基于江河水量分配方法的黃河“八七”分水方案調整問題探討

韓宇平，穆文彬，張戴煒

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046;2.河南省黃河流域水資源節約集約利用重點實驗室，河南 鄭州 450046;3.黃河水利科學研究院 引黃灌溉工程技術研究中心，河南 鄭州 450003;4.河南省農村水環境治理工程技術研究中心，河南 鄭州 450003）

黃河流域面臨著水資源總量不足、時空分布不均、水資源稟賦與經濟社會發展格局不匹配、經濟社會缺水與生態用水不足并存等問題,是中國水資源問題較為突出的流域之一[1］。自20世紀70年代以來,水資源供需矛盾不斷加劇,下游曾斷流頻繁。為緩解流域無序用水現象,國務院于1987年頒布了《黃河可供水量分配方案》(簡稱“八七”分水方案)。該方案以1980年的實際用水量為基礎,將南水北調工程生效之前的總可供水量370億m3分配給流域九省(區)及流域外缺水的河北省、天津市(見表1)。該方案考慮黃河流域最大可供水量,對不同頻率的來水年份遵循“豐增枯減”的分水原則,并且前瞻性地預留了生態和沖沙用水210億m3。該方案對平衡流域內各省(區)的用水和促進黃河水資源可持續利用起到了積極作用,實現了黃河干流20多a不斷流。盡管“八七”分水方案在執行過程中對分水總量進行了調整,但各省(區)的分水比例一直未調整。“八七”分水方案提出30多a來,黃河流域下墊面條件、水沙形勢、流域用水結構和供水格局均發生顯著變化,該分水方案確定的各省(區)分水比例的適用性不斷下降,關于分水比例的調整問題受到多方關注[2］。

表1 1987年國務院批復的黃河流域可供水量分配方案億m3

水資源情勢方面,“八七”分水方案以1919—1975年黃河年均天然徑流量580億m3為分配基數,而近30 a黃河天然徑流量顯著減少,第二次全國水資源調查評價確定的1956—2000年黃河流域年均天然徑流量為534.8億m3,1956—2010年、1956—2016年系列年均天然徑流量分別為482億、499億m3,較1919—1975年系列分別減少17%和14%[3］。泥沙情勢方面,黃河來沙量顯著減少,如潼關站1960—1986年多年平均來沙量為12.1億t,受水利工程、水土保持工程、引黃灌溉工程的影響,2000—2020年多年平均來沙量減少至2.46億t,減少幅度為79.5%。流域用水格局和用水結構變化方面,“八七”分水方案實施以來,農業用水量和用水比例呈下降趨勢,工業、生活和生態用水量和用水比例逐漸增加[4］。在用水空間格局方面,各省(區)之間呈現差異化發展,一些省(區)經常性超指標用水,如山東、內蒙古等；還有一些省(區)的用水量一直未達到分水指標,如山西、陜西等。另外,自南水北調東線、中線工程相繼通水后,較大程度改變了河南、河北、天津及山東的用水條件和原有的供水結構；其他跨流域調水工程(如引漢濟渭工程)也在一定程度上影響著相關省(區)的用水格局。

2019年9月18 日,黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略。發展改革委、水利部等五部委聯合發布的《關于印發黃河流域水資源節約集約利用實施方案的通知》要求,基于“大穩定、小調整”思路對“八七”分水方案進行適當調整[5］。為此,筆者按照江河水量分配原則,采用單指標綜合的水量分配方法、基于賦權的TOPSIS分配法,并結合“八七”分水方案確定的分水比例,最終得到黃河流域不同省(區)合理的分配比例與分配水量。通過江河水量分配方法在黃河“八七”分水方案調整中的適用性研究,以期為黃河流域水量分配的調整提供參考。

1 江河流域水量分配原則

江河水量分配原則體現了流域水量分配的思路,決定著水量分配的格局,與流域水資源的特點、水量分配的目標、分配層次等密切相關[6］。借鑒前人的研究成果,確定江河流域水量分配原則。

(1)尊重歷史和現狀原則。雖然現行的流域水量分配方案可能存在一些不合理的因素,但該方案是歷史演進的產物和利益各方博弈的結果,具有一定的穩定性和科學性,如黃河“八七”分水方案[6］。流域水量分配方案的調整在尊重現狀用水、盡量維持現有分配格局的同時,還需兼顧未來經濟社會發展用水需求,對方案中不合理的部分進行適當調整,最大限度降低因大規模調整而帶來的社會風險。

