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　　作者：陈刚 顾世祥 杨霄 张玉蓉

　　作者单位：河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 云南省水利水电勘测设计研究院

　　摘    要：　水量分配是落实最严格水资源管理制度的基础性工作之一, 开展跨界河流水量分配有利于促进水资源的节约保护和合理配置。基于用水紧张程度的区域差异, 建立了集中分配模式下的跨界河流水量分配协商模型。在模型建立的过程中, 充分考虑了不同流域和区域对水资源管理体制中定额管理、总量控制等管理策略的偏好, 综合分析采用定额预测法、水资源配置法、层次分析法和产水比例法计算的水量分配方案, 得出最终的水量分配方案, 并在云南省甸溪河水量分配中加以应用。计算结果表明, 采用本文模型制定的甸溪河水量分配方案, 协调了区域与区域之间、区域与流域之间水资源利用的需求, 可作为跨界河流水量分配的技术工具。

　　关键词：　水量分配; 用水紧张程度; 协商模型; 集中分配模式;

　　Abstract：　Water quantity allocation, as one of fundamental steps for implementing the strictest water resources management (SWRM) , is of great significance in promoting water saving and protection and optimizing water resources allocation.A negotiation model for centralized water quantity allocation is presented to consider regional discrepancy of water stress in a trans-boundary river and applied to a basin-wide water quantity allocation problem in the Dianxi River located in southeastern Yunnan, China.The preference of the strategies for water resources management is considered by introducing weight factor into the modification of water quotient determined by four methods, namely water quota prediction, integrated water resources planning, analytic hierarchy process (AHP) and runoff-producing proration.Besides, the mechanism of combining democratic consultation with scientific evidence is established by introducing basin-region difference coefficient.The application of this methodology to the Dianxi River Basin indicates that the proposed model may be used as a tool for allocating water quantity in a trans-boundary river.

　　Keyword：　water quantity allocation; degree of water stress; negotiation model; centralized allocation;

　　0、 引言

　　随着人口的增长, 经济社会的发展, 城镇化进程的加快和人民生活水平的提高, 水资源短缺、水环境污染和水生态恶化已成为制约社会经济和生态环境可持续发展的主要因素之一。由于水资源的稀缺性及其利用的竞争性, 人类与生态环境, 各生产部门和行政区域之间的用水矛盾日趋尖锐, 必须开展水量分配, 将水资源的可利用总量或者可分配的水量向行政区域进行逐级分配, 确定各行政区域生活、生产可消耗的水量份额或取用水水量份额[1]。经水量分配确定的行政区域水量份额是实施用水总量控制和定额管理相结合制度的基础, 对实行最严格水资源管理制度, 规范水资源开发利用, 优化水资源配置, 促进水资源可持续利用都具有重要意义[2,3]。
 

　　水量分配是落实最严格水资源管理制度的基础工作之一, 以追求全社会用水效益最大化为目标进行水资源的集中分配[4]。由于水资源天然禀赋条件、经济社会发展的区域差异, 同一流域内行政区域之间的用水紧张程度不同, 对水资源管理策略的期望也就不同, 对水量分配的方法也就存在偏好。同时, 水量分配属于利益的再分配, 涉及相关区域的切身利益, 必须在民主协商基础上, 妥善解决各种分歧和争议。

　　目前水量分配的主要方法有产水比例法[5]、定额预测法[6]、水资源优化配置法[7,8,9]和模糊综合评价法, 其中模糊综合分析法中常见的有模糊优选法[10]、层次分析法[11,12,13,14,15]、TOP-SIS模型法[16,17]等。这些方法既没有在分配原则上反映不同流域和区域用水紧张程度的差异性, 也没有在分配方法上建立利益诉求的民主协商机制。

　　本文研究的目的是在用水紧张程度的区域差异的基础上, 建立集中分配模式下跨界河流水量分配协商模型, 并在云南省跨州 (市) 河流分配试点方案研究中加以应用。

　　1、 模型构建

　　一条河流从上游至下游依次流经N个行政区域, 在t规划水平年来水频率为p的水资源可利用总量或可分配水量为Qa (p, t) 。基于决策理论和博弈论, 跨界河流水量分配博弈的参与人集合为:

　　式中:I*表示流域管理职能部门 (流域管理机构, 水行政主管部门等) , 是进行水量分配的决策主体, 从全局的角度参与博弈, 追求全流域社会经济效益的最大化;I表示该流域涉及的行政区域的集合, 是进行水量分配的协商主体集, 从自身实际出发, 争取自身利益的最大化[18]。

　　一定时期内, 该流域的水资源管理制度是确定的, 并通过一系列的管理策略 (策略集) 来实行, 设此策略集为:

　　在单独实行管理策略sj时, 可用于水量分配的方法集为:

　　式中:mjk表示单独实行管理策略sj时, 可用于水量分配的第k种方法。

　　尽管方法集Mj中任意两种方法的分配结果可能不同, 但认为采取任意的mjk都是管理策略sj在水量分配上无差别的体现, 在实际工作中, 选取其中的实际应用广, 操作性强的一种方法即可。设该流域水量分配采用的方法集为:

　　式中:mj表示对应于策略sj的水量分配方法。假设采取方法mj进行水量分配i行政区域获得的水量份额占可分配水量的比重为rij (p, t) , 则分水比重矩阵为:

　　综合考虑流域内整体的用水紧张程度、社会经济发展等因素, 决策主体I*对水资源管理策略集S的偏好向量为:

　　式中:vi (p, t) 表示决策主体对管理策略sj的偏好系数 (权重) 。一个流域内用水紧张程度、社会经济发展要求、用水效率等存在区域差异, 各行政区域对水资源管理策略集S的偏好也不同。设i行政区域对管理策略集S的决策向量为:

　　式中:wij表示i行政区域对管理策略sj的偏好 (权重) 系数, 则协商主体I期望的水资源管理策略的决策矩阵为:

　　考虑产水面积、现状用水等因素差异, 设i行政区域对协调主体I确定的决策向量V影响 (权重) 系数为ei, 一般而言, 其取值为产水面积的权, 但为了体现尊重现状的原则, 避免大面积小用水的区域占用较多的水资源, 采用现状用水量来确定影响系数, 即:

　　式中:Q0i表示i行政区域的现状用水量;Q0表示该流域的现状用水总量。

　　于是, 该流域协商主体I采取水资源管理策略集S的决策向量为:

　　最终该流域对水资源管理策略S的决策向量为:

　　式中:α (p, t) 表示导向系数, 为来水频率的函数。

　　该流域水量分配的水量份额向量为:

　　一般而言, 在民主协商阶段, 可分配水量Qa (p, t) 、分水比重矩阵R (p, t) 、决策矩阵W (p, t) 、影响系数向量E、决策向量V* (p, t) 等参数已基本确定, α (p, t) 的取值就是水量分配博弈参与人 (决策主体I*、协商主体I) 之间进行博弈的参数。下面讨论参与人博弈下α (p, t) 的取值确定方法。为了叙述方便, 引入用以表征该流域内区域间水资源管理策略差异程度的区域差异系数:

　　式中:C (p, t) 表示区域差异系数, 当区域差异系数C (p, t) 较小时, 表明流域内各行政区域的水资源条件和社会经济发展较为相似, 对水资源管理策略集S的偏好相近。α (p, t) 的取值对决策向量V0 (p, t) 的影响较小, 协商没有实际意义。当区域差异系数C (p, t) 较大时, 表明流域内各行政区域的用水紧张程度差别较大, α (p, t) 的取值对决策向量V0 (p, t) 的影响较大。i行政区域的博弈目标就是影响α (p, t) 取值, 使得整个流域的决策向量与本区域的尽可能一致。引入i行政区域的决策向量与整个流域的差异系数:

　　跨界河流水量分配博弈的最终结果应为流域差异系数的和最小。此外, 为了体现基本生活用水优先保障, 工业用水优先于农业用水保障的原则, 对缺水率进行约束。因此, 整个流域进行博弈的目标函数为:

　　式中:min{xi}表示xi中的最小值;maxf (yi) 表示确定参数yi使得f (yi) 最小;β1i, β2i, β3i分别表示i行政区域城乡生活用水、工业用水和农业用水的缺水率;βi表示i行政区域的全社会缺水率;b为任意大于1的实数;χ为缺水容忍系数, 阀值[χ]根据流域水资源条件、用水结构、丰枯变化程度等情况确定;θ1, θ2为流域管理职能部门的影响系数取值范围。

　　联立式 (10) , (11) 和 (15) 即可求解出各行政区域水量分配份额的最优解。

　　2、 实例应用

　　2.1 、流域概况

　　云南省于2011年2月启动了跨州 (市) 河流水量分配方案试点研究工作, 甸溪河是试点流域之一。

　　甸溪河为珠江上游南盘江左岸一级支流, 流域面积4 416.1km2, 地表水资源总量12.81亿m3。流域涉及云南省曲靖市、昆明市、红河州等3个州 (市) 。现状2008年总人口84.94万人, 地区生产总值128.0亿元, 一、二、三次产业结构比为14∶66∶20, 有效灌溉面积4.646万hm2, 农田有效灌溉程度为35.2%, 现状水利工程供水总量31 957万m3, 地表水蓄、引、提工程供水结构为71:23:6, 全社会用水总量中, 城乡生活用水4 090万m3, 工业用水1 832万m3, 农业用水26 035万m3, 人均用水量376m3, 万元GDP用水量250 m3。但人均水资源量只有1 507m3, 水资源开发利用率达到24.96%, 超过了云南省及全国平均的水资源开发利用程度, 属水资源极度紧缺地区。

　　表1 甸溪河流域概况Tab.1 General situation of the Dianxi River Basin

　　注:表中现状水平年为2008年。

　　2.2、 实例计算

　　我国《水法》明确规定:国家对用水实行总量控制与定额管理相结合的管理体制;国家制定全国水资源战略规划, 制定规划必须进行水资源综合考察和调查评价;依据流域规划和水中长期供求规划, 以流域为单元制定水量分配方案。因此, 水量分配方案的水资源管理策略集为:

　　为实现管理策略集S, 在现有应用较广的方法中分别选取一种方法作为水量分配的方法集:

　　定额预测法立足于现状用水, 以用水定额作为控制指标, 承认各个行政区域用水定额及用水效率的差异, 从落实用水定额管理方面来进行水量分配[6]。水资源配置模型则是考虑一段时期内的水资源开发利用、节约保护、合理配置条件下的工程供水能力, 按“以供定需, 供需平衡”的原则, 从实现水资源的优化配置方面来进行水量分配。层次分析法是综合评判各用水区域多指标的影响, 在公平适度兼顾效率原则下进行水量分配。产水比例法则是从各用水区域的水资源禀赋条件考虑水量分配问题。根据《云南省水资源综合规划》、《云南省水中长期供求规划》等规划的成果, 并参照文献[13]的层次结构采用层次分析法进行水量分配, 确定甸溪河流域各州 (市) 的分水比重矩阵为:

　　根据目前国内外普遍认同的用水紧张程度的分类, 提出相应的水资源开发控制原则和水资源管理策略 (表2) 。在2020水平年多年平均来水下, 采用专家打分法、模糊优选法等 (限于篇幅不再详述) , 确定甸溪河流域对管理策略集S的决策向量:

　　和流域内各个州市的决策矩阵:

　　根据现状用水量, 采用式 (8) 确定影响系数向量:

　　取θ1=0, θ1=1, [χ]=1.25, 将式 (18) ~式 (21) 代入式 (16) 求得最优的导向系数:

　　代入式 (10) , 式 (11) , 求得甸溪河流域多年平均来水条件下, 2020水平年的水量分配比例为:

　　表2 用水紧张程度分类及相应的水资源管理策略[19]Tab.2 Strategies of water resources management in water?stress response

　　同理, 求得2030年的水量分配比例为:

　　由于甸溪河流域地处我国西南地区, 水资源较为丰富, 可分配水量基本能满足社会经济发展的需求, 且流域内农业用水为主, 水资源丰枯变化对生活和工业缺水率的影响不大, P=50%, P=75%和P=95%的分水比例与多年均值的相同。根据《云南省水资源综合规划》、《云南省水中长期供求规划》等规划成果确定的甸溪河流域的用水总量, 计算出该流域涉及的曲靖市、昆明市和红河州的水量份额 (表3) 。

　　2.3、 合理性分析

　　甸溪河流域涉及曲靖市的师宗县、陆良县, 昆明市的石林县, 红河州的泸西县、弥勒县, 下面对多年平均来水条件下, 甸溪河水量分配涉及的州 (市) 的水量份额的合理性进行分析 (表4) 。

　　表3 甸溪河水量分配方案成果表Tab.3 Water quantity allocation scheme in the Dianxi River Basin

　　注:因该河水量分配方案尚未确定, 本文只作为实例应用, 不作为分配依据。

　　表4 甸溪河流域水量分配方案合理性分析表Tab.4Rational analysis of the quantity allocation scheme in the Dianxi River Basin

　　曲靖市师宗县、陆良县均属于国家级粮食主产县之一, 农业灌溉用水比重大, 现状用水效率较低, 限于物力财力, 近期内用水效率也不能大幅提高。此外, 在2020水平年, 新增灌溉面积0.21万hm2, 为现状有效灌溉面积的23.2%, 因此, 灌溉用水仍会有较大幅度的增加, 较现状年均增加10.8%。在2030水平年, 随着“云南省农业综合开发重点中型灌区节水改造”等项目的实施, 农业灌溉水利用系数大幅增高, 而新增有效灌溉面积不大, 因此, 全社会用水将减小, 较2020水平年平均每年减小0.9%。

　　昆明市石林县属于云南省高效节水示范县之一。虽然现状农业灌溉用水效率高, 但在2020水平年, 新增灌溉面积是现状灌溉面积的1.58倍, 加之现状城镇化率仅为4.0%, 因此, 该区域的用水较大幅度的增加, 较现状年均增加18.2%。在2030年, 农业灌溉水利用系数增高的幅度不会太大, 节水潜力较小, 随着工业化、城镇化进程的加快, 全社会用水仍会有较小幅度的增加, 较2020水平年平均每年增加1.6%。

　　红河州泸西县、弥勒县, 属于滇中地区的重要经济区之一, 区域内现状城镇化水平较高, 社会经济较发达, 弥勒坝、竹朋坝、虹溪坝等坝子为云南省烤烟主产区。在2020水平年, 新增灌溉面积0.21万hm2, 全社会用水以一定的幅度增加。虽然现状农业用水比重大, 但由于现状用水效率高, 节水潜力较小, 在2030水平年全社会用水以一个较小的幅度减少。

　　综上所述, 采用本文模型制定的甸溪河水量分配方案是合理的, 有利于总量控制与定额管理制度的落实, 水资源开发利用的有序开展, 用水效率的稳步提高。

　　3、 结语

　　由于不同流域和区域用水紧张程度的差异性, 各行政区域对水量分配方案的设定存在目标上的差异, 都希望选取有利于自身的水量分配方案。本文遵循生活生态用水优先、公平兼顾效率、民主协商等原则下, 综合考虑现状、公平与效率三者之间的关系, 建立了集中分配模式下跨界河流水量分配的协商模型。在模型的建立过程中, 充分考虑了用水紧张程度的区域差异, 在制定水量分配方案的过程中, 将科学论证和民主协商有机地结合起来, 协调了流域水资源管理的要求与各行政区域利益诉求之间的关系, 有利于制定出各方都能接受的水量分配方案。

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