基于协调均衡的水资源配置决策方法研究

贾正茂，赵新磊，崔长勇

（黄河勘测规划设计研究院有限公司)

1 概论

水资源是稀缺有限的，如何高效科学地利用水资源，将有限的水资源合理地配置给不同用户，一直是国内外学者研究的重点。在水资源配置研究方面，国际上研发了一系列水资源配置模型，如MIKEBASIN、Waterware、IQQM 等。中国有关水资源配置的研究，经历了单一水源工程配置、基于宏观经济的区域水资源配置、面向生态的水资源配置阶段、面向全属性功能的水资源配置4 个阶段。水资源配置的核心是结合国家发展目标和社会需求，促进经济发展与资源、生态、环境相协调，以水资源的可持续利用促进社会经济的可持续发展。

2 水资源配置决策方法

2.1 理论基础

20 世纪末Grossman 等提出了环境库兹涅茨曲线（EKC），成为研究经济社会发展与生态环境系统关系的经典理论。基于环境库兹涅茨曲线，很多学者研究了经济社会发展与生态环境变化的关系，然而该曲线不能全面反映经济社会和生态环境的问题，还需要建立经济发展综合评价指标系统和生态环境综合评价指标系统。

耦合理论可以用来描述两个或者两个以上系统之间相互作用的影响程度，然而耦合度可以显示各系统之间关联作用的强弱，不能显示系统的整体协调水平。通过耦合度可以进一步计算出系统之间的协调程度，清晰地反映出系统之间相互作用、相互影响的协调水平，能够判断出系统之间是否和谐发展，称之为协调度。协调度是指在相同的时间段内不同地区或同一地区不同的时间点内，各要素相互影响、相互配合程度的定量描述。协调度是一个不断变化的概念，表现为某一状态的值，是对系统间协调发展状况的最终判断。一些学者引入协调均衡原理，对水资源与其它子系统间的内部关系进行了研究，并提出了优化方案。

2.2 面向水资源配置的三系统指标评价体系构建

过去对水资源配置技术评价，多以追求缺水率最小，或用水效率最高为目标，对经济社会、资源社会经济、资源禀赋、生态环境各系统的特点考虑较少。本次研究遵循相关性、全面性、科学性、可比性、适用性、可操作性等原则，从水资源科学配置的目的出发，构建基于社会-资源-生态三系统综合考量的指标评价体系见表1。经济发展系统从经济水平、产业结构两个方面挑选，共提出人均GDP、第二产业比重、第三产业比重3个指标；资源禀赋系统从水资源、绿地资源方面挑选，共提出人均水资源量、人均供水量、人均绿化面积3个指标；生态环境主要从污染物排放出发，提出人均废污水入河量、人均氨氮入河量、人均COD入河量3个指标。指标属性为正，表示该指标越大对子系统越好，反之，指标属性为负，表示该指标越小对子系统越好。

表1 社会-资源-生态指标评价体系表

2.3 社会-资源-生态协调度模型构建

通过分析评价体系中9项评价指标2005-2014年的变化趋势，采用信息熵的方法计算得到社会-经济-生态各系统内部指标的单项权重αsoc，i、αres，i、αeco，i。由于各评价指标单位不同，正负属性不同，对各指标进行标准化处理。按照公式（1）计算社会经济系统综合评价得分：

式（1）中：Xsoc表示社会经济系统综合评价得分；αsoci表示社会经济系统中各指标的权重，αsoc1+αsoc2+αsoc3=1。资源禀赋系统综合评价得分Xres、生态环境系统综合评价得分Xeco可以参考此公式得到。

文章借用物理学的容量耦合概念和模型，提出耦合度：

式（2）中：C3表示三系统耦合度；Xsoc、Xres、Xeco分别表示社会经济、资源禀赋、生态环境每个系统的综合评价得分。耦合度Cn的取值范围为［0，1］，耦合度值越大，表示三系统之间的关联性越好，值越小，说明越不关联。

计算出耦合度后，可以计算三系统综合发展得分，能反映社会经济、资源禀赋、生态环境的整体效应和贡献：

式（3）中：T3表示三系统综合发展得分；βi表示三系统之间的权重系数，计算方法有主观赋权法和客观赋权法。文章认为社会经济、资源禀赋、生态环境三系统之间的贡献值是相同的，所以取等值权重即β1=β2=β3=1/3。