(2)公平性原則。江河流域水量分配應充分考慮各地區的水資源條件、人口分布、自然條件、生產力布局與區域經濟發展等因素,力求做到分水公平合理。

(3)效益最大化原則。水資源既是一種有限的公共自然資源,又是一種經濟資源。因此,在水量分配時,應考慮水資源的經濟效益、社會效益以及生態效益最大化。

(4)可持續性原則。水資源作為經濟社會可持續發展的重要資源,其開發利用不能超過資源環境的承載力。在江河水量分配中,需遵循水資源與經濟社會和諧發展的原則。

2 江河流域水量分配方法

江河流域水量分配方法主要包括水資源供需法、指標體系法以及多目標優化法3類。相比其他兩類方法,指標體系法既考慮了流域更多的信息,又易于表達和計算,應用較為廣泛。因此,本研究采用指標體系法中的單指標分析法、層次分析法(AHP)以及基于賦權的TOPSIS法綜合開展黃河流域水量分配計算。

2.1 單指標綜合的水量分配方法

(1)基于人口的水量分配方法。該方法按照不同地區實際人口比例分水。隨著地區人口數量的增加,用水需求量不斷增大,因此按照人口比例分水可體現分水的公平性,計算公式為

式中:Qi為第i個地區的分水量；Q總為流域內可分配水量；Pi為第i個地區的實際人口數量；n為流域內地區的數量。

(2)基于面積的水量分配方法。按照不同地區流域面積或引水灌溉面積比例分水也可體現分水的合理性和公平性,計算公式為

式中:Ai為第i個地區的流域面積或引水灌溉面積。

(3)基于GDP的水量分配方法。該方法按照不同地區的國內生產總值(GDP)的比例分水。萬元GDP用水量是反映地區生產用水效率的重要指標,經濟發展水平較高的地區,其生產用水效率一般也較高,因此按GDP分水能體現資源配置效率。計算公式為

式中:GDPi為第i個地區內的國內生產總值。

(4)基于生態用水的水量分配方法。生態用水對維持地區自然生態系統及水資源的可持續利用意義重大,健康的生態系統具有抵抗干擾、恢復自身結構和功能的能力,并能夠為地區提供合乎自然和人類需求的生態服務[7］,是保障地區經濟社會可持續發展的基礎。因此,按地區生態用水需求分水具有一定的科學性,計算公式為

式中:ECi為第i個地區河道外生態環境用水量。

(5)基于單指標綜合的水量分配法。基于人口、GDP、面積以及生態用水的水量分配方法各有一定的不足,如:基于人口的水量分配方法易忽略不同地區、不同行業人員對水資源的需求差異；基于GDP的水量分配方法易導致地區經濟出現兩極分化的現象；基于流域面積的水量分配方法則較適用于豐水地區。因此,筆者綜合上述單指標水量分配方法,選取黃河流域各省(區)人口、GDP、省內流域面積、引水灌溉面積以及生態用水量作為指標。首先采用單指標分配方法確定各省(區)的水量分配比例,然后利用AHP法確定各分配方法的權重,最終得到各省(區)的綜合分配比例與分配水量。

2.2 基于賦權的TOPSIS分配法

2.2.1 指標體系的確定

流域水量分配屬于多目標、多層次的系統決策問題,涉及人口、經濟、資源、環境等多方面因素。因此,根據江河流域水量分配原則,既要考慮公平性、效益最大化和可持續性,又要尊重歷史與現狀用水情況。其中:尊重歷史與現狀原則B1選取現狀用水總量(C11)和未來(如2030年)用水總量(C12),公平性原則B2選取人口數量(C21)、地區GDP(C22)、地區流域面積(C23)以及地區引水灌溉面積(C24),效益最大化原則B3選取人均GDP(C31)、人均綜合用水量(C32)、萬元GDP用水量(C33)、萬元工業增加值用水量(C34)以及農田灌溉水有效利用系數(C35),可持續性原則B4選取森林覆蓋率(C41)、城鎮化率(C42)、人口增長率(C43)以及GDP增長率(C44)。指標體系中越大越好的指標為正向指標,越小越好的指標為負向指標。

