盤(pán)山灌區(qū)不同節(jié)水目標(biāo)情景下灌區(qū)水權(quán)優(yōu)化配置分析

季香華

(盤(pán)山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)錦 124100)

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水壓力較大，面臨著嚴(yán)峻的水資源短缺形勢(shì)，人均水資源量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，水資源問(wèn)題逐漸成為制約經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。我國(guó)大多數(shù)灌區(qū)灌溉水利用率低下、渠系襯砌率不高、設(shè)備老化嚴(yán)重、灌溉設(shè)施配套不齊全等問(wèn)題突出，農(nóng)業(yè)耕作方式比較傳統(tǒng)。此外，由于灌區(qū)管理體制不健全和灌溉水價(jià)普遍偏低等導(dǎo)致灌溉用水量控制不合理、水資源浪費(fèi)、農(nóng)業(yè)灌溉用水不文明等問(wèn)題嚴(yán)重[1-3]。充分考慮灌區(qū)實(shí)際情況制定合理水價(jià)，對(duì)于提升灌溉水利用系數(shù)和節(jié)約灌區(qū)水資源等意義重大。為實(shí)現(xiàn)用水實(shí)踐過(guò)程中水資源的高效利用，必須明確各方主體實(shí)際可利用量以優(yōu)化配置水權(quán)。鑒于此，文章將灌區(qū)水權(quán)優(yōu)化配置模型與各種不確定因素相融合，優(yōu)化分析了盤(pán)山灌區(qū)不同節(jié)水目標(biāo)下的用水情況，旨在為灌區(qū)水權(quán)合理分配以及灌溉水高效利用提供一定理論依據(jù)。

1 灌區(qū)概況

盤(pán)山灌區(qū)位于遼河三角洲沖積平原上，在大凌河、繞陽(yáng)河、大遼河、遼河四河流的下游，總面積1072km2，其中耕地5.04萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)和實(shí)際灌溉面積3.91萬(wàn)hm2、3.71萬(wàn)hm2，屬于遼寧省大型灌區(qū)之一。灌區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為8.4℃，年均降雨量646.8mm，多集中在7、8兩月，占全年降雨量的53%，年蒸發(fā)量大于年降水量，年均蒸發(fā)量為1669.6mm，是年降水量的2.7倍。盤(pán)山灌區(qū)始建于日偽時(shí)期，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，灌區(qū)已初步形成田成方、林成線、渠成網(wǎng)，遇旱能灌，遇澇能排的大型水田灌區(qū)。近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和各種極端氣候事件頻發(fā)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活用水需水量逐漸增大，與歷史平均值相比可供使用的總用水量明顯減少，城鎮(zhèn)地下水超采、農(nóng)業(yè)灌溉用水比例偏高、水資源供給壓力劇增等問(wèn)題突出，嚴(yán)重影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)的高效發(fā)展。然而，農(nóng)田水利工程老化失修、灌溉水收費(fèi)偏低是引起水資源利用效率低和灌溉需水量大的重要因素。因此，為有效提升農(nóng)業(yè)用水灌溉效率必須加快推進(jìn)灌溉水價(jià)綜合改革[4-6]。

2 模型研究

2.1 初始水權(quán)配置模型

分配管理灌區(qū)水資源時(shí)，在水量量測(cè)設(shè)施完全缺少的情況下水資源管理者很難做到精準(zhǔn)分配每個(gè)用戶水量，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量的多少很大程度上取決于分配水量的多少，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用戶做出縮產(chǎn)或增產(chǎn)計(jì)劃的根本依據(jù)是他們了解可以支配的水量多少(被分配了多少水量)，并且難以給出確定的用水收益和缺水損失數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致很多不確定因素影響著灌區(qū)的水權(quán)分配[7-8]。鑒于此，文章利用區(qū)間兩階段水權(quán)優(yōu)化模型響應(yīng)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)懲罰和水量數(shù)據(jù)不確定參數(shù)，在水量分配求解過(guò)程中考慮灌區(qū)水權(quán)配置的決策目標(biāo)和不確定性，從而保證水權(quán)分配方案的科學(xué)合理性以及用水效率、成本、安全的協(xié)調(diào)發(fā)展，水權(quán)優(yōu)化模型如下：

(1)

