洪水資源利用風險效益量化研究

黃顯峰, 黃雪晴, 方國華, 王宗志, 朱麗向

(1.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.南京水利科學研究院 水文水資源研究所,江蘇 南京 210029; 3.連云港市通榆河北延送水工程管理處,江蘇 連云港 222004)

洪水資源利用風險效益量化研究

黃顯峰1, 黃雪晴1, 方國華1, 王宗志2, 朱麗向3

(1.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.南京水利科學研究院 水文水資源研究所,江蘇 南京 210029; 3.連云港市通榆河北延送水工程管理處,江蘇 連云港 222004)

結(jié)合洪水資源利用的風險因素,對水庫汛限水位調(diào)整后的洪水資源利用風險效益進行量化研究。汛限水位是涉及水庫防洪風險和興利效益的關(guān)鍵水位。汛限水位調(diào)整后,可得到每個汛限水位對應(yīng)的風險率,并將水庫因水位調(diào)整而產(chǎn)生的增蓄水量按比例分配,綜合考慮工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)4個方面的風險效益,采用C-D生產(chǎn)函數(shù)、分攤系數(shù)法、能值水價法和能值理論,分別對這4種效益進行量化。以連云港市石梁河水庫為例,計算了各汛限水位對應(yīng)的風險率和效益值,并根據(jù)汛限水位、風險率、風險效益之間的關(guān)系,在考慮風險最小且效益最大的前提下,得到石梁河水庫汛限水位合理的控制范圍為23.9～24.9 m。

洪水利用;風險;效益;C-D生產(chǎn)函數(shù);能值法

我國洪澇災(zāi)害頻發(fā),威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。因此,越來越多學者開始了洪水資源利用研究,并在洪水資源可利用量和效益計算方面取得了一定成果[1-2]。但洪水利用存在風險,如何控制風險、提高效益,在洪水資源化的過程中是一個尤為重要的課題。

國外學者比較側(cè)重于洪水風險的防范研究,對洪水利用效益提及較少。Roy Brouwer等[3]對荷蘭的洪水管理替代政策進行了效益評估研究,采用CBA(Cost-Benefit Analysis)和MCA(Multi-Criteria Analysis)兩種方法對其產(chǎn)生的效益進行了計算和對比。由于荷蘭更偏重于防洪減災(zāi),故此研究針對的是洪水管理政策產(chǎn)生的效益,其先進的效益計算方法可作為參考。我國許多地區(qū)已開展了洪水資源化利用工作,在不同地區(qū)、不同條件下都有了相應(yīng)的利用方法。殷峻逞等[4]針對大連市碧流河水庫,建立了洪水資源效益分析模型,對該水庫洪水資源利用效益做出了定量分析。胥衛(wèi)平等[5]建立了雨洪資源利用的經(jīng)濟效益評價指標體系及其經(jīng)濟價值評價模型,并將其應(yīng)用于西安市。馮峰等[6]構(gòu)建了社會效益分度測評模型,將洪水資源利用產(chǎn)生的社會效益進行了定量評價。

洪水資源化的實施有多種途徑,目前，研究較多的是水庫汛限水位的調(diào)整。汛限水位是涉及水庫防洪風險和興利效益的一個關(guān)鍵水位,必須正確、全面地處理風險與效益的關(guān)系[7]。若只顧增大效益,勢必會減少防洪庫容,增大洪水風險;若過度控制風險,則預(yù)留的防洪庫容過大,造成不必要的棄水,降低興利效益。因此,本文在考慮汛限水位調(diào)整的基礎(chǔ)上,對風險率和效益值進行計算,并提出工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)4個方面效益量化的方法。