2.2.2 基于賦權的TOPSIS法計算步驟

TOPSIS法是一種逼近理想解的排序方法,也是求解多目標決策問題常用的有效方法,由Hwang等[8］于1981年提出。該方法的基本思想是通過分析評價對象的優劣狀態,確定最優(最劣)方案,并檢測評價對象與該方案的距離,進而根據評價對象與最優(最劣)方案的貼近度進行排序,若評價對象最靠近最優方案同時最遠離最劣方案則為最好,最優方案的各指標值均為各評價指標的最優值。基于賦權TOPSIS法的計算步驟如下。

(1)構造初始判斷矩陣:R＝(rij)m×n(rij為第i個方案的第j個指標,m為方案數量,n為指標數量)。

(2)建立標準化決策矩陣B:B＝(bij)m×n(bij為第i個方案第j個指標的標準化值)。

(3)建立加權矩陣。①利用AHP法和熵權法分別確定準則層對目標層的權重以及指標層對準則層的權重,最后確定各指標對目標層的權重W＝(w1,w2,…,wn)；②通過Z＝B×W構造加權決策矩陣Z＝(zij)m×n,其中zij＝wj×bij。

(4)確定最優方案Z＋與最劣方案Z-:

(6)計算評價對象與最優方案的貼近度Ci:Ci＝越接近1表明該方案越優[9］)。

2.3 基于多方案綜合的水量分配法

在綜合考慮“八七”分水方案、單指標綜合水量分配結果以及基于賦權的TOPSIS分配結果的基礎上,采用AHP法對3種分配方法進行賦權,最終得到較為合理的水量分配方案。

3 黃河流域水量分配方案調整及討論

3.1 數據來源及分水規則

(1)數據來源。除滿足黃河流域9個省(區)用水外,還需兼顧河北、天津的用水(天津自2013年起不再使用引黃水量)。本文選取的指標數據主要來源于《黃河水資源公報》《黃河年鑒》、各省(區、市)水資源公報與統計年鑒,同時借鑒了相關研究成果中的數據(如黃河流域除四川外的其他8個省(區)2030年用水量參考了文獻[10］預測的結果)。計算數據見表2。

表2 黃河流域水量分配計算數據

(2)分水規則。以“八七”分水方案確定的黃河可供水量370億m3進行計算,未考慮南水北調工程供水的影響,并以2018年為現狀用水年。其中:四川省2011—2020年年均黃河用水量為0.26億m3,未超其“八七”分水方案確定的0.4億m3指標,因此其分水指標保持不變；河北、天津的分水量采用文獻[10］計算的9.76億m3,該結果是在綜合考慮“八七”分水方案的分水量及兩地區的現狀與未來用水量的基礎上確定的。

3.2 分水比例與計算結果

3.2.1 基于單指標綜合的水量分配結果

基于表2統計的黃河流域8個省(區)總人口、GDP、流域面積、引黃灌溉面積以及生態用水量5個指標,利用式(1)～式(4)計算各省(區)的單指標占比(見表3)。結合黃河流域的實際用水情況,采用AHP法對各單指標分配結果賦權,經計算確定總人口、GDP、引黃灌溉面積、生態用水量以及省內流域面積的權重分別為0.375、0.272、0.190、0.100和0.063。最終得到各省(區)的綜合水量分配比例見表3。

表3 單指標水量分配比例及其綜合水量分配比例 %

3.2.2 基于賦權的TOPSIS法水量分配結果

(1)準則層和指標層權重的確定。采用AHP法確定黃河流域水量分配指標體系準則層B對目標層A的權重。根據黃河流域各省(區)的實際情況,按照尊重歷史與現狀原則、公平性原則、效益最大化原則以及可持續性原則的重要等級,采用熵權法確定指標層C對各準則層B的權重。結合準則層的權重,確定各項指標的最終權重,見表4。

表4 基于AHP法和熵權法指標權重計算結果

(2)水量分配比例。根據各項指標的最終權重值,采用賦權的TOPSIS法計算最優方案集合、最劣方案集合以及各省(區)與最優、最劣方案間的距離,最終確定各省(區)的分水比例(見表5)。

