基于水权管理的水资源可持续承载力测评研究

2017-03-21王鹏全张丽娟吴元梅曹进军

中国农村水利水电 2017年9期

王鹏全，张丽娟，吴元梅，曹进军

(1. 青海民族大学建筑工程学院，西宁 810007；2. 青海省水利水电科学研究所青海省流域水循环与生态重点试验室，西宁 810001；3. 甘肃省水利厅石羊河流域管理局，甘肃武威 733000)

我国西北内陆干旱区水资源禀赋不足，经济社会的快速发展对水资源的刚性需求日益增加，人均水资源占有量不断下降，水生态、水环境问题日趋严重，部分流域水资源开发利用程度已超出其承载能力，水危机成为建设生态文明和发展区域社会经济的“瓶颈”。水资源可持续承载力的研究能够有效地规划区域经济社会发展规模，合理开发水土资源，对水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展提供决策指导和参考价值[1,2]。

自1989年水资源承载力这一概念提出以来，国内学者从水资源开发规模和水资源支持可持续发展能力等角度对水资源承载力的定义不尽相同[3-5]，并提出了指标体系综合评价法[6]、生态足迹法[7,8]、VAR模型法[9]、系统动力学模型法[10]、多目标优化模型分析法[11]等多种评价水资源承载能力的研究方法。但由于水资源承载力研究涉及的因素多、范围广且系统复杂，目前常用的各种评价方法都难以全面刻画水资源开发利用的高效性、公平性、协调性和可持续性。

水权制度是最严格水资源管理制度和水资源资产化管理的具体体现，基于水权的用水总量控制、用水效率控制及水功能区限制纳污“3条红线”管理是以市场机制、政府协调和民主参与的形式对稀缺水资源进行优化配置和提高水资源承载能力的有效途径[12]。目前，利用水权理论研究水资源可持续承载力的研究较少，水权理论则更多应用于研究水资源的优化配置和管理。例如王学凤[13]、吴丹[14]、肖淳[15]等通过建立多目标水权配置模型研究了流域初始水权在各区域及其各行业之间的合理配置。

西北内陆干旱地区水资源在不同水权主体间进行配置和使用时容易引起利益冲突。水权制度作为水资源管理的“活钥匙”，通过政府宏观调控和市场微观调节，设置行业用水优先权，形成用水总量控制、用水效率控制和水功能区纳污3条红线“倒逼”机制，实现水资源的产权化管理和用途管制，提高水资源利用的效率和效益。水权管理的根本目标是促进水资源公平、高效、永续利用及协调水资源与社会、经济发展与生态环境的关系，动态调整水资源在时间、空间、数量和质量上的要求，创造良好的用水秩序，从而实现水资源的二次优化配置，提高水资源的可持续承载能力[16]。

水资源的优化配置、承载能力和可持续利用都阐述了社会系统、经济系统、生态环境系统与水资源系统的内在联系，3者是相辅相成的。水资源优化配置是指利用科学手段使有限的水资源进行合理配置，实现水资源的可持续利用，保证社会经济、水资源、生态环境的协调发展，强调水资源的有效利用；可持续观念强调了水资源开发利用的可持续性、协调性、公平性以及水资源的价值观；承载能力则是以水资源优化配置为出发点，以可持续发展为原则，强调水资源能够支持人口与社会经济发展速度与规模的极限值[17]。显然，水资源优化配置是实现水资源可持续利用的技术手段，可持续发展是水资源合理配置与承载能力研究的指导思想，承载能力是可持续发展理论的结论[18]。要使水资源的开发利用达到可持续发展，必须进行水资源优化配置和承载能力研究。

本文将水资源可持续承载力界定为：在未来时空尺度上，以可预见的技术经济发展水平为依据，以水权(Water Right)管理为手段，以水资源“3条红线”为约束，以水资源开发利用的公平(Equity)、高效(Efficiency)和生态(Ecology)安全为目标，区域水资源可供人口和生产规模(工业增加值、农业灌溉面积)可持续发展的极限值。研究基于水权管理建立WR-3E水资源配置模型，设计不同的水资源开发利用预案和经济社会发展模式，提出相应的水资源配置方案。由于不同水资源开发利用预案下的承载能力不同，通过层次分析模糊优选理论选取可持续发展程度较高的水资源配置方案，并在此基础上测评区域水资源的可持续承载能力，以期对西北内陆干旱区水资源的可持续承载力评价提供借鉴。本文的研究框架见图1。

