黃河流域典型城市水資源季節(jié)價值研究

蘇茂林，王 鵬，楊 靖，張 迪

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；3.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實驗室（籌），河南 鄭州 450003）

黃河是我國華北地區(qū)和西北地區(qū)的重要供水水源，其水資源量和水質(zhì)的變化對黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展有舉足輕重的作用。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，水資源緊缺、水環(huán)境惡化等問題日益突出［1］，加強(qiáng)水資源管理刻不容緩，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段管理水資源是重要措施［2］。水資源價值是水資源經(jīng)濟(jì)管理的重要依據(jù)之一。水資源價值不僅受水資源時空分布影響，且隨著自然、社會和經(jīng)濟(jì)因素的變化而變化，因此水資源的時空差異和人類社會屬性使其呈現(xiàn)出明顯的時空價值特性［3］。

有關(guān)學(xué)者對黃河水資源價值已做過一些研究。溫善章等［4］對黃河可供水資源影子價格進(jìn)行了分析，表明黃河各河段的水資源價值存在明顯差異；為了緩解豐水期用水少、枯水期爭相引水的矛盾，王強(qiáng)等［5］利用價格杠桿方法計算水資源價值，對山東黃河水資源優(yōu)化配置進(jìn)行了研究；吳澤寧等［6］針對黃河流域的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，分析了水資源價值的空間分布特征。然而，關(guān)于水資源時間價值，尤其是水資源價值的季節(jié)性變化等的相關(guān)研究較少。

黃河流域氣候季節(jié)性變化明顯，區(qū)域降水和徑流呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征［7－8］，其水資源價值亦呈現(xiàn)季節(jié)性變化特征。就黃河水資源而言，直接使用價值包括用于生產(chǎn)生活、農(nóng)業(yè)灌溉等，間接使用價值包括生態(tài)服務(wù)價值（如調(diào)節(jié)小氣候、保護(hù)生物多樣性等）［9］。深入研究黃河流域水資源的季節(jié)價值，對于水資源跨時間尺度的調(diào)度決策與優(yōu)化配置、緩解沿黃水資源供需矛盾具有重要意義。

1 水資源季節(jié)價值理論

1.1 水資源季節(jié)價值內(nèi)涵

水資源是人類和自然界各類生物賴以生存所必需的重要資源，農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)、生活及生態(tài)環(huán)境維持等都離不開水資源。受自然、社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素的影響，不同時空水資源利用效率不同。對水資源價值的認(rèn)識是在社會不斷發(fā)展過程中隨著水資源稀缺性的逐步提高而逐漸形成的，受供需關(guān)系制約，其價值體現(xiàn)出從無到有、從低到高的過程。水資源的價值是基于某一社會發(fā)展時期，依托社會需求而產(chǎn)生的。水資源具有多重屬性，除了其基礎(chǔ)資源屬性、社會屬性和環(huán)境屬性外，還具備商品的經(jīng)濟(jì)屬性，具有所有權(quán)和稀缺性，能夠在開發(fā)利用過程中產(chǎn)生不同的用途和價值。

水資源的價值隨著季節(jié)的演變而改變，本文據(jù)此提出水資源季節(jié)價值的定義：水資源季節(jié)價值是指特定區(qū)域內(nèi)單位水資源量在不同的季節(jié)特征下所產(chǎn)生的價值，其受多種因素的影響，主要受水資源量的影響。

1.2 黃河水資源的稀缺性

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展面臨的最大問題是水資源短缺。黃河上中游大部分地區(qū)位于400 mm年降水量等值線以西，黃河流域多年平均降水量僅為長江流域的40%，水資源總量僅為長江流域的7%、占全國的2%，卻承擔(dān)著全國12%的人口和15%的耕地用水，人均水資源占有量僅為全國平均水平的27%。黃河水資源開發(fā)利用率高達(dá)80%，遠(yuǎn)超40%的國際生態(tài)安全警戒線，屬于資源性缺水地區(qū)。歷史上黃河連續(xù)枯水段長、極端枯水事件頻發(fā)。受全球氣候和下墊面等變化的影響，20 世紀(jì)90 年代黃河發(fā)生持續(xù)枯水、干流連續(xù)斷流現(xiàn)象，水資源供需嚴(yán)重失衡，造成嚴(yán)重水危機(jī)。