1 研究方法

1.1 洪水資源利用風險識別與估計

洪水資源作為一種非常規(guī)水資源,要在保證水利工程安全、生態(tài)環(huán)境不受影響的前提下，開展洪水資源利用。為滿足這些條件,必須進行洪水資源利用風險識別。通過識別,洪水資源利用的風險因素主要有抬高水庫汛限水位的風險、水庫上游來水不確定性風險、不利生態(tài)環(huán)境影響風險、水質(zhì)不確定性風險、洪水調(diào)度管理風險等[8]。本文僅對汛限水位調(diào)整而導(dǎo)致的風險進行估計,主要計算的風險因子包括大壩安全風險率和下泄流量超下游河道安全泄量風險率。

運用數(shù)理統(tǒng)計方法,以水庫上游來水的歷時統(tǒng)計資料為基礎(chǔ)，進行調(diào)洪演算,找出汛限水位對應(yīng)的使水庫達到設(shè)計標準水位的洪水,以該洪水發(fā)生的概率作為汛限水位對應(yīng)的大壩安全風險率,計算公式如下:

(1)

式中:f1(Hi)為汛限水位為Hi時出現(xiàn)超設(shè)計標準水位的風險率;N為資料系列中歷次洪水的總數(shù)；n為給定的汛限水位Hi調(diào)洪演算發(fā)生的庫水位超設(shè)計標準水位的洪水次數(shù)。

以水庫下泄流量不超過河道安全泄量為準,用模糊數(shù)學法，計算下泄流量超過下游河道安全泄量的風險率,計算公式如下:

f2(Hi)=∑Vi∈AμA(Vi)·p(Vi) ×100%。

(2)

式中:f2(Hi)為汛限水位為Hi時下泄流量超下游河道安全泄量風險率;p(Vi)為汛限水位為Hi時下泄流量隸屬于區(qū)間Vi的概率;μA(Vi)為不同區(qū)間Vi的隸屬度。

水庫洪水資源利用的綜合風險率為:

f(H)=w1f1(Hi)+w2f2(Hi)。

(3)

式中:w1為大壩安全風險率的權(quán)重值;w2為下泄流量超下游河道安全泄量風險率的權(quán)重值。

1.2 洪水資源利用效益量化方法

洪水資源產(chǎn)生的效益即采取各種措施蓄存洪水,增供的水資源量產(chǎn)生的直接、間接效益,如促進工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn),提高人民生活水平,改善生態(tài)環(huán)境等而產(chǎn)生的效益。以調(diào)整后汛限水位為基礎(chǔ),庫容增加值作為洪水資源利用量,計算相應(yīng)的蓄水效益。主要研究利用洪水資源緩解水資源供需緊張的壓力,所以，在效益方面未考慮發(fā)電效益,只考慮工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、生活供水和生態(tài)供水4個方面效益。

1.2.1 C-D生產(chǎn)函數(shù)法量化工業(yè)供水效益

洪水資源利用產(chǎn)生的工業(yè)供水效益一般參考水資源效益來進行量化,常用的量化方法包括殘值法、實際單位經(jīng)濟貢獻法、分攤系數(shù)法及缺水損失法等。在實際運用中,這些方法都存在一定不足,如殘值法的影子價格較難測算,其實際操作性不強;實際單位經(jīng)濟貢獻法是殘值法的改進,增加了可操作性,但該方法所計算的工業(yè)用水效益偏大。綜合考慮各方法的優(yōu)缺點,本文選用經(jīng)濟學理論中的柯布-道格拉斯(C-D)生產(chǎn)函數(shù)法對工業(yè)供水效益進行量化計算,該方法考慮了工業(yè)生產(chǎn)中非水要素的投入回報,同時通過折算用水彈性消除了科技技術(shù)進步、政策調(diào)整等對工業(yè)總產(chǎn)值的影響,使工業(yè)用水效益計算結(jié)果更為準確[9]。

1)C-D生產(chǎn)函數(shù)構(gòu)建。在計算工業(yè)供水效益時,只考慮工業(yè)供水對工業(yè)生產(chǎn)的影響,其他投入不做研究,將水作為第三種投入列入生產(chǎn)函數(shù)投入組合之中。由此,參考C-D函數(shù)形式,考慮工業(yè)供水的C-D生產(chǎn)函數(shù)可表示為:

Q=A·Kα·Lβ·Wλ。

(4)

式中:Q為工業(yè)總產(chǎn)值;A為效率系數(shù);K為工業(yè)固定資產(chǎn);L為工業(yè)勞動力;W為工業(yè)用水量;α為固定資產(chǎn)彈性;β為勞動力彈性;λ為用水彈性。

2)用水彈性計算。對式(4)構(gòu)建的生產(chǎn)函數(shù)求偏導(dǎo)數(shù),得到工業(yè)用水彈性,為了消除規(guī)模彈性的影響,引入折算用水彈性λ′:

(5)

(6)

3)效益計算。對工業(yè)用水求偏導(dǎo)數(shù)得出單位工業(yè)用水效益BW,根據(jù)以下公式求得洪水資源工業(yè)用水效益:

(7)

E工=BW·W工。

(8)

式中:E工為洪水資源工業(yè)用水效益;BW為單位工業(yè)用水效益;W工為洪水資源分配給工業(yè)用水的水量。

1.2.2 分攤系數(shù)法量化農(nóng)業(yè)灌溉效益

《水利建設(shè)項目經(jīng)濟評價規(guī)范》(SL 72—2013)中,推薦采用分攤系數(shù)法、影子水價法、缺水損失法計算農(nóng)業(yè)灌溉效益。其中,影子水價法理論清晰,但需要采用研究區(qū)的大量社會、經(jīng)濟、環(huán)境等資料進行測算,具有一定的地域局限性;缺水損失法符合經(jīng)濟理論,但需要采用大量長系列資料,且涉及優(yōu)化分配問題。本文選用運用最為廣泛的分攤系數(shù)法來量化農(nóng)業(yè)灌溉效益,其關(guān)鍵在于效益分攤系數(shù)的確定[10],可通過統(tǒng)計法與試驗法確定分攤系數(shù),因試驗法存在所得結(jié)果局限性較大、試驗造價高等問題,采用統(tǒng)計法更為方便。農(nóng)業(yè)灌溉效益量化公式為:

E農(nóng)=Vqk=(I/W)fqk。

(9)

式中:E農(nóng)為洪水資源農(nóng)業(yè)灌溉效益;V為單方水價值;q為增供水量;k為水資源利用率;I為產(chǎn)業(yè)增加值;W為總用水量;f為分攤系數(shù)。

1.2.3 能值水價法量化生活供水效益

目前,尚無生活用水效益計算方法的具體規(guī)范,生活用水效益常用水價法來粗略估算[11]。常用的水價計算方法沒有體現(xiàn)出生活用水的資源價值、工程價值和環(huán)境價值,運用能值價值理論計算水價,可以計算出水資源作為一種自然環(huán)境資源進入經(jīng)濟社會的真實、完整的價格,用以量化的洪水資源對生活供水效益更為全面完整。

生活用水的能值投入包括自然環(huán)境資源投入及社會經(jīng)濟資源投入,通過能值轉(zhuǎn)換率將各項投入指標轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的能值,從而可得到生活供水全部的能值投入,根據(jù)能值貨幣比率將總能值以貨幣形式表達,即可得到能值計算方法下的水價。水價的計算公式為:

P=Pz+Pg+Ph，

(10)

(11)

式中:P為居民生活用水水價;Pz為資源水價;Pg為工程水價;Ph為環(huán)境水價;Cyzr為水資源形成過程中投入的物質(zhì)的能值;Cgzr、Cgsj分別為供水過程中所投入自然環(huán)境資源和社會經(jīng)濟資源的能值;Cpzr、Cpsj分別為污水處理過程中所投入自然環(huán)境資源和社會經(jīng)濟資源的能值;Qg為城市居民生活供水量;Qp為城市居民生活污水排放量;EDR為該市當年能值與貨幣比率。

在能值理論下的水價計算的基礎(chǔ)上,采用水價法計算生活用水效益,即城市居民用水價格與洪水資源生活用水可利用量之積視為生活用水效益,其計算公式如下:

E生=P·W生。

(12)

式中:E生為城市居民生活用水效益;W生為洪水資源分配給生活用水的水量。

1.2.4 能值法量化生態(tài)供水效益

生態(tài)用水效益是洪水資源利用效益的重要組成部分,因為其復(fù)雜性,且涉及范圍較廣,量化較為困難。目前,研究者們提出的常用量化方法主要有影子價格法、替代工程法、費用分析法和旅行費用法等。這些方法一般從經(jīng)濟學的角度出發(fā),只針對生態(tài)環(huán)境某一方面的效益進行量化,沒有從生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)整體出發(fā)。而能值法可根據(jù)生態(tài)環(huán)境用水的特點和種類,在定性分析生態(tài)環(huán)境用水產(chǎn)生的效益的基礎(chǔ)上,對其各效益因子分別進行量化。

洪水資源產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境用水效益，可由洪水資源分配給生態(tài)環(huán)境的用水量占總生態(tài)環(huán)境用水量的比值乘以總生態(tài)環(huán)境用水效益得到[12],即

(13)

式中:EMf為洪水資源生態(tài)用水效益;W生為洪水資源分配給生態(tài)環(huán)境的用水量；τs為物種的能值轉(zhuǎn)換率;N為研究區(qū)域內(nèi)水生生物種數(shù);R為水生生物活動面積占全球面積的比例；mi為水體對第i種污染物的納污能力;τi為第i種污染物的能值轉(zhuǎn)換率；E為水體蒸發(fā)能量;τq為蒸汽能值轉(zhuǎn)化率；Wt為湖泊或濕地的年蓄水量;τt為相應(yīng)水體的能值轉(zhuǎn)化率。

2 實例研究

2.1 連云港市概況

連云港市位于江蘇省東北部,地處淮河流域沂沭泗河水系的最下游,流域主要洪水入海通道新沂河、新沭河經(jīng)連云港市入海,承擔上游近80 000 km2流域面積的泄洪任務(wù)。有新沂河、新沭河、龍王河3條過境河道,當?shù)囟嗄昶骄^境洪水量為60.48億m3,為洪水資源利用提供了水量保證。該市的水庫湖泊眾多,總數(shù)為江蘇省內(nèi)首位。大型水庫有3座,分別為石梁河水庫、塔山水庫和安峰山水庫。其中,石梁河水庫擔負著調(diào)蓄洪水的重要職能,水庫集水面積約為15 365 km2,總庫容5.31億m3,設(shè)計洪水位26.81 m,校核洪水位27.95 m,最大下泄流量10 131 m3/s。

2.2 洪水資源利用風險效益估算

2.2.1 工業(yè)供水效益

根據(jù)《連云港市統(tǒng)計年鑒》《連云港市水資源公報》及Wind數(shù)據(jù)庫[13-14],統(tǒng)計2000—2012年間連云港市的工業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)固定資產(chǎn)投資凈值、工業(yè)勞動力投入及工業(yè)用水總量。將工業(yè)固定資產(chǎn)投資、工業(yè)勞動力和工業(yè)用水量作為自變量,以工業(yè)總產(chǎn)值為因變量,分別取自然對數(shù),運用EViews軟件對數(shù)據(jù)進行回歸分析,可得,連云港市工業(yè)用水效益的生產(chǎn)函數(shù)和折算用水彈性為:

lnQ=-2.456+0.717lnK+0.653lnL+1.126lnW，

根據(jù)式(5)可以得到工業(yè)總產(chǎn)值的效益增量,再由式(7)得到每年的估算單方水效益和供水總效益,連云港市多年平均工業(yè)用水單方水效益約為2.4元/m3。

