吳 芳，曹秋迪，張丹丹，孫付華，沈菊琴

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128； 2.河海大學(xué)商學(xué)院，江蘇 南京 211100；3.河海大學(xué)環(huán)境會計(jì)與資產(chǎn)管理研究所，江蘇 南京 211100； 4.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著太湖流域城鎮(zhèn)化進(jìn)程的逐步加快，城市范圍不斷擴(kuò)張，人口規(guī)模急劇上升，社會財(cái)富快速積累，推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也加劇了城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)。為了提高城市中心區(qū)和低洼地區(qū)的防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)，保障人民財(cái)產(chǎn)安全，江蘇省太湖流域地區(qū)按照流域、城市和區(qū)域3個(gè)層次的規(guī)劃防洪格局，開展水利工程建設(shè)。至2015年底，常州、無錫、蘇州城市防洪工程全部建成，中心城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)提升至200年一遇[1]。城市防洪包圍工程建設(shè)的主要措施是城區(qū)骨干河道整治和閘泵建設(shè)，河道建閘在一定程度上改變了與蘇南運(yùn)河水量的交換，運(yùn)河防洪壓力增加，為流域和區(qū)域防洪帶來新的挑戰(zhàn)。

蘇南運(yùn)河沿線地區(qū)水系縱橫交錯(cuò)，在洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)，涉及流域、區(qū)域以及城市防洪排澇等多層面調(diào)度。在實(shí)際調(diào)度中，對于城市防洪包圍內(nèi)河網(wǎng)利用較不充分，加上區(qū)域水系復(fù)雜，多目標(biāo)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)難度較大[2]。2016年梅雨期太湖流域發(fā)生流域性特大洪水，蘇南運(yùn)河主要代表站點(diǎn)突破歷史最高水位，沿線及部分周邊地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重。期間常州、無錫、蘇州城市大包圍進(jìn)入運(yùn)河水量1.356億m3，占總進(jìn)入運(yùn)河水量的17%。如果在強(qiáng)降水集中期間，適時(shí)、適度控制城市大包圍外排，可實(shí)現(xiàn)行洪、蓄洪、滯洪的有效調(diào)配，有效解決流域防洪能力的有限性與區(qū)域排水需求之間的矛盾，緩解運(yùn)河防洪壓力。近年來，于鳳存等[3-4]對排水權(quán)的配置進(jìn)行初步研究，綜合分析排水權(quán)分配需考慮的主要因素；張勁松等[5]提出排水權(quán)具有排他性和強(qiáng)制性，排水權(quán)配置必須以全局利益為前提，并結(jié)合江蘇省區(qū)域排水存在的矛盾，探討了江蘇省排水權(quán)配置的必要性與可行性；張丹丹等[6]充分考慮社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境以及排水需求對蘇南運(yùn)河排水權(quán)分配的影響，構(gòu)建排水權(quán)分配雙層優(yōu)化模型。由于目前與排水權(quán)相關(guān)研究囿于理論層面，并較少涉及具體的應(yīng)用，對于配置的效果亦存在一定的不確定性。

本文結(jié)合排水權(quán)配置的特點(diǎn)，以公平作為配置的基本原則，將環(huán)境基尼系數(shù)引入總量控制下的排水權(quán)配置過程中。通過對蘇南運(yùn)河排水權(quán)的優(yōu)化配置，有利于統(tǒng)籌城市防洪與區(qū)域防洪之間的關(guān)系，在確保城市防洪安全的前提下減輕蘇南運(yùn)河防洪壓力。

1 環(huán)境基尼系數(shù)應(yīng)用與排水權(quán)配置的原理

1.1 環(huán)境基尼系數(shù)

基尼系數(shù)是利用洛倫茨曲線來綜合反映居民收入分配差異狀況、衡量收入分配公平程度的指標(biāo)。隨著研究的深入，基尼系數(shù)逐漸被應(yīng)用于研究資源消耗和污染排放與經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)的公平性中[7-8]。其基本原理為：基于一定比例的資源消耗或污染物排放需要貢獻(xiàn)相同比例的GDP，則資源消耗或污染排放的分配為絕對公平[9-10]。對于資源環(huán)境基尼系數(shù)具體的劃分等級，可采用國際慣例的基尼系數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[11]。

