基于泰尔指数的水资源配置公平性研究——以引江济淮工程河南段为例

陶 洁,张 李 婷,左 其 亭,冯 跃 华,张 玉 顺

(1.郑州大学 水利与交通学院,河南 郑州 450001; 2.河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室,河南 郑州 450001; 3.河南省豫东水利保障中心,河南 开封 475000; 4.河南省水利科技应用中心,河南 郑州 450000)

0 引 言

水资源配置是水资源规划管理的核心内容,其目的是基于有效、公平、可持续等原则,对有限的不同形式水资源在不同甚至是冲突的利益主体之间进行分配,最终促进经济社会与资源、生态、环境和谐的可持续发展[1-2]。水资源多目标配置可以平衡区域内不同用水户的供需要求,实现最大的社会经济效益和最小的环境影响[3-4]。Flinn等[5]于1970年提出了空间均衡的概念,并在水资源配置中进行研究应用,以实现水资源公平性分配。水资源公平分配与否直接影响着区域间和用户间的用水矛盾甚至冲突,也被普遍认为是水资源可持续利用的关键[6-7]。

目前水资源公平性配置研究也从定性分析逐渐转向定量评估,多通过基尼系数和泰尔指数等开展[8-9]。基尼系数自从被Cullis等[10]确定是衡量水分配不平等的可行量化方法后,多应用于水资源公平性研究,如Hu等[11]和Xu等[12]利用基尼系数研究了区域水资源配置中公平与经济效益的关系。与基尼系数相比,泰尔指数是由荷兰经济学家Theil[13]根据信息理论提出,最初用于国家间收入差距研究,现多用于判断区域资源量与经济发展间的均衡性,反映配水的公平性。泰尔指数能够在反映公平性的基础上,允许进一步将全局差异分为不同时间、区域和层次范围内的差异,并进一步分析导致不公平性的原因[14-15]。例如,黄万华等[16]运用泰尔指数分析长江流域上、中、下游水资源管理绩效水平区域间和区域内部的差距,发现组内差异是总体差异的主要来源。黄锋华等[17]利用泰尔指数对粤港澳大湾区东片区和西片区进行水资源空间均衡性分析,发现区域间差异对总体差异贡献率较大。然而,当前研究主要集中在流域内和流域间的水资源优化配置,而对同一地区不同用水户水资源配置公平性的研究较少。迄今为止,不同用水户间的矛盾多用水资源多目标优化配置模型来解决[18]。因此,将泰尔指数与水资源多目标优化配置模型相结合,不仅可以提高受水区不同县区间配水的公平性,而且可以有效解决不同用水户间的用水冲突问题。

引江济淮工程是实现长江下游向淮河中游地区跨流域补水的重大水资源配置工程,是国务院要求加快推进建设的172项重大水利工程之一,其中河南段工程也被列为河南省十大水利工程之一。为了给河南段受水区提供更好的水资源分配策略,本文以泰尔指数构建考虑区域水资源空间均衡的多目标优化配置模型,并以2020年为现状年,2030年和2040年为规划水平年,研究引江济淮工程河南段9个受水区之间跨流域调水的竞争问题,以期实现区域间公平可持续发展。

1 工程和受水区概况

引江济淮工程河南段在豫皖两省交界处西淝河通过龙德泵站提长江水入清水河,利用三级泵站提水至试量闸上游向河南境内输水(见图1)。经过水利部行政许可文件(水许可决〔2019〕38号)批复:规划2030年和2040年在试量站断面分别引江水5.00 亿m3和6.34 亿m3。

图1 引江济淮工程河南段工程概况和受水区范围示意Fig.1 Overview of the Henan section of the Yangtze-to-Huaihe River water diversion project and the scope of the water receiving area

河南段受水区范围涉及商丘、周口的9个区县(见图1)。受水区位于豫东平原区,人口密集,水资源匮乏,区域内降水时空分布不均,地表水利工程拦蓄条件差,是河南省淮河流域缺水最严重的区域[19]。现状年2020年受水区可供水量为15.59 亿m3,其中地下水供水12.30 亿m3,占供水总量的78.88 %,不合理的供水结构导致地下水超采严重,形成地下漏斗。现状年2020年受水区生活、工业、农业和生态用水量分别占总用水量的12.38 %,9.88 %,74.48 %和3.25 %,农业灌溉用水占比较大,生态用水被挤占现象严重,行业之间存在严重的水资源竞争矛盾,容易增加缺水风险。

2 面向公平的水资源多目标优化配置模型

2.1 配置原则

(1) 以流域和区域水资源可利用量为基础,以最严格水资源管理制度“三条红线”为原则,维持河南省淮河流域水资源配置格局。规划年引入引江济淮水后,用水总量仍然不突破用水总量控制标准。

