不確定性因素影響的灌區(qū)水權(quán)優(yōu)化配置研究

楊甘露

(湖南省建筑科學研究院有限責任公司，湖南 長沙 410000)

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)灌溉需水量巨大，同時我國也是一個水資源十分緊缺的國家，人均水資源占有量僅為世界人均水平的1/4，水資源問題已成為制約我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[1- 3]。

當前，我國大多數(shù)灌區(qū)仍然采用傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作方式，灌溉設(shè)施配套不齊全，設(shè)備老化嚴重，渠系襯砌率低，灌溉水利用率低下等問題比較突出，因此，灌區(qū)節(jié)水潛力巨大[4- 9]。但是，由于灌區(qū)水價普遍較低，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水不文明現(xiàn)象頻發(fā)，水資源浪費問題嚴重，灌區(qū)管理體制不健全，導(dǎo)致灌區(qū)灌溉用水量并未得到合理的控制。根據(jù)灌區(qū)實際情況，指定合理的水價，對于節(jié)約灌區(qū)水資源，提升灌溉水利用系數(shù)具有重要意義。在用水實踐過程中，需要確定各方主體水資源的實際可利用量，對水資源進行水權(quán)的優(yōu)化配置，才能實現(xiàn)灌區(qū)水資源的高效利用[10- 13]。

本文建立起考慮多種不確定因素影響的灌區(qū)水權(quán)優(yōu)化配置模型，對湖南省韶山灌區(qū)不同政策情景下的用水情況進行了分析，相關(guān)理論和方法可為灌區(qū)水權(quán)合理分配提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

湖南省韶山灌區(qū)于1965年動工，兼具工業(yè)供水，發(fā)電，航運，防洪排澇，養(yǎng)殖等綜合利用功能，目前可灌溉面積約為100萬畝。灌區(qū)年平均氣溫16～17℃，年平均無霜期278d，年平均降雨量1300～1500mm，灌區(qū)干渠總長240km，支渠230條，總長160km，斗渠298條，總長920km。近年來，隨著氣候變化和城鎮(zhèn)化進程的加快，對水資源的需求逐漸增大，水資源短缺已成為制約當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的重要因素，特別是可供使用的總用水量較歷史平均值下降5.6%，且農(nóng)業(yè)用水占比較高，城鎮(zhèn)地下水資源超采嚴重，水資源壓力日益嚴重。農(nóng)業(yè)水資源灌溉成本低廉，同時農(nóng)田水利工程折舊嚴重，是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水浪費嚴重的主要原因，因此有必要對該市各農(nóng)業(yè)灌區(qū)推行農(nóng)業(yè)灌溉水價的綜合改革，加強民眾的節(jié)約用水意識，從全面提升農(nóng)業(yè)用水灌溉效率。

2 模型建立

2.1 初始水權(quán)配制模型

在灌區(qū)水資源分配管理過程中，水資源管理者在缺少完備水量量測設(shè)施的前提下，很難對每個用戶做到精準的水量分配，而水量分配的多少決定了當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量的多少，用戶需要知道他們具體被分配了多少水量(可以支配多少水量)來對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行增產(chǎn)或者縮產(chǎn)計劃，同時灌區(qū)的缺水損失和用水收益也是很難給出確定數(shù)據(jù)的，這就導(dǎo)致灌區(qū)的水權(quán)分配存在很多的不確定因素。本文通過引入?yún)^(qū)間兩階段水權(quán)優(yōu)化模型，對灌區(qū)水量數(shù)據(jù)的不確定參數(shù)和經(jīng)濟懲罰進行響應(yīng)，同時將灌區(qū)水權(quán)配制的不確定性和決策目標考慮到水量分配的求解過程中，使整個水權(quán)分配方案更加科學合理，從而達到用水安全、成本和效率的協(xié)調(diào)發(fā)展。區(qū)間兩階段水權(quán)優(yōu)化模型為：

(1)

(2)

(3)

qc±≤Q±

(4)

(5)

式中，qc±—某灌區(qū)農(nóng)業(yè)的實際可分配水權(quán)；Q±—該地區(qū)農(nóng)業(yè)實際總可用水量。

由于灌區(qū)每年都會有休耕輪作的灌溉面積，那么灌區(qū)實際可分配水權(quán)=灌區(qū)可用水量-休耕輪作的用水定額，考慮到休耕輪作面積也是一個不確定因素，因此，將年平均蒸發(fā)量和降雨量考慮到實際可分配水權(quán)的計算中：

qc=KPE1RE2ZE3

(6)

