黃河流域典型城市水資源季節價值研究

蘇茂林，王 鵬，楊 靖，張 迪

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；3.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室（籌），河南 鄭州 450003）

黃河是我國華北地區和西北地區的重要供水水源，其水資源量和水質的變化對黃河流域生態保護和高質量發展有舉足輕重的作用。隨著經濟社會的發展，水資源緊缺、水環境惡化等問題日益突出［1］，加強水資源管理刻不容緩，運用經濟手段管理水資源是重要措施［2］。水資源價值是水資源經濟管理的重要依據之一。水資源價值不僅受水資源時空分布影響，且隨著自然、社會和經濟因素的變化而變化，因此水資源的時空差異和人類社會屬性使其呈現出明顯的時空價值特性［3］。

有關學者對黃河水資源價值已做過一些研究。溫善章等［4］對黃河可供水資源影子價格進行了分析，表明黃河各河段的水資源價值存在明顯差異；為了緩解豐水期用水少、枯水期爭相引水的矛盾，王強等［5］利用價格杠桿方法計算水資源價值，對山東黃河水資源優化配置進行了研究；吳澤寧等［6］針對黃河流域的農業系統，分析了水資源價值的空間分布特征。然而，關于水資源時間價值，尤其是水資源價值的季節性變化等的相關研究較少。

黃河流域氣候季節性變化明顯，區域降水和徑流呈現明顯的季節性特征［7－8］，其水資源價值亦呈現季節性變化特征。就黃河水資源而言，直接使用價值包括用于生產生活、農業灌溉等，間接使用價值包括生態服務價值（如調節小氣候、保護生物多樣性等）［9］。深入研究黃河流域水資源的季節價值，對于水資源跨時間尺度的調度決策與優化配置、緩解沿黃水資源供需矛盾具有重要意義。

1 水資源季節價值理論

1.1 水資源季節價值內涵

水資源是人類和自然界各類生物賴以生存所必需的重要資源，農業灌溉、工業生產、生活及生態環境維持等都離不開水資源。受自然、社會、經濟和環境因素的影響，不同時空水資源利用效率不同。對水資源價值的認識是在社會不斷發展過程中隨著水資源稀缺性的逐步提高而逐漸形成的，受供需關系制約，其價值體現出從無到有、從低到高的過程。水資源的價值是基于某一社會發展時期，依托社會需求而產生的。水資源具有多重屬性，除了其基礎資源屬性、社會屬性和環境屬性外，還具備商品的經濟屬性，具有所有權和稀缺性，能夠在開發利用過程中產生不同的用途和價值。

水資源的價值隨著季節的演變而改變，本文據此提出水資源季節價值的定義：水資源季節價值是指特定區域內單位水資源量在不同的季節特征下所產生的價值，其受多種因素的影響，主要受水資源量的影響。

1.2 黃河水資源的稀缺性

黃河流域生態保護和高質量發展面臨的最大問題是水資源短缺。黃河上中游大部分地區位于400 mm年降水量等值線以西，黃河流域多年平均降水量僅為長江流域的40%，水資源總量僅為長江流域的7%、占全國的2%，卻承擔著全國12%的人口和15%的耕地用水，人均水資源占有量僅為全國平均水平的27%。黃河水資源開發利用率高達80%，遠超40%的國際生態安全警戒線，屬于資源性缺水地區。歷史上黃河連續枯水段長、極端枯水事件頻發。受全球氣候和下墊面等變化的影響，20 世紀90 年代黃河發生持續枯水、干流連續斷流現象，水資源供需嚴重失衡，造成嚴重水危機。

因黃河流域水資源總量有限且動態變化，故取用受限，且受降水、徑流的變化影響，可利用水資源量和水質呈現不同的變化特征，都對水資源價值產生影響。同時，受上、中、下游不同河段調節能力限制，水資源對季節敏感性不同，在時空上的稀缺性不同，因而呈現出不同的時空價值。

1.3 黃河水資源季節價值的體現

水資源價值包括正價值和負價值，由水資源特性決定，受水資源時空分布限制，是量和質的統一。通常水資源開發利用是正價值的體現，負價值主要體現在水污染和水災害方面。黃河流域水資源價值在不同季節有不同的體現，如3—4 月最大限度滿足農田灌溉用水，同時保證生活、生態用水，是春季水資源價值的體現；夏季水資源價值體現在眾多水庫聯合調度，開展汛前調水調沙，減輕黃河下游河道防洪壓力，保護沿黃兩岸人民生命財產安全；秋季后汛期對水庫蓄水較為有利，在滿足人民生活、社會生產和維系生態環境用水的基礎上，發揮水資源的綜合效益，體現其秋季價值；冬季水資源價值體現在滿足甘、寧、內蒙古冬灌用水和生態補水，改善生態環境，為下一水文年的農業生產和生態健康奠定基礎。

