基于灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和邊際效益的田塊水權(quán)分配方法

劉暢 閆晉陽 周龍偉 范澤華 楊智淵

關(guān)鍵詞：水權(quán)分配；邊際效益；農(nóng)業(yè)用水；河套灌區(qū)

我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展導(dǎo)致水資源需求量急劇增大。水資源供需矛盾嚴(yán)重限制了干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，區(qū)域的水資源稟賦往往難以顯著提高。因此，加強(qiáng)水資源管理，科學(xué)合理地利用有限的水資源是緩解水資源供需矛盾的關(guān)鍵。水權(quán)管理是水資源管理的重要內(nèi)容，而初始水權(quán)分配是水權(quán)管理的基礎(chǔ)［１］。初始水權(quán)分配是指水資源管理部門將水的使用權(quán)分配給工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)和生活等用水行業(yè)，一般由流域管理機(jī)構(gòu)或者政府部門進(jìn)行初始水權(quán)的確權(quán)［２－６］。灌區(qū)是開展農(nóng)業(yè)節(jié)水、農(nóng)業(yè)水權(quán)轉(zhuǎn)讓和農(nóng)業(yè)水價(jià)改革的重要區(qū)域，農(nóng)業(yè)灌溉水源集中且用水量較大，因而灌區(qū)農(nóng)業(yè)水權(quán)分配是農(nóng)業(yè)水權(quán)分配的重要組成部分［７］。灌區(qū)灌溉實(shí)時(shí)信息獲取能力不足、水權(quán)行使情況監(jiān)管困難，研究建立適宜的農(nóng)業(yè)用水戶水權(quán)確權(quán)方法對于農(nóng)業(yè)用水戶水權(quán)管理具有重要的理論意義與實(shí)踐價(jià)值。

目前國內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)業(yè)水權(quán)確權(quán)方法研究方面已經(jīng)取得較為豐富的成果，但灌區(qū)水權(quán)分配模型方法及確權(quán)的理論體系仍需進(jìn)一步探索。Ｄｅｌｏｒｉｔ等［８］提出參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水權(quán)持有者可以利用水資源協(xié)同決策來解決水權(quán)分配的不確定性問題，提高農(nóng)業(yè)用水的經(jīng)濟(jì)和社會效益。潘少斌等［９］構(gòu)建灌溉面積和灌溉需水量相結(jié)合的混合分配模式，確定了農(nóng)業(yè)基本水權(quán)和動態(tài)水權(quán)，以保證農(nóng)業(yè)水權(quán)分配的科學(xué)合理。張丹等［１０］采用基于用戶滿意度的綜合加權(quán)模型，完成了農(nóng)戶間農(nóng)業(yè)水權(quán)的初始分配，兼顧了農(nóng)業(yè)水權(quán)初始分配的個(gè)體公平與整體公平。高娟娟等［１１］針對灌區(qū)內(nèi)不同支渠基礎(chǔ)條件和種植結(jié)構(gòu)的差異，結(jié)合灌區(qū)工程條件、社會、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)等方面的實(shí)際情況，提出一種在灌區(qū)現(xiàn)狀約束條件下使經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最優(yōu)的灌區(qū)各支渠間農(nóng)業(yè)水權(quán)分配方法。管新建等［１２］基于灌區(qū)農(nóng)業(yè)人口和灌溉面積，運(yùn)用基尼系數(shù)法對灌區(qū)農(nóng)戶間農(nóng)業(yè)水權(quán)進(jìn)行初始分配，使分配結(jié)果更具公平性。賀天明等［１３］運(yùn)用投影尋蹤混沌粒子群優(yōu)化模型，構(gòu)建農(nóng)業(yè)水權(quán)初始分配體系，對灌區(qū)農(nóng)業(yè)水權(quán)進(jìn)行深層次初始分配，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)水權(quán)分配到戶，為農(nóng)業(yè)水權(quán)界定到戶奠定了基礎(chǔ)。王婭［１４］在分析運(yùn)城市灌區(qū)水權(quán)交易潛力、核定水權(quán)交易水價(jià)的基礎(chǔ)上，引入水權(quán)交易機(jī)制，提出了地表水灌區(qū)和地下水井灌區(qū)水權(quán)確權(quán)分配方法。已有水權(quán)分配研究大多在宏觀方面構(gòu)建了比較完備的水權(quán)分配模型，但是在灌區(qū)農(nóng)戶間的微觀分配模型的構(gòu)建方面鮮有研究，因此如何結(jié)合灌區(qū)特點(diǎn)，提出合理的灌區(qū)水權(quán)分配的多層級結(jié)構(gòu)和適合不同層級的水權(quán)分配方法是值得研究的重要課題。

