基于环境基尼系数的苏南运河排水权分配

吴 芳，曹秋迪，张丹丹，孙付华，沈菊琴

(1.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128； 2.河海大学商学院，江苏 南京 211100；3.河海大学环境会计与资产管理研究所，江苏 南京 211100； 4.河海大学农业工程学院，江苏 南京 210098)

近年来，随着太湖流域城镇化进程的逐步加快，城市范围不断扩张，人口规模急剧上升，社会财富快速积累，推动社会经济发展的同时也加剧了城市洪涝风险。为了提高城市中心区和低洼地区的防洪除涝标准，保障人民财产安全，江苏省太湖流域地区按照流域、城市和区域3个层次的规划防洪格局，开展水利工程建设。至2015年底，常州、无锡、苏州城市防洪工程全部建成，中心城区防洪标准提升至200年一遇[1]。城市防洪包围工程建设的主要措施是城区骨干河道整治和闸泵建设，河道建闸在一定程度上改变了与苏南运河水量的交换，运河防洪压力增加，为流域和区域防洪带来新的挑战。

苏南运河沿线地区水系纵横交错，在洪涝灾害发生时，涉及流域、区域以及城市防洪排涝等多层面调度。在实际调度中，对于城市防洪包围内河网利用较不充分，加上区域水系复杂，多目标统筹协调难度较大[2]。2016年梅雨期太湖流域发生流域性特大洪水，苏南运河主要代表站点突破历史最高水位，沿线及部分周边地区受灾严重。期间常州、无锡、苏州城市大包围进入运河水量1.356亿m3，占总进入运河水量的17%。如果在强降水集中期间，适时、适度控制城市大包围外排，可实现行洪、蓄洪、滞洪的有效调配，有效解决流域防洪能力的有限性与区域排水需求之间的矛盾，缓解运河防洪压力。近年来，于凤存等[3-4]对排水权的配置进行初步研究，综合分析排水权分配需考虑的主要因素；张劲松等[5]提出排水权具有排他性和强制性，排水权配置必须以全局利益为前提，并结合江苏省区域排水存在的矛盾，探讨了江苏省排水权配置的必要性与可行性；张丹丹等[6]充分考虑社会、经济、生态环境以及排水需求对苏南运河排水权分配的影响，构建排水权分配双层优化模型。由于目前与排水权相关研究囿于理论层面，并较少涉及具体的应用，对于配置的效果亦存在一定的不确定性。

本文结合排水权配置的特点，以公平作为配置的基本原则，将环境基尼系数引入总量控制下的排水权配置过程中。通过对苏南运河排水权的优化配置，有利于统筹城市防洪与区域防洪之间的关系，在确保城市防洪安全的前提下减轻苏南运河防洪压力。

1 环境基尼系数应用与排水权配置的原理

1.1 环境基尼系数

基尼系数是利用洛伦茨曲线来综合反映居民收入分配差异状况、衡量收入分配公平程度的指标。随着研究的深入，基尼系数逐渐被应用于研究资源消耗和污染排放与经济贡献的公平性中[7-8]。其基本原理为：基于一定比例的资源消耗或污染物排放需要贡献相同比例的GDP，则资源消耗或污染排放的分配为绝对公平[9-10]。对于资源环境基尼系数具体的划分等级，可采用国际惯例的基尼系数等级划分标准[11]。

1.2 排水权配置与流域排污权配置的区别

当前国内外学者对于水权、排污权、碳排放权等方面的配置进行了较深入的研究，对于各类资源配置的研究主要与其各自的特征相结合[12-14]。由于排水权的概念提出较晚，且排水权配置易与排污权配置相混淆，因此本文对排水权配置与流域排污权配置两者的区别进行分析。

a. 配置目的不同。排污权是指排污者根据环保部门分配的额度，依法向环境排放污染物的权利。在排污权配置时需要将目标总量控制和容量总量控制有机结合，以实现水环境污染控制和改善水质[15]。排水权是对流域、区域排水权益的划分，当非常规降雨时，需要通过合理调度来减轻洪水灾害损失[16]。虽然排水权也涉及污水排放，但是由于影响排水工程规模的主要因素是降雨，因而主要以区域涝水排放权利作为配置内容[6]。排水户在享有排水权利的同时，承担治污和保护生态环境的责任。可见，两者的配置目的在本质上存在较大差异。

b. 配置依据不同。对于排污权的配置主要依据国务院印发的“十三五”生态环境保护规划以及流域和地区的环境保护规划目标中对污染物的总量削减要求[17]；对于排水权配置，依据的是国家防汛抗旱总指挥部颁布的防洪调度方案、流域或行政层面的防洪调度规划的要求。

c. 配置对象不同。为了便于管理和实施，通常情况下以行政分区作为排污权的总量分配对象；而排水权的配置除了将行政分区作为分配对象外，也可以将沿线区域划分片区作为分配对象。

