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分析水资源管理下水权配置框架

来源:UC论文网2015-12-31 18:11

摘要:

1前言 20世纪末以来,由于水资源的无序开发和低效利用,以水资源短缺、水污染加剧和水环境恶化等为主要特征的水问题日趋复杂,水资源供需矛盾日益凸显,已成为制约我国经济社会

1前言

20世纪末以来,由于水资源的无序开发和低效利用,以水资源短缺、水污染加剧和水环境恶化等为主要特征的水问题日趋复杂,水资源供需矛盾日益凸显,已成为制约我国经济社会发展的瓶颈[1]。这些危机在我国七大流域均有所体现,尤其在资源性缺水地区表现尤为突出[2]。为解决我国日益复杂的水问题,实现水资源的有效配置和高效利用,我国实行最严格水资源管理制度,确立了三条红线,即水资源开发利用控制红线、用水效率控制红线、水功能区限制纳污红线[3,4]。这充分体现了国家对水资源管理的战略需求和制度安排。水资源合理配置是水资源开发利用的前提、提高用水效率的基础及维护水生态环境的保障,故每一条红线的落实都与水资源合理配置密切相关[5]。而明晰流域初始水权是实现水资源在各区域以及各用水行业之间进行公平、合理、有效配置的重要途径,是促进水资源合理配置的前提基础和重要内容[6]。因此,明晰流域初始水权是落实最严格水资源管理制度的重要途径和技术支撑。同时,流域初始水权配置的理论与实践又必须适应这一制度的要求,以用水总量控制、用水效率控制和纳污量控制(简称“三条红线控制”)为基准,形成规模适度、结构合理的流域初始水权有效配置方案。近年来,国内外学者结合各国的水资源开发利用现状和水资源管理体制等,基于不同视角开展研究,提出了各具特色的流域初始水权配置方法。国外学者针对流域初始水权配置方法的研究,已倾向于从单一的水资源模型向多模型、多目标或不同阶段耦合方向发展。其主要观点与成果表现在:①多模型耦合方法。Condon等将几个线性优化水资源配置算法模块耦合为一个集成的物理-水文-水资源管理模型[7],并应用于美国沃希托河的水资源配置。WanshunZhang等将污染物迁移和水循环过程考虑在内[8],建立流域水量水质耦合水资源配置模型;②多目标耦合方法。Xevi等利用响应矩阵方法,将地下水模拟模型和多目标优化模型进行耦合构建多目标水资源配置模型[9];③基于博弈的配置方法。Kerachian等研究了基于水质的地表水和地下水的综合配置问题,提出了解决该问题的两种冲突博弈模型,并将模型应用于德黑兰省的水资源配置[10,11]。国内学者主要是基于平衡、交互、研讨等耦合思想,探讨使配置过程相互关联、配置结果相对合理的配置模型或方法。其主要观点与成果有:①采用平衡或交互方法。

王浩等基于水资源“三次平衡”分析进行流域初始水权配置[12]。吴丹等基于三条红线控制,构建流域初始二维水权耦合配置的双层优化模型,实现流域初始取水权与排污权的合理配置[13];②采用集成研讨的方法。王慧敏等把综合集成研讨厅理论引入流域初始水权配置中,将多利益主体定性的、不全面的感性认识加以综合集成,并采用群决策模型进行方案选择[14];③采用智能调控的方法。王宗志等面向最严格水资源管理制度,提出基于初始二维水权的流域水资源调控理论框架[15,16]。同时,我国水权配置实践进展明显。继1987年编制的黄河正常来水年及1997年编制的黄河枯水年可供水量分配方案之后,2005年以来先后开展了松辽流域水资源使用权初始分配专题研究,霍林河流域、大凌河流域省(自治区)际初始水权分配试点工作等,并相继出版了一批理论成果[12,17-19]。从流域初始水权配置方法的发展趋势看,已逐步实现从基于比较单一配置原则的配置方法向在配置模型中嵌入平衡、协商、交互等耦合思想的配置方法等方向发展。在现有借鉴耦合思想进行流域初始水权配置方法的研究中,大多建立的是相对比较宏观的配置思想、配置理念或配置框架,这些思想或理念在流域初始水权配置实践中起到了良好的指导作用。但笔者认为这些方法在最严格水资源管理制度的约束下,尚存在两点不足:①目前对不同类别的初始水权集成耦合方法的研究尚处于起步阶段,有关水量与水质相结合的研究较少,未见专门针对省区初始水权与流域级政府预留水量之间的集成耦合模型;②将用水效率有机嵌入到目标函数或约束条件中的配置模型尚不多见。面向最严格水资源管理制度,本文将基于耦合的视角,针对流域初始水权配置系统需要解决的核心问题,以“三条红线控制”为基准,提出流域初始水权配置方法与理论框架。