式中：Yci±、wci±為灌區(qū)調(diào)減水權(quán)和預(yù)期水權(quán)；P1i±、P0i±為灌區(qū)農(nóng)業(yè)線性水價(jià)和預(yù)期水權(quán)水價(jià)；G1i±單位水權(quán)產(chǎn)值；i為灌區(qū)編號(hào)。該水權(quán)優(yōu)化模型應(yīng)符合以下約束條件，即：

P1i±≤P0i±≤Pmax

(2)

(3)

qc±≤Q±

(4)

wcimax≥wci±≥Yci±≥0

(5)

式中：Q±、qc±為農(nóng)業(yè)實(shí)際可用水總量和實(shí)際可分配水權(quán)。

考慮到灌區(qū)休耕輪作灌溉面積，則可用水量與休耕輪作用水量的差值就等于實(shí)際可分配水權(quán)，鑒于休耕輪作面積具有一定不確定性，所以實(shí)際可分配水權(quán)計(jì)算應(yīng)考慮年平均降雨量和蒸發(fā)量，具體表達(dá)式為：

qc=KPE1RE2ZE3

(6)

式中：P、K為灌區(qū)可分配水權(quán)價(jià)格(元/m3)和計(jì)算常數(shù)；Z、R為年平均降雨量，mm和蒸發(fā)量，mm；E1、E2、E3為水價(jià)、蒸發(fā)量和降雨量彈性系數(shù)。

2.2 水價(jià)模型

將區(qū)間參數(shù)引入至初始水權(quán)配置模型，以區(qū)間的形式表示來(lái)水量和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等不確定性因素。然后引入水價(jià)調(diào)控指標(biāo)和兩階段約束條件，將灌區(qū)水權(quán)分配用水價(jià)變化程度來(lái)衡量，在保證最大化灌區(qū)用水收益的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水權(quán)的最優(yōu)配置。因此，可聯(lián)立以上公式建立水價(jià)模型，即：

(7)

渠道襯砌率在一定程度上決定著灌區(qū)用水，一般地灌溉水利用系數(shù)隨渠道襯砌率的提高而增大，當(dāng)襯砌率達(dá)到界限值后灌溉水利用系數(shù)增長(zhǎng)率明顯減小，該條件下就不太適合投資渠道襯砌。所以，還要將灌溉水利用系數(shù)和渠道襯砌率引入水價(jià)模型中，并且符合節(jié)水措施約束條件，具體如下：

(8)

λ0i±≥λ1i±

(9)

式中：P2i±、Ri±為預(yù)期節(jié)水水價(jià)和節(jié)水獎(jiǎng)補(bǔ)；λ0i±、λ1i±灌區(qū)渠道預(yù)期和實(shí)際襯砌率。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)輸入

1)農(nóng)業(yè)可分配水量。預(yù)留用水、非農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水、生活用水和農(nóng)業(yè)用水屬于“三條紅線”用水總量控制目標(biāo)的主要組成部分，結(jié)合實(shí)際情況確定灌區(qū)及其周邊區(qū)域用水總量控制目標(biāo)為6.71億m3，而預(yù)留用水、非農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水和生活用水綜合為0.46億m3，所以農(nóng)業(yè)可分配水量為6.25億m3。

2)灌區(qū)預(yù)期水權(quán)界值。充分考慮灌區(qū)多年來(lái)的灌溉情況適當(dāng)調(diào)整有效灌溉面積，結(jié)合農(nóng)業(yè)可分配水量設(shè)置農(nóng)業(yè)用水總量3%、5%、10%、15%的控制政策情景，即2025年、2030年、2035年、2040年灌溉水控制目標(biāo)，以此確定農(nóng)業(yè)用水確權(quán)方案。

3)農(nóng)業(yè)單位水權(quán)損失與收益。灌區(qū)內(nèi)的三產(chǎn)業(yè)比例為58.2%、12.8%、28.0%，人均可支配收入38460元，以此為基礎(chǔ)計(jì)算各情景下單位水權(quán)損失與收益。

4)農(nóng)業(yè)節(jié)水預(yù)期。結(jié)合灌區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況和氣候環(huán)境條件構(gòu)建水價(jià)模型，從而計(jì)算實(shí)際用水量，模型表達(dá)式為：

qc=0.21P-0.482R0.381Z-0.186

(10)