因黃河流域水資源總量有限且動態(tài)變化，故取用受限，且受降水、徑流的變化影響，可利用水資源量和水質(zhì)呈現(xiàn)不同的變化特征，都對水資源價值產(chǎn)生影響。同時，受上、中、下游不同河段調(diào)節(jié)能力限制，水資源對季節(jié)敏感性不同，在時空上的稀缺性不同，因而呈現(xiàn)出不同的時空價值。

1.3 黃河水資源季節(jié)價值的體現(xiàn)

水資源價值包括正價值和負(fù)價值，由水資源特性決定，受水資源時空分布限制，是量和質(zhì)的統(tǒng)一。通常水資源開發(fā)利用是正價值的體現(xiàn)，負(fù)價值主要體現(xiàn)在水污染和水災(zāi)害方面。黃河流域水資源價值在不同季節(jié)有不同的體現(xiàn)，如3—4 月最大限度滿足農(nóng)田灌溉用水，同時保證生活、生態(tài)用水，是春季水資源價值的體現(xiàn)；夏季水資源價值體現(xiàn)在眾多水庫聯(lián)合調(diào)度，開展汛前調(diào)水調(diào)沙，減輕黃河下游河道防洪壓力，保護(hù)沿黃兩岸人民生命財產(chǎn)安全；秋季后汛期對水庫蓄水較為有利，在滿足人民生活、社會生產(chǎn)和維系生態(tài)環(huán)境用水的基礎(chǔ)上，發(fā)揮水資源的綜合效益，體現(xiàn)其秋季價值；冬季水資源價值體現(xiàn)在滿足甘、寧、內(nèi)蒙古冬灌用水和生態(tài)補(bǔ)水，改善生態(tài)環(huán)境，為下一水文年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)健康奠定基礎(chǔ)。

2 基于模糊數(shù)學(xué)方法的水資源季節(jié)價值評價模型構(gòu)建

模糊綜合評價法基于模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度理論，將定性評價轉(zhuǎn)化為定量計算，對受到多種因素制約的對象做出綜合性評判。該方法優(yōu)點(diǎn)在于統(tǒng)籌定性和定量因素，設(shè)立多目標(biāo)進(jìn)行綜合評判，結(jié)果清晰且客觀科學(xué)，適于解決非確定性的、模糊的、難以量化的問題，近年來被廣泛應(yīng)用于價值計算。本文采用模糊綜合評價模型對水資源季節(jié)價值進(jìn)行定量計算。水資源季節(jié)價值模糊綜合評價的步驟：①建立水資源季節(jié)價值評價指標(biāo)體系；②確定隸屬函數(shù)；③確定權(quán)重；④確定承受指數(shù)。

2.1 水資源季節(jié)價值評價指標(biāo)體系的建立

水資源季節(jié)價值受多重因素的影響?；邳S河流域水資源價值的自然屬性和社會屬性，選擇能夠反映水資源季節(jié)特征的變量作為時間價值模型的驅(qū)動因子，建立水資源季節(jié)價值評價指標(biāo)體系。

本文綜合考慮黃河流域水資源開發(fā)利用的季節(jié)變化特征，根據(jù)水資源季節(jié)價值的影響因素選擇評價指標(biāo)，旨在反映人類對水資源的認(rèn)識和利用程度的變化?？紤]水資源的自然屬性，選取季節(jié)降水量、季節(jié)徑流量、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率作為評價指標(biāo)，水量和水質(zhì)的變化直接影響水資源的供給和利用，對水資源的價值有直接影響?？紤]水資源的社會屬性，以季節(jié)平均氣溫和季節(jié)日照時長作為評價指標(biāo)。黃河流域地表高程差和經(jīng)度跨度大，流域上、中、下游分布于不同氣候區(qū)，氣溫變化對水資源供給和利用的影響主要體現(xiàn)在冬季冰封期和春季開河期，對河道凌汛影響較大，進(jìn)而影響水資源價值。黃河流域跨不同時區(qū)，上游地區(qū)日照時間短，下游日照時間長，日照時長直接影響人類對水資源的開發(fā)利用程度，比如農(nóng)作物種植和灌溉用水量等，影響水資源的價值評估。

建立水資源季節(jié)價值評價指標(biāo)向量：

確定評價向量等級，分5 級評價：

建立單因素矩陣組成的綜合評價矩陣：

式中：ai為第i個驅(qū)動因子的評價向量，ai ＝（ai1…aij…ain）（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；n＝5；aij為第i個驅(qū)動因子第j級評價的隸屬度）。