(2) 遵循用水次序原则。优先保证城乡居民基本生活和最小生态环境用水;其次考虑到受水区是重要的粮食产地,因此先满足农业需水,再满足工业和一般生态需水。

(3) 遵循供水次序原则。根据《引江济淮工程(河南段)水资源论证报告》对当地不同水源开发利用状况及河南省人民政府对当地水源的统筹规划,确定受水区内供水水源配置次序为:引江济淮水、地表水(不含引江济淮水)、浅层地下水、中水。其中,中水主要用于煤电、工业园区等大型用水企业或被作为市政杂用水和生态用水等;浅层地下水主要用于农业灌溉及少量乡镇工业用水;深层地下水全面禁采,只在特殊情况下作为备用水源。依据SL430-2008《调水工程设计导则》规定“应根据调水工程的任务及用户的重要程度,结合水资源分布及可利用情况,合理确定供水保证率。城乡生活供水保证率为95%～97%,工业供水保证率为 90%～95%,农业和生态环境供水保证率为 50%～90%”,引江济淮工程河南段设计供水保证率为:城镇生活、工业供水保证率为 95%;农业灌溉用水为当地水,农业灌溉设计保证率为60%。

2.2 目标函数

按行政区划将研究区域分为9个受水子区,用k表示;供水水源分为地表水、浅层地下水、引江济淮水及中水回用4种,用i表示;用水户分为生活、工业、农业和生态4类,用j表示。从社会效益、经济效益、公平性3个方面设置目标函数。

(1) 社会效益f1(x)。区域缺水率的大小和程度直接影响社会发展和稳定,故以区域缺水率最小作为社会效益目标,即:

(1)

(2) 经济效益f2(x)。以可供水资源量带来的经济效益最大为目标,即:

(2)

(3) 公平性f3(x)。用泰尔指数表征区域间、区域内不同用水户间两个层面水资源配置的差异和公平性。指数越大,指标间匹配程度低,即水资源量与经济发展不平衡,水资源配置越不公平;指数越接近于零,表示差异性越小,水资源配置越公平。

maxf3(x)=min(Twr+Tbr)

(3)

(4)

(5)

2.3 约束条件

2.3.1供水能力约束

供水水源i实际供水量不能超过其可供水总量上限,即:

(6)

2.3.2需水约束

为了满足基本用水需求,分配给各受水子区各用水户的总水量应以其最大需水量为上限,以其最小需水量为下限,即:

(7)

2.3.3引江济淮工程可调水量约束

引江济淮工程可调水量约束见式(8):

(8)

式中:Q为引江济淮工程河南段调水量,规划年2030年调水量为5.00 亿m3,2040年为6.34 亿m3。

2.3.4非负约束

配置水量均满足非负约束条件。

2.4 参数确定

2.4.1供水次序系数、用水次序系数

受水子区配水优先系数按照受水子区产值占整个受水区生产总值的比例确定,计算结果见表1。当地供水水源不同用水户用水次序系数根据受水子区水资源配置原则,按公式(9)计算得到:生活0.4、农业 0.3、工业0.2、生态0.1;引江济淮水不同用水户用水次序系数为:生活0.50、工业0.34、生态0.16。

表1 效益系数及配水优先系数Tab.1 Benefit coefficient and priority coefficient of water distribution

水源供水次序系数根据各水源的调节能力和水资源配置原则按式(10)计算,结果为引江济淮水0.4、地表水0.3、浅层地下水0.2、中水0.1。

(9)

(10)

2.4.2效益系数和费用系数

效益系数为单位用水量创造的产值。工业、农业用水效益系数分别为单位用水量创造的工业增加值、农业生产总值[20]。但是生活、生态用水效益系数难以确定,本文按工业用水效益系数进行折算确定,具体计算如式(11)～(14)所示[21-22],取值结果见表1。

(11)

(12)

(13)

(14)

农业、工业、生活费用系数参考当地水价标准确定,生态费用系数按与生活费用系数相等的原则确定。最终确定研究区生活、工业、农业、生态用水户的费用系数依次为2.4 元/m3、3.2 元/m3、0.47 元/m3、2.4 元/m3。

2.4.3需水量上下限

依据受水区供水保证率要求,结合参考文献[23],确定各用水户需水量的上下限:

(1) 生活用水属于保障性用水,需要优先满足,生活需水量上下限均取规划年需水量。

(2) 工业需水量上限取规划年需水量,下限取规划水平年需水量的0.95 倍。

(3) 农业需水量上限取规划年需水量,下限取规划水平年需水量的0.6 倍。

(4) 生态需水量上下限与生活用水相同,上下限均取其规划水平年的需水量。

2.4.4供需水量预测

采用定额法预测规划年2030,2040年的需水量[23]。从不同的水源考虑现状工程供水能力、水资源可利用量及工程变化状况来综合确定可供水量。现状年供水量查阅相关水资源公报确定。

2.5 模型求解

目前,求解多目标的复杂非线性优化模型最流行的是基于参考点的非支配排序方法的进化算法(NSGA),其中NSGA-Ⅲ算法利用参考点分布良好的特征来维持种群的多样性,其优势是在处理3个以上目标时具有更好的收敛性,避免了NSGA-Ⅱ算法陷入局部最优解的情况[24]。本文选择NSGA-Ⅲ算法求解水资源配置模型。

