协调公平与效率的“四水四定”研究Ⅰ：方法与模型

游进军，贾 玲，杨朝晖，汪 林，王 婷

(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

1 研究背景

我国水资源分布不均、水土资源不匹配，适水发展势在必行。《中华人民共和国黄河保护法》明确要求“国家在黄河流域实行水资源刚性约束制度，坚持以水定城、以水定地、以水定人、以水定产，优化国土空间开发保护格局，促进人口和城市科学合理布局，构建与水资源承载能力相适应的现代产业体系”。上述表述被简称为“四水四定”，其中，“水”是水资源可利用量，“定”是定发展规模，即在水资源合理开发范围内，引导和保障经济社会高质量发展。“四水四定”是适应水资源条件的发展模式，也是水资源配置的新理念。

针对不同时期的水资源问题，国内形成了具有阶段特征的配置决策分析理念和方法[1]。在适应水资源条件的发展模式分析方面，新疆水资源软科学课题研究组提出将水资源承载能力作为经济社会发展的约束条件[2]，较早探索了经济、生态与水的统筹分析。许新宜等[3]提出华北地区宏观经济水资源优化配置方法和模型，建立了水与宏观经济整体关联的量化分析手段。赵建世等[4]应用复杂适应系统理论，分析水与经济社会、生态环境各子系统相互作用关系，构建了多主体适应性优化的水资源系统整体模型。王宗志等[5]针对水资源严格管理的支撑需求提出供需双侧调控模型，将优化调整产业结构、种植结构作为供需分析的整体内容。张礼兵等[6]提出了针对灌区水-能-粮系统耦合协调的供需双侧协调评价与优化调控。

适水发展是缺水地区的实际需求，水资源对行业发展的约束作用研究逐步增多，集中在农业发展和人口规模控制，如新疆的以水定地、以水定绿洲管理原则[7]、西辽河以水定地的农业发展目标引导[8]、中国蔬菜生产水定地原则优化布局[9]、甘肃民勤以水定人和生态移民的发展思路分析[10]、宁夏以水定人的发展战略分析[11]。随着国土空间规划的推进，以水定城也在城市规划中得到重视，部分学者对水资源约束下的城镇发展建设合理方向进行了探讨[12-15]。由于用水效率和可利用水量边界的不确定性，“以水定产”的研究相对较少。“四水四定”整体研究也有少量探索，如杨舒媛等[16]通过分析“城地人产”关键要素指标和分类可利用水量，给出总水量约束下的北京市“四定”规模。宋志等[17]分别以现状和用水红线作为约束，以综合效率确定“四定”规模。王浩等[18]提出以流域“自然-社会”二元水循环、资源竞争和多目标优化控制为基础的“四水四定”关键技术体系和实现路径。杨研等[19]提出了针对“四水四定”的制度体系构建和政策制定要求。

近年来，水与发展关系受到国际社会广泛关注。国际水资源协会前主席Biswas[20]指出水资源综合管理(IWRM)应综合考虑多类要素，包括经济效益、环境质量、社会福利和区域均衡度，推动水与区域发展的良性关系。可持续发展框架下的多重均衡配置成为重要研究方向[21]，考虑生态环境用水优先级及其与农业价值竞争的水资源配置研究日益增多[21]。Meinzen-Dick等[25]指出经济增长下的水资源再分配包括行政、市场、协商及混合模式等多种形式，无论何种方式对于弱势群体应有保障机制。环境政策和水量配置方式变化对生态、农业具有重要影响[26]，循环经济、产业生态学等新发展模式对水资源配置目标协同也提出了更高要求[27]，必须考虑社会、经济与环境等多重目标均衡的供需关系[28]。由于水资源分配涉及的要素越来越多，从机制手段、技术方法、模型软件、管理政策、水权水价等方面均需要开展研究[29]。

纵观国内外相关研究，水资源配置的经济社会、生态环境综合效应已成为共识，以效益为目标引导水量分配成为主要方向，进而促进行业发展合理布局。针对我国当前水资源刚性约束管理需求，本文尝试以水和经济社会发展的协调关系为基础，分析相应的指标和准则，建立具有可操作性的“四水四定”量化分析方法，供决策参考。