2.2.2 農(nóng)業(yè)灌溉效益

根據(jù)連云港市2014年統(tǒng)計年鑒與水資源公報[13-14],連云港市2014年的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)增加值為12.4億元,農(nóng)業(yè)灌溉用水量約22.1億m3;根據(jù)相關(guān)研究資料,該市的農(nóng)業(yè)用水效益分攤系數(shù)取值0.45;水資源利用率取值0.9。因此,農(nóng)業(yè)單方水效益為:

0.227(元/m3)。

2.2.3 生活供水效益

運用能值理論,對連云港市生活用水水價進行計算,能值轉(zhuǎn)化率由Buenfil[15]提供的計算方法得到,以連云港市供水系統(tǒng)能值投入計算為例進行計算。由相關(guān)資料可知,2013年連云港市生活用水量為2.01億m3,生活污水排放量為1.09億m3,根據(jù)式(11)可得到資源水價、工程水價、環(huán)境水價分別為:0.22、4.98、0.85元/m3,則水價為:

P=Pz+Pg+Ph=6.05(元/m3)。

2.2.4 生態(tài)供水效益

結(jié)合連云港市牛山站、青口站及石梁河測站的實測蒸發(fā)數(shù)據(jù)、部分骨干河道資料、《連云港市水資源綜合規(guī)劃》等相關(guān)資料[13-14],計算連云港生態(tài)用水量及能值貨幣比率，得到連云港生態(tài)環(huán)境單方用水效益為:

E生單= 3.21×1021/(7.44×1011×1.085×108)=

39.77(元/m3)。

根據(jù)2014年連云港市統(tǒng)計年鑒與水資源公報數(shù)據(jù),該市水資源在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活及生態(tài)供水的分配比例分別為16.5%、69.0%、12.1%、2.4%;洪水資源利用分配比例也取以上比例。由不同汛限水位得到增蓄的水量,水量按比例分配后與各類單方水效益的乘積,即洪水資源利用該類風險效益值。石梁河水庫原汛限水位為23.5 m,按水位每抬高0.2 m計算效益值。工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、生活、生態(tài)用水效益計算見表1,各類效益值隨水位抬高的變化曲線如圖1所示。

表1 洪水資源利用風險效益

圖1 汛限水位抬高時各類用水效益變化曲線

由表1和圖1可知,隨著水庫汛限水位的抬高,水庫蓄存水量增多,使得各類用水效益值隨之增大。其中,生態(tài)供水分配比例最小,用水量最少,但是效益值增長速率最快,效益與水量投入比最大;而農(nóng)業(yè)用水量最多,但效益值最小,隨汛限水位抬高的增長速率也最小。

不同的汛限水位對應(yīng)的風險率不同。運用數(shù)理統(tǒng)計方法,以石梁河水庫上游來水的歷時統(tǒng)計資料為基礎(chǔ)進行調(diào)洪演算,找出汛限水位對應(yīng)的使水庫達到設(shè)計標準水位的洪水,以該洪水發(fā)生概率作為汛限水位對應(yīng)的大壩安全風險率;以水庫下泄流量不超過新沭河安全泄量為準,計算下泄流量超過下游河道安全泄量的風險率。在計算中,為了保證不與大壩安全風險率計算重合,使調(diào)洪演算的最高水位不高于水庫設(shè)計標準值26.81 m。按式(1)和式(2)分別計算大壩安全風險率和下泄流量超下游河道安全泄量風險率,按式(3)計算綜合風險率,根據(jù)相關(guān)資料,大壩安全風險造成的風險損失占總風險損失的比重較大,因此,大壩安全風險率權(quán)重值取0.6,下泄流量超下游河道安全泄量風險率權(quán)重值取0.4。得到風險率計算結(jié)果見表2,風險隨水位抬高的變化曲線如圖2所示。綜合風險率與綜合效益的關(guān)系如圖3所示。