2 基于模糊數學方法的水資源季節價值評價模型構建

模糊綜合評價法基于模糊數學中的隸屬度理論，將定性評價轉化為定量計算，對受到多種因素制約的對象做出綜合性評判。該方法優點在于統籌定性和定量因素，設立多目標進行綜合評判，結果清晰且客觀科學，適于解決非確定性的、模糊的、難以量化的問題，近年來被廣泛應用于價值計算。本文采用模糊綜合評價模型對水資源季節價值進行定量計算。水資源季節價值模糊綜合評價的步驟：①建立水資源季節價值評價指標體系；②確定隸屬函數；③確定權重；④確定承受指數。

2.1 水資源季節價值評價指標體系的建立

水資源季節價值受多重因素的影響。基于黃河流域水資源價值的自然屬性和社會屬性，選擇能夠反映水資源季節特征的變量作為時間價值模型的驅動因子，建立水資源季節價值評價指標體系。

本文綜合考慮黃河流域水資源開發利用的季節變化特征，根據水資源季節價值的影響因素選擇評價指標，旨在反映人類對水資源的認識和利用程度的變化。考慮水資源的自然屬性，選取季節降水量、季節徑流量、水質達標率作為評價指標，水量和水質的變化直接影響水資源的供給和利用，對水資源的價值有直接影響。考慮水資源的社會屬性，以季節平均氣溫和季節日照時長作為評價指標。黃河流域地表高程差和經度跨度大，流域上、中、下游分布于不同氣候區，氣溫變化對水資源供給和利用的影響主要體現在冬季冰封期和春季開河期，對河道凌汛影響較大，進而影響水資源價值。黃河流域跨不同時區，上游地區日照時間短，下游日照時間長，日照時長直接影響人類對水資源的開發利用程度，比如農作物種植和灌溉用水量等，影響水資源的價值評估。

建立水資源季節價值評價指標向量：

確定評價向量等級，分5 級評價：

建立單因素矩陣組成的綜合評價矩陣：

式中：ai為第i個驅動因子的評價向量，ai ＝（ai1…aij…ain）（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；n＝5；aij為第i個驅動因子第j級評價的隸屬度）。

經加權計算，得出水資源季節價值的模糊綜合評價向量：

式中：W為各影響因子的權重向量；“?”為模糊矩陣的復合運算符。

2.2 隸屬函數的確定

隸屬函數通常采用降半梯形分布，一元線性隸屬函數計算公式為

式中：x為評價因子的指標值；xij和xi，j＋1為評價因子的相鄰兩評價等級的設定標準值；Φij（x）為評價因子的隸屬度。

2.3 權重的確定

采用專家咨詢法與熵值法相結合的方法確定權重。對綜合評價矩陣A中的元素aij用極差標準化法進行處理：

式中：bij為aij標準化后的值；maxai、minai分別為第i個驅動因子的原始最大值、最小值。

bij權重計算公式為

驅動因子的信息熵Ei計算公式為

驅動因子i的權重計算公式為

式中：w熵為利用熵值法所確定的指標權重，熵權反映客觀信息中指標評價效用的大小；w專為利用專家咨詢法確定的指標權重，綜合考慮黃河流域各因素的重要性，徑流量權重取0.25、降水權重取0.20、水質權重取0.30、氣溫權重取0.15、日照時長權重取0.10。

2.4 承受指數的確定

承受指數是基于區域經濟發展水平以及居民可支配收入確定的。根據居民對水價的承受能力，可以計算出水價的上限值P：

式中：B為水費承受指數；E為人均可支配收入；C為年人均用水量；D為污水處理費用；H為供水工程成本。

采用等差間隔法，將水價上限值P等差劃分可得水資源價格向量S：

水資源價格J計算公式為

式中：V為水價的綜合評判結果；α為水資源價值（稀缺）系數向量。

3 黃河流域水資源季節價值評價與分析

選取黃河上、中、下游典型城市銀川、鄭州和濟南，評價其水資源價值，研究黃河水資源價值的時空分布特征。黃河水資源在時間上分布不均勻，使得區域水資源價值的季節性變化顯著。針對黃河不同河段的水資源季節價值進行研究，對水資源價值的時空評價顯得尤為重要。