2相关概念及解析

2.1最严格水资源管理制度的概念及解析

结合现有的最严格水资源管理制度概念解析的研究成果[20-23],笔者认为最严格水资源管理制度以水资源配置、节约和保护为重点,通过统一规划和水资源论证,建立水资源开发利用控制红线,严格实行用水总量控制,建立用水效率控制红线,全面推进节水型社会建设,建立水功能区限制纳污红线,严格控制入河湖排污总量,通过开发、利用、保护、监管四项制度,实现社会经济发展与水资源水环境承载能力相协调,推动社会经济长期平稳较快发展。最严格水资源管理制度的核心是建立三条红线,而三条红线是基于水量和水质两个维度对水资源进行宏观总量控制和微观定额管理,通过四项制度保障落实,促进社会经济发展与水资源水环境承载力相协调。水资源开发利用红线要充分考虑水资源承载能力,是对取水的流域、区域等进行宏观总量控制,主要考虑水量问题。用水效率控制红线要充分反映节水过程,是对用水的宏观总量控制和微观定额管理,因为它既可对一个流域、区域的用水量进行宏观总量控制,也可对行业、企业、用水户的用水量进行微观定额管理,可以直接影响水量,也可以间接考虑到水质,因为用水效率高意味着重复利用率高和污水排放少,有利于改善水质[24]。水功能区限制纳污红线要充分考虑水环境承载能力,是对入河湖排污总量的宏观总量控制和微观定额管理,主要用于水质和水生态系统的保护。三条红线对水资源管理的作用见图1。笔者结合最严格水资源管理制度的概念及解析,对国内外有关流域初始水权配置模式进行全面梳理,总结出我国流域初始水权配置迫切需要解决的核心问题是以“三条红线控制”为基准,以协调上下游左右岸不同区域的正当用水权益、推动经济社会发展与水资源水环境承载力相协调为目的,以清晰界定产权归属、兼顾公平与效率、结合地区实际情况等为省区初始水权配置原则,获得由水量水质耦合控制的省区初始水权配置方案,兼顾“供给-可能”和“需求-需要”两个方面确定政府预留水量,协调省区初始水权配置量和政府预留水量的分配比例,推进最严格水资源管理制度的落实,保障社会经济长期平稳较快发展。其中,“供给-可能”是指在分析和确定政府预留水量时,应从预留水量“供给”量着手,考虑政府“可能”预留水量;“需求-需要”是指在分析和确定政府预留水量时,还应结合流域内各省区为解决应急供水等问题而产生的政府预留水量“需求”,考虑政府“需要”预留水量。