本研究將確權(quán)田塊水權(quán)拆分為使用水權(quán)和占有水權(quán)，以不同農(nóng)作物邊際效益相等為準(zhǔn)則分配確權(quán)田塊使用水權(quán)，以同一渠系級別田塊的單位渠道長度滲漏損失系數(shù)相同為準(zhǔn)則分配確權(quán)田塊占有水權(quán)，從使用水權(quán)和占有水權(quán)兩個(gè)方面提升水權(quán)分配的公平性。

１研究區(qū)概況

烏蘭布和灌域是河套灌區(qū)五大灌域之一，位于三盛公水利樞紐西北部，南邊界為烏蘭布和沙漠穿沙公路，北邊界為磴口縣與杭錦后旗行政區(qū)界，東起河套總干渠及烏拉河干渠，西至狼山?jīng)_洪積坡地邊界。烏蘭布和灌域地處烏蘭布和沙漠東北部，主要地貌有內(nèi)陸高平原、河套盆地，海拔為１０３０～１０６０ｍ，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬寒夏炎，四季分明，日光充足，溫差大，光能豐富、積溫高，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈。灌域總的地勢自西南向東北微傾，地勢平坦開闊，局部有起伏，形成崗丘和洼地。

２０１４年，水利部將內(nèi)蒙古自治區(qū)列為全國７個(gè)水權(quán)試點(diǎn)之一，試點(diǎn)目標(biāo)為在河套灌區(qū)烏蘭布和灌域推行節(jié)水工程，在巴彥淖爾市、鄂爾多斯市、阿拉善盟開展水權(quán)轉(zhuǎn)讓，建立健全水權(quán)交易平臺，建設(shè)水權(quán)交易制度，探索相關(guān)改革［１５－１６］。目前內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水利發(fā)展中心以直口渠（一般為斗渠）為單元，對烏蘭布和灌域內(nèi)的４６１個(gè)群管組織發(fā)放了《引黃水資源管理權(quán)證》、對１６０３７個(gè)終端用水戶發(fā)放了《引黃水資源使用權(quán)證》，完成了直口渠灌溉用水初始水權(quán)分配和計(jì)量設(shè)施體系建設(shè)。烏蘭布和灌域水權(quán)分配試點(diǎn)在國內(nèi)水權(quán)管理方面取得了良好的引領(lǐng)效果，為繼續(xù)推進(jìn)灌區(qū)水資源高效利用和精細(xì)化管理，有必要探索將直口渠的初始水權(quán)分配延伸到農(nóng)業(yè)用水戶層級的方案。

２研究方法

根據(jù)水權(quán)的“四權(quán)說”理論，水權(quán)是指水資源的所有權(quán)、占有權(quán)、支配權(quán)和使用權(quán)組成的權(quán)利束。根據(jù)農(nóng)業(yè)水權(quán)行使過程特征，本研究將確權(quán)田塊水權(quán)拆分為使用水權(quán)和占有水權(quán)，分別代表田間用水量和渠系滲漏損失量。本研究提出基于灌溉系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)和邊際效益的田塊水權(quán)分配方法：以不同農(nóng)作物邊際效益相等為準(zhǔn)則，分配確權(quán)田塊使用水權(quán)；以同一渠系級別田塊的單位渠道長度滲漏損失系數(shù)相同為準(zhǔn)則，分配確權(quán)田塊占有水權(quán)。

