用水效率多情景约束下省区初始水量权差别化配置研究

张丽娜等

摘要面向最严格水资源管理制度的新要求，利用情景分析法刻画用水效率控制约束情景，分情景研究用水总量控制下的省区初始水量权差别化配置问题。从公平性的角度出发，在全面认知省区现实经济活动量差异、资源禀赋差异和未来发展需求差异，识别影响用水效率控制约束强弱的关键情景指标的基础上，设计省区初始水量权差别化配置指标体系，以区间数描述不确定信息，设置及描述用水效率控制约束情景WECS1、 WECS2和WECS3，构建动态区间投影寻踪配置模型，利用实数编码加速遗传算法进行求解，计算获得不同用水效率控制约束情景下各省区的初始水量权。不同情景下2030年太湖流域各省区的初始水量权配置区间量测算结果表明：在任意情景下，江苏省的初始水量权最大，其次是浙江省和上海市，安徽省最少，配置结果在考虑公平的基础上充分尊重省区的差异性；江苏省的初始水量权配置区间量随着用水效率控制强度的增强而减少，浙江省和上海市的配置区间量无明显增减变化趋势，安徽省的配置区间量随着用水效率控制强度的增强而增加，且增加趋势明显。配置结果可有效促进各省区尤其是欠发达省区提高用水效率，有利于推进最严格水资源管理制度的落实。同时，分情景以区间数的形式给出配置结果，可为水量权配置决策提供更为准确的决策空间。

关键词情景理论；区间投影；差别化；省区初始水量权配置；最严格水资源管理制度

中图分类号 TV213.4文献标识码A文章编号1002-2104（2015）05-0122-09doi：103969/jissn1002-2104201505016

我国人多水少，水资源时空分布不均。社会经济的快速发展和全球气候变化导致水资源供需矛盾日益突出，引发了水资源短缺、水污染加剧等一系列水问题，已经成为制约我国经济社会发展的瓶颈[1]。面对我国日益突出的水资源问题，2011年中共中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革的决定》和中央水利工作会议明确提出要实行最严格水资源管理制度，并确立了三条红线，即水资源开发利用控制红线、用水效率控制红线、水功能区限制纳污红线。2012年国务院3号文件《关于实行最严格水资源管理制度的意见》（简称《意见》）明确了三条红线的主要目标，指出要抓紧制定主要江河水量的分配方案。这充分体现了国家对水资源管理的战略需求和制度安排。

明晰流域初始水权是落实最严格水资源管理制度的重要途径和技术支撑。省区初始水权配置包括省区初始水量权配置和省区初始排污权配置，是流域各省利益的重新分配过程，尤其会对水权既得利益者产生极大的影响，是流域初始水权配置的主要内容和关键环节，也是最难协调的部分[2]。因此，明晰省区初始水权是保障各区域的合理用水需求，落实最严格水资源管理制度的重要手段。考虑到省区初始水权配置具有敏感性和复杂性的特点，逐步寻优的配置过程一般包括三个阶段：①省区初始水权宏观层面的水量配置，即省区初始水量权配置，②省区初始水权微观调控层面的排污权配置；③基于量质耦合的省区初始水权配置，以实现水权宏观配置向微观调控的过渡。本研究的研究范围是省区初始水量权配置。用水总量控制红线位于三条红线之首，是主要控制因素，其目标是以流域生态环境保护为前提，强化水资源管理的约束力，促进水资源优化配置[3]。用水效率控制红线是节水性协调控制红线，可以直接影响水量[4]。在用水总量控制要求下，如何有效嵌入用水效率控制约束，实现省区初始水量权科学配置，是当前水资源管理理论和实践面临的一个重要课题。

