岳思羽，李懷恩

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.陜西理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000)

1 研究背景

近代工業(yè)革命以后，人口的持續(xù)增長和快速的城市化進(jìn)程使得人類對水資源的需求不斷增加[1]，有限的水資源要同時(shí)兼顧生活飲用、農(nóng)業(yè)灌溉[2]、工業(yè)生產(chǎn)、航運(yùn)發(fā)電等多種用途[3]，導(dǎo)致河道中留存的水——即河道生態(tài)基流長期受到擠占[4]，水量越來越少，給流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的影響[5]。此情況在水資源短缺地區(qū)尤為嚴(yán)重。因此，如何將有限的水資源合理投放到各用水部門[6-7]，實(shí)現(xiàn)效益最大化，是當(dāng)前亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的流域水資源規(guī)劃或水量分配一般只考慮水資源在能帶來經(jīng)濟(jì)效益的用水部門之間的分配[8]，以達(dá)到減少用水總量、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前，這方面的研究成果較多，研究體系也相對成熟，主要有機(jī)會(huì)成本法[9]、殘值法[10]、水足跡法[11]、效益分?jǐn)傁禂?shù)法[12]、成本效益分析[13]、邊際效益法[14]、凈現(xiàn)值法[15]等。傳統(tǒng)的分配方式一般不考慮河道生態(tài)基流，這也是枯水期水資源短缺地區(qū)的河道生態(tài)基流常常被占用的原因[16]。近年來，隨著流域生態(tài)環(huán)境問題的凸顯，人類逐漸意識到不加節(jié)制地從河道中引水所帶來的弊端，開始將可持續(xù)發(fā)展作為河流開發(fā)利用的出發(fā)點(diǎn)，謀求人與河流和諧發(fā)展的方式[17]，河道生態(tài)基流也成為研究熱點(diǎn)[18]。一些學(xué)者試圖通過量化河道生態(tài)基流的價(jià)值，使人類認(rèn)識到留存在河道中的水資源帶來的巨大效益，如能值分析法[19]、水文生態(tài)響應(yīng)模型[20]、功能價(jià)值法[21]以及用經(jīng)濟(jì)用水的價(jià)值間接反映河道生態(tài)基流價(jià)值的水分生產(chǎn)函數(shù)法[22-23]等。這些研究成果將水資源的生態(tài)效益以貨幣形式表現(xiàn)出來，為河道生態(tài)基流的價(jià)值研究做出了有益探索，但是沒有將其直接與經(jīng)濟(jì)用水價(jià)值聯(lián)系起來，無法使人類直觀地將水資源的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益放在同一層面上比較。

在可持續(xù)發(fā)展的價(jià)值觀中，價(jià)值是主客體之間互利的關(guān)系范疇，這種關(guān)系是“同時(shí)滿足主客體需要”的雙向價(jià)值維度，有別于傳統(tǒng)的“只滿足主體需要”的單向價(jià)值維度。因此，從可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，水資源的“效益最大化”應(yīng)該是“經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益的最大化”，這是水資源短缺地區(qū)推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)[24]，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展的有效手段[25]。所以，可將河道生態(tài)基流視作一類用水部門[26]，其效益就是對周邊流域生態(tài)系統(tǒng)的支撐作用，使其參與到流域水量分配的效益權(quán)衡體系中，這對建立河道生態(tài)基流的保障體系具有重要意義。本文以邊際效益為切入點(diǎn)，通過建立河道生態(tài)基流邊際效益的計(jì)算方法，計(jì)算留存在河道中的水資源的邊際效益；利用柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)，計(jì)算三次產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)用水的邊際效益；并將流域中各用水部門不同的邊際效益放在同一層面上進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)效益最大化下水資源的簡單分配。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 河道內(nèi)水資源的效益分類

在水資源短缺地區(qū)的枯水期，根據(jù)水的用途及去向，可將河道內(nèi)的水大致分為兩類：人類用水和河道生態(tài)基流。人類用水包括生產(chǎn)用水、生活用水和公共設(shè)施用水，其中只有生產(chǎn)用水能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，生活用水和公共設(shè)施用水的價(jià)值主要體現(xiàn)在社會(huì)效益上；河道生態(tài)基流給人類帶來生態(tài)效益和社會(huì)效益。目前，經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算方法相對成熟，生態(tài)效益大部分都可以定量計(jì)算，只有社會(huì)效益難以量化，所以，本文只將生產(chǎn)用水的經(jīng)濟(jì)效益和河道生態(tài)基流中可以量化的生態(tài)效益進(jìn)行對比計(jì)算，社會(huì)效益暫不考慮。