２．１使用水權(quán)分配方法

基于公平性原則，本研究以不同農(nóng)作物邊際效益相等為目標(biāo)，利用作物水分生產(chǎn)函數(shù)構(gòu)建確權(quán)田塊使用水權(quán)分配模型，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的水權(quán)分配［１７］。對于灌溉用水戶來說，水分生產(chǎn)函數(shù)能很好符合灌溉用水戶的用水邊際效益遞減特點(diǎn)以及反映用水效益和用水量之間的關(guān)系［１８－１９］。由水分生產(chǎn)函數(shù)的性質(zhì)可知，當(dāng)不同作物用水邊際效益相等時(shí)，所有田塊總體效益最大。因此，分配模型可以表示為式中：Ｖｉ為第ｉ種作物的收益，ｎ為作物種類數(shù)，Ｖ′ｉ為第ｉ種作物的邊際收益，ｘｉ為第ｉ種作物的灌溉定額，Ａｉ為第ｉ種作物的種植面積，ｐｉ為第ｉ種作物的單價(jià)，ｆ（ｘｉ）為第ｉ種作物的水分生產(chǎn)函數(shù)，Ｗｃ為田塊使用水權(quán)總量，Ｗｔ為渠首確權(quán)水量，ｍ為渠道級數(shù)，ηｊ為第ｊ級渠道的渠系水利用系數(shù)。

２．２占有水權(quán)分配方法

確權(quán)田塊水資源占有權(quán)計(jì)算方法：假設(shè)同一等級渠道的單位長度滲漏損失系數(shù)相同，確權(quán)田塊單位灌溉面積所分配的水資源占有權(quán)應(yīng)與對應(yīng)等級渠道的輸水長度、灌溉定額成正比例函數(shù)關(guān)系。因此，基于某一等級渠道在灌溉系統(tǒng)中的滲漏損失總量，求得灌溉系統(tǒng)單位灌溉面積單位渠道輸水長度的滲漏損失系數(shù)，然后乘以對應(yīng)等級渠道的輸水長度即可求得確權(quán)田塊單位灌溉面積在該等級渠道的水資源占有權(quán)，將所有等級渠道水資源占有權(quán)求和得到最終分配的水資源占有權(quán)，其計(jì)算公式為

３研究結(jié)果分析

以河套灌區(qū)烏蘭布和灌域巴彥套海農(nóng)場新三斗渠確權(quán)田塊為例，對基于灌溉系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)和邊際效益的田塊水權(quán)分配方法進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，２０１２年巴彥套海農(nóng)場新三斗渠確權(quán)水量為１０．９１萬ｍ３，灌溉總面積為３６．６ｈｍ２（玉米種植面積為３３．０ｈｍ２、向日葵種植面積為３．６ｈｍ２），灌溉水量由斗渠口引入。巴彥套海農(nóng)場新三斗渠確權(quán)田塊種植結(jié)構(gòu)和灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖１（圖中數(shù)字為地塊編號）。

３．１使用水權(quán)分配結(jié)果

根據(jù)河套灌區(qū)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值和參考文獻(xiàn)［２０］確定農(nóng)作物的水分生產(chǎn)函數(shù)。玉米、向日葵的水分生產(chǎn)函數(shù)分別為

由水分生產(chǎn)函數(shù)可知，當(dāng)農(nóng)作物產(chǎn)量達(dá)到理論最大值時(shí)，玉米和向日葵的最佳灌溉定額分別為３５５８、４２３１ｍ３／ｈｍ２，分別乘以玉米和向日葵的種植面積，累加求得新三斗渠最佳灌溉水量為１３．２６萬ｍ３，而２０１２年新三斗渠實(shí)際確權(quán)水量為１０．９１萬ｍ３，達(dá)不到最佳灌溉水量，因此不滿足農(nóng)作物需水要求，屬于非充分灌溉。根據(jù)實(shí)際市場價(jià)格，玉米價(jià)格為２．２６元／ｋｇ，向日葵籽價(jià)格為１５．４元／ｋｇ。利用式（１）、式（２），求解玉米和向日葵的邊際效益分別為

根據(jù)實(shí)地調(diào)研結(jié)果，斗渠渠系水利用系數(shù)為０．９６１８，農(nóng)渠渠系水利用系數(shù)為０．９１１３。利用式（３）求得田塊使用水權(quán)總量為９５６５９ｍ３。