2 分析思路

2.1 分析模式相对于传统的“以需定供”，“以水定需”是引导发展适应水资源条件的配置新模式，其经历了三个阶段。首先是“总量控制”，各部门按照自身目标发展，总用水接近或达到水资源约束时停止新增用水；其次是“定额管理”，确保用水效率满足要求，保证区域、行业用水竞争的公平性；第三阶段是“适水发展”，通过“水”要素协调不同行业发展要求，控制发展规模、提高用水效率效益，这也是“四水四定”的研究目标。

前两个阶段重点解决供水和用水合理性问题[30]，通过最严格水资源管理制度的实施，基本实现了阶段目标，全国绝大部分区域满足用水总量控制要求。然而，这是一种先到先得模式，容易出现“劣币驱逐良币”效应，带来发展质量不高、区域不均衡的问题，需要更科学的适水发展。

“适水发展”核心是引导发展规模和布局主动适应水资源约束。“四水四定”不是单纯的水资源配置技术，而是整体决策分析方式，通过识别经济社会发展与水的协调关系，为水利以外的行业决策提供支撑，发现问题并按照适水发展要求提出政策优化手段[31]。

2.2 分析路径技术方法上，“四水四定”需要满足水资源刚性约束，统筹发展与保护的各类要求，促进水资源高效利用，优化人口、城市和产业发展布局，确定不同行业发展规模和取用水控制目标。

根据上述目标，提出水资源约束与指标识别、“四定”指标协调计算、发展质量评价和管控对策分析的分析路径。首先明确水资源约束，提出表征“四定”的关键指标，分析其变化规律与合理范围；其次，分析“四定”与水及其内部协调关系，建立协调优化准则，确定目标函数和约束条件，构建“四水四定”多目标协调优化模型，计算“四定”指标以及行业区域取水控制要求；最后对方案进行全面评价，反馈调整计算结果，提出经济社会发展布局和水资源利用管控的对策建议。

图1 “四水四定”分析思路

2.3 指标选择“四水四定”指标包括“水”和“定”两方面，前者为水资源约束，后者是经济社会发展规模。水资源约束可以计算分析或采用行政指标。计算分析方式是推求区域水资源可利用量，地表水资源以区域地表水资源量扣除生态水量和不可控洪水得出，地下水按照可开采量确定，非常规水源参考规划确定，叠加合理的过境水和外调水利用指标，得出总的水资源可利用量。行政指标包括最严格水资源管理确定的用水总量控制红线、耗水控制指标、地下水控制指标以及流域水量分配方案等。

区域总的水资源可利用量计算方式如下：

WA总=WA本+WA入+WA调

(1)

式中：WA总为区域总的可利用水量；WA本为包括地表和地下在内的区域本地可利用水量；WA入为入境水可利用量；WA调为区域可接受或需调出的外调水量，调入为正，调出为负，同时具有调入调出水量取其累计值。WA本可参考水资源评价结果选择。

经济社会发展规模选择“四定”代表性指标：“定人”指标为常住人口，是满足一定经济水平的人口规模和人口结构；“定产”指标为经济总量，是满足区域发展要求的经济规模和结构；“定地”指标为灌溉面积，是满足区域粮食安全要求的灌溉规模和种植结构；“定城”指标为建成区面积，是满足高效集约用水要求的城镇开发规模，反映包括人口规模和基础设施建设在内的城镇发展状况。

3 协调准则

3.1 协调关系“四水四定”涉及到多方面协调关系，包括两个层次：第一层是“四定”相互关系，是分析水资源公平性保障和有序流动的基础；第二层是水支撑产业发展的竞争协调关系，需要确定行业合理的发展空间和用水效率范围，为提高效率驱动水量流转提供分析基础。

“四定”要素存在既竞争又协调的关系，共同构筑社会发展的基本形态，总结其相互关系如下：(1)以“人”为本。人是经济社会发展第一要素，人均经济量代表整体发展水平，城镇化程度反映社会发展水平；(2)“人产”相依。产业发展决定经济总量，经济总量制约满足发展目标的人口规模，产业结构反映发展水平和综合用水效率；(3)“地产”相关。农业用水总量大、经济产出低，但关系粮食安全、农村就业和社会安定，必须保障其最低需求；(4)“人城”一体。“城”体现“人”“产”的发展状态，也体现经济社会整体发展水平。