由于經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的計(jì)算方法不同，且生態(tài)效益中不同計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果差異較大，為避免兩者的計(jì)算結(jié)果缺乏可比性，采用邊際效益法評價(jià)。“邊際效益”是經(jīng)濟(jì)學(xué)中的一個(gè)概念[27]，在本文中指每增加1個(gè)單位的水資源所能增加的效益。另一方面，人類用水過程中，不僅從地表取水，也從地下取水；而且地表水又分為河流、湖泊、冰川等多種來源；無論是用水過程，還是經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)中，這些水資源都是難以區(qū)分的。所以，為簡化計(jì)算，假設(shè)：(1)在同一產(chǎn)業(yè)或領(lǐng)域內(nèi)，1個(gè)單位水資源產(chǎn)生的邊際效益是無差別的；(2)所有水資源均能達(dá)到用水水質(zhì)要求；(3)水資源量均指新取水量，不包括回用水；(4)洪水期水量過大時(shí)，有些水量可能不屬于河道生態(tài)基流范疇，為避免這種情況，本文只計(jì)算枯水期(12月-次年3月)水資源的邊際效益，且認(rèn)為在枯水期河道內(nèi)的水資源只有人類用水和河道生態(tài)基流這兩種去向。

2.2 河道生態(tài)基流的邊際效益

2.2.1 河道生態(tài)基流的價(jià)值 目前，生態(tài)效益計(jì)算中應(yīng)用比較廣泛的方法是由Costanza等[28]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算體系，即先估算出每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的單位面積價(jià)值，再乘以每種生態(tài)系統(tǒng)的面積，得到總價(jià)值。河道生態(tài)基流的主要功能是維持河流的基本生態(tài)環(huán)境功能[29]，所以河道生態(tài)基流的價(jià)值也可以用這類方法計(jì)算：

V=μ∑(vi·S)

(1)

式中:V為河道生態(tài)基流的價(jià)值，元；vi為河道生態(tài)基流功能的單位面積價(jià)值，元/km2；S為渭河干流寶雞段的水域面積，km2；μ為河道生態(tài)基流的稀缺系數(shù)。

水資源價(jià)值與其稀缺性密切相關(guān)：水資源越多，價(jià)值越低；隨著水資源稀缺程度的不斷增加，其價(jià)值也會(huì)逐漸增大，甚至呈現(xiàn)某種冪函數(shù)的增大態(tài)勢[30]。河道生態(tài)基流作為一類特殊的水資源，也符合這種特性，所以河道生態(tài)基流的稀缺系數(shù)可以表示為：

(2)

式中:sn為河道生態(tài)基流的稀缺當(dāng)量因子，包括區(qū)域人均可用水量、區(qū)域降水量以及河道生態(tài)基流量3個(gè)因子；ξn為各稀缺當(dāng)量因子的權(quán)重，∑ξn=1，0≤ξn≤1；θ為政策調(diào)節(jié)因子。

2.2.2 河道生態(tài)基流的邊際效益 根據(jù)邊際效益的定義[31]，可以認(rèn)為，河道生態(tài)基流的邊際效益指河道生態(tài)基流對應(yīng)的1個(gè)單位水資源量的變化所帶來的河道生態(tài)基流價(jià)值的變化，則計(jì)算公式為：

MBE=|ΔV|/|ΔW|

(3)

式中:MBE為河道生態(tài)基流的邊際效益，元/m3；ΔV為河道生態(tài)基流價(jià)值的變化值，元；ΔW為河道生態(tài)基流對應(yīng)水量的變化值，m3。

ΔW不僅指水資源量的增加，也包括水資源量的減少，所以，ΔV不一定指價(jià)值增量，河道生態(tài)基流的減少有可能會(huì)造成價(jià)值減量。在計(jì)算時(shí)，ΔV和ΔW均取絕對值。

2.3 生產(chǎn)用水的邊際效益

柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)(C-D函數(shù))是由美國數(shù)學(xué)家查爾斯·柯布和經(jīng)濟(jì)學(xué)家保羅·道格拉斯共同提出的。水資源是生產(chǎn)中不可或缺的要素，將其作為自變量納入C-D函數(shù)，含有水資源要素的C-D函數(shù)式可以表示為[32]：

Y=A·Kα·Lβ·Wγ

(4)

式中:Y為國民生產(chǎn)總值，108元；A為技術(shù)水平；K為固定資產(chǎn)投資，108元；L為從業(yè)人數(shù)，104；W為用水量，108m3；α為資本彈性系數(shù)；β為勞動(dòng)彈性系數(shù)；γ為用水彈性系數(shù)。