2.2基于耦合视角的流域初始水权配置相关概念及解析

流域初始水权由流域级自然水权、省区初始水权和流域级政府预留水量三部分构成,其中,与流域初始水权相关的概念及其解析如表1所示[12]。在流域初始水权的三个组成部分中,流域级自然水权的配置过程因其需求的特殊性一般处于相对独立的阶段,在本文中不进行讨论,本文的主要研究范围是省区初始水权的配置和流域级政府预留水量的确定,即在研究合理协调省区初始水权配置量和政府预留水量的分配比例的基础上,探讨流域初始水权如何在各省区有效配置的方法。耦合过程是一个适应性学习过程,通过耦合,得以使初始水权的配置主体相互配合、互相适应,从而减少配置结果可能引发的争议,提高水权配置结果的满意度。采用耦合视角研究流域初始水权配置理论和方法,主要基于以下考虑:第一,耦合在最严格水资源管理制度的执行过程中具有客观存在性。由于水资源在数量和质量上具有天然双重耦合性,因此,用水总量控制制度和水功能区限制纳污制度在省区初始水权配置过程中必须统筹协调,对水量配置形成叠加耦合制约,同时也要考虑用水效率对水量和水质的影响;第二,流域级政府预留水量的供给与需求具有相互适应、相互配合的耦合关系;第三,政府预留水量的确定与省区初始水权配置量具有依存关系,因此,耦合在省区初始水权配置和流域级政府预留水量确定过程中具有客观存在性。综合以上分析,本文提出基于耦合视角的流域初始水权配置的概念:在最严格水资源管理制度的约束下,针对流域初始水权配置系统中的内在耦合关系,通过省区初始水权配置子系统量质耦合、流域级政府预留水量配给子系统供需耦合以及两个子系统循环耦合,探讨不同要素之间彼此适应的初始水权配置方法。

3基于耦合视角的流域初始水权配置框架

流域初始水权配置一般分三个阶段来完成:“为什么分配-配置什么-如何配置”。不同流域可能在某个阶段因采用不同方法需进行不同的细分。关于第一阶段“为什么分配”的问题,笔者在前言部分已经进行了阐述,下面将围绕第二、三阶段的问题进行探析。

3.1基于耦合视角的流域初始水权配置对象及主体的界定

3.1.1基于耦合视角的流域初始水权配置对象的界定

界定水权配置对象是流域初始水权配置的一项重要工作,旨在回答配置什么及其配置量多少的问题。结合本文的研究范围,确定基于耦合视角的流域初始水权配置须界定的对象包括:省区初始水权配置量和流域级政府预留水量。(1)基于量质耦合的省区初始水权配置对象的界定。基于量质耦合的省区初始水权配置的对象包括流域可分配水资源量(水量)和流域内的入河湖限制排污总量(水质)。流域可分配水资源量是指流域水资源总量扣除流域级自然水权量和流域级政府预留水量之后的水资源量[17]。其中,流域水资源总量是指由当地降水形成的地表、地下产水总量(不包括区外来水量)[1]。为防止由于水资源紧缺而导致的生态环境用水被严重侵占,生态用水应放到全流域的角度考虑,故在流域初始水权配置过程中须预先扣除流域自然水权量。流域级政府预留水量并不是从河道抽取储存起来的量,而是“暂存”于河道的“缓冲水量”,根据《水量分配暂行办法》(中华人民共和国水利部令2007年第32号)第八条第一款规定,该量可由有关行政区域人民政府协商确定,其又被称为流域级政府预留水量的供给量。流域内的入河湖限制排污总量是根据流域的环境特点和自净能力,按照流域综合规划、水资源保护规划和经济社会发展需求,将污染物入河湖总量控制在纳污能力的承载范围之内。其值是通过计算该流域的纳污能力来确定的[26]。(2)基于供需双侧耦合的流域级政府预留水量的界定。流域级政府预留水量的界定与分析可从“供给-可能”和“需求-需要”两个维度展开研究,即由流域级政府预留水量的需求量和供给量耦合确定,以便协调省区初始水权配置量和政府预留水量的分配比例,获得合理有效的流域初始水权配置方案。具体研究思路见3.2.2节。

3.1.2基于耦合视角的流域初始水权配置主体的界定

我国的流域初始水权配置主体具有明显的层级结构,第一级是持有宏观配置权的中央政府或水行政主管部门,在流域上表现为中央政府或流域管理机构;其次是持有提取权和供水范围内配置权的各省、自治区、直辖市等水行政主管部门;最后一级是持有使用权的具体用水户[27,28]。由于本研究的配置范围是流域初始水权在流域内省际(自治区、直辖市)的初始水权配置,故流域初始水权的配置主体是中央政府或流域管理机构;同时,流域级政府预留水量是由中央政府或流域机构具体负责管理的;省区初始水权配置主体是各省、自治区、直辖市等水行政主管部门。