d. 影响因素不同。影响流域排污权和排水权分配的要素均包括人口、资源和经济等方面。污染物来自居民生活污水、工业点源污染和区域种养殖业，同时，污染物的排放与社会经济发展程度、自然禀赋关系较为密切。根据污染物总量削减要求，排污权分配以各行政区水环境容量(纳污能力)作为关键影响因素[18]。对于排水权的配置，既需要考虑主要堤防的设计洪水位、河道及控制枢纽的泄洪能力等因素，也要考虑排水区的来水情况、受涝程度以及排水需求。在这些因素中，无论是排污权还是排水权的分配均涉及较庞大的指标体系，并且部分指标存在难于统计等问题。

1.3 环境基尼系数与排水权配置公平性

由于不同地区在经济、社会、资源环境方面的差异性以及排水权配置系统的不确定性，排水权配置的预期效果受到影响。在排水权的配置过程中必须以各地区可持续发展为基础，在确保各地区排水权利基本平等的同时，确保经济发展与排水空间权利均等相结合。

基于环境基尼系数的配置方式能避免单一分配方式无法反映不同地区间差异性的现象，也克服了按照层次分析法进行分配时指标权重设置主观性强的缺陷[19]。从环境角度，环境基尼系数能反映各类指标占用排水权资源的内部公平性，可以将环境基尼系数引入到排水权分配产生环境压力的公平性之中。如果环境基尼系数为0，表示排水权的分配是完全公平的；环境基尼系数为1，表示绝对不公平；在这一区间内部，数值越小，排水权的分配就越趋于公平；反之就表示越不公平。

2 基于环境基尼系数的排水权优化分配函数

2.1 目标函数

影响区域排水权分配的因素很多，可以分为社会、经济、生态环境3个方面，在社会方面可以选择人口因素作为影响排水权的关键指标，对于人口较多的地区，所分配的排水权应该较多。在经济方面，可以选择GDP作为衡量经济发展状况的指标，相比于经济欠发达地区，经济较发达地区可分配更多的排水权。在生态环境方面，区域水环境容量、污染物排放、地表水资源量等指标常常用作评价排污权和水权的关键性指标。由于排水权与流域排污权、水权存在本质差异，主要还是考虑暴雨径流不能及时排出对区域范围的影响，考虑到数据的可获得性，本文选择城市防洪包围地区的土地面积作为代表性指标。

结合社会、经济、生态对排水权分配的影响，本文不再以国际惯例的基尼系数等级划分标准作为衡量排水权分配公平程度的主要依据，而以各指标下环境基尼系数之和最小作为目标函数。假设有n个待分配地区，m个评价指标，形成原始指标数据矩阵A=(xij)n×m。以各地区分配的排水权为决策变量，在排水总量一定的情况下，目标函数为

(1)

(2)

(3)

式中：Gj——评价指标j的环境基尼系数；Xij——人口等指标的累计百分比；Yij——排水权的累计百分比；j——人口、GDP和土地面积3个指标的编号；X(i-1)j——第i-1个地区人口等评价指标的累计百分比；Y(i-1)j——第i-1个地区排水权的累计百分比；Fi——第i个地区的排水权。

2.2 约束条件

b. 排水需求约束。考虑到区域排水的客观需求和排水权配置的高效性，在区域排水权分配时各地区所分配的排水量不得超过其排水需求量，即Fi≤FDi(FDi为第i个地区排水需求量)。

c. 现状环境基尼系数约束。为保证排水权优化配置的效率，在配置后各指标的环境基尼系数不得高于现状，即Gj≤Gj 0(Gj 0为第j个指标的现状环境基尼系数，即配置前的环境基尼系数)。

e. 环境基尼系数非负约束。即Gj≥0。

3 苏南运河排水权优化分配

3.1 城市防洪工程概况

苏南运河沿线城市防洪工程主要是利用运河老河道及沿运河新建闸泵形成城市防洪包围圈。其中，包括常州市城市防洪工程、无锡市城市防洪工程以及苏州市城市防洪工程。防洪工程建成后抽排入运河的涝水是运河主要的洪水来源之一，也是造成汛期运河持续高水位的主要因素。

a. 常州城市防洪工程。常州市城市防洪工程沿运河分为运北、潞横草塘、采菱东南、湖塘共4个片区，总面积416.1 km2。其中，运北片和湖塘片实施了大包围。运北片设计防洪标准为200年一遇，沿运河侧设计洪水位采用5.95 m，外排泵站总规模为420.96 m3/s(重要节点工程365 m3/s)，其中排入运河的流量为179 m3/s；湖塘片设计防洪标准为100年一遇，沿运河侧设计洪水位采用5.80 m，外排泵站总规模为78.1 m3/s，其中排入运河的流量为57.7 m3/s。常州城市防洪工程外排泵站入运河流量共计236.7 m3/s。