對公式(4)求關(guān)于W的偏導(dǎo)數(shù)，得：

(5)

式中：MBi為生產(chǎn)用水的邊際效益，元/m3；Y/W為單方用水產(chǎn)出率，元/m3。

由公式(5)可知，水對各產(chǎn)業(yè)的邊際效益是用水彈性系數(shù)與單方用水產(chǎn)出率的乘積。

為正確反映水資源投入要素對產(chǎn)出的貢獻(xiàn)，消除規(guī)模彈性的影響，采用折算用水彈性系數(shù)計(jì)算各產(chǎn)業(yè)用水的邊際效益：

(6)

式中:γ′為折算用水彈性系數(shù)；(α+β+γ)為規(guī)模彈性系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)域

3.1.1 區(qū)域概況 渭河位于我國干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)的過渡帶，是黃河最大的支流，也是關(guān)中地區(qū)的母親河。關(guān)中地區(qū)自古以來就是人類生產(chǎn)、生活的集中區(qū)，現(xiàn)在更是陜西省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域，在西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位和作用。所以，渭河流域生態(tài)系統(tǒng)的健康直接影響陜西省乃至整個(gè)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的興衰。

渭河干流寶雞段是渭河干流關(guān)中段的一部分，是山區(qū)河流向平原河流的過渡段，全長224 km(圖1)。1972年寶雞峽引渭工程、1999年魏家堡水電站以及2002年寶雞峽渠首加壩加閘工程的相繼建成，雖然極大地解決了寶雞峽灌區(qū)乃至關(guān)中西部水源不足的問題，但直接造成了渭河干流寶雞段河道生態(tài)基流量的缺失，使渭河流域生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了不同程度的退化。計(jì)算河道生態(tài)基流價(jià)值可以使人類直觀地認(rèn)識到留存在河道中的水資源帶來的巨大效益，對保障河道生態(tài)基流具有重要意義。

3.1.2 寶雞市用水結(jié)構(gòu) 根據(jù)《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《黃河流域水文資料》，2001-2015年寶雞市用水結(jié)構(gòu)與河道生態(tài)基流的對應(yīng)水量如圖2所示。生產(chǎn)用水按照第一產(chǎn)業(yè)(農(nóng)林漁牧業(yè))、第二產(chǎn)業(yè)(工業(yè)、建筑業(yè))和第三產(chǎn)業(yè)(服務(wù)業(yè))用水劃分。渭河寶雞段的林家村水文站位于寶雞峽灌區(qū)引水灌溉渠首，水文站同時(shí)監(jiān)測寶雞峽引水渠流量(寶雞峽渠)和引水后渭河干流流量(林家村三)，所以林家村(三)的水文數(shù)據(jù)可以直接反映渭河寶雞段河道生態(tài)基流的變化情況。

圖1 渭河干流關(guān)中段及主要水文站示意圖

圖2 2001-2015年寶雞市用水結(jié)構(gòu)與河道生態(tài)基流對比圖

由圖2可以看出，2001-2015年寶雞市用水量相對穩(wěn)定，河道生態(tài)基流的對應(yīng)水量變化較大，說明無論渭河干流的豐枯變化情況如何，人類首先保證自己的生活用水和能帶來經(jīng)濟(jì)效益的生產(chǎn)用水，這與人類沒有認(rèn)識到河道生態(tài)基流帶來的巨大價(jià)值有關(guān)。在人類用水中，第一產(chǎn)業(yè)用水所占比例最高，約占60%～70%；其次是生活用水和第二產(chǎn)業(yè)用水，分別約占12%～18%；第三產(chǎn)業(yè)用水量最低。所以，第一產(chǎn)業(yè)是寶雞市的主要用水戶，也是河道生態(tài)基流保障的關(guān)鍵因素。

3.2 渭河干流寶雞段水資源邊際效益的計(jì)算

在計(jì)算渭河干流寶雞段水資源的邊際效益時(shí)，為使計(jì)算結(jié)果有可比性，根據(jù)銀行利率將所有貨幣值折算到2015年，因此計(jì)算結(jié)果中的貨幣值均為2015年價(jià)格。