目前，国内外学者根据各自的水资源实际状况、社会体制及文化差异等，分别开展了各具特色的水权或水资源配置理论研究与实践探索。①多角度开展配置过程模拟研究。Daene等[5]利用面向对象技术把水资源管理模型与GIS有机结合模拟流域水资源配置过程；Ralph[6]为美国的德克萨斯州建立了水权配置模拟模型，模拟不同分水行为下的系统响应；Lizhong Wang，Keith等[7-8]基于保障荒地流域水资源配置过程中兼顾公平和效率的思想，先后提出流域初始水权配置两阶段协作配置模型，基于优先权的最高多阶段网络流程方法和词典编纂的最小缺水率方法的流域初始水权配置模型；Read 等[9]基于经济学权力指数配置方法模拟利益相关者谈判的过程，寻求稳定性配置方案。②相继开展水权配置立法实践。如美国河岸法、日本河川法、澳大利亚维多利亚法等[10-11]。国内学者主要采用多目标优化技术，从公平与效率两个方面度量不同因素对配水量的贡献，并分别应用于黄河、太湖、大凌河、塔里木河等流域的水权配置实践。如陈南祥、黄显峰、李维乾等[12-14]分别提出基于改进类电磁学算法、遗传算法、混沌优化算法的水权或水资源配置模型，兼顾多目标需求提高模型的应用效果；吴凤平、吴丹等[15-16]基于主从递阶思想构建多目标双层优化模型，实现流域初始水权在不同区域及不同部门之间的合理配置。王宗志、胡四一等[17-18]论证了用水与排污双总量控制的必要性，并构建了以水资源系统和谐度最大为目标的流域初始二维水权分配模型。王浩等[2]基于水资源“三次平衡”分析进行流域初始水权配置。王慧敏等[19]将综合集成研讨厅理论引入流域初始水权配置中，实现多利益主体定性的、不全面的感性认识的综合集成。这些理念和方法在初始水量权配置实践中起到了良好的指导作用，但在最严格水资源管理制度的约束下，尚存在两点不足：①将用水效率控制分情景嵌入到目标函数中的配置模型尚不多见；②受原则量化和高维优化求解困难的限制，综合度量不确定性条件下区域差异的初始水量权配置研究较少。

针对初始水量权配置中存在的问题，设计两个关键步骤予以解决：①利用情景分析法，识别影响用水效率控制约束强弱的关键情景指标，以区间数描述不确定信息，分类设置用水效率控制约束强弱变化的情景。②从公平性的角度出发，嵌入用水效率控制约束，研究用水总量控制的省区初始水量权差别化配置，设计省区初始水量权差别化配置指标体系，构建动态区间投影寻踪配置模型，并利用实数编码加速遗传算法进行求解，计算获得不同用水效率控制约束情景下各省区的初始水量权。最后，结合太湖流域进行案例分析验证模型的实用性和有效性。

1省区初始水量权差别化配置指标体系的设计

1.1用水总量控制下省区初始水量权差别化配置影响因素及表征指标差别化配置是相对于绝对平等配置而言的，是在充分承认省区差异基础上的差额分配，而不是等比例分配或等量分配[20]。用水总量控制下省区初始水量权差别化配置内涵为： 基于流域可分配水资源量（配置对象）的约束，以协调上下游左右岸不同省区的正当用水权益、推动经济社会发展与水资源水环境承载力相协调为目的，以清晰界定产权归属、充分承认省区差异等为配置原则，从公平性的角度出发，综合考虑省区现实经济活动量差异、资源禀赋差异和未来发展需求差异3个影响因素，各省、自治区、直辖市等行政主管部门（配置主体）确定某一时期流域内各省区初始水量权的过程。结合以上内涵，系统梳理相关研究成果[1，3，21-23]，在考虑数据可得性和实用性的基础上，设计表征配置影响因素的指标体系。

（1）省区现实经济活动量差异。选定现实经济活动量作为影响水量配置方案制定的主要因素，可鼓励各省区提高经济发展、水资源利用水平的积极性，体现了经济性。本研究选择万元GDP用水量（m3/万元）、多年平均GDP增长率（%）、多年平均耗水率（%）和农田灌溉水有效利用系数四个指标表征社会经济发展的省区异质性。这四个指标能有效反映各省区的现状用水情况，直接影响水量在省区间差别化配置结果。

（2）省区资源禀赋差异。考虑省区资源禀赋差异是尊重区域水资源承载力的表现，更符合自然规律，具有公平合理的特征。从而确保水量配置方案的实施具有可操作性。本研究选择多年平均径流量（亿m3）、多年平均供水量（亿m3）和区域面积（km2）作为反映省区资源禀赋差异的表征指标。

（3）省区未来发展需求差异。省区初始水量权配置须体现各省区经济发展需水及用水节水结构的变化趋势，以便提高利益相关者的满意度，促进各省区社会经济的发展。本研究选择人均需水量（不含火核电）（m3）和万元GDP需水量（m3）作为表征省区未来发展需求差异的指标。