1.2 排水權(quán)配置與流域排污權(quán)配置的區(qū)別

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對于水權(quán)、排污權(quán)、碳排放權(quán)等方面的配置進(jìn)行了較深入的研究，對于各類資源配置的研究主要與其各自的特征相結(jié)合[12-14]。由于排水權(quán)的概念提出較晚，且排水權(quán)配置易與排污權(quán)配置相混淆，因此本文對排水權(quán)配置與流域排污權(quán)配置兩者的區(qū)別進(jìn)行分析。

a. 配置目的不同。排污權(quán)是指排污者根據(jù)環(huán)保部門分配的額度，依法向環(huán)境排放污染物的權(quán)利。在排污權(quán)配置時(shí)需要將目標(biāo)總量控制和容量總量控制有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境污染控制和改善水質(zhì)[15]。排水權(quán)是對流域、區(qū)域排水權(quán)益的劃分，當(dāng)非常規(guī)降雨時(shí)，需要通過合理調(diào)度來減輕洪水災(zāi)害損失[16]。雖然排水權(quán)也涉及污水排放，但是由于影響排水工程規(guī)模的主要因素是降雨，因而主要以區(qū)域澇水排放權(quán)利作為配置內(nèi)容[6]。排水戶在享有排水權(quán)利的同時(shí)，承擔(dān)治污和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的責(zé)任?？梢?，兩者的配置目的在本質(zhì)上存在較大差異。

b. 配置依據(jù)不同。對于排污權(quán)的配置主要依據(jù)國務(wù)院印發(fā)的“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃以及流域和地區(qū)的環(huán)境保護(hù)規(guī)劃目標(biāo)中對污染物的總量削減要求[17]；對于排水權(quán)配置，依據(jù)的是國家防汛抗旱總指揮部頒布的防洪調(diào)度方案、流域或行政層面的防洪調(diào)度規(guī)劃的要求。

c. 配置對象不同。為了便于管理和實(shí)施，通常情況下以行政分區(qū)作為排污權(quán)的總量分配對象；而排水權(quán)的配置除了將行政分區(qū)作為分配對象外，也可以將沿線區(qū)域劃分片區(qū)作為分配對象。

d. 影響因素不同。影響流域排污權(quán)和排水權(quán)分配的要素均包括人口、資源和經(jīng)濟(jì)等方面。污染物來自居民生活污水、工業(yè)點(diǎn)源污染和區(qū)域種養(yǎng)殖業(yè)，同時(shí)，污染物的排放與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、自然稟賦關(guān)系較為密切。根據(jù)污染物總量削減要求，排污權(quán)分配以各行政區(qū)水環(huán)境容量(納污能力)作為關(guān)鍵影響因素[18]。對于排水權(quán)的配置，既需要考慮主要堤防的設(shè)計(jì)洪水位、河道及控制樞紐的泄洪能力等因素，也要考慮排水區(qū)的來水情況、受澇程度以及排水需求。在這些因素中，無論是排污權(quán)還是排水權(quán)的分配均涉及較龐大的指標(biāo)體系，并且部分指標(biāo)存在難于統(tǒng)計(jì)等問題。

1.3 環(huán)境基尼系數(shù)與排水權(quán)配置公平性

由于不同地區(qū)在經(jīng)濟(jì)、社會、資源環(huán)境方面的差異性以及排水權(quán)配置系統(tǒng)的不確定性，排水權(quán)配置的預(yù)期效果受到影響。在排水權(quán)的配置過程中必須以各地區(qū)可持續(xù)發(fā)展為基礎(chǔ)，在確保各地區(qū)排水權(quán)利基本平等的同時(shí)，確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展與排水空間權(quán)利均等相結(jié)合。

