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    雙控行動(dòng)下流域初始水權(quán)分配的多層遞階決策模型

    2017-11-22 11:50:37吳丹王亞華
    關(guān)鍵詞:約束條件流域

    吳丹 王亞華

    摘要 以流域初始水權(quán)配置實(shí)踐為導(dǎo)向,參考現(xiàn)有水權(quán)按照“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始配置的思路,在用水總量和用水強(qiáng)度控制的制度約束下,建立雙控行動(dòng)下流域初始水權(quán)分配的多層遞階決策模型,以模擬各個(gè)層面水權(quán)相關(guān)利益主體之間的民主協(xié)商及其上級(jí)層面行政仲裁過(guò)程,實(shí)現(xiàn)“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)的水權(quán)分配,充分兼顧分水的公平性與效率性,優(yōu)化流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合用水效益。在此基礎(chǔ)上,提出多層遞階決策模型的迭代算法,對(duì)流域初始水權(quán)分配模型進(jìn)行求解。并結(jié)合流域初始水權(quán)配置實(shí)踐,驗(yàn)證多層遞階決策模型的可行性。研究方法的創(chuàng)新性體現(xiàn)為:一方面,構(gòu)建的“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù),有效保障了流域整體的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值最大化,體現(xiàn)了雙控行動(dòng)下流域分水的經(jīng)濟(jì)效益性。同時(shí),有效保障了流域內(nèi)各省區(qū)之間、各市區(qū)分水的協(xié)調(diào)滿意度最大化,體現(xiàn)了用水總量控制約束下流域分水的社會(huì)公平性;另一方面,構(gòu)建的“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)的約束條件,有效保障了各省區(qū)、各市區(qū)的配水比例與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)之間的匹配關(guān)系,提高了各省區(qū)之間、各市區(qū)之間的耦合協(xié)同發(fā)展效度,有效保障了雙控行動(dòng)下市區(qū)內(nèi)各行業(yè)的用水目標(biāo)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)值,充分體現(xiàn)了流域內(nèi)各省區(qū)、省區(qū)內(nèi)各市區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求以及市區(qū)內(nèi)各行業(yè)的發(fā)展用水需求。從大凌河流域初始水權(quán)配置實(shí)踐的多層遞階決策結(jié)果來(lái)看,流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合效益的滿意度達(dá)到0.993 4。其中內(nèi)蒙古、遼寧、河北的水權(quán)分配比例分別為4.939%、93.731%、1.330%。與水利部試點(diǎn)方案進(jìn)行對(duì)比分析可知,大凌河流域初始水權(quán)分配的多層遞階決策模型結(jié)果與水利部試點(diǎn)方案相吻合。

    關(guān)鍵詞 流域;初始水權(quán)分配;目標(biāo)函數(shù);約束條件;多層遞階決策模型

    中圖分類號(hào) TV 213.4

    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1002-2104(2017)11-0215-10 DOI:10.12062/cpre.20170447

    明晰流域初始水權(quán)是優(yōu)化水資源時(shí)空配置格局,實(shí)現(xiàn)水資源在“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)得到公平有效配置的重要途徑。面對(duì)我國(guó)日益復(fù)雜的水問(wèn)題,2011年中央1號(hào)文件提出了實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度,建立用水總量控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污“三條紅線”剛性約束,水利部積極響應(yīng)國(guó)家水利政策,大力推進(jìn)53條跨省江河流域水量分配方案編制。十八屆五中全會(huì)提出實(shí)行用水總量和用水強(qiáng)度雙控行動(dòng),建立健全用水權(quán)初始分配制度,作為實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的重要抓手,為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局提供有力支撐。國(guó)家“十三五”規(guī)劃進(jìn)一步強(qiáng)調(diào),“十三五”期間強(qiáng)化雙控行動(dòng)、落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度,推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。為此,在用水總量和用水強(qiáng)度控制的制度約束下,以流域初始水權(quán)配置實(shí)踐為導(dǎo)向,參考現(xiàn)有水權(quán)按照“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始配置的思路,探討構(gòu)建雙控行動(dòng)下“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)的多層遞階決策模型,模擬各個(gè)層面水權(quán)相關(guān)利益主體之間的民主協(xié)商及其上級(jí)層面行政仲裁過(guò)程,保障流域初始水權(quán)分配理論與實(shí)踐的契合性。