3.2.1 河道生態(tài)基流的邊際效益 由于本課題組已經(jīng)在《The Value of Environmental Base Flow in Water-Scarce Basins: A Case Study of Wei River Basin,Northwest China》一文中對渭河干流寶雞段的河道生態(tài)基流價(jià)值進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算[21]，而且本文的重點(diǎn)在于水資源邊際效益的計(jì)算與比較，所以在此不再重復(fù)計(jì)算，而是直接用河道生態(tài)基流價(jià)值的計(jì)算結(jié)果代入公式(3)計(jì)算河道生態(tài)基流的邊際效益。

3.2.2 生產(chǎn)用水的邊際效益 根據(jù)《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《陜西省水利統(tǒng)計(jì)年鑒》等資料，Y取各產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總產(chǎn)值，K取各產(chǎn)業(yè)的固定資產(chǎn)投資，L取各產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人數(shù)，W取各產(chǎn)業(yè)的用水量。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(4)，利用SPSS20.0軟件進(jìn)行雙對數(shù)線性回歸分析，得到三次產(chǎn)業(yè)的用水彈性系數(shù)γ分別為0.303、0.061和0.089，消除規(guī)模彈性影響的折算用水彈性系數(shù)γ′分別為0.198、0.061和0.089，可見水資源對第一產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)率最高。

3.2.3 結(jié)果比較 以時(shí)間為橫坐標(biāo)，邊際效益為縱坐標(biāo)，可得渭河干流寶雞段2001-2015年水資源邊際效益按時(shí)間變化情況圖(圖3)。

圖3 2001-2015年渭河干流寶雞段水資源邊際效益按時(shí)間變化圖

由圖3可以看出，三次產(chǎn)業(yè)中，第一產(chǎn)業(yè)水資源的邊際效益最低，但是其年均用水量4.5×108m3，占人類用水的60%～70%，造成“高耗水、低產(chǎn)出”的現(xiàn)象。第一產(chǎn)業(yè)用水包括農(nóng)田、林果、草場灌溉、魚塘補(bǔ)水、牲畜用水等，其中以灌溉用水比例最高(約85%)，且浪費(fèi)巨大，如寶雞峽灌區(qū)多年灌溉水利用系數(shù)約為0.55，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家0.7以上的水平，所以，灌溉用水仍有“提高用水效率、壓縮用水總量”的空間。第二產(chǎn)業(yè)：寶雞市是我國西北地區(qū)的工業(yè)重鎮(zhèn)，但是在21世紀(jì)初水資源的邊際效益很低，不足15元/m3。自2006年開展“節(jié)水型社會(huì)”的建設(shè)以來，寶雞市大力推廣節(jié)水新技術(shù)、新工藝，工業(yè)用水重復(fù)率由75.5%提高到82.3%，在年均用水量(約1×108m3)幾乎不變的情況下不斷提升總產(chǎn)值，使得用水邊際效益增幅明顯，從2001年的7元/m3上升到2015年的57元/m3。寶雞市第三產(chǎn)業(yè)以文化旅游、倉儲物流為主，水資源邊際效益本身很高(年均值298元/m3)，而且年均用水量(約0.1×108m3)遠(yuǎn)低于第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)用水量，幾乎沒有壓縮的空間。

將河道生態(tài)基流和生產(chǎn)用水的邊際效益進(jìn)行比較，可以看到第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的水資源邊際效益遠(yuǎn)高于河道生態(tài)基流的邊際效益，而第一產(chǎn)業(yè)的水資源邊際效益與其比較接近，2001-2015年的年均值都低于5元/m3，且隨時(shí)間變化幅度較小。因此，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的用水量可以維持現(xiàn)狀，僅在河道生態(tài)基流與第一產(chǎn)業(yè)用水之間建立權(quán)衡關(guān)系。

3.3 水資源邊際效益權(quán)衡分析

以水資源量為橫坐標(biāo)，邊際效益為縱坐標(biāo)，得到河道生態(tài)基流和第一產(chǎn)業(yè)的水資源邊際效益隨水量變化情況圖(圖4)。由圖4可以看出，河道生態(tài)基流的水資源邊際效益符合“邊際效益遞減”規(guī)律，即隨著水資源量的不斷增加，效益增加值越來越少。第一產(chǎn)業(yè)的水資源邊際效益呈遞增趨勢，原因可能在于，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要資金、勞動(dòng)力和水資源等生產(chǎn)要素的共同作用來完成，在一定技術(shù)水平下，這幾種要素之間的關(guān)系是確定的，當(dāng)增加水資源的投入量時(shí)，可能由于原有水資源數(shù)量不足而出現(xiàn)效益提升，使第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加，出現(xiàn)了水資源邊際效益遞增的情況；當(dāng)水資源增長到一定程度，即達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，再增加水資源就會(huì)出現(xiàn)過剩，那么其邊際效益必然呈下降趨勢。因此，寶雞市第一產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)用水邊際效益遞增的情況，可能說明目前寶雞市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源用量在枯水期還未達(dá)到臨界點(diǎn)，原有水資源投入數(shù)量不足，仍存在缺水的情況。

