盤山灌區不同節水目標情景下灌區水權優化配置分析

季香華

(盤山縣農業水利事務服務中心，遼寧 盤錦 124100)

目前，我國農業灌溉用水壓力較大，面臨著嚴峻的水資源短缺形勢，人均水資源量遠遠低于世界平均水平，水資源問題逐漸成為制約經濟可持續發展的重要瓶頸。我國大多數灌區灌溉水利用率低下、渠系襯砌率不高、設備老化嚴重、灌溉設施配套不齊全等問題突出，農業耕作方式比較傳統。此外，由于灌區管理體制不健全和灌溉水價普遍偏低等導致灌溉用水量控制不合理、水資源浪費、農業灌溉用水不文明等問題嚴重[1-3]。充分考慮灌區實際情況制定合理水價，對于提升灌溉水利用系數和節約灌區水資源等意義重大。為實現用水實踐過程中水資源的高效利用，必須明確各方主體實際可利用量以優化配置水權。鑒于此，文章將灌區水權優化配置模型與各種不確定因素相融合，優化分析了盤山灌區不同節水目標下的用水情況，旨在為灌區水權合理分配以及灌溉水高效利用提供一定理論依據。

1 灌區概況

盤山灌區位于遼河三角洲沖積平原上，在大凌河、繞陽河、大遼河、遼河四河流的下游，總面積1072km2，其中耕地5.04萬hm2，設計和實際灌溉面積3.91萬hm2、3.71萬hm2，屬于遼寧省大型灌區之一。灌區屬暖溫帶季風氣候，多年平均氣溫為8.4℃，年均降雨量646.8mm，多集中在7、8兩月，占全年降雨量的53%，年蒸發量大于年降水量，年均蒸發量為1669.6mm，是年降水量的2.7倍。盤山灌區始建于日偽時期，經過幾十年的發展，灌區已初步形成田成方、林成線、渠成網，遇旱能灌，遇澇能排的大型水田灌區。近年來，隨著城鎮化進程的加快和各種極端氣候事件頻發，工業、農業生產及居民生活用水需水量逐漸增大，與歷史平均值相比可供使用的總用水量明顯減少，城鎮地下水超采、農業灌溉用水比例偏高、水資源供給壓力劇增等問題突出，嚴重影響區域經濟的高效發展。然而，農田水利工程老化失修、灌溉水收費偏低是引起水資源利用效率低和灌溉需水量大的重要因素。因此，為有效提升農業用水灌溉效率必須加快推進灌溉水價綜合改革[4-6]。

2 模型研究

2.1 初始水權配置模型

分配管理灌區水資源時，在水量量測設施完全缺少的情況下水資源管理者很難做到精準分配每個用戶水量，而農業生產量的多少很大程度上取決于分配水量的多少，對于農業生產用戶做出縮產或增產計劃的根本依據是他們了解可以支配的水量多少(被分配了多少水量)，并且難以給出確定的用水收益和缺水損失數據，這就導致很多不確定因素影響著灌區的水權分配[7-8]。鑒于此，文章利用區間兩階段水權優化模型響應灌區經濟懲罰和水量數據不確定參數，在水量分配求解過程中考慮灌區水權配置的決策目標和不確定性，從而保證水權分配方案的科學合理性以及用水效率、成本、安全的協調發展，水權優化模型如下：

(1)

式中：Yci±、wci±為灌區調減水權和預期水權；P1i±、P0i±為灌區農業線性水價和預期水權水價；G1i±單位水權產值；i為灌區編號。該水權優化模型應符合以下約束條件，即：

P1i±≤P0i±≤Pmax

(2)

(3)

qc±≤Q±

(4)

wcimax≥wci±≥Yci±≥0

(5)

式中：Q±、qc±為農業實際可用水總量和實際可分配水權。

考慮到灌區休耕輪作灌溉面積，則可用水量與休耕輪作用水量的差值就等于實際可分配水權，鑒于休耕輪作面積具有一定不確定性，所以實際可分配水權計算應考慮年平均降雨量和蒸發量，具體表達式為：

qc=KPE1RE2ZE3

(6)

式中：P、K為灌區可分配水權價格(元/m3)和計算常數；Z、R為年平均降雨量，mm和蒸發量，mm；E1、E2、E3為水價、蒸發量和降雨量彈性系數。

2.2 水價模型

將區間參數引入至初始水權配置模型，以區間的形式表示來水量和經濟數據等不確定性因素。然后引入水價調控指標和兩階段約束條件，將灌區水權分配用水價變化程度來衡量，在保證最大化灌區用水收益的基礎上實現水權的最優配置。因此，可聯立以上公式建立水價模型，即：

(7)