图1 研究框架

1 水资源承载力计算模型构建

1.1 WR-3E水资源配置子模型

针对本文对水资源可持续承载力的界定，以及对水权制度、水资源优化配置和可持续发展关系的分析，基于水权管理建立以公平性、效益性和生态安全性为目标的水资源优化配置模型(简称WR-3E模型)如下：

f(x)=opt[f1(x),f2(x),f3(x)]x∈X

(1)

f1(x)为公平性目标，以满足不同区域间、行业间以及用户间对水资源及其效益的合理分配利用，体现水资源使用权的优先级。鉴于公平性目标的模糊性，研究用行业缺水率均方差描述水资源空间分配的公平性：

(3)

f2(x)为效益性目标，表现为水资源开发利用对国民经济发展产生的价值。研究以水资源、水环境调整后的绿色GDP(EDP)最大作为效益性目标的衡量标准：

(4)

式中：bi为行业用水效益系数，元/m3；ci为行业用水费用系数，元/m3，包括供水成本费用、水环境保护支出费用、水资源耗减价值和水环境退化价值。

f3(x)为生态环境目标，区域生态环境的安全是经济社会发展的保障条件。研究以区域污水排放中主要污染物BOD含量最小作为生态环境目标的衡量标准[19]：

(5)

式中：di为用水行业i的污水排放率；pi为用水行业污水排放量中重要污染因子BOD的含量，mg/L。

模型的约束条件主要有取水总量控制约束、行业用水总量约束、用水效率指标约束和水功能区纳污限制指标约束等。WR-3E模型则由以上公平性目标、效益性目标、生态安全性目标以及约束条件组合而成，用于求解各方案下的水资源配置结果。由于上述3个目标具有对立统一性，利用权函数法统一协调公平、效率和生态目标的利弊关系，并将各目标函数进行归一化处理。将综合目标表示为：

maxf(x)=-λ1f1(x)+λ2f2(x)-λ3f3(x)

(6)

式中：λ1、λ2、λ3分别是公平、效率、生态稳定性目标的权重。

1.2 方案优选子模型

1.2.1 水资源配置方案集

在水权制度的驱动下，区域不同的发展模式对应的水资源配置方案各异，受社会发展、政策水平、生活习惯等因素的影响，水资源承载力处于动态变化当中。西北内陆干旱区，农业用水比例大，用水效率低，生态环境用水被严重剥夺。因此，依托水权管理作为顶层设计，科学处理开源与节流的关系，调节产业结构，减压农业耕地面积，推广高效节水技术，控制GDP增长速率，促进水权交易，贯彻生态优先和绿色发展的理念是该地区实现有限水资源优化配置和提高水资源可持续承载力的主要措施。将以上措施进行情景组合，并采用WR-3E模型求解，则得到若干个水资源配置方案集。

1.2.2 层次评价指标体系

研究借鉴国内水资源可持续利用指标体系的相关研究[20]，以水资源可持续发展为目标层，选取发展程度、协调程度和公平程度3个准则层和12个分指标层，利用层次分析法建立区域水资源可持续发展程度评价指标体系[21]，见图2。图2中：I1为人口增长率；I2为城市化水平；I3为工业增加值增长率；I4为人工生态面积；I5为BOD超标倍数；I6为水资源开发利用程度；I7为人均水资源量；I8为工业万元增加值用水量；I9为农业万元产值用水量；I10为生态用水比例；I11为行业缺水率均方差；I12为GDP增加值。