第二层关系可以通过区域经济特征和发展规律识别。生活用水具有最高优先级，“城”和“人”具有一致性，因而用水竞争性主要表现在生产行业。行业用水量与经济发展指标、用水效率指标之间通常具有较强的相关关系，分析其变化趋势可以揭示产业变化和用水效率变化规律，为行业间竞争用水关系分析提供依据。

考虑“四定”全口径分析需求，按照三次产业划分生产行业，采用行业单位增加值用水量表征用水效率，作为竞争用水依据。以产业规模为自变量，以用水结构为因变量，整理行业历史用水占比和行业增加值占比系列，计算二者相关系数r值，得到各产业结构与用水结构的相关程度。r越大，表示产业发展对水的依赖程度越高。相关分析公式如下：

(2)

当r=1时，表示产业占比x与用水占比y完全相关；当r=0时为完全独立；r∈(0，0.3)时，为微相关；r∈[0.3，0.5)时，为低度相关；r∈[0.5，0.8)时，为显著相关；r∈[0.8，1)时，为高度相关。

选择相关关系较强的产业类型，基于其产业占比变化规律，结合用水总量约束和GDP总量预测，优先确定产业增加值和用水区间，从而得到其单位产业增加值用水量。考虑相关性后的行业用水效率计算如下：

(3)

式中：ei，j为第i分区第j产业的用水效率，m3/万元；j=(1，2，3)，分别表示第一、第二、第三产业；Wi、Gi分别为第i分区的分配水量和GDP；xi，j为第i分区第j产业的用水量占比；yi，j为第i分区第j产业的增加值占比。

通过上述分析得出行业发展与用水的协调关系。由于不同行业的单位增加值用水效率差异较大，实际应用中也可以行业用水效率的相对变化值作分析。

3.2 引导准则“四水四定”是以水资源约束倒逼发展，需要将水作为动力因子，制定引导水量分配的准则，驱动预期的发展方向。发展目标包括经济目标和社会目标，前者反映效率，在有限资源条件下追求更高效益；后者反映公平，确保行业、区域发展均衡，避免差距过大。

根据“四水四定”目标，结合水资源配置的一般原则，提出“尊重现状、保障刚需、效率驱动、区域均衡”的水量分配引导准则。尊重现状是以已有水量分配方案、现有经济社会发展水平以及用水状况为基础；保障刚需是优先满足民生、国家战略和区域定位要求的行业发展用水；效率优先是保障刚需后的水量按照产出效益最大进行分配；区域均衡是在满足前述要求的条件下实现用水公平，缩小区域发展差距。根据上述准则可确定两类用水需求。第一类是刚性需求，包括：(1)居民生活用水；(2)基本生态环境用水；(3)优先保障的产业用水。第二类是一般需求，指刚性需求以外的产业用水。由于后两项准则存在竞争关系，需要多目标协调优化，在保障刚需基础上满足一般需求。

根据上述准则分析水约束下的“四定”用水配置关系。生活用水通常占比不高，“定人”的依据主要是经济规模能否满足一定人均水平，实际依赖于“产”的结果。“产”“地”存在用水竞争，依赖用水效益驱动，而农业难以和其他行业竞争。考虑社会基本保障和行业公平性，需要在满足农业基本需求后考虑水量的优化流动，因此将农业基本需求作为优先保障的产业用水，并初步完成“定地”。将生活以外的刚性需求扣除后作为“定产”的水量约束，也即“定产”是在初步“定地”的基础上完成。“定地”后的水量是“人”“产”共用，二者应根据人口规模、经济水平相互协调。“定地”的同时可以提供农业的经济效益，为“定产”提供信息。当存在人均粮食安全保障需求时，“定地”也需要与“定人”协调。城镇人口和非农产业决定城镇规模，通过合理的用水集约度分析建成区用水强度和规模，即“定人”“定产”是“定城”的基础。“定产”后还需要再次反馈“定地”规模，当“定产”受发展速度等各类约束不能完全利用时存在富余水量，或刚性约束不能保证时，也需要对“定地”水量和规模进行调整。