圖4 渭河干流寶雞段河道生態(tài)基流和第一產(chǎn)業(yè)水資源邊際效益按水量變化圖

對圖4進(jìn)行回歸分析，河道生態(tài)基流邊際效益隨水量變化趨勢表示為：y=1.02x-0.33(R2=0.24)，第一產(chǎn)業(yè)水資源邊際效益隨水量變化趨勢表示為：y=0.93x3.14(R2=0.34)。若使二者的y值相等，滿足“等邊際效益”，可以求出經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益同時(shí)滿足時(shí)的水量，x=1.025×108m3，即在枯水期河道生態(tài)基流量和第一產(chǎn)業(yè)的用水量均為10 m3/s，此時(shí)兩者的邊際效益均為1元/m3。

3.4 結(jié)果分析

本文以邊際效益為切入點(diǎn)，建立了一種利用經(jīng)濟(jì)手段來平衡人類用水和河道生態(tài)基流的簡單方法。計(jì)算得到枯水期經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益同時(shí)滿足時(shí)，渭河干流寶雞段的河道生態(tài)基流量和第一產(chǎn)業(yè)用水量應(yīng)均為10 m3/s。而2001-2015年枯水期林家村(合)站的平均流量僅為18 m3/s，林家村(三)站的實(shí)際河道生態(tài)基流量為5 m3/s，說明目前渭河干流寶雞段水量不足，導(dǎo)致河道生態(tài)基流和第一產(chǎn)業(yè)均存在缺水狀況。

另一方面，該計(jì)算結(jié)果是經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益同時(shí)滿足時(shí)的最優(yōu)值，而第一產(chǎn)業(yè)的水資源具有保障糧食安全等社會(huì)效益，河道生態(tài)基流具有提高生活品質(zhì)等社會(huì)效益，由于這些社會(huì)效益難以定量化，在本文中沒有計(jì)算。若將社會(huì)效益定量化后加入計(jì)算中，必然會(huì)對線性回歸關(guān)系產(chǎn)生影響，繼而影響權(quán)衡結(jié)果，需要在下一步進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)的水資源分配只注重水資源能帶來的經(jīng)濟(jì)效益，忽視了其在生態(tài)環(huán)境中的價(jià)值，即水資源的生態(tài)效益或社會(huì)效益，不利于河流水資源的可持續(xù)管理。本文將河道生態(tài)基流視作一類用水部門，其效益就是對周邊流域生態(tài)系統(tǒng)的支撐作用；通過定量計(jì)算河道生態(tài)基流的邊際效益，并與傳統(tǒng)國民經(jīng)濟(jì)用水部門的邊際效益放在同一層面上比較，使其參與到流域水量分配的效益權(quán)衡體系中，這對于建立河道生態(tài)基流的保障體系具有重要意義。以渭河干流寶雞段枯水期為例對所建立的方法進(jìn)行驗(yàn)證，得到的結(jié)論有：

(1)2001-2015年寶雞市用水量相對穩(wěn)定，第一產(chǎn)業(yè)用水比例約占60%～70%，河道生態(tài)基流的對應(yīng)水量變化較大，說明無論渭河干流的豐枯變化情況如何，人類首先保證自己的生活用水和能帶來經(jīng)濟(jì)效益的生產(chǎn)用水，這與人類沒有認(rèn)識到河道生態(tài)基流帶來的巨大價(jià)值有關(guān)。

(2)2001-2015年渭河干流寶雞段第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的用水量小，但水資源邊際效益高，增長幅度較快。河道生態(tài)基流和第一產(chǎn)業(yè)的水資源邊際效益年均值均低于5元/m3，且隨時(shí)間變化幅度小，所以第一產(chǎn)業(yè)是河道生態(tài)基流保障的關(guān)鍵因素。

(3)渭河干流寶雞段河道生態(tài)基流的水資源邊際效益符合“邊際效益遞減”規(guī)律，第一產(chǎn)業(yè)的水資源邊際效益呈遞增趨勢。使兩者滿足“等邊際效益”，可求出同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益時(shí)的水量，即在枯水期河道生態(tài)基流量和第一產(chǎn)業(yè)用水量均為10 m3/s，此時(shí)兩者的水資源邊際效益均為1元/ m3。