基于環(huán)境基尼系數(shù)的配置方式能避免單一分配方式無法反映不同地區(qū)間差異性的現(xiàn)象，也克服了按照層次分析法進(jìn)行分配時(shí)指標(biāo)權(quán)重設(shè)置主觀性強(qiáng)的缺陷[19]。從環(huán)境角度，環(huán)境基尼系數(shù)能反映各類指標(biāo)占用排水權(quán)資源的內(nèi)部公平性，可以將環(huán)境基尼系數(shù)引入到排水權(quán)分配產(chǎn)生環(huán)境壓力的公平性之中。如果環(huán)境基尼系數(shù)為0，表示排水權(quán)的分配是完全公平的；環(huán)境基尼系數(shù)為1，表示絕對不公平；在這一區(qū)間內(nèi)部，數(shù)值越小，排水權(quán)的分配就越趨于公平；反之就表示越不公平。

2 基于環(huán)境基尼系數(shù)的排水權(quán)優(yōu)化分配函數(shù)

2.1 目標(biāo)函數(shù)

影響區(qū)域排水權(quán)分配的因素很多，可以分為社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境3個(gè)方面，在社會方面可以選擇人口因素作為影響排水權(quán)的關(guān)鍵指標(biāo)，對于人口較多的地區(qū)，所分配的排水權(quán)應(yīng)該較多。在經(jīng)濟(jì)方面，可以選擇GDP作為衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的指標(biāo)，相比于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)可分配更多的排水權(quán)。在生態(tài)環(huán)境方面，區(qū)域水環(huán)境容量、污染物排放、地表水資源量等指標(biāo)常常用作評價(jià)排污權(quán)和水權(quán)的關(guān)鍵性指標(biāo)。由于排水權(quán)與流域排污權(quán)、水權(quán)存在本質(zhì)差異，主要還是考慮暴雨徑流不能及時(shí)排出對區(qū)域范圍的影響，考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性，本文選擇城市防洪包圍地區(qū)的土地面積作為代表性指標(biāo)。

結(jié)合社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)對排水權(quán)分配的影響，本文不再以國際慣例的基尼系數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)作為衡量排水權(quán)分配公平程度的主要依據(jù)，而以各指標(biāo)下環(huán)境基尼系數(shù)之和最小作為目標(biāo)函數(shù)。假設(shè)有n個(gè)待分配地區(qū)，m個(gè)評價(jià)指標(biāo)，形成原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣A=(xij)n×m。以各地區(qū)分配的排水權(quán)為決策變量，在排水總量一定的情況下，目標(biāo)函數(shù)為

(1)

(2)

(3)

式中：Gj——評價(jià)指標(biāo)j的環(huán)境基尼系數(shù)；Xij——人口等指標(biāo)的累計(jì)百分比；Yij——排水權(quán)的累計(jì)百分比；j——人口、GDP和土地面積3個(gè)指標(biāo)的編號；X(i-1)j——第i-1個(gè)地區(qū)人口等評價(jià)指標(biāo)的累計(jì)百分比；Y(i-1)j——第i-1個(gè)地區(qū)排水權(quán)的累計(jì)百分比；Fi——第i個(gè)地區(qū)的排水權(quán)。

2.2 約束條件

b. 排水需求約束?？紤]到區(qū)域排水的客觀需求和排水權(quán)配置的高效性，在區(qū)域排水權(quán)分配時(shí)各地區(qū)所分配的排水量不得超過其排水需求量，即Fi≤FDi(FDi為第i個(gè)地區(qū)排水需求量)。

c. 現(xiàn)狀環(huán)境基尼系數(shù)約束。為保證排水權(quán)優(yōu)化配置的效率，在配置后各指標(biāo)的環(huán)境基尼系數(shù)不得高于現(xiàn)狀，即Gj≤Gj 0(Gj 0為第j個(gè)指標(biāo)的現(xiàn)狀環(huán)境基尼系數(shù)，即配置前的環(huán)境基尼系數(shù))。