3.1 評價等級劃分標準

針對各評價指標制定評價等級劃分標準（見表1）。研究數據來源于《中國統計年鑒》《黃河水資源公報》《黃河泥沙公報》和各城市水務局公開的水質監測數據等。

表1 評價等級劃分標準

3.2 評價指標的時空分布特征

黃河典型城市2016—2020 年不同季節的降水量、徑流量、日照時長和平均氣溫分布特征見表2。

表2 黃河典型城市各評價指標季節變化特征

水資源各評價指標具有明顯的時空分布特征，對水資源價值的影響各不相同。流域降水主要集中在夏季（各城市夏季平均降水量為361.81 mm，占全年的65.3%），春、秋、冬季降水量較小（分別占全年的13.6%、15.8%和5.3%）。受氣候與地形影響，中游地區年降水量大于上游地區、下游地區年降水量大于中上游地區。采用石嘴山、花園口和艾山水文站的徑流量數據反映上、中、下游典型城市的黃河干流徑流量。可知，各城市徑流量年內分布不均，主要集中在夏、秋兩季；3 個典型城市夏季和秋季多年平均徑流量分別為121.11 億m3和93.63 億m3，分別占全年的37.3%和28.8%；春、冬兩季多年平均徑流量較小，分別占全年的22.0%和11.9%。從空間上看，中游干流年徑流量最大，上游干流年徑流量次之，下游年徑流量最小。黃河流域2016—2020 年的平均氣溫數據表明，夏季的平均氣溫為26.34 ℃，冬季的平均氣溫為0.45 ℃。同一季節，中游氣溫最高，下游氣溫次之，上游氣溫最低。氣溫變化對水資源的供給和利用有顯著影響，尤其是冬季和春季的凌汛期，間接影響水資源可利用量。季節日照時長對流域農作物種植和灌溉用水量有顯著影響，反映人類活動對水資源的開發利用程度；黃河流域2016—2020 年春季多年平均日照時長最長（為718.41 h），夏季、秋季日照時長次之，冬季日照時長最短（為480.77 h）；地域分布上，上游日照時長最長，下游日照時長次之，中游日照時長最短。

3.3 水資源價值（稀缺）系數的時空變化特征

黃河典型城市水資源價值（稀缺）系數的季節變化情況見圖1。水資源價值系數反映水資源的稀缺性，水資源越稀缺，其水資源價值系數就越大。

圖1 黃河流域典型城市水資源價值系數的季節變化情況

從圖1 可以看出，水資源價值系數時空分布不同。從空間上看，黃河流域典型城市的水資源稀缺性不同，上游銀川的水資源價值系數顯著大于中、下游城市的，中游鄭州的水資源價值系數最小。從時間上看，春季的水資源價值系數最大，原因是春季水資源稀缺性高，黃河降水量和徑流量都較小；夏季水資源在4 個季節中最為豐沛，水資源價值系數最小；秋季徑流量較大，其水資源價值系數也較小；冬季降水量和徑流量均為4個季節中最小，由于日照時長最短且氣溫最低、對水資源的需求量較大，因此其水資源價值系數較大。上游銀川的水資源價值系數四季波動較為平緩，而中、下游的鄭州和濟南的水資源價值系數在夏季出現顯著波動，其水資源價值大幅度降低。受黃河流域水權分配的影響，實際中、下游城市的水資源價值與自然情況略有不同。

3.4 綜合水價的時空變化特征

根據《中國統計年鑒》，2019 年銀川、鄭州、濟南城鎮居民人均可支配收入分別為3.82 萬、4.21 萬、5.19萬元，按每人每天用水量150 L、每月30 d 計算，則每人每月用水量為4.5 m3。銀川、鄭州和濟南用水成本分別為1.2、1.0、1.4 元／m3，家庭水費承受指數按1%計，黃河流域典型城市綜合水價的季節變化情況見圖2（圖中彩色代表資源水價，灰色代表用水成本，二者之和為綜合水價）。

圖2 黃河流域典型城市綜合水價的季節變化情況

由圖2 可知，在水資源價值系數較大的春季和冬季，黃河流域典型城市的綜合水價較高。由于綜合水價是資源水價和用水成本之和，因此盡管銀川水資源價值系數較大，但是綜合水價卻沒有濟南的高，而鄭州的綜合水價最低，原因是濟南的用水成本較高、鄭州的用水成本較低。整體而言，夏季的綜合水價最低、冬季的綜合水價最高。除了夏季上游城市的綜合水價高于中下游城市外，其他季節下游城市的綜合水價均高于中上游城市的。綜上，黃河流域上、中、下游典型城市的水資源價值不同，水資源季節價值變化明顯。

4 結 語

黃河流域水資源價值具有顯著的時空變化特征。上游銀川的水資源價值系數顯著大于中、下游城市的，中游鄭州的水資源價值系數最小。春季水資源價值系數最大、夏季水資源價值系數最小，原因是春季水資源匱乏、水資源稀缺性高，而夏季降水量和徑流量大、水資源稀缺性低。

綜合水價除受水資源價值系數影響外，還與用水成本有關。夏季的綜合水價最低，冬季綜合水價最高。除了夏季上游城市的綜合水價高于中、下游城市外，其他季節下游城市的綜合水價均高于中、上游城市的。

明確水資源價值的時空變化規律，加快水價改革進程，發揮市場經濟的杠桿調節作用，有利于優化配置水資源，提高公眾節水意識和用水效率，緩解黃河流域水資源短缺狀況。