當(dāng)玉米和向日葵邊際效益相等時(shí)，玉米和向日葵邊際效益為２．５２元／ｍ３，玉米確權(quán)田塊單位面積使用水權(quán)對應(yīng)的ｘ１為２７５３ｍ３／ｈｍ２，向日葵確權(quán)田塊使用水權(quán)對應(yīng)的ｘ２為１３６７ｍ３／ｈｍ２，分別乘以田塊面積，求得每個(gè)田塊的使用水權(quán)。

３．２占有水權(quán)分配結(jié)果

新三斗渠７２個(gè)確權(quán)田塊的灌溉面積及其對應(yīng)農(nóng)渠長度Ｄｑ，１和斗渠長度Ｄｑ，２分別見圖２和圖３。利用式（４）求得巴彥套海農(nóng)場新三斗渠灌溉系統(tǒng)的斗渠滲漏損失系數(shù)為０．０００１１／ｍ，農(nóng)渠滲漏損失系數(shù)為０．０００４２／ｍ。根據(jù)地塊各級渠系長度和滲漏損失系數(shù)，利用式（５）計(jì)算各確權(quán)田塊不同級別渠系的滲漏損失水量，利用式（６）計(jì)算各確權(quán)田塊占有水權(quán)量。

１～７２號田塊的水權(quán)確權(quán)結(jié)果見表１。渠系灌溉系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)決定了單位面積確權(quán)田塊占有水權(quán)的大小，邊際效益決定了確權(quán)田塊單位面積使用水權(quán)的大小。以田塊３和田塊４為例，兩個(gè)田塊均種植向日葵，灌溉定額相同，使用水權(quán)（分別為５０８、５６２ｍ３）與田塊面積（分別為０．３７、０．４１ｈｍ２）成正比，而田塊３的農(nóng)渠長度（３５９ｍ）明顯大于田塊４的（２６７ｍ），所以田塊４獲得了更大的占有水權(quán)。綜上所述，本研究提出的基于灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和邊際效益的田塊水權(quán)分配方法能夠?qū)Υ_權(quán)田塊的占有水權(quán)、使用水權(quán)和確權(quán)水權(quán)進(jìn)行公平地分配。

３．３討論

傳統(tǒng)田塊水權(quán)分配方法通常將多年平均引水量根據(jù)灌溉面積平均分配。在實(shí)際灌溉過程中，灌溉系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的差異使處于灌區(qū)灌溉系統(tǒng)不同位置的農(nóng)田取水量在輸配水過程中的損失情況并不相同。受輸配水渠道長度的影響，渠系末端農(nóng)田的輸配水損失量往往更大，而渠首農(nóng)田的輸配水損失量則相對較小。由于田塊不同農(nóng)作物具有不同的灌溉定額，因此按照田塊面積平均分配水權(quán)則農(nóng)作物灌溉需水量與實(shí)際分配的水權(quán)必然存在差異。根據(jù)灌溉面積平均分配水權(quán)沒有考慮農(nóng)作物灌溉需水滿足程度的差異，實(shí)際分配的水權(quán)往往不能滿足農(nóng)作物灌溉需水量，在灌溉不充分的情況下，不同農(nóng)作物的田塊便會產(chǎn)生不同的產(chǎn)量損失和收益損失。本研究以不同農(nóng)作物邊際效益相等為準(zhǔn)則，利用作物水分生產(chǎn)函數(shù)構(gòu)建確權(quán)田塊使用水權(quán)分配模型，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的使用水權(quán)分配。根據(jù)渠道的輸水長度、灌溉定額、渠道損失系數(shù)分配確權(quán)田塊使用水權(quán)，更能體現(xiàn)水權(quán)分配的公平性。

４結(jié)束語

相比傳統(tǒng)的水權(quán)確權(quán)方法，本研究提出的基于灌溉系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)和邊際效益的水權(quán)分配方法不僅能夠反映各田塊面積的差異性，同時(shí)考慮了田塊在灌溉系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)中位置的差異性和不同作物灌溉邊際效益，可保證單位面積田塊得到相同的邊際效益，相比傳統(tǒng)水權(quán)確權(quán)方法更能體現(xiàn)公平性。本研究以河套灌區(qū)烏蘭布和灌域巴彥套海農(nóng)場新三斗渠為例，對確權(quán)田塊的占有水權(quán)、使用水權(quán)和確權(quán)水權(quán)進(jìn)行分配，體現(xiàn)了分配方法良好的適用性。