    1 文獻(xiàn)回顧

    流域初始水權(quán)分配的關(guān)鍵是保障同一層面不同區(qū)域之間分水的公平性以及下級(jí)層面各個(gè)行業(yè)水資源利用的高效性。國(guó)外學(xué)者提出了相應(yīng)的分配原則和分配指標(biāo),統(tǒng)籌體現(xiàn)社會(huì)公平、經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)保護(hù)等多維目標(biāo),并構(gòu)建了多目標(biāo)耦合、多模型耦合的水資源配置模型,提高配置結(jié)果的滿意度。Cai、Daene C. McKinney等[1]提出了公平優(yōu)先、兼顧效率、保障可持續(xù)等原則,采用區(qū)域面積、人口、用水量及用水效益等指標(biāo),結(jié)合水資源管理模型與GIS,模擬流域水資源分配;Cai、Ringler等[2]建立了水文-農(nóng)業(yè)-經(jīng)濟(jì)模型、水資源-經(jīng)濟(jì)-水文模型,應(yīng)用于智利的Maipo流域;Wang、Hipel等[3-6]提出基于均衡水權(quán)的荒地流域合作式水資源配置模型,兼顧公平和效率,實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用;E. Xevi等[7-9]以各種約束條件下和不同時(shí)空尺度下的供水、地下水水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)為目標(biāo),構(gòu)建地下水模擬模型和多目標(biāo)優(yōu)化模型耦合的水資源配置模型。

    20世紀(jì)80年代開始,流域初始水權(quán)分配逐漸成為我國(guó)學(xué)者和水利工作者關(guān)注的熱點(diǎn),眾多學(xué)者對(duì)流域初始水權(quán)分配的基本原則與模型進(jìn)行了深入研究。通過(guò)總結(jié)我國(guó)《水法》等法律政策法規(guī)以及黃河、大凌河、黑河等流域水權(quán)配置實(shí)踐,生活用水優(yōu)先原則、保障糧食安全原則、尊重歷史與現(xiàn)狀原則、可持續(xù)發(fā)展原則、留有余量原則、生態(tài)用水保障原則成為水權(quán)分配的基本原則[10-15]。以初始水權(quán)分配的基本原則與指標(biāo)體系為指導(dǎo),分配模型進(jìn)一步為初始水權(quán)配置實(shí)踐提供了技術(shù)支撐。從現(xiàn)有的初始水權(quán)分配模型看[16-23],主要圍繞兩方面展開,一是分配指標(biāo)權(quán)重的確定,通常采用層次分析法、熵權(quán)法等模型方法,但由于指標(biāo)權(quán)重的確定受到了人為因素的干擾,導(dǎo)致水權(quán)分配結(jié)果的可接受性較弱;二是初始水權(quán)分配比例的確定,通常采用模糊決策模型、多目標(biāo)優(yōu)化模型、理想解模型、投影尋蹤模型等模型方法,但分配模型并不能反映流域內(nèi)各區(qū)域之間的民主協(xié)商機(jī)制。隨著研究的進(jìn)一步深化,吳鳳平等[24-28]提出在分配模型中嵌入?yún)f(xié)商、交互、研討、博弈等機(jī)制,設(shè)計(jì)判別準(zhǔn)則體系,反映水權(quán)相關(guān)利益主體的合理要求和意愿,提高水權(quán)配置結(jié)果的滿意度。