表2 綜合風險效益與風險率關(guān)系

圖2 汛限水位抬高時各類風險率變化曲線

由表2和圖2可知,隨著水庫汛限水位的抬高,大壩安全風險率和下泄流量超下游安全泄量風險率逐漸增加,增長速率也逐漸加快。當汛限水位在24.9 m以下變動時,大壩安全風險率變化平緩,風險率值不超過5%,認為取24.9 m汛限水位值，遇20年一遇洪水,能夠保證水庫大壩安全風險處于可控范圍。經(jīng)過調(diào)洪演算分析,水庫下泄流量對不同汛限水位對應(yīng)的風險率值影響明顯,汛限水位達到24.5 m以上時,下泄流量每增加200 m3/s,可以使風險率減少5%左右。如果在保證大壩防洪安全風險率不變的情況下，繼續(xù)抬高汛限水位，必須增大水庫下泄流量,會增加下游河道的防洪風險,使洪水利用風險從大壩向下游河道堤防發(fā)生轉(zhuǎn)移。

由圖3可知,總效益值隨風險率的增加而增長,當風險率控制在5%以內(nèi)(即水位不超過23.9 m)時,效益增長速率很快；超過5%后,效益增長速率逐漸變慢。綜上所述,在考慮風險最小且效益最大的情況下,汛限水位應(yīng)控制在23.9～24.9 m為宜。

圖3 綜合風險效益與風險率變化曲線

3 結(jié)語

在考慮洪水風險因素前提下,對洪水資源利用效益進行了量化研究。主要考慮了大壩安全風險因素和下泄流量超下游安全泄量兩種風險因素,其中大壩安全風險因素是主要風險因素。將汛限水位調(diào)整后的增蓄水量按工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)分配,分別進行效益量化,工業(yè)用水效益用C-D生產(chǎn)函數(shù)法量化,農(nóng)業(yè)灌溉效益用分攤系數(shù)法量化,生活和生態(tài)用水效益用能值法量化。結(jié)合連云港市的石梁河水庫進行分析,隨著汛限水位的抬高,風險效益和風險率都呈現(xiàn)增長趨勢,風險效益增長速率比較穩(wěn)定,而風險率增長速率則逐漸加快。根據(jù)水位、效益、風險三者的關(guān)系曲線圖,考慮風險最小且效益最大的情況下,給出了是石梁河水庫汛限水位合理的控制范圍。對于如何確定具體的汛限水位值,可以以風險最小和效益最大為目標,建立多目標決策模型,有待進一步研究。

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(責任編輯：宰松梅)

Study on Risk-benefit Quantification of Floodwater Resources Utilization

HUANG Xianfeng1, HUANG Xueqing1, FANG Guohua1, WANG Zongzhi2, ZHU Lixiang3

(1.College of Water Resources and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 3.Tongyu River North-extended Water Supply Project Management Division of Lianyungang, Lianyungang 222004, China)

This paper combines the risk factors of floodwater resources utilization to quantify the risk-benefit of floodwater resources after adjusting limit water level. The limit water level is a key level involved the flood risk and benefits of the reservoir. After an adjustment of limited water level, each risk rate correspond to each water level is obtained. The increasing water storage capacity due to the adjustment of the flood control level is divided in portion. Taking into account the industrial, agricultural, living, ecological risk benefits of four areas, the 4 kinds of benefits are quantified by C-D production function, the sharing coefficient method, water price based on energy and the energy theory. Taking Shilianghe reservoir of Lianyungang City as the research case, the risk rate and benefit value corresponding to each flood limit water level are calculated. And according to the relationship between flood control level, risk ratio and risk benefit, in considering the minimum risk and maximum benefit under the premise, the results show the reasonable control range of flood control level of Shilianghe reservoir is from 23.9 m to 24.9 m.

flood utilization; risk; benefit; C-D production function; energy analysis method

2016-09-06

國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFC0400909);江蘇省自然科學基金項目(BK20130849);江蘇省水利科技項目(2014064)。

黃顯峰(1980—),男,湖北黃岡人,副教授,碩導(dǎo),主要從事水資源規(guī)劃、水庫優(yōu)化調(diào)度、洪水資源利用方面的研究。E-mail:hxfhuang2005@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.009

TV213

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1002-5634(2016)06-0049-06