3 结果分析

3.1 水资源优化配置方案分析

引江济淮工程河南段规划年水资源配置方案见表2。2030,2040年河南段受水区缺水量分别为2.68亿m3、1.53亿m3,相较于现状年2020年(6.95亿m3)缺水明显减少,工程调水有效缓解了当地供水压力。规划年2030,2040年地下水供水占比分别为53.31 %,46.58 %,较现状年2020年(78.88 %)显著降低,可改善靠超采地下水来维持受水区供水的状况。

表2 规划年引江济淮工程河南段水资源配置方案Tab.2 Water resources allocation scheme for Henan section of the Yangtze-to-Huaihe river water diversion project in the planning year 万m3

3.2 社会效益分析

规划年受水区配置方案社会效益(以缺水率来表征)见表3。生活和生态用水户需水量均满足,图2仅展示工业和农业用水户的缺水量状况,由于永城市是一座能源工业城市,工业需水量较大,工业缺水最严重。仅太康县受水区农业用水户满足需求,这主要是因为太康县浅层地下水资源丰富,在满足农业用水户需求外,仍有剩余可供给工业;夏邑县农业需水量大,但主要供给农业的浅层地下水量较小,导致夏邑县农业缺水最为严重,2030年和2040年缺水量分别为7 447万m3和4 989万m3。

表3 规划年引江济淮工程河南段水资源配置方案的目标效益Tab.3 Target benefits of water resources allocation scheme for Henan section of the Yangtze-to-Huaihe river water diversion project

图2 规划年引江济淮工程河南段用水户缺水量Fig.2 Water shortage of water users in Henan section of the Yangtze-to-Huaihe River water diversion project in the planning year

3.3 经济效益分析

规划年水资源配置方案的经济效益见表3。2030,2040年受水区总经济效益分别为747.50 亿元、945.81 亿元,2040年较2030年增长了26.53 %,其中郸城县经济效益增幅最大,增长了37.16 %。由于永城市矿产资源和农业产品丰富,受水区中经济产值最高,2030年、2040年占比分别为17.86 %和18.21 %。

3.4 公平性分析

3.4.1匹配性分析

规划年水资源量与经济效益的匹配性分析见图3,2030年配置水量最少与经济效益最差的分别为梁园区和郸城县,区域间水资源配置存在不匹配现象;2040年配置水量和经济效益最低的均为梁园区,配置水量与经济效益匹配性提升,区域间水资源配置公平性提高。规划年各用水户配置水量占比最高的是农业用水户,而经济效益占比最高的是生活用水户,农业用水户产生的经济效益最低,夏邑县水资源配置公平性最差也与上述原因一致,区域内用水户间水资源配置不公平性现象明显。

图3 河南段受水区规划年水资源配置匹配性分析Fig.3 Matching analysis of water resources allocation in the planned year of the water receiving area in Henan section

3.4.2差异贡献率分析

规划年区域内用水户间水资源配置差异结果见表3。区域内和区域间配水差异对总体水资源配置公平性的贡献率见表4。规划年泰尔指数计算结果均远大于零,经济角度下河南段受水区水资源配置处于不公平状态,2040年泰尔指数较2030年有所降低,水资源配置公平性提升,这与上述水资源量与经济效益匹配度提高结果相同。2030年和2040年用水户间水资源配置的差异占比分别96.24 %,96.19 %,水资源配置不公平性主要由受水区区域内用水户间的用水量差异所导致,其直接影响其他用水户的经济效益。

表4 河南段受水区规划年水资源配置公平性分析Tab.4 Equity analysis of water resources allocation in the planned year of the water receiving area in Henan section

4 结论与展望

本文将体现区域水资源与当地经济发展差异、表征公平性的泰尔指数纳入到水资源配置模型中,并开展引江济淮工程河南段应用研究,得到结论如下:

(1) 规划水平年2030年和2040年河南段受水区泰尔指数分别为0.479和0.420,水资源配置公平性提高,用水户间配水的差异性对河南段水资源配置公平性起到决定性作用,将公平性目标纳入水资源优化配置模型,能够将有限的水资源更合理地分配,分析水资源配置不公平性产生的原因,为区域空间均衡发展提供借鉴。

(2) 由配置结果得出,针对受水区供水结构,需通过强化节约用水、计划用水、科学用水等措施减少无效需求减轻供水压力。污水回用占比较小,受水区要扩大水源,加快城市污水处理设施建设、努力实现污水资源化提高工业用水的重复利用率及污水处理回用量,加大该区的供水能力。

(3) 引江济淮工程河南省受水区人口密集、耕地率高,农业用水占比最大,而产生的经济效益较小,因此,未来河南段受水区应在保证粮食安全、严守耕地红线的基础上,通过改变种植结构提高农业灌溉水利用系数,推进农业产业化,优化农业生产结构和区域布局,加强粮食生产功能区、重要农产品生产保护区和特色农产品优势区建设,提高农业用水户的经济效益。

本次研究仅从年尺度开展水资源配置公平性研究,后续有必要进一步细化到月、日、实时尺度;且模型构建中有必要进一步纳入区域水污染、生态环境等问题,以期实现水资源与经济社会发展和生态环境保护相协调。