通过耦合，得到三系统的协调度：

式（4）中：D3表示三系统协调度；C3表示三系统耦合度；T3表示三系统综合发展得分。

按照三系统协调度的大小，可将三系统协调状况分为五个等级阶段，如表2。

表2 三系统协调度评价标准表

3 实例研究

3.1 研究区概况

驻马店市下辖1区8县，总面积13 633 km2，1956-2014年多年平均水资源总量451 323万m3，其中地表水资源量341 571万m3。

水资源供需矛盾日益突出，随着经济社会快速发展、工业化和城镇化进程加快和国家粮食安全保障需要，水资源需求不断上升，基准年（2014年）缺水量9 607万m3，缺水率达9.80%。供水结构不合理，近6 a平均地下水供水量占总供水量的比例高达78%左右。水质状况不容乐观，据2014年监测资料，除了汝河上游、臻头河上游、泌阳河等河段水质良好，水质达到Ⅲ类或优于Ⅲ类标准外，其他大部分河流河段水质都低于Ⅲ类标准，其中Ⅴ类和劣Ⅴ类的河流河段占了约50%。

3.2 结果分析

驻马店市国民经济发展总需水量2020年为125 891万m3，2030 年为149 184 万m3，16 a 净增了50 737 万m3，年增长率为2.60%。采用传统水资源配置网络模型，构建驻马店市水资源供需平衡计算节点图。以各节点为单位，以1956-2014年59 a系列逐月为时限输入水资源评价数据。供水优先序设置方面，优先考虑城镇生活、农村人畜、河道内生态环境用水，工业用水次之，农业灌溉及河道外生态最后满足。

对比各水平年驻马店各县区协调发展情况，如图1，可知，现状2014年各县区三系统协调度在0.41～0.52之间，只能达到中级协调发展水平；现状年各县区中上蔡县协调度最小为0.41，驿城区、泌阳县最大，均为0.52；主要原因是上蔡县人均GDP最小，只有1.57万元/人，驿城区人均GDP最高，为2.82万元/人，泌阳县的人均GDP、人均水资源量、人均供水量各项指标均较高。

2020 年通过合理调配各行业配置水量，各县区协调度明显提高，协调度高达0.80～0.83 之间，相比现状2014 年提高0.28～0.39，各县区均达到优质协调发展的要求；2020 年各县区中协调度提高值最小的为驿城区，由现状年0.52 提高至0.80，提高了0.28，协调度提高值最大的为上蔡县，由现状年0.41 提高至0.80，提高了0.39；主要原因是驿城区2020 年人口大幅度增加，增加了40.89万人，各项人均指标提高幅度十分有限，上蔡县由于现状协调度最低，2020年通过提速发展、产业结构优化、增加供水量、减少排污量等措施，协调度大幅度增加。

表3 2020年水资源配置成果表

表4 2030年水资源配置成果表

图1 不同水平年协调度情况图

2030 年通过继续的科学调配水量，各县区协调度继续提高至0.81～0.92 之间，相比2020 年提高程度达到0.01～0.12，各县区协调发展水平进一步调高；2030 年各县区中驿城区协调度最大为0.92，主要原因是驿城区作为驻马店市的经济、政治、文化中心，各项指标增长幅度较大。

4 结语

①文章引入了社会-资源-生态协调均衡理论，从水资源科学配置的目的出发，提出了一套面向水资源配置的三系统指标评价体系，构建了三系统均衡协调度模型。并以驻马店市为研究实例，通过协调均衡水资源配置决策，得出2020年水平驻马店市配置河道外供水量118 714万m3，三系统协调度可达到0.81，2030年水平配置河道外供水量139 654万m3，三系统协调度可达到0.86。文章以实现水资源的协调均衡为配置目标，更新了传统的水资源配置思路，可为今后开展水资源规划配置工作提供参考和借鉴。②建议进一步寻找更广泛、代表性好、敏感度高的指标，根据水资源协调均衡配置特点，进一步研究各指标赋权方法技术。