    從流域初始水權(quán)分配理論來(lái)看,學(xué)者們提出的水權(quán)分配的基本原則已較為完善,且分配模型的構(gòu)建逐步趨向復(fù)雜化,為初始水權(quán)配置實(shí)踐提供了有效的技術(shù)支撐。從流域初始水權(quán)配置實(shí)踐來(lái)看,現(xiàn)有水權(quán)主要是按照“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”的多層遞階結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始配置,其中上級(jí)層面為水權(quán)供給主體,下級(jí)層面涉及多個(gè)水權(quán)需求主體。由于上級(jí)層面宏觀調(diào)控下級(jí)層面的水權(quán)分配,而下級(jí)層面反過(guò)來(lái)影響上級(jí)層面的社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合用水效益。因此,上級(jí)、下級(jí)層面之間形成了以上級(jí)層面分配為主、下級(jí)層面分配為從的多層遞階決策過(guò)程。為此,以流域初始水權(quán)配置實(shí)踐為導(dǎo)向,在用水總量和用水強(qiáng)度控制的制度約束下,一方面,構(gòu)建“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù),充分體現(xiàn)流域內(nèi)各省區(qū)、省區(qū)內(nèi)各市區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求以及市區(qū)內(nèi)各行業(yè)的發(fā)展用水需求;另一方面,模擬各個(gè)層面水權(quán)相關(guān)利益主體之間的民主協(xié)商及其上級(jí)層面行政仲裁過(guò)程,構(gòu)建“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)的約束條件,充分兼顧分水的公平性與效率性;以此建立流域初始水權(quán)分配的多層遞階決策模型,實(shí)現(xiàn)流域初始水權(quán)的省區(qū)、市區(qū)、行業(yè)分配,優(yōu)化流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合用水效益。并通過(guò)將理論模型應(yīng)用于初始水權(quán)配置實(shí)踐,進(jìn)一步驗(yàn)證多層遞階決策模型的實(shí)用性。endprint

    2 流域初始水權(quán)分配的多層遞階決策模型

    流域初始水權(quán)分配的實(shí)質(zhì)是,在用水總量和用水強(qiáng)度控制的制度約束下,流域內(nèi)各省區(qū)、省區(qū)內(nèi)各市區(qū)依據(jù)其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求,通過(guò)各個(gè)層面水權(quán)相關(guān)利益主體之間的民主協(xié)商及其上級(jí)層面的行政仲裁,首先流域管理機(jī)構(gòu)將流域初始水權(quán)總量分配給各省區(qū);各省區(qū)確權(quán)后,然后將獲得的水權(quán)量分配給各市區(qū);各市區(qū)確權(quán)后,再將獲得的水權(quán)量分配給生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境“三生”用水行業(yè)。為此,構(gòu)建“流域-省區(qū)”、“省區(qū)-市區(qū)”、“市區(qū)-行業(yè)”三個(gè)層面的目標(biāo)函數(shù)與約束條件,模擬各個(gè)層面水權(quán)相關(guān)利益主體之間的民主協(xié)商及其上級(jí)層面行政仲裁過(guò)程,建立“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”多層遞階決策模型,分配流域初始水權(quán)。

    2.1 “流域-省區(qū)”層面的目標(biāo)函數(shù)與約束條件

    假定流域初始水權(quán)總量為W0,在用水總量和用水強(qiáng)度控制的制度約束下,流域管理機(jī)構(gòu)分配給第i個(gè)省區(qū)的水權(quán)量為Wi(W0=∑ni=1Wi)?!傲饔?省區(qū)”層面的目標(biāo)函數(shù)與約束條件可表述為:

    式(1)的目標(biāo)函數(shù)中,F(xiàn)(W)為“流域-省區(qū)”層面的目標(biāo)函數(shù),F(xiàn)1(W)為保障流域整體的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值最大化,體現(xiàn)了雙控行動(dòng)下流域分水的經(jīng)濟(jì)效益性,fi1(Wi)為第i個(gè)省區(qū)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。F2(W)為保障流域內(nèi)各省區(qū)之間分水的協(xié)調(diào)滿意度最大化,體現(xiàn)了用水總量控制約束下流域分水的社會(huì)公平性。W*i為第i個(gè)省區(qū)的需水量。