e. 環(huán)境基尼系數(shù)非負(fù)約束。即Gj≥0。

3 蘇南運(yùn)河排水權(quán)優(yōu)化分配

3.1 城市防洪工程概況

蘇南運(yùn)河沿線城市防洪工程主要是利用運(yùn)河老河道及沿運(yùn)河新建閘泵形成城市防洪包圍圈。其中，包括常州市城市防洪工程、無錫市城市防洪工程以及蘇州市城市防洪工程。防洪工程建成后抽排入運(yùn)河的澇水是運(yùn)河主要的洪水來源之一，也是造成汛期運(yùn)河持續(xù)高水位的主要因素。

a. 常州城市防洪工程。常州市城市防洪工程沿運(yùn)河分為運(yùn)北、潞橫草塘、采菱東南、湖塘共4個(gè)片區(qū)，總面積416.1 km2。其中，運(yùn)北片和湖塘片實(shí)施了大包圍。運(yùn)北片設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，沿運(yùn)河側(cè)設(shè)計(jì)洪水位采用5.95 m，外排泵站總規(guī)模為420.96 m3/s(重要節(jié)點(diǎn)工程365 m3/s)，其中排入運(yùn)河的流量為179 m3/s；湖塘片設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，沿運(yùn)河側(cè)設(shè)計(jì)洪水位采用5.80 m，外排泵站總規(guī)模為78.1 m3/s，其中排入運(yùn)河的流量為57.7 m3/s。常州城市防洪工程外排泵站入運(yùn)河流量共計(jì)236.7 m3/s。

b. 無錫城市防洪工程。無錫市城區(qū)分為運(yùn)河以東的運(yùn)東大包圍、新區(qū)片、錫東片、錫北片、惠北片，以及運(yùn)河以西的梁溪片、太湖新城片、惠南片和馬山片，共9片，面積共1 294 km2。其中，運(yùn)東和太湖新城實(shí)施了大包圍。運(yùn)東大包圍面積約144 km2，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，沿運(yùn)河側(cè)南門水位站處設(shè)計(jì)洪水位采用5.05 m，外排泵站總規(guī)模為485.6 m3/s，排入運(yùn)河流量為218.8 m3/s；太湖新城片外排泵站總規(guī)模為97 m3/s，其中排入運(yùn)河流量為82 m3/s。無錫城市防洪工程外排泵站入運(yùn)河的流量共計(jì)300.8 m3/s。

c. 蘇州城市防洪工程。蘇州市城市防洪工程主要包括城市中心區(qū)大包圍和金閶新城包圍兩部分，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)均為200年一遇，沿運(yùn)河側(cè)胥江等設(shè)計(jì)洪水位采用5.20 m。蘇州城市中心區(qū)大包圍面積84 km2，外排泵站總規(guī)模為286.5 m3/s(含西塘河裴家圩樞紐)，其中排入運(yùn)河流量為168 m3/s。金閶新城包圍13.7 km2。外排泵站排水總規(guī)模為39.1 m3/s，其中排入運(yùn)河流量為23.5 m3/s。蘇州城市防洪工程外排泵站入運(yùn)河流量為191.5 m3/s。

3.2 數(shù)據(jù)收集

3個(gè)城市防洪包圍地區(qū)的人口、GDP、土地面積數(shù)據(jù)來源于2017年常州市、無錫市及蘇州市統(tǒng)計(jì)年鑒與網(wǎng)絡(luò)資源，各地的現(xiàn)狀排水量數(shù)據(jù)來源于《蘇南運(yùn)河區(qū)域洪澇聯(lián)合調(diào)度方案》[20]。

3.3 現(xiàn)狀環(huán)境基尼系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)環(huán)境基尼系數(shù)公式，分別對各指標(biāo)的現(xiàn)狀環(huán)境基尼系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以人口這一指標(biāo)為例，計(jì)算過程中需要對3個(gè)城市防洪包圍地區(qū)的單位人口排水量(即洛倫茨曲線中的斜率)進(jìn)行排序，結(jié)果見表1。根據(jù)排序結(jié)果，人口、GDP和土地面積這3個(gè)代表性指標(biāo)的單位指標(biāo)排水量從低到高依次均為無錫大包圍、常州大包圍和蘇州大包圍。

