011—2015 年時間段整體呈現出較為穩定的沖突局勢,沖突程度處于中等水平(均值為0.489)。

圖3 流域2011—2015 年水資源利用與污染物排放的整體沖突局勢

在此基礎上,根據式(11)核算各區域兩兩之間的沖突距離,來描述具體區域間的沖突大小,如表4所示。沖突距離表示區域間藍水足跡和灰水足跡可持續性間的差異,其數值在[0,1]之間,表示兩區域間對分配方案偏好程度的不同比例,數值越大表示區域間沖突越嚴重。此外,流域上下游的不同區域,同為沖突中平等的局中人,因此區域m與區域n的沖突,和區域n與區域m的沖突是等同的,其內涵即區域m與n沒有就當前分配方案達成共識,因此沖突只有大小,沒有方向性。在表4 中只有左下三角形區域有數值,右上三角區域與左下呈中心對稱關系。

表4 區域間沖突距離

由表4 可以看出,區域間的差距均在0.5 以上,代表上下游間或多或少存在中等或偏大的沖突;位于下游的西寧市區與其余各區域的沖突均較為嚴重(與其中4 個區域的沖突距離為1),是未來流域規劃需要解決的重點;湟中縣和海晏縣與其他區域的沖突相對較小;大通縣、湟源縣、互助縣等區域與其他區域的沖突處于中等水平。

3 結論與展望

3.1 結論

a.與傳統的取水量、排污量等指標相比,水足跡作為流域沖突評估的指標,可以更準確地反映區域社會經濟發展的用水和排污需求,并將水質水量聯系起來。此外,水足跡核算中對環境基礎流量的考慮,也將水生態因素納入了流域沖突評估范疇。

b.以青海湟水河流域為例,進行了流域上下游區域間用水和排污沖突的評估。結果顯示,在2011—2015 年流域水環境整體沖突局勢為中等且趨勢較為穩定,水資源在干旱年(2013 年)沖突較大。位于下游的西寧市區,與上游和中游各區域沖突均較為顯著,是未來規劃中需要考慮的重點。

3.2 展望

本文將水足跡引入流域沖突評估,主要考慮的是流域水系統的沖突和矛盾,對流域內涉水規劃(水資源開發利用規劃、水污染防治規劃、排水規劃等)起指導作用。在“多規融合”的背景下,在未來研究中應加入更多的規劃因素,如土地利用、產業布局等,以此更加全面反映流域內區域的沖突,同時也可為更多類型的規劃產生指導意義。