式中，K—計算常數(shù)；P—灌區(qū)可分配水權(quán)價格，元/m3；R—年平均蒸發(fā)量，mm；Z—年平均降雨量，mm；E1—水價彈性系數(shù)，E2—蒸發(fā)量彈性系數(shù)，E3—降雨量彈性系數(shù)。

2.2 考慮不確定因素的水價模型

在初始水權(quán)配制模型基礎(chǔ)上，引入?yún)^(qū)間參數(shù)，將經(jīng)濟數(shù)據(jù)和來水量等不確定性因素用區(qū)間形式來表示，同時在區(qū)間約束的基礎(chǔ)上再引入兩階段的約束。在初始水權(quán)配置模型中加入水價調(diào)控指標，以用水水價變化程度來影響灌區(qū)的水權(quán)分配，同時保證灌區(qū)用水系統(tǒng)的收益達到最大化，從而實現(xiàn)灌區(qū)水權(quán)的最優(yōu)配置。因此，在上一小節(jié)基礎(chǔ)上，聯(lián)立(1)和(6)式，得到：

灌區(qū)渠道的襯砌率對于灌區(qū)用水的影響較大，灌區(qū)渠道襯砌率越高，灌溉水利用系數(shù)越大，但是當襯砌率達到一定程度后，灌溉水利用系數(shù)的增長幅度大大降低，此時再進行灌區(qū)渠道的襯砌投資就顯得不太合理，因此，在水價模型基礎(chǔ)上，再引入渠道襯砌率和灌溉利用水系數(shù)等兩個不確定因素，同時增加節(jié)水措施約束：

(8)

且滿足約束：

(9)

3 應(yīng)用結(jié)果

3.1 模型數(shù)據(jù)

(1)農(nóng)業(yè)可分配水量?！叭龡l紅線”用水總量控制目標主要由農(nóng)業(yè)用水，生活用水，生態(tài)用水、非農(nóng)業(yè)用水以及預(yù)留用水等五部分組成，根據(jù)灌區(qū)實際情況，灌區(qū)及其周邊區(qū)域的地表水和地下水用水總量控制目標為7.62億m3，而生活用水，生態(tài)用水、非農(nóng)業(yè)用水以及預(yù)留用水的總額約為0.49億m3，因此，農(nóng)業(yè)可分配水量為7.62減去0.49等于7.13億m3。

(2)灌區(qū)預(yù)期水權(quán)界值。根據(jù)多年來灌區(qū)的灌溉情況，對灌區(qū)有效灌溉面積進行調(diào)整，再根據(jù)農(nóng)業(yè)可分配水量進行核算，同時設(shè)置3%、5%、10%和15%四種農(nóng)業(yè)用水總量控制政策情景(分別對應(yīng)2022、2025、2030和2035年的灌溉用水控制目標)，從而計算得到四種情景下的農(nóng)業(yè)用水確權(quán)方案，見表1。

(3)農(nóng)業(yè)單位水權(quán)收益和損失。灌區(qū)人居可支配收入為30521元，第一、二、三產(chǎn)業(yè)的占比分別為58.9%、13.6%和27.5%，可計算得到不同情景下灌區(qū)的單位水權(quán)收益和損失情況，見表1。

(4)農(nóng)業(yè)用水節(jié)水預(yù)期。根據(jù)灌區(qū)當?shù)氐臍夂蚯闆r和經(jīng)濟情況，計算得到灌區(qū)實際用水量與水價模型：

qc=0.22P-0.464R0.386Z-0.187

(10)

灌區(qū)主要農(nóng)作物為水稻，根據(jù)經(jīng)驗，田間水利用系數(shù)取值為0.824，將灌區(qū)渠道襯砌率作為自變量，可計算得到灌區(qū)灌水利用系數(shù)與襯砌率的關(guān)系：

η=0.366+0.068ln(λ-2.748)

(11)

從而可計算得到灌區(qū)預(yù)期節(jié)約水權(quán)界值為[0.58，0.64]。當灌區(qū)節(jié)水量≥20%時，節(jié)水獎補為0.03元/m3；當灌區(qū)節(jié)水量≥50%時，節(jié)水獎補為0.045元/m3，從而計算得到不同情景下灌溉用水差別化水價，見表1。