表1 基于人口的環(huán)境基尼系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，基于人口、GDP和土地面積的現(xiàn)狀分配環(huán)境基尼系數(shù)分別為0.026 8，0.166 4和0.106 6，各指標(biāo)對應(yīng)的洛倫茨曲線見圖1?，F(xiàn)狀各指標(biāo)的環(huán)境基尼系數(shù)均小于0.2，表明目前的公平性較好。

圖1 基于蘇南運(yùn)河排水現(xiàn)狀的洛倫茨曲線Fig.1 Lorenz curve based on the current situation of flood drainage in the Sunan Canal

3.4 排水權(quán)的優(yōu)化

結(jié)合《蘇南運(yùn)河區(qū)域洪澇聯(lián)合調(diào)度方案》[20]，3個(gè)城市防洪工程排澇動力達(dá)729 m3/s，而運(yùn)河現(xiàn)狀安全下泄流量僅為400 m3/s左右，因此本文以400 m3/s作為排水權(quán)總量控制目標(biāo)(不考慮沿線圩區(qū)排入運(yùn)河流量)。對于各地區(qū)的排水需求量，本文以現(xiàn)狀排水量數(shù)據(jù)來反映各地的排水需求。以各指標(biāo)的環(huán)境基尼系數(shù)之和最小為目標(biāo)函數(shù)，約束條件如下：保持優(yōu)化分配的排水權(quán)總量為運(yùn)河安全下泄流量；各地區(qū)所分配的排水量不得超過其排水需求量；保持各地區(qū)在各指標(biāo)的排序未發(fā)生變化的情況下，優(yōu)化的環(huán)境基尼系數(shù)始終優(yōu)于現(xiàn)狀。

利用MATLAB規(guī)劃求解工具，將各參數(shù)、初始數(shù)據(jù)及約束條件輸入進(jìn)行計(jì)算，得到在人口、GDP、土地面積的環(huán)境基尼系數(shù)總和最小的情況下3個(gè)防洪包圍地區(qū)最終的排水權(quán)分配量(表2)。從表2可以看出，無錫大包圍地區(qū)的削減量最大，為128.87 m3/s；蘇州大包圍地區(qū)的削減量最小，為95.89 m3/s。從削減程度來看，蘇州大包圍地區(qū)的削減比例最大，為50.07%；無錫大包圍地區(qū)的削減比例最小，為42.84%。

表2 優(yōu)化后各區(qū)域排水權(quán)分配量

在優(yōu)化配置后，基于人口、GDP和土地面積3項(xiàng)指標(biāo)的環(huán)境基尼系數(shù)均優(yōu)于現(xiàn)狀，分別為0.000 2、0.144 1和0.079 6，環(huán)境基尼系數(shù)的平均變化幅度為0.026 3(表3)。在確保運(yùn)河安全的情況下，該分配方案能夠使各防洪包圍地區(qū)單位經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境資源指標(biāo)所負(fù)荷的排水權(quán)達(dá)到最大程度的接近，實(shí)現(xiàn)相對公平的排水權(quán)優(yōu)化配置。

表3 環(huán)境基尼系數(shù)優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié) 語

關(guān)于排水權(quán)的配置研究目前屬于探討階段，對于排水權(quán)的分配而言，公平性是保障區(qū)域和諧發(fā)展的重要條件。本文將環(huán)境基尼系數(shù)法應(yīng)用于蘇南運(yùn)河區(qū)域排水權(quán)的分配中，結(jié)合排水權(quán)的特征，建立基于環(huán)境基尼系數(shù)的排水權(quán)優(yōu)化分配函數(shù)。利用MATLAB規(guī)劃求解工具，計(jì)算得到各區(qū)域排水權(quán)的優(yōu)化分配方案。通過對蘇南運(yùn)河排水權(quán)的優(yōu)化分配，有利于統(tǒng)籌城市防洪與區(qū)域防洪的關(guān)系，減輕運(yùn)河防洪壓力。在今后的研究中，應(yīng)進(jìn)一步完善防洪調(diào)度機(jī)制，通過錯(cuò)時(shí)錯(cuò)峰調(diào)度合理安置洪澇。