洪水资源利用风险效益量化研究

黄显峰, 黄雪晴, 方国华, 王宗志, 朱丽向

(1.河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098; 2.南京水利科学研究院 水文水资源研究所,江苏 南京 210029; 3.连云港市通榆河北延送水工程管理处,江苏 连云港 222004)

洪水资源利用风险效益量化研究

黄显峰1, 黄雪晴1, 方国华1, 王宗志2, 朱丽向3

(1.河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098; 2.南京水利科学研究院 水文水资源研究所,江苏 南京 210029; 3.连云港市通榆河北延送水工程管理处,江苏 连云港 222004)

结合洪水资源利用的风险因素,对水库汛限水位调整后的洪水资源利用风险效益进行量化研究。汛限水位是涉及水库防洪风险和兴利效益的关键水位。汛限水位调整后,可得到每个汛限水位对应的风险率,并将水库因水位调整而产生的增蓄水量按比例分配,综合考虑工业、农业、生活、生态4个方面的风险效益,采用C-D生产函数、分摊系数法、能值水价法和能值理论,分别对这4种效益进行量化。以连云港市石梁河水库为例,计算了各汛限水位对应的风险率和效益值,并根据汛限水位、风险率、风险效益之间的关系,在考虑风险最小且效益最大的前提下,得到石梁河水库汛限水位合理的控制范围为23.9～24.9 m。

洪水利用;风险;效益;C-D生产函数;能值法

我国洪涝灾害频发,威胁着人民的生命财产安全。因此,越来越多学者开始了洪水资源利用研究,并在洪水资源可利用量和效益计算方面取得了一定成果[1-2]。但洪水利用存在风险,如何控制风险、提高效益,在洪水资源化的过程中是一个尤为重要的课题。

国外学者比较侧重于洪水风险的防范研究,对洪水利用效益提及较少。Roy Brouwer等[3]对荷兰的洪水管理替代政策进行了效益评估研究,采用CBA(Cost-Benefit Analysis)和MCA(Multi-Criteria Analysis)两种方法对其产生的效益进行了计算和对比。由于荷兰更偏重于防洪减灾,故此研究针对的是洪水管理政策产生的效益,其先进的效益计算方法可作为参考。我国许多地区已开展了洪水资源化利用工作,在不同地区、不同条件下都有了相应的利用方法。殷峻逞等[4]针对大连市碧流河水库,建立了洪水资源效益分析模型,对该水库洪水资源利用效益做出了定量分析。胥卫平等[5]建立了雨洪资源利用的经济效益评价指标体系及其经济价值评价模型,并将其应用于西安市。冯峰等[6]构建了社会效益分度测评模型,将洪水资源利用产生的社会效益进行了定量评价。

洪水资源化的实施有多种途径,目前，研究较多的是水库汛限水位的调整。汛限水位是涉及水库防洪风险和兴利效益的一个关键水位,必须正确、全面地处理风险与效益的关系[7]。若只顾增大效益,势必会减少防洪库容,增大洪水风险;若过度控制风险,则预留的防洪库容过大,造成不必要的弃水,降低兴利效益。因此,本文在考虑汛限水位调整的基础上,对风险率和效益值进行计算,并提出工业、农业、生活、生态4个方面效益量化的方法。

1 研究方法

1.1 洪水资源利用风险识别与估计

洪水资源作为一种非常规水资源,要在保证水利工程安全、生态环境不受影响的前提下，开展洪水资源利用。为满足这些条件,必须进行洪水资源利用风险识别。通过识别,洪水资源利用的风险因素主要有抬高水库汛限水位的风险、水库上游来水不确定性风险、不利生态环境影响风险、水质不确定性风险、洪水调度管理风险等[8]。本文仅对汛限水位调整而导致的风险进行估计,主要计算的风险因子包括大坝安全风险率和下泄流量超下游河道安全泄量风险率。

运用数理统计方法,以水库上游来水的历时统计资料为基础，进行调洪演算,找出汛限水位对应的使水库达到设计标准水位的洪水,以该洪水发生的概率作为汛限水位对应的大坝安全风险率,计算公式如下:

(1)

式中:f1(Hi)为汛限水位为Hi时出现超设计标准水位的风险率;N为资料系列中历次洪水的总数；n为给定的汛限水位Hi调洪演算发生的库水位超设计标准水位的洪水次数。