盤(pán)山灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物以水稻為主，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定田間水利用系數(shù)0.815，以渠道襯砌率為自變量計(jì)算確定其與灌水利用系數(shù)的關(guān)系，即：

η=0.355+0.063In(λ-2.751)

(11)

根據(jù)以上公式可以確定預(yù)期節(jié)約水權(quán)界值為0.60-0.66，灌區(qū)節(jié)水量≥20%和≥50%時(shí)的節(jié)水獎(jiǎng)補(bǔ)為0.04元/m3、0.055元/m3，由此獲取差別化水價(jià)，見(jiàn)表1。

表1 不同情景下的模型取值

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算，農(nóng)業(yè)用水總量3%、5%、10%、15%控制政策情景下的用水調(diào)減界值如圖1。由圖1可知，灌區(qū)用水調(diào)減界值隨用水總量控制政策目標(biāo)的提升而不斷增大。具體而言：①在調(diào)減3%用水分配水權(quán)條件下，灌區(qū)用水調(diào)減上界值和下界值為12.8×106m3、12.1×106m3，上界和下界用水調(diào)減比例為2.88%、2.75%；②在調(diào)減5%用水分配水權(quán)條件下，灌區(qū)用水調(diào)減上界值和下界值為21.0×106m3、20.6×106m3，上界和下界用水調(diào)減比例為4.50%、4.41%，兩者相差僅有0.04%；③在調(diào)減10%用水分配水權(quán)條件下，灌區(qū)用水調(diào)減上界值和下界值為60.3×106m3、55.8×106m3，上界和下界用水調(diào)減比例為12.81%、11.95%，兩者相差0.86%；④在調(diào)減15%用水分配水權(quán)條件下，灌區(qū)用水調(diào)減上界值和下界值為91.5×106m3、85.4×106m3，上界和下界用水調(diào)減比例為15.47%、14.45%，兩者相差僅有1.02%。

圖1 不同情景下的用水調(diào)減界值

灌區(qū)用水最優(yōu)情境下的計(jì)算結(jié)果，如圖2。

圖2 水權(quán)配置最優(yōu)值

由圖2可知，灌區(qū)用水最優(yōu)值隨著用水總量控制政策目標(biāo)的提升不斷減小，政策情景3%、5%、10%、15%條件下的灌區(qū)用水最優(yōu)值為500.62×106m3、481.57×106m3、416.20×106m3、357.82×106m3。然而，灌區(qū)灌溉需水量與調(diào)減水權(quán)呈正相關(guān)性，即調(diào)減水權(quán)隨用水量的增加而增大，調(diào)減水權(quán)提升則用水戶的傾向性越好，用水效益低的用戶調(diào)減水權(quán)越高而用水效益相對(duì)較高的用水調(diào)減水權(quán)反而越低。對(duì)于達(dá)到一定比例的調(diào)減水權(quán)，因過(guò)度缺水再分配和調(diào)整水權(quán)反而會(huì)降低經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)調(diào)減水權(quán)較高的情景應(yīng)優(yōu)先從效益低的用戶調(diào)減，再調(diào)整效益高的用戶，直至調(diào)減到水權(quán)配置最優(yōu)值。

4 結(jié) 論

文章將不確定性因素和灌溉系統(tǒng)收益最大化目標(biāo)引入水權(quán)優(yōu)化配置模型，并利用模型計(jì)算與分析了水價(jià)變動(dòng)和不同政策情境下的水權(quán)，主要結(jié)論如下：

1)灌區(qū)水權(quán)調(diào)減比例不應(yīng)超過(guò)一定的界限值，為保證灌區(qū)整體經(jīng)濟(jì)效益調(diào)減比例一般不超過(guò)20%。

2)在調(diào)減水權(quán)較高情景下應(yīng)優(yōu)先從效益低的用戶調(diào)減，再調(diào)整效益高的用戶，直至調(diào)減到水權(quán)配置最優(yōu)值。通過(guò)合理設(shè)置獎(jiǎng)補(bǔ)門(mén)檻有利于提高灌區(qū)用水戶節(jié)水積極性，結(jié)合實(shí)際情況門(mén)檻不得過(guò)高。

3)文章統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況可能存在一定偏差，這主要是由于數(shù)據(jù)自身具有不確定性，研究成果可為優(yōu)化配置灌區(qū)水權(quán)提供一定參考。