經(jīng)加權(quán)計算，得出水資源季節(jié)價值的模糊綜合評價向量：

式中：W為各影響因子的權(quán)重向量；“?”為模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算符。

2.2 隸屬函數(shù)的確定

隸屬函數(shù)通常采用降半梯形分布，一元線性隸屬函數(shù)計算公式為

式中：x為評價因子的指標(biāo)值；xij和xi，j＋1為評價因子的相鄰兩評價等級的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值；Φij（x）為評價因子的隸屬度。

2.3 權(quán)重的確定

采用專家咨詢法與熵值法相結(jié)合的方法確定權(quán)重。對綜合評價矩陣A中的元素aij用極差標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行處理：

式中：bij為aij標(biāo)準(zhǔn)化后的值；maxai、minai分別為第i個驅(qū)動因子的原始最大值、最小值。

bij權(quán)重計算公式為

驅(qū)動因子的信息熵Ei計算公式為

驅(qū)動因子i的權(quán)重計算公式為

式中：w熵為利用熵值法所確定的指標(biāo)權(quán)重，熵權(quán)反映客觀信息中指標(biāo)評價效用的大??；w專為利用專家咨詢法確定的指標(biāo)權(quán)重，綜合考慮黃河流域各因素的重要性，徑流量權(quán)重取0.25、降水權(quán)重取0.20、水質(zhì)權(quán)重取0.30、氣溫權(quán)重取0.15、日照時長權(quán)重取0.10。

2.4 承受指數(shù)的確定

承受指數(shù)是基于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及居民可支配收入確定的。根據(jù)居民對水價的承受能力，可以計算出水價的上限值P：

式中：B為水費(fèi)承受指數(shù)；E為人均可支配收入；C為年人均用水量；D為污水處理費(fèi)用；H為供水工程成本。

采用等差間隔法，將水價上限值P等差劃分可得水資源價格向量S：

水資源價格J計算公式為

式中：V為水價的綜合評判結(jié)果；α為水資源價值（稀缺）系數(shù)向量。

3 黃河流域水資源季節(jié)價值評價與分析

選取黃河上、中、下游典型城市銀川、鄭州和濟(jì)南，評價其水資源價值，研究黃河水資源價值的時空分布特征。黃河水資源在時間上分布不均勻，使得區(qū)域水資源價值的季節(jié)性變化顯著。針對黃河不同河段的水資源季節(jié)價值進(jìn)行研究，對水資源價值的時空評價顯得尤為重要。

3.1 評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

針對各評價指標(biāo)制定評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。研究數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《黃河水資源公報》《黃河泥沙公報》和各城市水務(wù)局公開的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

表1 評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.2 評價指標(biāo)的時空分布特征

黃河典型城市2016—2020 年不同季節(jié)的降水量、徑流量、日照時長和平均氣溫分布特征見表2。

表2 黃河典型城市各評價指標(biāo)季節(jié)變化特征

水資源各評價指標(biāo)具有明顯的時空分布特征，對水資源價值的影響各不相同。流域降水主要集中在夏季（各城市夏季平均降水量為361.81 mm，占全年的65.3%），春、秋、冬季降水量較?。ǚ謩e占全年的13.6%、15.8%和5.3%）。受氣候與地形影響，中游地區(qū)年降水量大于上游地區(qū)、下游地區(qū)年降水量大于中上游地區(qū)。采用石嘴山、花園口和艾山水文站的徑流量數(shù)據(jù)反映上、中、下游典型城市的黃河干流徑流量?？芍?，各城市徑流量年內(nèi)分布不均，主要集中在夏、秋兩季；3 個典型城市夏季和秋季多年平均徑流量分別為121.11 億m3和93.63 億m3，分別占全年的37.3%和28.8%；春、冬兩季多年平均徑流量較小，分別占全年的22.0%和11.9%。從空間上看，中游干流年徑流量最大，上游干流年徑流量次之，下游年徑流量最小。黃河流域2016—2020 年的平均氣溫數(shù)據(jù)表明，夏季的平均氣溫為26.34 ℃，冬季的平均氣溫為0.45 ℃。同一季節(jié)，中游氣溫最高，下游氣溫次之，上游氣溫最低。氣溫變化對水資源的供給和利用有顯著影響，尤其是冬季和春季的凌汛期，間接影響水資源可利用量。季節(jié)日照時長對流域農(nóng)作物種植和灌溉用水量有顯著影響，反映人類活動對水資源的開發(fā)利用程度；黃河流域2016—2020 年春季多年平均日照時長最長（為718.41 h），夏季、秋季日照時長次之，冬季日照時長最短（為480.77 h）；地域分布上，上游日照時長最長，下游日照時長次之，中游日照時長最短。