以水库下泄流量不超过河道安全泄量为准,用模糊数学法，计算下泄流量超过下游河道安全泄量的风险率,计算公式如下:

f2(Hi)=∑Vi∈AμA(Vi)·p(Vi) ×100%。

(2)

式中:f2(Hi)为汛限水位为Hi时下泄流量超下游河道安全泄量风险率;p(Vi)为汛限水位为Hi时下泄流量隶属于区间Vi的概率;μA(Vi)为不同区间Vi的隶属度。

水库洪水资源利用的综合风险率为:

f(H)=w1f1(Hi)+w2f2(Hi)。

(3)

式中:w1为大坝安全风险率的权重值;w2为下泄流量超下游河道安全泄量风险率的权重值。

1.2 洪水资源利用效益量化方法

洪水资源产生的效益即采取各种措施蓄存洪水,增供的水资源量产生的直接、间接效益,如促进工、农业生产,提高人民生活水平,改善生态环境等而产生的效益。以调整后汛限水位为基础,库容增加值作为洪水资源利用量,计算相应的蓄水效益。主要研究利用洪水资源缓解水资源供需紧张的压力,所以，在效益方面未考虑发电效益,只考虑工业供水、农业灌溉、生活供水和生态供水4个方面效益。

1.2.1 C-D生产函数法量化工业供水效益

洪水资源利用产生的工业供水效益一般参考水资源效益来进行量化,常用的量化方法包括残值法、实际单位经济贡献法、分摊系数法及缺水损失法等。在实际运用中,这些方法都存在一定不足,如残值法的影子价格较难测算,其实际操作性不强;实际单位经济贡献法是残值法的改进,增加了可操作性,但该方法所计算的工业用水效益偏大。综合考虑各方法的优缺点,本文选用经济学理论中的柯布-道格拉斯(C-D)生产函数法对工业供水效益进行量化计算,该方法考虑了工业生产中非水要素的投入回报,同时通过折算用水弹性消除了科技技术进步、政策调整等对工业总产值的影响,使工业用水效益计算结果更为准确[9]。

1)C-D生产函数构建。在计算工业供水效益时,只考虑工业供水对工业生产的影响,其他投入不做研究,将水作为第三种投入列入生产函数投入组合之中。由此,参考C-D函数形式,考虑工业供水的C-D生产函数可表示为:

Q=A·Kα·Lβ·Wλ。

(4)

式中:Q为工业总产值;A为效率系数;K为工业固定资产;L为工业劳动力;W为工业用水量;α为固定资产弹性;β为劳动力弹性;λ为用水弹性。

2)用水弹性计算。对式(4)构建的生产函数求偏导数,得到工业用水弹性,为了消除规模弹性的影响,引入折算用水弹性λ′:

(5)

(6)

3)效益计算。对工业用水求偏导数得出单位工业用水效益BW,根据以下公式求得洪水资源工业用水效益:

(7)

E工=BW·W工。

(8)

式中:E工为洪水资源工业用水效益;BW为单位工业用水效益;W工为洪水资源分配给工业用水的水量。

1.2.2 分摊系数法量化农业灌溉效益

《水利建设项目经济评价规范》(SL 72—2013)中,推荐采用分摊系数法、影子水价法、缺水损失法计算农业灌溉效益。其中,影子水价法理论清晰,但需要采用研究区的大量社会、经济、环境等资料进行测算,具有一定的地域局限性;缺水损失法符合经济理论,但需要采用大量长系列资料,且涉及优化分配问题。本文选用运用最为广泛的分摊系数法来量化农业灌溉效益,其关键在于效益分摊系数的确定[10],可通过统计法与试验法确定分摊系数,因试验法存在所得结果局限性较大、试验造价高等问题,采用统计法更为方便。农业灌溉效益量化公式为:

E农=Vqk=(I/W)fqk。

(9)

式中:E农为洪水资源农业灌溉效益;V为单方水价值;q为增供水量;k为水资源利用率;I为产业增加值;W为总用水量;f为分摊系数。

1.2.3 能值水价法量化生活供水效益

目前,尚无生活用水效益计算方法的具体规范,生活用水效益常用水价法来粗略估算[11]。常用的水价计算方法没有体现出生活用水的资源价值、工程价值和环境价值,运用能值价值理论计算水价,可以计算出水资源作为一种自然环境资源进入经济社会的真实、完整的价格,用以量化的洪水资源对生活供水效益更为全面完整。