    Wi≤W*i為第i個(gè)省區(qū)與第i′個(gè)省區(qū)的配水比例與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)之間的匹配關(guān)系,體現(xiàn)了雙控行動(dòng)下分水的公平性。αmin為最小匹配系數(shù)[19]?!莕i=1RiWi/W01n∑ni=1RiWi/W0n≥βmin為流域內(nèi)各省區(qū)之間的耦合協(xié)同發(fā)展效度,體現(xiàn)了用水強(qiáng)度控制約束下分水的效率性。βmin為最小效度系數(shù)[27]。αmin、βmin可依據(jù)流域和省區(qū)的現(xiàn)狀分水特點(diǎn),通過(guò)各省區(qū)之間民主協(xié)商與流域管理機(jī)構(gòu)行政仲裁予以確定。

    式(1)的約束條件中,各省區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)可參考設(shè)計(jì)的初始水權(quán)分配特征指標(biāo),利用理想解法予以確定。初始水權(quán)分配的特征指標(biāo)主要結(jié)合公平原則、效率原則、可持續(xù)發(fā)展原則、以及政府宏觀調(diào)控原則進(jìn)行設(shè)計(jì)(見圖1)。

    根據(jù)圖1,流域內(nèi)第i個(gè)省區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)Ri可表示為:

    式(2)中,Ri為第i個(gè)省區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù),根據(jù)第i個(gè)省區(qū)的綜合加權(quán)指標(biāo)值與其正負(fù)理想解之間的距離予以確定。vbi為第i個(gè)省區(qū)第b個(gè)特征指標(biāo)的加權(quán)指標(biāo)值,wb為第b個(gè)特征指標(biāo)的權(quán)重,通過(guò)水行政主管部門和水資源管理領(lǐng)域的專家評(píng)分予以確定,C*bi(b=1—20)為經(jīng)無(wú)量綱化處理的第b個(gè)特征指標(biāo)值。v+b、v-b分別為流域內(nèi)省區(qū)層面第b個(gè)特征指標(biāo)的最優(yōu)值、最劣值。

    2.2 “省區(qū)-市區(qū)”層面的目標(biāo)函數(shù)與約束條件

    流域內(nèi)第i個(gè)省區(qū)在獲得水權(quán)分配額Wi后,在用水總量和用水強(qiáng)度控制的制度約束下,進(jìn)一步將水權(quán)分配至第i個(gè)省區(qū)內(nèi)各市區(qū)。假定第i個(gè)省區(qū)分配給省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū)的水權(quán)量為Wij(Wi=∑mj=1Wij)。參考“流域-省區(qū)”層面的目標(biāo)函數(shù)和約束條件,“省區(qū)-市區(qū)”層面的目標(biāo)函數(shù)和約束條件可表述為:

    式(3)的目標(biāo)函數(shù)中,F(xiàn)i(W)為“省區(qū)-市區(qū)”層面的目標(biāo)函數(shù),F(xiàn)i1(W)為保障省區(qū)整體的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值最大化,體現(xiàn)了雙控行動(dòng)下省區(qū)分水的經(jīng)濟(jì)效益性,fij1(Wij)為第i個(gè)省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。Fi2(W)為保障省區(qū)內(nèi)各市區(qū)之間分水的協(xié)調(diào)滿意度最大化,體現(xiàn)了用水總量控制約束下省區(qū)分水的社會(huì)公平性。W*ij為第i個(gè)省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū)的需水量。

    Wij≤W*ij為第i個(gè)省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū)與第j′個(gè)市區(qū)的配水比例與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)之間的匹配關(guān)系,體現(xiàn)了雙控行動(dòng)下分水的公平性?!莕i=1RiWi/W01n∑ni=1RiWi/W0n≥βmin為各市區(qū)之間的耦合協(xié)同發(fā)展效度,體現(xiàn)了用水強(qiáng)度控制約束下分水的效率性。

    式(3)的約束條件中,第i個(gè)省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)Rij可同理式(2),利用理想解法予以確定,即:

    式(4)中,Rij為第i個(gè)省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù),根據(jù)第i個(gè)市區(qū)的綜合加權(quán)指標(biāo)值與其正負(fù)理想解之間的距離予以確定。特征指標(biāo)的選取見圖1。vbij為第i個(gè)省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū)第b個(gè)指標(biāo)的加權(quán)指標(biāo)值,C*ijb(b=1—20)為第i個(gè)省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū)經(jīng)無(wú)量綱化處理的第b個(gè)特征指標(biāo)值,wb為第b個(gè)特征指標(biāo)權(quán)重,指標(biāo)權(quán)重的確定與公式(2)相同。v+bi、v-bi分別為第i個(gè)省區(qū)內(nèi)市區(qū)層面第b個(gè)特征指標(biāo)的最優(yōu)值、最劣值。

    2.3 “市區(qū)-行業(yè)”層面的目標(biāo)函數(shù)與約束條件

    流域內(nèi)第i個(gè)省區(qū)第j個(gè)市區(qū)在獲得水權(quán)分配額Wij后,在用水總量和用水強(qiáng)度控制的制度約束下,進(jìn)一步將水權(quán)分配至第j個(gè)市區(qū)內(nèi)各用水行業(yè)。假定第j個(gè)市區(qū)分配給市區(qū)內(nèi)第k個(gè)行業(yè)的水權(quán)量為Wijk(Wij=∑5k=1Wijk),其中Wij1、Wij2、Wij3、Wij4和Wij5分別為第i個(gè)省區(qū)第j個(gè)市區(qū)的生活、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及服務(wù)業(yè)(建筑業(yè)與第三產(chǎn)業(yè))的水權(quán)量?!笆袇^(qū)-行業(yè)”層面的目標(biāo)函數(shù)和約束條件可表述為:

    式(5)表明,對(duì)第j個(gè)市區(qū)的各行業(yè)進(jìn)行水權(quán)分配時(shí),應(yīng)遵循一定的用水優(yōu)先序位規(guī)則,以明確各行業(yè)用水的目標(biāo)與約束:①人的基本生活水權(quán)需求必須優(yōu)先得到滿足;②滿足糧食生產(chǎn)安全保障的農(nóng)業(yè)水權(quán)需求;③在優(yōu)先分配基本生活水權(quán)、保障糧食生產(chǎn)安全的農(nóng)業(yè)水權(quán)的前提條件下,保障河道外環(huán)境建設(shè)水權(quán)需求;④按照工業(yè)、服務(wù)業(yè)以及農(nóng)業(yè)的用水序位,合理保障產(chǎn)業(yè)發(fā)展水權(quán)需求;⑤產(chǎn)業(yè)均衡協(xié)調(diào)原則,確定農(nóng)業(yè)、工業(yè)與服務(wù)業(yè)之間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例,以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)之間的均衡、協(xié)調(diào)發(fā)展。

    式(5)的目標(biāo)函數(shù)中,minZij為“市區(qū)-行業(yè)”層面的目標(biāo)函數(shù),保障雙控行動(dòng)下市區(qū)內(nèi)各行業(yè)的用水目標(biāo)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)值。Pm為第m個(gè)目標(biāo);d-jm為第m個(gè)目標(biāo)未達(dá)到Zjm目標(biāo)值的負(fù)偏差量;d+jm為第m個(gè)目標(biāo)超過(guò)Zjm目標(biāo)值的正偏差量。endprint