b. 无锡城市防洪工程。无锡市城区分为运河以东的运东大包围、新区片、锡东片、锡北片、惠北片，以及运河以西的梁溪片、太湖新城片、惠南片和马山片，共9片，面积共1 294 km2。其中，运东和太湖新城实施了大包围。运东大包围面积约144 km2，设计防洪标准为200年一遇，沿运河侧南门水位站处设计洪水位采用5.05 m，外排泵站总规模为485.6 m3/s，排入运河流量为218.8 m3/s；太湖新城片外排泵站总规模为97 m3/s，其中排入运河流量为82 m3/s。无锡城市防洪工程外排泵站入运河的流量共计300.8 m3/s。

c. 苏州城市防洪工程。苏州市城市防洪工程主要包括城市中心区大包围和金阊新城包围两部分，设计防洪标准均为200年一遇，沿运河侧胥江等设计洪水位采用5.20 m。苏州城市中心区大包围面积84 km2，外排泵站总规模为286.5 m3/s(含西塘河裴家圩枢纽)，其中排入运河流量为168 m3/s。金阊新城包围13.7 km2。外排泵站排水总规模为39.1 m3/s，其中排入运河流量为23.5 m3/s。苏州城市防洪工程外排泵站入运河流量为191.5 m3/s。

3.2 数据收集

3个城市防洪包围地区的人口、GDP、土地面积数据来源于2017年常州市、无锡市及苏州市统计年鉴与网络资源，各地的现状排水量数据来源于《苏南运河区域洪涝联合调度方案》[20]。

3.3 现状环境基尼系数的计算

根据环境基尼系数公式，分别对各指标的现状环境基尼系数进行计算，以人口这一指标为例，计算过程中需要对3个城市防洪包围地区的单位人口排水量(即洛伦茨曲线中的斜率)进行排序，结果见表1。根据排序结果，人口、GDP和土地面积这3个代表性指标的单位指标排水量从低到高依次均为无锡大包围、常州大包围和苏州大包围。

表1 基于人口的环境基尼系数计算结果

根据计算，基于人口、GDP和土地面积的现状分配环境基尼系数分别为0.026 8，0.166 4和0.106 6，各指标对应的洛伦茨曲线见图1。现状各指标的环境基尼系数均小于0.2，表明目前的公平性较好。

图1 基于苏南运河排水现状的洛伦茨曲线Fig.1 Lorenz curve based on the current situation of flood drainage in the Sunan Canal

3.4 排水权的优化

结合《苏南运河区域洪涝联合调度方案》[20]，3个城市防洪工程排涝动力达729 m3/s，而运河现状安全下泄流量仅为400 m3/s左右，因此本文以400 m3/s作为排水权总量控制目标(不考虑沿线圩区排入运河流量)。对于各地区的排水需求量，本文以现状排水量数据来反映各地的排水需求。以各指标的环境基尼系数之和最小为目标函数，约束条件如下：保持优化分配的排水权总量为运河安全下泄流量；各地区所分配的排水量不得超过其排水需求量；保持各地区在各指标的排序未发生变化的情况下，优化的环境基尼系数始终优于现状。

利用MATLAB规划求解工具，将各参数、初始数据及约束条件输入进行计算，得到在人口、GDP、土地面积的环境基尼系数总和最小的情况下3个防洪包围地区最终的排水权分配量(表2)。从表2可以看出，无锡大包围地区的削减量最大，为128.87 m3/s；苏州大包围地区的削减量最小，为95.89 m3/s。从削减程度来看，苏州大包围地区的削减比例最大，为50.07%；无锡大包围地区的削减比例最小，为42.84%。

表2 优化后各区域排水权分配量

在优化配置后，基于人口、GDP和土地面积3项指标的环境基尼系数均优于现状，分别为0.000 2、0.144 1和0.079 6，环境基尼系数的平均变化幅度为0.026 3(表3)。在确保运河安全的情况下，该分配方案能够使各防洪包围地区单位经济、社会和环境资源指标所负荷的排水权达到最大程度的接近，实现相对公平的排水权优化配置。

表3 环境基尼系数优化结果

4 结 语

关于排水权的配置研究目前属于探讨阶段，对于排水权的分配而言，公平性是保障区域和谐发展的重要条件。本文将环境基尼系数法应用于苏南运河区域排水权的分配中，结合排水权的特征，建立基于环境基尼系数的排水权优化分配函数。利用MATLAB规划求解工具，计算得到各区域排水权的优化分配方案。通过对苏南运河排水权的优化分配，有利于统筹城市防洪与区域防洪的关系，减轻运河防洪压力。在今后的研究中，应进一步完善防洪调度机制，通过错时错峰调度合理安置洪涝。