生活用水的能值投入包括自然环境资源投入及社会经济资源投入,通过能值转换率将各项投入指标转换为统一的能值,从而可得到生活供水全部的能值投入,根据能值货币比率将总能值以货币形式表达,即可得到能值计算方法下的水价。水价的计算公式为:

P=Pz+Pg+Ph，

(10)

(11)

式中:P为居民生活用水水价;Pz为资源水价;Pg为工程水价;Ph为环境水价;Cyzr为水资源形成过程中投入的物质的能值;Cgzr、Cgsj分别为供水过程中所投入自然环境资源和社会经济资源的能值;Cpzr、Cpsj分别为污水处理过程中所投入自然环境资源和社会经济资源的能值;Qg为城市居民生活供水量;Qp为城市居民生活污水排放量;EDR为该市当年能值与货币比率。

在能值理论下的水价计算的基础上,采用水价法计算生活用水效益,即城市居民用水价格与洪水资源生活用水可利用量之积视为生活用水效益,其计算公式如下:

E生=P·W生。

(12)

式中:E生为城市居民生活用水效益;W生为洪水资源分配给生活用水的水量。

1.2.4 能值法量化生态供水效益

生态用水效益是洪水资源利用效益的重要组成部分,因为其复杂性,且涉及范围较广,量化较为困难。目前,研究者们提出的常用量化方法主要有影子价格法、替代工程法、费用分析法和旅行费用法等。这些方法一般从经济学的角度出发,只针对生态环境某一方面的效益进行量化,没有从生态经济系统整体出发。而能值法可根据生态环境用水的特点和种类,在定性分析生态环境用水产生的效益的基础上,对其各效益因子分别进行量化。

洪水资源产生的生态环境用水效益，可由洪水资源分配给生态环境的用水量占总生态环境用水量的比值乘以总生态环境用水效益得到[12],即

(13)

式中:EMf为洪水资源生态用水效益;W生为洪水资源分配给生态环境的用水量；τs为物种的能值转换率;N为研究区域内水生生物种数;R为水生生物活动面积占全球面积的比例；mi为水体对第i种污染物的纳污能力;τi为第i种污染物的能值转换率；E为水体蒸发能量;τq为蒸汽能值转化率；Wt为湖泊或湿地的年蓄水量;τt为相应水体的能值转化率。

2 实例研究

2.1 连云港市概况

连云港市位于江苏省东北部,地处淮河流域沂沭泗河水系的最下游,流域主要洪水入海通道新沂河、新沭河经连云港市入海,承担上游近80 000 km2流域面积的泄洪任务。有新沂河、新沭河、龙王河3条过境河道,当地多年平均过境洪水量为60.48亿m3,为洪水资源利用提供了水量保证。该市的水库湖泊众多,总数为江苏省内首位。大型水库有3座,分别为石梁河水库、塔山水库和安峰山水库。其中,石梁河水库担负着调蓄洪水的重要职能,水库集水面积约为15 365 km2,总库容5.31亿m3,设计洪水位26.81 m,校核洪水位27.95 m,最大下泄流量10 131 m3/s。

2.2 洪水资源利用风险效益估算

2.2.1 工业供水效益

根据《连云港市统计年鉴》《连云港市水资源公报》及Wind数据库[13-14],统计2000—2012年间连云港市的工业总产值、工业固定资产投资净值、工业劳动力投入及工业用水总量。将工业固定资产投资、工业劳动力和工业用水量作为自变量,以工业总产值为因变量,分别取自然对数,运用EViews软件对数据进行回归分析,可得,连云港市工业用水效益的生产函数和折算用水弹性为:

lnQ=-2.456+0.717lnK+0.653lnL+1.126lnW，

根据式(5)可以得到工业总产值的效益增量,再由式(7)得到每年的估算单方水效益和供水总效益,连云港市多年平均工业用水单方水效益约为2.4元/m3。

2.2.2 农业灌溉效益

根据连云港市2014年统计年鉴与水资源公报[13-14],连云港市2014年的农业产业增加值为12.4亿元,农业灌溉用水量约22.1亿m3;根据相关研究资料,该市的农业用水效益分摊系数取值0.45;水资源利用率取值0.9。因此,农业单方水效益为:

0.227(元/m3)。

2.2.3 生活供水效益

运用能值理论,对连云港市生活用水水价进行计算,能值转化率由Buenfil[15]提供的计算方法得到,以连云港市供水系统能值投入计算为例进行计算。由相关资料可知,2013年连云港市生活用水量为2.01亿m3,生活污水排放量为1.09亿m3,根据式(11)可得到资源水价、工程水价、环境水价分别为:0.22、4.98、0.85元/m3,则水价为:

P=Pz+Pg+Ph=6.05(元/m3)。

2.2.4 生态供水效益

结合连云港市牛山站、青口站及石梁河测站的实测蒸发数据、部分骨干河道资料、《连云港市水资源综合规划》等相关资料[13-14],计算连云港生态用水量及能值货币比率，得到连云港生态环境单方用水效益为:

E生单= 3.21×1021/(7.44×1011×1.085×108)=

39.77(元/m3)。

根据2014年连云港市统计年鉴与水资源公报数据,该市水资源在工业、农业、生活及生态供水的分配比例分别为16.5%、69.0%、12.1%、2.4%;洪水资源利用分配比例也取以上比例。由不同汛限水位得到增蓄的水量,水量按比例分配后与各类单方水效益的乘积,即洪水资源利用该类风险效益值。石梁河水库原汛限水位为23.5 m,按水位每抬高0.2 m计算效益值。工业、农业灌溉、生活、生态用水效益计算见表1,各类效益值随水位抬高的变化曲线如图1所示。

表1 洪水资源利用风险效益

图1 汛限水位抬高时各类用水效益变化曲线

由表1和图1可知,随着水库汛限水位的抬高,水库蓄存水量增多,使得各类用水效益值随之增大。其中,生态供水分配比例最小,用水量最少,但是效益值增长速率最快,效益与水量投入比最大;而农业用水量最多,但效益值最小,随汛限水位抬高的增长速率也最小。

不同的汛限水位对应的风险率不同。运用数理统计方法,以石梁河水库上游来水的历时统计资料为基础进行调洪演算,找出汛限水位对应的使水库达到设计标准水位的洪水,以该洪水发生概率作为汛限水位对应的大坝安全风险率;以水库下泄流量不超过新沭河安全泄量为准,计算下泄流量超过下游河道安全泄量的风险率。在计算中,为了保证不与大坝安全风险率计算重合,使调洪演算的最高水位不高于水库设计标准值26.81 m。按式(1)和式(2)分别计算大坝安全风险率和下泄流量超下游河道安全泄量风险率,按式(3)计算综合风险率,根据相关资料,大坝安全风险造成的风险损失占总风险损失的比重较大,因此,大坝安全风险率权重值取0.6,下泄流量超下游河道安全泄量风险率权重值取0.4。得到风险率计算结果见表2,风险随水位抬高的变化曲线如图2所示。综合风险率与综合效益的关系如图3所示。

表2 综合风险效益与风险率关系

图2 汛限水位抬高时各类风险率变化曲线

由表2和图2可知,随着水库汛限水位的抬高,大坝安全风险率和下泄流量超下游安全泄量风险率逐渐增加,增长速率也逐渐加快。当汛限水位在24.9 m以下变动时,大坝安全风险率变化平缓,风险率值不超过5%,认为取24.9 m汛限水位值，遇20年一遇洪水,能够保证水库大坝安全风险处于可控范围。经过调洪演算分析,水库下泄流量对不同汛限水位对应的风险率值影响明显,汛限水位达到24.5 m以上时,下泄流量每增加200 m3/s,可以使风险率减少5%左右。如果在保证大坝防洪安全风险率不变的情况下，继续抬高汛限水位，必须增大水库下泄流量,会增加下游河道的防洪风险,使洪水利用风险从大坝向下游河道堤防发生转移。

由图3可知,总效益值随风险率的增加而增长,当风险率控制在5%以内(即水位不超过23.9 m)时,效益增长速率很快；超过5%后,效益增长速率逐渐变慢。综上所述,在考虑风险最小且效益最大的情况下,汛限水位应控制在23.9～24.9 m为宜。

图3 综合风险效益与风险率变化曲线

3 结语

在考虑洪水风险因素前提下,对洪水资源利用效益进行了量化研究。主要考虑了大坝安全风险因素和下泄流量超下游安全泄量两种风险因素,其中大坝安全风险因素是主要风险因素。将汛限水位调整后的增蓄水量按工业、农业、生活、生态分配,分别进行效益量化,工业用水效益用C-D生产函数法量化,农业灌溉效益用分摊系数法量化,生活和生态用水效益用能值法量化。结合连云港市的石梁河水库进行分析,随着汛限水位的抬高,风险效益和风险率都呈现增长趋势,风险效益增长速率比较稳定,而风险率增长速率则逐渐加快。根据水位、效益、风险三者的关系曲线图,考虑风险最小且效益最大的情况下,给出了是石梁河水库汛限水位合理的控制范围。对于如何确定具体的汛限水位值,可以以风险最小和效益最大为目标,建立多目标决策模型,有待进一步研究。

[1]王宗志,程亮,刘友春,等．流域洪水资源利用的现状与潜力评估方法[J].水利学报,2004,45(4):474-481.