3.2基于耦合视角的流域初始水权配置技术框架

面向最严格水资源管理制度,结合国内外初始水权配置相关研究进展的系统梳理,笔者在提出相关概念及剖析其内涵的基础上,基于耦合的视角,以“三条红线控制”为基准,提出流域初始水权配置方法与理论框架:①基于量质耦合的省区初始水权配置框架。针对省区初始水权配置子系统,基于量质耦合的省区初始水权配置,获得流域内不同省区(流域单元)初始水权量;②基于供需双侧耦合的流域级政府预留水量配给框架。针对政府预留水量配给子系统,基于供需双侧耦合配置,确定流域级政府预留水量;③基于循环耦合的流域初始水权配置框架。为保障两个子系统协调发展,建立基于耦合协调性判别准则的循环耦合模型,获得流域初始水权配置推荐方案。

3.2.1基于量质耦合的省区初始水权配置技术框架

用水总量控制红线位于三条红线之首,其目标是以流域生态环境保护为前提,强化水资源管理的约束力,促进水资源优化配置,提高用水效率[25]。尤其是对大凌河流域、石羊河流域等资源性缺水地区的水问题解决,用水总量控制是最基本的控制红线,是主要的控制因素,入河湖排污总量控制是协调性控制红线,用水效率控制红线不仅影响用水总量控制,还间接促进水质的提高,是该流域、各省区、各行业都要进行的一项长期工作。结合以上分析,针对省区初始水权配置子系统,遵循省区初始水权配置的原则,确定基于量质耦合的省区初始水权配置研究框架:①基于用水总量控制要求,构建反映省区用水特征的指标体系,嵌入用水效率制约,构建基于用水总量控制的省区初始水权配置模型,计算获得流域内各省区的初始水权量(获得仅由水量进行控制的配置结果);②基于排污总量控制要求,采用经济效益、社会效益和生态环境效益三个优化目标,建立基于排污总量控制的初始排污权配置模型,计算获得流域内各省区的初始排污权量;③对排污量超出水功能区初始排污权量的地区,以减少其水权配置量进行惩罚,对排污量低于初始排污权量的地区,以增加其水权配置量进行奖赏,即构建基于奖优罚劣原则的水量水质耦合配置模型,获得由水量水质耦合控制的配置方案,实现基于用水总量控制和排污总量控制的省区初始水权配置。配置技术框架的工作原理见图4。

3.2.2基于供需双侧耦合的流域级政府预留水量配

给技术框架随着我国城镇化、工业化和产业化的快速发展,社会经济发展过程中的不可预见因素难以避免,致使各种紧急情况下的水资源非常规需求不断出现。因此,在开展流域初始水权配置时,需要配置适当的政府预留水量,作为应对紧急情况下水资源需求和经济社会发展的储备。针对流域级政府预留水量配给子系统,结合流域水资源分布特点、经济发展水平、水资源规划等主客观情况,构建政府预留水量需求预测模型,在此基础上,兼顾“供给-可能”和“需求-需要”两个方面,将供给和需求进行双侧耦合确定流域级政府预留水量:①预测流域级政府预留水量的需求量。筛选出典型案例作为流域级政府预留水量需求预测的参照,基于应急和发展用水控制目标,结合定额法,组合预测流域级政府预留水量的需求量;②确定流域级政府预留水量的供给量。依据有关行政区域人民政府协商结果,确定流域级政府预留水量的供给量;③将供给与需求进行双侧耦合,建立流域级政府预留水量供需双侧耦合配给模型,计算获得流域级政府预留水量的配给量。