    式(5)的約束條件中,fij1(Wij)=∑mj=1(aij1Wij3+aij2Wij4+aij3Wij5)為第i個(gè)省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值等于市區(qū)內(nèi)各行業(yè)的生產(chǎn)總值之和。針對(duì)第i個(gè)省區(qū)內(nèi)第j個(gè)市區(qū),aij1、aij2、aij3分別為用水強(qiáng)度控制約束下單方水農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、單方水工業(yè)產(chǎn)值、單方水服務(wù)業(yè)產(chǎn)值。Zij1為生活用水目標(biāo)值,根據(jù)規(guī)劃年市區(qū)的城鎮(zhèn)、農(nóng)村人口總量及其人均生活用水定額予以確定;Zij2為糧食總產(chǎn)量目標(biāo)值,根據(jù)規(guī)劃年市區(qū)的人口總量及其人均糧食需求量予以確定,aij為單方水糧食產(chǎn)量;Zij3為河道外生態(tài)環(huán)境用水目標(biāo)值,根據(jù)規(guī)劃年市區(qū)湖泊、濕地、綠地等面積及其用水定額予以確定;Zij4、Zij5、Zij6分別為工業(yè)、服務(wù)業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)總值目標(biāo)值,根據(jù)現(xiàn)狀年市區(qū)工業(yè)、服務(wù)業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)總值及其增長(zhǎng)速率予以確定;Zij7為農(nóng)業(yè)與工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比目標(biāo)值,根據(jù)規(guī)劃年市區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值Zij6與工業(yè)生產(chǎn)總值Zij4的比例予以確定;Zij8為工業(yè)與服務(wù)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比目標(biāo)值,根據(jù)規(guī)劃年市區(qū)工業(yè)生產(chǎn)總值Zij4與服務(wù)業(yè)生產(chǎn)總值Zij5的比例予以確定。式(5)采用目標(biāo)規(guī)劃法(GLPS)軟件進(jìn)行求解。

    根據(jù)式(1)—(5),將“流域-省區(qū)”、“省區(qū)-市區(qū)”、“市區(qū)-行業(yè)”三個(gè)層面的目標(biāo)函數(shù)與約束條件進(jìn)行綜合集成,構(gòu)成雙控行動(dòng)下流域初始水權(quán)分配的多層遞階決策模型。

    3 多層遞階決策模型的求解方法

    流域初始水權(quán)分配的多層遞階決策模型表明,上層和下層決策問(wèn)題都有各自的目標(biāo)函數(shù)和約束條件,上層的目標(biāo)函數(shù)和約束條件不僅與上層的決策變量有關(guān),而且還依賴于下層的最優(yōu)解,而下層的最優(yōu)解又受上層決策變量的影響。為此,可構(gòu)建多層遞階決策的迭代算法,求解流域初始水權(quán)分配結(jié)果。多層遞階決策的迭代算法的基本步驟為:

    步驟1,置k=1。

    步驟2,滿足“流域-省區(qū)”層面的約束條件式(1)和式(2),隨機(jī)確定“流域-省區(qū)”層面決策變量Wi的一個(gè)初始值Wti。

    步驟3,根據(jù)“流域-省區(qū)”層面決策變量Wi的初始值Wti,滿足“流域-省區(qū)”層面的約束條件式(3)和式(4),隨機(jī)確定“省區(qū)-市區(qū)”層面決策變量Wij的一個(gè)初始值Wtij。

    步驟4,將Wtij代入“市區(qū)-行業(yè)”層面的目標(biāo)函數(shù)與約束條件式(5)中,獲得“市區(qū)-行業(yè)”層面的決策變量Wijk的初始值Wtijk。

    步驟5,將多層遞階決策模型的初始值Wti、Wtij和Wtijk代入“流域-省區(qū)”層面的目標(biāo)函數(shù)式(1)中,確定“流域-省區(qū)”層面各目標(biāo)的取值F1(W),F(xiàn)2(W)。

    步驟6,根據(jù)確定的“流域-省區(qū)”層面各目標(biāo)的取值F1(W),F(xiàn)2(W),由流域機(jī)構(gòu)提出流域內(nèi)各目標(biāo)的期望水平值F*i(W),建立單目標(biāo)滿意度函數(shù),即:

    式(6)中,μt(F(W))表示第t輪流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合效益滿意度,μt(Fi(W))表示第t輪的單目標(biāo)滿意度函數(shù),期望水平值F*i(W)可結(jié)合流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展綜合規(guī)劃要求,通過(guò)專家咨詢予以確定。轉(zhuǎn)至步驟7。