图2 可持续发展指标评价体系

1.2.3 方案优选模型

可持续发展程度是一个模糊概念，不能用确定性的指标量化。研究采用系统层析模糊优选理论，以水资源利用的发展性、协调性和公平性的综合优属度衡量可持续发展程度，从而筛选可持续发展程度较高的水资源配置方案。具体计算过程如下。

设由WR-3E模型组合计算得到n个水资源配置方案集，按照评价指标体系准则层数目划分p个评价块，每个评价块有mi个评价指标。则对第i个评价块第j个待选方案可用特征向量表示为：

S(i)j=(S(i)1j,S(i)2j,…,S(i)mij)T

(7)

于是第i个评价块待优选的n个方案可用mi×n阶特征矩阵表示为：

(8)

式中：S(i)kj表示第i个评价块中方案j评价指标k对应的特征值，i=1,2,…,p；j=1,2,…,n；k=1,2,…,m。

为了计算方便，将[S(i)kj]中的评价指标特征值归一化，转化为相应的隶属度，得到其模糊指标特征矩阵为：

(9)

对于正相关指标：

对于负相关指标：

式中：inf、sup分别表示指标行向量中特征值的最小值和最大值。

考虑到n个水资源配置方案优选的相对性，从各方案中选取优等方案和劣等方案。则第i个评价块中优等水资源配置方案用行向量表示为V(i)1=(v(i)11,v(i)12,…,v(i)1mi)；劣等水资源配置方案用行向量表示为V(i)2=(v(i)21,v(i)22,…,v(i)2mi)。v(i)1k表示第i个评价块中mi个评价指标的隶属度是n个水资源配置方案中相应评价指标隶属度的最大值；v(i)2k表示第i个评价块中mi个评价指标的隶属度是n个水资源配置方案中相应评价指标隶属度的最小值。

采用陈守煜[22]提出的待选方案与优等方案和劣等方案间欧氏权距离的概念，得到第i个评价块中第j个待选方案的优属度为：

(10)

式中：ω(i)k表示第i个评价块中第k个评价指标的权重。

通过将从属于发展、协调和公平3个评价块的优属度加权求和则得到每个水资源配置方案的综合优属度，即水资源可持续发展程度。

(11)

式中：ω(i)表示第i个评价块的权重；μj表示第j个待选方案的水资源可持续发展程度。

1.3 水资源可持续承载力计算子模型

水资源可持续承载力是一个动态性概念，随技术和管理水平的发展而变化，相同的水资源量在不同时空尺度上具有不同的承载能力。本文探究的水资源可持续承载力基于水权管理和可持续发展程度较高的水资源配置方案上，承载能力的量化指标可以描述为：

Cw(t)={C1,C2,C3}

(12)

式中：Cw(t)表示水资源承载力量化指标的集合；C1、C2、C3分别表示人口总数、工业增加值和农业灌溉面积对水资源的承载力的指标。

根据本文对水资源可持续承载力的界定，提出水资源可持续承载力量化指标的计算模型如下：

(13)

式中：Wj,i表示水资源配置方案j下用水行业i的水权水量；qj,i表示水资源配置方案j下用水行业i的用水定额，反映特定水资源开发利用模式下的用水效率。

2 实例应用

利用以上模型测算石羊河流域下游民勤县不同水平年的水资源可持续承载力。石羊河流域水资源匮乏，生态问题十分敏感，农业用水比例大且耗水量高，水资源利用效率和效益整体较低。考虑到以上问题，重点从生态治理，高效节水，经济结构调整和提高用水效率和效益等方面设置水资源开发利用情景预案。Ⅰ：调整农业内部种植结构，推广节水技术，低GDP增长；Ⅱ：实行水资源产权化管理与水权交易等措施调整产业结构，压田节水，高GDP增长；Ⅲ：调整产业结构，压田节水，较高GDP增长，强化生态优先和绿色发展；Ⅳ：开源节流，控制人口增长，强化生态建设。采用WR-3E模型求解上述预案则得到若干个水资源配置方案集，通过WR-3E子模型求解各预案在不同水平年的水资源优化配置结果见表1。利用2020年的水资源配置结果，采用系统层次分析模糊优选理论筛选可持续发展程度最高的预案。选取上文所述I1,I2,…,I12共12个评价指标构建民勤县水资源配置预案评价指标特征矩阵见表2。