综上，在上述引导准则下给出“四定”竞争用水关系如图2所示，其中水约束1指总的水资源可利用量，水约束2是指协调“定产”“定人”的水资源可利用量。

图2 “四水四定”水量约束流转和内部协调关系分析

3.3 优化准则在水资源稀缺条件下，产出效益更高的部门和区域会优先获取水量。“四水四定”是优先保障部分需求下的限定水量竞争利用模式，在保障刚需基础上尽可能提升效益，并兼顾区域均衡关系。不同行业可能同时存在刚性需求和一般需求，前者反映公平性的社会目标，后者反映效率优先的经济目标，通过层次化需求反映不同目标保障[32]。刚性需求优先保障，一般需求的水量分配通过效率竞争获取[33]。

按照上述水量优化配置原理，综合考虑经济效益和均衡发展两方面因素建立目标函数，确定分类水量约束和配置关系、刚性保障需求、水量平衡等约束条件，构建“四水四定”多目标协调优化模型。选取人均GDP最大为经济目标实现“效率驱动”，使有限水量支撑更大产出效益；选取人均GDP差距最小、人口与产业分布偏离度为社会目标实现“区域均衡”，缩小行业、区域发展差异，体现公平；通过约束条件反映“尊重现状、保障刚需”要求。

4 模型设计

按照上述协调优化的准则，建立多目标决策模型。

4.1 目标函数根据协调发展目标综合确定优化目标函数如下：

f(x)=f{maxGDP，minGAP， minDEV，PEN}

(4)

式中：maxGDP为区域人均GDP最大；minGAP为分区人均GDP差距最小；minDEV为人口与产业分布偏离度最小，也即匹配程度最高；PEN为罚函数，当模型因约束严格无解时，需突破部分约束条件降低目标值。

人均GDP最大目标：

(5)

式中：Wi，j为第i个分区第j个用户的分配水量；Ei，j为该用户单位用水量创造的增加值，根据用水效率推算；Pi为第i个分区人口数量；m为分区个数；n为产业用水户数，包含第一、第二、第三产业。

区域人均GDP差距最小目标，采用梯形面积法的基尼系数公式计算[34]：

(6)

式中：Xi为从低到高排序后第i个分区GDP占全区总GDP的累计比例；Yi为从低到高排序后第i个分区人口数占全区人口总数的累积比例。

区域人口与产业分布偏离度最小目标，考虑第一产业和第二产业受自然环境影响较大，以第三产业与人口的分布偏离度来衡量，采用分区第三产业份额与人口份额差的绝对值计算[35-36]：

(7)

式中：Mi指数为各地区产业份额与人口份额差的绝对值；Hi为产业份额差，用区域第三产业增加值占全区第三产业增加值总量的比例来表示；Si为人口份额差，用区域人口占全区人口比例来表示。

M指数的取值范围为[0，1]，数值越小表明产业与人口分布的匹配度越高。以各个分区累计的人口产业分布偏离度最小作为引导区域产业和人口分布尽可能一致的目标。

基于尊重现状和保障刚性原则，当刚性需求不能保障、分区用水总量与现状偏离较大时，通过罚函数降低目标值。在具备条件的情况下用水效率提升的经济成本也可以由罚函数反映。罚函数计算公式如下：

(8)

式中：Cont为第t项刚性需求不能保障的偏离值；Divt为对应的偏差计算系数；T为需要考虑的刚性需求用户数量，包括粮食安全、重点工业、重点生态等不同用户；Wsti为分区用水总量突破现状范围的比例值；Csti为对应的偏差计算系数。

式(8)中，Cont和Wsti为均按照(0，1]取值，偏离值超过一倍后均按照1计算。Divt为按照不同刚需用户的相对偏离值归一处理后占系统总偏离值的比重，Csti为不同分区现状用水量占全区总用水量的比例。

上述计算中的现状用水范围可以采用近期实际用水的变化范围，也可以按照现有的水资源管控红线作为取值依据，全区取水总量约束为不可突破的硬约束。因此，罚函数取值范围为(0，2]。

4.2 约束条件第一类为水源条件约束，包括取用水及耗水总量约束，根据区域情况也可以有分类水源约束。

(9)