3.3 水資源價值（稀缺）系數(shù)的時空變化特征

黃河典型城市水資源價值（稀缺）系數(shù)的季節(jié)變化情況見圖1。水資源價值系數(shù)反映水資源的稀缺性，水資源越稀缺，其水資源價值系數(shù)就越大。

圖1 黃河流域典型城市水資源價值系數(shù)的季節(jié)變化情況

從圖1 可以看出，水資源價值系數(shù)時空分布不同。從空間上看，黃河流域典型城市的水資源稀缺性不同，上游銀川的水資源價值系數(shù)顯著大于中、下游城市的，中游鄭州的水資源價值系數(shù)最小。從時間上看，春季的水資源價值系數(shù)最大，原因是春季水資源稀缺性高，黃河降水量和徑流量都較小；夏季水資源在4 個季節(jié)中最為豐沛，水資源價值系數(shù)最小；秋季徑流量較大，其水資源價值系數(shù)也較??；冬季降水量和徑流量均為4個季節(jié)中最小，由于日照時長最短且氣溫最低、對水資源的需求量較大，因此其水資源價值系數(shù)較大。上游銀川的水資源價值系數(shù)四季波動較為平緩，而中、下游的鄭州和濟(jì)南的水資源價值系數(shù)在夏季出現(xiàn)顯著波動，其水資源價值大幅度降低。受黃河流域水權(quán)分配的影響，實際中、下游城市的水資源價值與自然情況略有不同。

3.4 綜合水價的時空變化特征

根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》，2019 年銀川、鄭州、濟(jì)南城鎮(zhèn)居民人均可支配收入分別為3.82 萬、4.21 萬、5.19萬元，按每人每天用水量150 L、每月30 d 計算，則每人每月用水量為4.5 m3。銀川、鄭州和濟(jì)南用水成本分別為1.2、1.0、1.4 元／m3，家庭水費(fèi)承受指數(shù)按1%計，黃河流域典型城市綜合水價的季節(jié)變化情況見圖2（圖中彩色代表資源水價，灰色代表用水成本，二者之和為綜合水價）。

圖2 黃河流域典型城市綜合水價的季節(jié)變化情況

由圖2 可知，在水資源價值系數(shù)較大的春季和冬季，黃河流域典型城市的綜合水價較高。由于綜合水價是資源水價和用水成本之和，因此盡管銀川水資源價值系數(shù)較大，但是綜合水價卻沒有濟(jì)南的高，而鄭州的綜合水價最低，原因是濟(jì)南的用水成本較高、鄭州的用水成本較低。整體而言，夏季的綜合水價最低、冬季的綜合水價最高。除了夏季上游城市的綜合水價高于中下游城市外，其他季節(jié)下游城市的綜合水價均高于中上游城市的。綜上，黃河流域上、中、下游典型城市的水資源價值不同，水資源季節(jié)價值變化明顯。

4 結(jié) 語

黃河流域水資源價值具有顯著的時空變化特征。上游銀川的水資源價值系數(shù)顯著大于中、下游城市的，中游鄭州的水資源價值系數(shù)最小。春季水資源價值系數(shù)最大、夏季水資源價值系數(shù)最小，原因是春季水資源匱乏、水資源稀缺性高，而夏季降水量和徑流量大、水資源稀缺性低。

綜合水價除受水資源價值系數(shù)影響外，還與用水成本有關(guān)。夏季的綜合水價最低，冬季綜合水價最高。除了夏季上游城市的綜合水價高于中、下游城市外，其他季節(jié)下游城市的綜合水價均高于中、上游城市的。

明確水資源價值的時空變化規(guī)律，加快水價改革進(jìn)程，發(fā)揮市場經(jīng)濟(jì)的杠桿調(diào)節(jié)作用，有利于優(yōu)化配置水資源，提高公眾節(jié)水意識和用水效率，緩解黃河流域水資源短缺狀況。