1.2用水效率控制约束情景设定及描述

Kahn 和Pearman等[24-25]指出情景（Scenario）是对某些不确定性事件在未来几种潜在结果的一种假定。规划年用水效率控制约束的强弱程度不仅仅着眼于过去和现状，更重要的是展望未来，而用水效率控制约束情景分析是实现从历年及现状年到规划年合理过渡的新手段。因此，该方法具有适用性。本研究借助情景分析法刻画不同假设条件下用水效率控制约束强弱的变化。主要步骤为：

（1）用水效率控制约束情景主题的确定。为确定用水效率控制约束情景主题，需讨论两个研究对象：一是分析流域内各省区的现状用水效率，即流域内各省区的工业、农业和生活的用水效率现状；二是梳理《意见》对用水效率控制指标的阶段性要求，及具体流域规划年用水效率控制指标分解的研究成果。基于以上分析可知，用水效率红线约束的情景主题是识别和分析影响用水效率红线约束强弱的影响因素，简称为用水效率控制约束的强弱。

（2）识别关键影响因素及表征指标。刻画用水效率控制约束情景主题的影响因素有多个，重点是识别影响用水效率控制约束强弱的关键影响因素。目前，该类研究主要是从工业、农业和生活用水效率水平来反映某省区的综合用水效率水平，表征影响因素的指标主要包括农田灌溉亩均用水量、万元工业增加值用水量、工业用水重复利用率、人均生活用水量和城镇供水管网漏失率等[1-2，23]。在比较数据的可得性与表征效果之后，识别关键影响因素的表征指标为——农田灌溉亩均用水量（m3）、万元工业增加值用水量（m3）和城镇供水管网漏失率（%）。

（3）设置及描述用水效率控制约束情景。《意见》明确提出用水效率管理目标为到2030 年用水效率达到或接近世界先进水平，同时，确定了2020 年用水效率管理目标。为了描述具体流域分阶段用水效率控制约束情景，需从以下两个方面着手：①分析具体流域各省区与国内外用水效率先进水平的差距；②在明确具体流域各省区与国内外用水效率先进水平差距的基础上，根据相关规划提出的用水效率控制阶段性要求，考虑具体流域各省区水资源现状用水水平、经济社会发展规模与趋势、相关节水规划等，通过量化关键影响因素的表征指标设置用水效率控制约束的三类情景。

设开展省区初始水量权配置的省区为Si，配置指标为Pj，时间样本点为Tk，省区Si对应于时间样本点Tk的配置指标Pj的属性值为x±ijk，其中，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n，k=1，2，…，q，m，n，q分别为配置省区、时间样本点和配置指标的总数；“+”表示指标的上限值，“-”表示指标的下限值。

情景1：用水效率弱控制约束情景（WECS1）。分阶段接近世界先进水平，即关键影响因素表征指标均以比例α的浮动接近流域相关规划设置的用水效率最低控制目标，记为[（x-ijk）1，（x+ijk）1]，j=j1，j2，j3分别表示三个表征指标的序号。

情景2：用水效率中控制约束情景（WECS2）。分阶段达到世界先进水平，各指标的消减总量较WECS1时的下限值分别消减比例β，即[（x-ijk）2，（x+ijk）2]=[（1-β）·（x-ijk）1，（x-ijk）1]。

情景3：用水效率强控制约束情景（WECS3）。分阶段超过世界先进水平，各指标的消减总量较WECS2时的下限值分别消减比例η，即[（x-ijk）3，（x+ijk）3]=[（1-β）（1-η）·（x-ijk）1，（1-β）（x-ijk）1]。

其中，α、β和η是区间[0，1]上的消减比例参数，其数值越接近于1，用水效率控制约束越强；消减比例参数值视具体流域各省区与国内外用水效率先进水平的差距而定。

1.3省区初始水量权差别化配置指标体系框架

基于上述分析，构建省区初始水量权差别化配置指标体系框架，具体如表1所示。

2省区初始水量权差别化配置模型及求解方法

2.1模型的构建

为实现用水总量控制下省区初始水量权的差别化配置，构建动态区间投影寻踪配置模型，主要理由如下：一是动态投影寻踪技术相对于传统初始水权配置模型，能够在分阶段客观提取配置指标信息的情况下，将非正态非线性高维数据转化为一维数据，反映数据的动态性，并可克服传统方法需要确定时间与指标权重的困难；二是在省区初始水量权配置过程中，由于各个省区的发展变化及水资源开发利用具有不确定性，采取某一点数值量化某些配置指标具有片面性，需引入区间数表示其属性值，以区间数描述不确定现象或事物的本质和特征，可有效的减少由于测量、计算所带来的数据误差、及信息不完全对计算结果带来的影响[27-28]。模型的设计步骤为：