    同理,確定“省區(qū)-市區(qū)”層面第t輪的綜合效益滿意度μt(Fi(W)),轉(zhuǎn)至步驟7。

    步驟7,評(píng)價(jià)“流域-省區(qū)”、“省區(qū)-市區(qū)”層面的綜合效益滿意度μt(F(W))、μt(Fi(W)),若滿意,則停止,所求解即為多層遞階決策模型的最終滿意解。若不滿意,置t=t+1,一方面,將流域綜合效益滿意度μt(F(W))加入“流域-省區(qū)”層面的約束條件中,形成新一輪的“流域-省區(qū)”層面的約束條件;另一方面,將第i個(gè)省區(qū)的綜合效益滿意度μt(Fi(W))加入“省區(qū)-市區(qū)”層面的約束條件中,形成新一輪的“省區(qū)-市區(qū)”層面的約束條件(即μt+1(F(W))≥μt(F(W))、μt+1(Fi(W))≥μt(Fi(W)),目的是保證持續(xù)提高“流域-省區(qū)”、“省區(qū)-市區(qū)”層面的綜合效益滿意度),轉(zhuǎn)至步驟8。

    步驟8,采用“自上而下”的方式,加強(qiáng)流域內(nèi)各個(gè)層面之間的民主協(xié)商,對(duì)流域各個(gè)層面的決策變量進(jìn)行重新分配。首先,對(duì)“流域-省區(qū)”層面的決策變量Wi的值Wti進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整,分析決策變量Wi的值Wti可適當(dāng)增加或減少的迭代量△Wti;然后,對(duì)“省區(qū)-市區(qū)”層面決策變量Wij進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整,分析決策變量Wtj的值Wtij可適當(dāng)增加或減少的迭代量△Wtij;最后,對(duì)“市區(qū)-行業(yè)”層面的決策變量Wijk的值Wtijk進(jìn)行迭代調(diào)整,調(diào)整規(guī)則為:①第j個(gè)市區(qū)的生活、生態(tài)環(huán)境的發(fā)展目標(biāo)至少應(yīng)保持不變;②第j個(gè)市區(qū)在保障農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上,農(nóng)業(yè)配水量Wtij3可適度降低,降低的量為△Wtij3;③第j個(gè)市區(qū)的工業(yè)配水量Wtij4可適度增加,增加的量為△Wtij4(其他市區(qū)的用水行業(yè)水權(quán)分配額若需調(diào)整,則可類似考慮)。轉(zhuǎn)至步驟5。

    最終,根據(jù)步驟1—步驟8,確定流域各個(gè)層面的決策變量值Wti、Wtij和Wtijk。

    4 實(shí)證分析

    大凌河流域是水利部推廣的流域初始水權(quán)分配試點(diǎn),經(jīng)水利部批復(fù)實(shí)施了《大凌河流域?。ㄗ灾螀^(qū))際水量分配方案》,大凌河流域初始水權(quán)分配的水利部試點(diǎn)方案,見表1。

    4.1 大凌河流域初始水權(quán)分配的初始解方案

    根據(jù)圖1中的特征指標(biāo),參考《大凌河水資源公報(bào)》《流域初始水權(quán)分配理論與實(shí)踐》[29]《水權(quán)制度建設(shè)試點(diǎn) 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)——大凌河流域初始水權(quán)制度建設(shè)資料匯編》[30]統(tǒng)計(jì)資料,并通過(guò)實(shí)地調(diào)研等方式,得到規(guī)劃年2030年大凌河流域初始水權(quán)分配的特征指標(biāo)參數(shù)值,見表2。

    式(4)。根據(jù)規(guī)劃年2030年流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合規(guī)劃,F(xiàn)*1(W)=1 832.93億元,F(xiàn)*2(W)=1。計(jì)算得到F1(W)=1 783.87億元,F(xiàn)2(W)=0.999 7。則μt(F1(W))=0.973 2,μt(F2(W))=0.999 7。最終得到流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合效益的滿意度μt(F(W))=0.986 4。endprint