[2]王银堂,胡庆芳,张书函,等.流域雨洪资源利用评价及利用模式研究[J].中国水利,2009(15):13-16.

[3]BROUWER R,EK R V.Integrated ecological,economic and social impact assessment of alternative flood control policies in the Netherlands[J].Ecological Economies,2004,50(1/2):1-21.

[4]殷峻逞,侯召成.一种基于供水风险的洪水资源效益分析方法[C]∥中国自然资源学会2004年学术年会论文集(上册),2004.

[5]胥卫平,李括.城市雨洪资源利用经济价值评价研究[J].环境科学与技术,2009,32(7)：190-194.

[6]冯峰,何宏谋.河流洪水资源利用的社会效益分度测评定量评估研究[J].水力发电学报,2013,32(4):25-31.

[7]FENG P,HAN S.Flood risk analysis of heightening limited water level of reservoir in flood season[J].Journal of Tianjin University Science and Technology,2007,40(5):525-529.

[8]黄显峰,陈颖钦,方国华,等.洪水资源利用多目标风险决策模型研究[J].珠江现代建设,2014(6):1-3.

[9]赵宝璋,王晓妍.水利工程供水经济效益计算方法研究[J].水利经济,2000(6):31-38.

[10]王震.基于分摊系数法估算治太工程的灌溉经济效益[J].灌溉排水学报,2011,30(5):139-142.

[11]朱丽向,黄显峰.连云港市雨洪资源利用模式及效益分析[J].水利科技与经济,2014,20(10):21-24.

[12]樊艳丽,聂华.山西省水资源产业贡献度及生态用水效益分析[J].中国水土保持科学,2014(2):99-104.

[13]连云港市统计局.连云港统计年鉴2014[M].连云港:连云港市统计局,2014.

[14]连云港市水利局.2014年连云港水资源公报[Z].连云港:连云港市水利局,2014.

[15]BUENFIL A A.Emergy evaluation of water[D].Gainesville,U.S.:Department of Environmental Engineering Sciences,University of Florida,2001.

(责任编辑：宰松梅)

Study on Risk-benefit Quantification of Floodwater Resources Utilization

HUANG Xianfeng1, HUANG Xueqing1, FANG Guohua1, WANG Zongzhi2, ZHU Lixiang3

(1.College of Water Resources and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 3.Tongyu River North-extended Water Supply Project Management Division of Lianyungang, Lianyungang 222004, China)

This paper combines the risk factors of floodwater resources utilization to quantify the risk-benefit of floodwater resources after adjusting limit water level. The limit water level is a key level involved the flood risk and benefits of the reservoir. After an adjustment of limited water level, each risk rate correspond to each water level is obtained. The increasing water storage capacity due to the adjustment of the flood control level is divided in portion. Taking into account the industrial, agricultural, living, ecological risk benefits of four areas, the 4 kinds of benefits are quantified by C-D production function, the sharing coefficient method, water price based on energy and the energy theory. Taking Shilianghe reservoir of Lianyungang City as the research case, the risk rate and benefit value corresponding to each flood limit water level are calculated. And according to the relationship between flood control level, risk ratio and risk benefit, in considering the minimum risk and maximum benefit under the premise, the results show the reasonable control range of flood control level of Shilianghe reservoir is from 23.9 m to 24.9 m.

flood utilization; risk; benefit; C-D production function; energy analysis method

2016-09-06

国家重点研发计划课题(2016YFC0400909);江苏省自然科学基金项目(BK20130849);江苏省水利科技项目(2014064)。

黄显峰(1980—),男,湖北黄冈人,副教授,硕导,主要从事水资源规划、水库优化调度、洪水资源利用方面的研究。E-mail:hxfhuang2005@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.009

TV213

A

1002-5634(2016)06-0049-06