表5 各省（區）與最優、最劣方案間的距離及其水量分配比例

3.2.3 基于多方案綜合的水量分配結果

以“八七”分水方案確定的黃河流域可供水量370億m3為例,扣除四川的分水量0.40億m3和河北、天津的分水量9.76億m3,余下的359.84億m3作為青海、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東8個省(區)的分水總量。針對“八七”分水方案、基于單指標綜合的水量分配法以及基于賦權的TOPSIS水量分配法分別確定的各省(區)水量分配比例,采用AHP法確定3種分水方案的權重分別為0.637、0.105和0.258,并最終確定黃河流域除四川外的8個省(區)的分水比例(見表6)及其分配的水量(見表7)。

表6 基于不同水量分配方法的分水比例 %

表7 基于多方案綜合的分水量與“八七”分水方案分水量的比較億m3

3.3 討 論

由表7可知:基于多方案綜合的分水量確定的山東分水量最大,為75.53億m3(占黃河流域總分水量370億m3的20.41%),其次為河南、內蒙古,山東、河南、內蒙古三省(區)的分水量占總分水量的52.06%)；與“八七”分水方案相比,綜合分水方案確定的青海、陜西、河南及山東的分水量有所增加,甘肅、寧夏、內蒙古、山西、河北和天津的分水量有所減小。

青海作為三江源最重要的水源涵養區和生態保護區,提供了黃河流域一半以上的水量,因此增加其黃河分水量,主要用于生態環境保護。陜西人口較多、GDP較高,流域面積較大,生態用水量位居首位(40.8億m3),同時鑒于黃土高原作為黃河流域的重點生態用水保障區域,因而增加了其分配水量。河南和山東作為用水大戶,人口、GDP、引黃灌溉面積均位居前兩位,其中:河南作為全國糧食生產大省,黃河供水區覆蓋全省大部分糧食生產核心區和主產區,但整個區域尤其是豫北、豫西山前平原地區水資源不足,大部分地區不得不依賴開采淺層地下水來滿足用水需求,鑒于河南在保證糧食安全方面的重要作用,需增加其分配水量；山東省工農業較為發達,用水主要依賴黃河供給,鑒于其在保障河口濕地生態系統方面的重要作用,同樣需增加其分配水量。

甘肅省萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量均較其他省(區)高,人均GDP相對最低,其工業用水存在較大的節水空間,因此適當減小其分配水量。寧夏的黃河流域面積較小,鑒于其人口數量、GDP相對較少,人均綜合用水量、萬元GDP用水量仍有較大提升空間,因此可壓縮其分配水量；內蒙古以農業用水為主,但農田灌溉水有效利用系數不高,農業節水潛力較大,因此分配水量在原基礎上有所減少；山西省水資源豐富,但地勢原因使其水資源利用較為困難,用水量一直未達到“八七”分水方案確定的分配指標,其分水量可在原基礎上適當減少。此外,考慮到河北、天津近10 a(2011—2020年)多年平均用水量(7.67億m3)遠小于“八七”分水方案確定的分配指標,且天津自2013年起不再使用引黃水量,因此原向河北、天津分配的20億m3分水指標應大幅度減小。

需要指出的是,本文的研究成果是屬于理論性的,對某些分水因素的考慮存在不足,如寧夏平原、內蒙古河套平原的綠洲生態經濟完全依賴黃河水資源,綠洲生態經濟系統用水特別是保持地下水位對支撐整個生態系統安全尤為重要,因此在制定具體分水方案時要兼顧這方面的需求。另外,黃河“八七”分水方案的前置條件是“南水北調通水前”,而目前南水北調東線、中線一期工程已經穩定運行,用水效益充分體現,所以各省(區)分水方案的調整也要適當考慮這方面的因素。

4 結語

黃河流域當前面臨的水沙情勢、用水格局和用水結構以及跨流域調水的變化均表明“八七”分水方案有必要適當調整。本文按照江河水量分配的原則,在全面考慮單指標綜合的水量分配法、基于賦權的TOPSIS分配法以及“八七”分水方案確定的分配水量的基礎上,最終確定了黃河流域各省(區)較為合理的水量分配比例與分配水量。通過與“八七”分水方案比較,大多數省(區)的分水比例有所調整,說明隨著人民生活水平的提高、工農業的快速發展以及生態保護意識的提升,用水需求在一定程度上發生了變化。整體來看,分水方案與各省(區)的用水需求和重點發展方向緊密相關,水資源剛性約束將倒逼各省(區)調整產業結構,促進高質量發展。