    4.2 大凌河流域初始水權(quán)分配的優(yōu)化方案

    采用多層遞階決策的迭代算法,得到大凌河流域初始水權(quán)分配的調(diào)整方案,見表5。

    結(jié)合表5,經(jīng)計(jì)算,水權(quán)分配調(diào)整方案滿足式(2)和式(4)。計(jì)算得到F1(W)=1 832.93億元,F(xiàn)2(W)=

    0.999 6。則μt(F1(W))=0.973 7,μt(F2(W))=0.999 6。最終得到流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合效益的滿意度μt(F(W))=0.986 6,大于初始解方案中的綜合效益滿意度0.986 4。

    采用多層遞階決策的迭代算法,得到大凌河流域初始水權(quán)分配的優(yōu)化方案,見表6。

    結(jié)合表6,經(jīng)計(jì)算,水權(quán)分配調(diào)整方案滿足式(2)和式 (4)。計(jì)算得到F1(W)=1 818.27億元,F(xiàn)2(W)=0.994 9。則μt(F1(W))=0.992 0,μt(F2(W))=0.994 9。最終得到μt(F(W))=0.993 4,大于調(diào)整方案中的綜合效益滿意度0.986 6。

    表6中,內(nèi)蒙古、遼寧、河北的水權(quán)分配比例分別為4.939%、93.731%、1.330%。與表1進(jìn)行對(duì)比分析可知,多層遞階決策模型的分配結(jié)果與水利部試點(diǎn)方案相吻合,充分驗(yàn)證了多層遞階決策模型的可行性與實(shí)用性。

    根據(jù)表4—表6,采用彈性系數(shù)法,可對(duì)匹配系數(shù)和效度系數(shù)進(jìn)行敏感性分析,見表7。

    評(píng)價(jià)結(jié)果表明,大凌河流域初始水權(quán)分配方案的優(yōu)化結(jié)果對(duì)匹配系數(shù)的敏感性較高。

    5 結(jié) 論

    參考現(xiàn)有水權(quán)按照“流域-省區(qū)-市區(qū)-行業(yè)”層級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始配置的思路,在用水總量和用水強(qiáng)度控制的

    制度約束下,構(gòu)建了雙控行動(dòng)下流域初始水權(quán)分配的多層遞階決策模型,提出了多層遞階決策的迭代算法,并將其應(yīng)用于大凌河流域初始水權(quán)分配實(shí)踐。研究結(jié)果表明,多層遞階決策模型既保證了用水總量控制約束下大凌河流域內(nèi)省區(qū)之間、市區(qū)之間公平協(xié)調(diào)發(fā)展,又保障了用水強(qiáng)度控制下各行業(yè)之間協(xié)調(diào)高效用水,從而有效消除了流域內(nèi)省區(qū)之間、省區(qū)內(nèi)市區(qū)之間、市區(qū)內(nèi)各行業(yè)之間的用水矛盾與沖突。最終,優(yōu)化大凌河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合效益。因此,研究方法保障了流域初始水權(quán)分配理論與實(shí)踐的契合性,充分驗(yàn)證了其可行性與實(shí)用性。為此,可以大凌河流域案例研究為參考,結(jié)合我國(guó)各大流域的域情、區(qū)情與水情,將雙控行動(dòng)下流域初始水權(quán)分配的多層遞階決策思路推廣到我國(guó)各大流域,進(jìn)一步增加對(duì)現(xiàn)有水權(quán)層級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始配置的指導(dǎo)作用。此外,應(yīng)建立健全水權(quán)分配的實(shí)施保障制度,保障水權(quán)分配結(jié)果的有效落實(shí)。并以取水許可制度為依據(jù),強(qiáng)化總量控制和定額管理,防止水權(quán)分配流于形式。水權(quán)層級(jí)結(jié)構(gòu)的變化相應(yīng)制約了水權(quán)管理成本,流域初始水權(quán)分配時(shí),各層級(jí)水行政管理部門在結(jié)合政治民主協(xié)商機(jī)制和用水戶參與機(jī)制進(jìn)行水權(quán)分配的過(guò)程中,必須合理采用行政仲裁機(jī)制,有效控制水權(quán)管理成本。

    (編輯:李 琪)

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