表1 民勤县各预案不同水平年的水资源配置结果

注：配水总量为红崖山水库出库水量与井口可供水量。

表2 民勤县2020年水资源配置预案评价指标特征矩阵

按照图2所示的层次分析结构划分发展、协调、公平3个评价块，采用satty指标法确定各评价块的权重为ω(i)=(0.540,0.163,0.297)；各评价块的指标权重分别是ω(1)k=(0.066,0.096,0.347,0.152,0.164,0.175)；ω(2)k=(0.094,0.330,0.205,0.371)；ω(3)k=(0.667,0.333)。通过方案优选子模型得到各水资源配置预案的优属度计算结果见图3。其中将综合优属度作为水资源可持续发展程度的量化指标，即各预案的可持续发展程度为μj=(0.097,0.673,0.634,0.380)。故以最优预案Ⅱ和次优预案Ⅲ的水资源配置结果分别计算区域不同水平年的水资源可持续承载力指标。

图3 2020年各预案的优属度计算结果

根据本文提出的水资源可持续承载力计算子模型分别求解最优预案Ⅱ和次优预案Ⅲ下民勤县水资源可承载人口、工业增加值和农业灌溉面积的指标见表3。选取2020年的计算结果，通过与文献[23,24]的研究成果对比，最优预案Ⅱ所得到的人口承载力指标增加2.02%，工业增加值指标增加10.94%，农业灌溉面积减少10.12%；次优预案Ⅲ所得到的人口承载力指标增加1.16%，工业增加值指标增加4.30%，农业灌溉面积减少7.68%。研究的计算结果提高了人口与工业增加值的承载容量，这与石羊河流域调整产业结构，压田节水，促进水权从农业向工业流转等一系列水资源管理制度相适应，证明本文所建立的水资源可持续承载力测算模型具有较强的可靠性和操作性。

表3 预案Ⅱ和预案Ⅲ的民勤县水资源可持续承载力指标

3 讨论

(1)以水资源开发利用“3E”目标为出发点，基于水权管理的水资源优化配置模型、方案优选模型和水资源可持续承载力测评模型组成的集成模型能够较全面的刻画水资源开发利用的高效性、公平性、协调性和可持续性，在一定程度上克服了以往对水资源承载能力评价的局限性，这是本文价值所在。

(2)石羊河流域水资源匮乏，农业用水比例大，耗水量高，要实现稀缺水资源的高效利用，有必要以水权交易制度 “倒逼”农业用水由“粗放”到“精细”转变，使农业耕地面积与农业水权相适应，实现农业生产的集约化与规模化，从而调整水资源在各产业间的分配比例，提高用水效率和效益，防治生态用水被剥夺。因此，预案Ⅱ具有一定的合理性。

(3)模型应用实例成果与已有成果进行对比，最优预案Ⅱ所得到的人口承载力指标增加2.02%，工业增加值指标增加10.94%，农业灌溉面积减少10.12%，水资源承载能力得到了极大改善。验证了本文对水资源可持续承载力界定的合理性及其计算模型的实用性。

(4)水资源匮乏的民勤地区，在开源有限的条件下，通过调整产业结构，压田节水，强化生态优先和绿色发展，实现水资源产权化管理与水权交易等措施是进一步提高水资源可持续承载力的主要途径。

4 结语

本文通过总结众人的研究成果建立了水资源可持续承载力测评模型，该模型考虑了社会系统、经济系统、生态系统和水资源系统的对立统一性，在一定程度上克服了以往对水资源承载能力评价的局限性，但是对于生态承载力及生态足迹的描述有所不足，需要进一步讨论。其次，评价水资源可持续发展程度的指标体系需要进一步补充完善。研究基于最严格水资源管理制度和水权制度，通过水资源的可持续承载力研究，制定科学合理的水资源开发利用方案，将对西北内陆干旱区经济社会发展规模的规划及水资源的科学管理提供参考和指导价值。

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