（1）配置指标值的无量纲化处理。设J1表示效益型配置指标的下标集，J2表示成本型配置指标的下标集。为消除各指标值的量纲，根据区间数的运算法则[29]，采用公式（1）和（2）将配置指标矩阵Xk=（x±ijk）m×n转化成规范化矩阵Yk=（y±ijk）m×n。

3.3结果分析

根据表4的配置结果，绘制不同情景类别下2030年太湖流域江苏省、浙江省、上海市和安徽省的初始水量权配置结果及其变化趋势图，如图1所示。

由图1可知，在任意用水效率控制约束情景中，江苏省的初始水量权配置区间量最大，其次是浙江省和上海市，初始水量权配置区间量最少的是安徽省，在考虑公平性的基础上充分尊重省区的差异性，基本符合各省区的实际情况。理由如下：结合表2的基础数据，根据面积配置模式得江苏省、浙江省、上海市和安徽省的配置比例为52.58∶32.78∶14.03∶0.61；按照供水能力配置模式得江苏省、浙江省、上海市和安徽省的配置比例为48.93∶17.66∶33.34∶0.60。①本研究的配置结果与按照面积配置模式、供水能力配置模式总体一致，这说明本研究的配置方法可体现省区资源禀赋差异，比较尊重区域的水资源承载力，符合自然规律，具有公平合理的特征。②本研究的配置方法与按照面积配置模式的配置结果存在差异，如按照面积配置模式，浙江省相比于上海市处于明显优势（浙江省、上海市分别占流域总面积的32.78%和14.03%），但根据本配置方法，从图1可以看出浙江省相比于上海市不存在明显优势，这说明本配置方法可充分考虑省区现实经济活动量差异（浙江省、上海市万元GDP用水量分别为192 m3和126 m3，上海市的用水经济效益优于浙江省），可体现省区现实经济活动量差异，促进水资源的高效利用。

从图1的各省区初始水量权配置量变化趋势曲线可以看出，江苏省的初始水量权配置区间量随着用水效率控制强度的增强而弱度减少；浙江省和上海市的初始水量权配置区间量在WECS1、WECS2和WECS3三种情形下，无明显增减变化趋势；安徽省的初始水量权配置区间量随着用水效率控制强度的增强而增加，因安徽省的配水量的基数小而增减变化趋势显著。该配置结果符合实际情况，随着各项节水措施和用水管理制度的实施，安徽省的节水技术及能力逐步提高，江苏省、浙江省和上海市相对于安徽省节水潜力逐步减少，江苏省、浙江省和上海市难以因用水效率较高而获得鼓励其节水的水量，这使得安徽省的配水量得到提高。事实上，在WECS1、WECS2和WECS3三种情形下，江苏省水田亩均灌溉水量区间数为[577，587] m3、[501，557] m3、[451，501] m3，万元工业增加值用水量为[45，50] m3、[41，45] m3、[37，41] m3，城镇供水管网漏失率为[9.5，10]%、[8.6，9.5] %、[7.7，8.6] %，鉴于这三个指标的指标属性皆为负向，利用区间数比较的可能度运算[36]，计算得江苏省的WECS2优于WECS1、WECS3优于WECS2的三指标区间数比较综合可能度为4.568，而安徽省的综合可能度为4.768 > 4.568。综上分析可知本研究配置结果可充分体现省区初始水量权配置过程中嵌入用水效率控制约束的有效性，可有效促进各省区尤其是欠发达省区提高用水效率，有利于最严格水资源管理制度的贯彻与落实。

4结论

本研究构建省区初始水量权差别化配置指标体系，以区间数描述不确定信息，设置及描述用水效率控制约束情景WECS1、 WECS2和WECS3，构建动态区间投影寻踪配置模型，分情景以区间数的形式给出太湖流域省区初始水量权配置结果，为水量权配置决策提供更为准确的决策空间，为省区初始水量权配置决策提供新的研究视角。同时，各省区应该在水量权分配问题上建立合理的协商机制，妥善解决水量权分配过程中出现的各种分歧和争议，以保证水量权配置方案的顺利实施。

（编辑：王爱萍）

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