表1 不同政策情景下模型數(shù)據(jù)取值

3.2 結(jié)果與分析

計算得到的灌區(qū)不同情景下灌區(qū)用水調(diào)減界值情況如圖1所示。從圖1中可以看到：隨著灌溉用水總量控制政策目標的不斷提升，灌區(qū)用水調(diào)減界值也隨之增大。①當灌溉用水分配水權(quán)在調(diào)減3%情況下時，灌區(qū)用水調(diào)減下界值為14.4×106m3，下界用水調(diào)減占比為2.76%；灌區(qū)用水調(diào)減上界值為14.93×106m3，上界用水調(diào)減占比為2.86%，調(diào)減上界和調(diào)減下界僅相差0.1%。②當灌溉用水分配水權(quán)在調(diào)減5%情況下時，灌區(qū)用水調(diào)減下界值為22.754×106m3，下界用水調(diào)減占比為4.46%；灌區(qū)用水調(diào)減上界值為23×106m3，上界用水調(diào)減占比為4.51%，調(diào)減上界和調(diào)減下界僅相差0.05%。③當灌溉用水分配水權(quán)在調(diào)減10%情況下時，灌區(qū)用水調(diào)減下界值為57.84×106m3，下界用水調(diào)減占比為11.96%；灌區(qū)用水調(diào)減上界值為62.24×106m3，上界用水調(diào)減占比為12.87%，調(diào)減上界和調(diào)減下界相差0.97%。④當灌溉用水分配水權(quán)在調(diào)減15%情況下時，灌區(qū)用水調(diào)減下界值為87.4×106m3，下界用水調(diào)減占比為14.6%；灌區(qū)用水調(diào)減上界值為93.48×106m3，上界用水調(diào)減占比為15.62%，調(diào)減上界和調(diào)減下界相差1.02%。

圖1 灌區(qū)用水調(diào)減界值

計算得到的不同情景下灌區(qū)用水最優(yōu)值情況如圖2所示。從圖2中可以看到：隨著灌溉用水總量控制政策目標的不斷提升，灌區(qū)用水最優(yōu)值不斷減小，當政策情景為3%、5%、10%和15%情況下時，灌區(qū)用水最優(yōu)值分別為506.68×106、487.62×106、422.6×106和366.79×106m3。但是，灌區(qū)調(diào)減水權(quán)與灌溉需水量呈正比，用水量越高，調(diào)減水權(quán)就越大，隨著調(diào)減水權(quán)的不斷提升，用水戶對于調(diào)減水權(quán)就會變得具有傾向性，用水效益高的用水戶的調(diào)減水權(quán)較小，而用水效益相對較低的用水戶的調(diào)減水權(quán)反而越高。而且，當調(diào)減水權(quán)達到一定比例后，再進行水權(quán)的調(diào)整和分配反而會因為過度缺水導(dǎo)致經(jīng)濟效益損失。對于調(diào)減水權(quán)較高的情景，灌區(qū)水權(quán)調(diào)減應(yīng)優(yōu)先從用水效益低的用水戶進行調(diào)減，直至調(diào)減到最優(yōu)值后，再對用水效益高的用水戶進行水權(quán)的調(diào)整，從而避免在水權(quán)配置過程中出現(xiàn)矛盾。

圖2 灌區(qū)用水最優(yōu)值

4 結(jié)語

在保證灌區(qū)灌溉系統(tǒng)收益最大化的前提下，構(gòu)建起考慮不確定性因素影響的灌區(qū)水權(quán)優(yōu)化配置模型，該模型可以對不同政策情景和水價變動情況下的水權(quán)進行計算和分析，通過分析提出以下幾點建議。

(1)灌區(qū)水權(quán)調(diào)減比例不宜過高，否則反而會造成不必要的經(jīng)濟損失，建議調(diào)減比例低于20%。

(2)水權(quán)調(diào)減應(yīng)從用水效益低的用水戶開始，而后再對用水效益高的用戶進行調(diào)減。

(3)為了提升灌區(qū)用水戶的節(jié)水積極性，需要設(shè)置一定的獎補門檻，但獎補門檻不宜過高。

(4)本文多種數(shù)據(jù)來源本身存在一定的不確定性，在統(tǒng)計過程中可能存在一定偏差，但可為灌區(qū)水權(quán)優(yōu)化配置提供計算方法。