式中：Wi为第i个分区的分配水量；WA总为全区总用水量约束值。

第二类为水量平衡与配置约束，具体包括：

(1)取耗水平衡约束：按照分区分类用户耗水率计算耗水，城镇生活和部分工业扣除耗水后的排水作为污水水源，结合处理回用率得出再生水可利用量。

(2)区域用水总量约束：在分区存在用水总量红线指标时，按照尊重现状原则，对比现状指标设置变化范围，在指标约束突破时通过罚函数降低目标效益。

(3)配置关系约束：一是不同类别水源与用户的可行配置关系限制，如地下水不作为环境用水或农业用水，非常规水源不供给生活用户等；二是水源工程限制，如外调水工程需在限定受水区范围分配。该约束根据区域实际情况和情景分析需求设定。

(4)用水效率约束：各类用水效率必须在合理范围内，可参照协调关系分析中的式(3)设定。

第三类为经济社会发展范围约束，按照趋势分析提出全区总体控制范围，基于现状制定各个区域限制范围，具体包括：

(1)人口总量增速与结构约束：根据人口变化趋势结合规划分析，确定可行的变化范围。

(2)分区人口数量与结构约束：以现状为基准，变化范围可参考历史状况确定。

(3)GDP增长率与结构约束：参考区域规划结合近期的平均和最大增长率设定。

(4)灌溉面积控制要求：考虑粮食安全目标设定。

第四类为刚性用水需求保障约束：

(10)

式中：Wgi为分区i对应的刚性需水；l为有刚需要求的分区数量；WG为最低保障水量。该约束可以根据具体情况对分区单元或全区总值设定。

4.3 计算与应用针对4.1节中三类目标按照权重相等的方式处理，如采用理想点或离差标准化归一化处理计算目标函数总值，转化为单目标优化问题，再采用线性规划、智能优化算法求解。可以按照“四定”协调关系分析建立约束变化范围，以现状数据作为初始值。通过模型的整体协调优化计算，得出分区分行业的水量控制结果，以及对应的“四定”规模结果。

由于模型目标函数仅反映了效率和公平这两项因素，计算结果是否全面满足高质量发展要求，还应进行综合评价，形成包括资源、经济、生态、环境和防灾等多方面的水安全评价指标体系[37]。综合高质量发展的内涵，可以从发展水平、协调均衡、集约高效和绿色生态等方面构建评价体系，对区域整体和分区发展质量进行评价。依据评价结果反馈调整模型的约束条件、罚函数，形成更为合理的方案结果。

“四水四定”目的是提供发展布局和水量分配的调控方向和措施。通过对比方案结果和现状，可以提出针对人口、产业、农业、城镇发展布局的调控方向，以及相应的完善水量区域行业分配、提升用水效率的工程和管理措施，实现从现状到未来良性发展。

5 结论

“四水四定”以确定发展规模布局为主线，而不以供需平衡和缺水为主导，从计算目标、分配原则、输出结果上均有别于现有的水资源配置。“四水四定”是将经济社会发展决策与水资源配置结合的新理念，需要新的分析思路，重点将区域自然特征、经济社会发展现状与水资源条件结合，从被动的“先发展后适应”转变为主动的“先约束后发展”，推进水资源刚性约束制度落地实施。

“四水四定”是当前的政策热点，实践需求增强，相关研究也逐渐增多，然而目前还缺乏量化计算工具和完整的案例应用。基于此，论文探讨了“四水四定”分析路径和方法，形成量化分析工具，可为相关研究和实际工作提供参考。主要的创新突破包括：(1)提出“四水四定”指标，明晰产业结构变化与用水效率关系，解析水与“四定”的协调关系，建立保障刚性需求基础上效率驱动竞争用水的优化准则；(2)协调保障公平性的社会目标和效率优先的经济目标，建立目标函数和约束条件，构建行业发展规模控制和水量分配的整体模型。通过模型可以实现整体性决策分析，规避单独分析各类发展目标时相互关系不清晰、边界条件难以确定的不足。

论文研究仍然存在一些不足，如对决策偏好信息、用水效率提升的经济成本等考虑还不足，这也说明“四水四定”十分复杂，未来还需要大量探索和实践去完善。