渠道襯砌率在一定程度上決定著灌區用水，一般地灌溉水利用系數隨渠道襯砌率的提高而增大，當襯砌率達到界限值后灌溉水利用系數增長率明顯減小，該條件下就不太適合投資渠道襯砌。所以，還要將灌溉水利用系數和渠道襯砌率引入水價模型中，并且符合節水措施約束條件，具體如下：

(8)

λ0i±≥λ1i±

(9)

式中：P2i±、Ri±為預期節水水價和節水獎補；λ0i±、λ1i±灌區渠道預期和實際襯砌率。

3 實例應用

3.1 數據輸入

1)農業可分配水量。預留用水、非農業用水、生態用水、生活用水和農業用水屬于“三條紅線”用水總量控制目標的主要組成部分，結合實際情況確定灌區及其周邊區域用水總量控制目標為6.71億m3，而預留用水、非農業用水、生態用水和生活用水綜合為0.46億m3，所以農業可分配水量為6.25億m3。

2)灌區預期水權界值。充分考慮灌區多年來的灌溉情況適當調整有效灌溉面積，結合農業可分配水量設置農業用水總量3%、5%、10%、15%的控制政策情景，即2025年、2030年、2035年、2040年灌溉水控制目標，以此確定農業用水確權方案。

3)農業單位水權損失與收益。灌區內的三產業比例為58.2%、12.8%、28.0%，人均可支配收入38460元，以此為基礎計算各情景下單位水權損失與收益。

4)農業節水預期。結合灌區內經濟發展情況和氣候環境條件構建水價模型，從而計算實際用水量，模型表達式為：

qc=0.21P-0.482R0.381Z-0.186

(10)

盤山灌區內農作物以水稻為主，結合經驗確定田間水利用系數0.815，以渠道襯砌率為自變量計算確定其與灌水利用系數的關系，即：

η=0.355+0.063In(λ-2.751)

(11)

根據以上公式可以確定預期節約水權界值為0.60-0.66，灌區節水量≥20%和≥50%時的節水獎補為0.04元/m3、0.055元/m3，由此獲取差別化水價，見表1。

表1 不同情景下的模型取值

3.2 結果分析

經計算，農業用水總量3%、5%、10%、15%控制政策情景下的用水調減界值如圖1。由圖1可知，灌區用水調減界值隨用水總量控制政策目標的提升而不斷增大。具體而言：①在調減3%用水分配水權條件下，灌區用水調減上界值和下界值為12.8×106m3、12.1×106m3，上界和下界用水調減比例為2.88%、2.75%；②在調減5%用水分配水權條件下，灌區用水調減上界值和下界值為21.0×106m3、20.6×106m3，上界和下界用水調減比例為4.50%、4.41%，兩者相差僅有0.04%；③在調減10%用水分配水權條件下，灌區用水調減上界值和下界值為60.3×106m3、55.8×106m3，上界和下界用水調減比例為12.81%、11.95%，兩者相差0.86%；④在調減15%用水分配水權條件下，灌區用水調減上界值和下界值為91.5×106m3、85.4×106m3，上界和下界用水調減比例為15.47%、14.45%，兩者相差僅有1.02%。

圖1 不同情景下的用水調減界值

灌區用水最優情境下的計算結果，如圖2。

圖2 水權配置最優值

由圖2可知，灌區用水最優值隨著用水總量控制政策目標的提升不斷減小，政策情景3%、5%、10%、15%條件下的灌區用水最優值為500.62×106m3、481.57×106m3、416.20×106m3、357.82×106m3。然而，灌區灌溉需水量與調減水權呈正相關性，即調減水權隨用水量的增加而增大，調減水權提升則用水戶的傾向性越好，用水效益低的用戶調減水權越高而用水效益相對較高的用水調減水權反而越低。對于達到一定比例的調減水權，因過度缺水再分配和調整水權反而會降低經濟效益。對調減水權較高的情景應優先從效益低的用戶調減，再調整效益高的用戶，直至調減到水權配置最優值。

4 結 論

文章將不確定性因素和灌溉系統收益最大化目標引入水權優化配置模型，并利用模型計算與分析了水價變動和不同政策情境下的水權，主要結論如下：

1)灌區水權調減比例不應超過一定的界限值，為保證灌區整體經濟效益調減比例一般不超過20%。

2)在調減水權較高情景下應優先從效益低的用戶調減，再調整效益高的用戶，直至調減到水權配置最優值。通過合理設置獎補門檻有利于提高灌區用水戶節水積極性，結合實際情況門檻不得過高。

3)文章統計數據與實際情況可能存在一定偏差，這主要是由于數據自身具有不確定性，研究成果可為優化配置灌區水權提供一定參考。