3.2.3基于循环耦合的流域初始水权配置技术框架

由于流域水资源总量是一定的,所以在省区初始水权配置与流域级政府预留水量配给的过程中,二者存在事实上的此消彼长的相互依存关系,为揭示两者之间的这种依存关系,笔者将省区初始水权配置子系统与流域级政府预留水量配给子系统结合起来进行研究,采用循环耦合方法,通过多轮判别和运算保证两个子系统的配置结果不断进化和相互适应,实现两个子系统之间的协调发展。建立基于耦合协调性判别准则的循环耦合模型,即通过“计算-耦合协调性判别-方案进化调整-推荐方案”循环耦合的步骤,确定流域初始水权配置的推荐方案。①计算。基于量质耦合计算得到省区初始水权配置方案,基于供需双侧耦合计算得到政府预留水量,将两者的组合确定为流域初始水权初步配置方案;②耦合协调性判别。对省区初始水权配置子系统与流域级政府预留水量配给子系统进行耦合,构建系统耦合协调度函数,研制使得最终配置结果既能满足各区域社会经济发展要求,又能满足社会发展中的不可预见因素和各种紧急情况对水资源的非常规需求的耦合协调性判别准则,对初步配置方案进行耦合协调性判别;③方案进化调整。分析导致耦合协调性判别准则不能满足的原因,通过逆向追踪探寻需要调整水权量的区域以及政府预留水量,基于三条红线约束进行集成分析,调整水权配置量,获得新的水权配置方案;重新对方案进行协调度判别、调整,直至调整后的配置方案通过协调度判别;④推荐方案。将通过判别的流域初始水权配置方案作为推荐方案。基于循环耦合的流域初始水权配置技术框架的工作原理。设计耦合协调性判别准则是构建基于循环耦合的流域初始水权配置模型的核心环节。从程度性和效应性两个维度设计耦合协调性判别指标,构建流域初始水权配置方案的二维协调性判别准则,对初步配置方案进行判别。总体设计思路如下:(1)耦合协调性判别维度设计。为全面衡量配置方案应对供水危机的程度,科学度量配置方案促进区域协同有序发展的效应,从程度性和效应性两个维度设计耦合协调性判别指标。(2)耦合协调性判别准则设计。为衡量“区域对”(任意两个区域)的初始水权比较值与其判别指标比较值之间的匹配程度,基于格序理论的模糊多目标评价模型构建程度性判别准则,对方案进行程度性判别;为度量“区域对”的配置方案在提高各区域之间协同有序发展态势的效应,基于协调度理论的灰理想关联决策模型构建效应性判别准则,对方案进行效应性判别;若配置方案均通过程度性和效应性判别,则认为该方案通过了耦合协调性判别,否则认为该方案未通过耦合协调性判别。其总体设计思路流程见图6。

4结论与讨论

4.1结论

为解决我国日益复杂的水问题,推进最严格水资源管理制度的落实,本文设计基于耦合视角的流域初始水权配置的研究框架,并详细阐述该研究框架的工作原理及其之间工作关系,主要结论如下:(1)通过对国内外初始水权配置相关研究进展的系统梳理,得到初始水权配置方法的发展趋势,并指出最严格水资源管理制度约束下的现有方法尚存在的不足之处,并提出基于耦合视角的解决思路。(2)基于耦合视角的流域初始水权配置的研究框架及工作原理:①基于量质耦合的省区初始水权配置框架;②基于供需双侧耦合的流域级政府预留水量配给框架;③基于循环耦合的流域初始水权配置框架。通过“计算-耦合协调性判别-方案进化调整-推荐方案”的循环耦合步骤,获得流域初始水权配置推荐方案。

4.2讨论

(1)在理论研究方面,如何确定省区初始水权与流域级政府预留水量的循环耦合协调性判别准则,保证耦合协调度判别结果不断逼近设定阈值,实现算法的收敛性,是进一步需要研究的方向。(2)在实践研究方面,研究的落脚点应是选取典型流域进行案例分析,明晰流域初始水权,实现水资源的优化配置,推进最严格水资源管理制度的落实。

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