吳 振，陳華偉，仇鈺婷，徐丹丹，張 欣，王開(kāi)然

（山東省水利科學(xué)研究院 山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014）

1 引言

南水北調(diào)工程［1－2］作為我國(guó)水資源優(yōu)化配置［3］的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，對(duì)于緩解北方地區(qū)嚴(yán)重的水資源短缺危機(jī)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義［4］。 南水北調(diào)東線一期工程正式通水后，山東省受水區(qū)在原有水源的基礎(chǔ)上增加了新的長(zhǎng)江水源。 南水北調(diào)工程線路長(zhǎng)、成本高，導(dǎo)致長(zhǎng)江水價(jià)高于當(dāng)?shù)厮畠r(jià)而極少被引用。 受水區(qū)如何優(yōu)化配置［5－11］包括外調(diào)水在內(nèi)的多種水源［12］，實(shí)現(xiàn)最大的水資源利用效益，是亟待解決的重大問(wèn)題。 在南水北調(diào)工程水價(jià)、區(qū)域水價(jià)方面已有較多研究成果。 顧永鋼等［13］提出了南水北調(diào)中線工程水價(jià)仿真模型系統(tǒng)，測(cè)算了不同條件下中線受水區(qū)供水價(jià)格的變化，并利用投入產(chǎn)出模型分析了水價(jià)變化對(duì)相關(guān)行業(yè)產(chǎn)品價(jià)格的影響；任俊?。?4］提出分環(huán)節(jié)水價(jià)與三重構(gòu)成水價(jià)相結(jié)合的跨流域調(diào)水工程水價(jià)定價(jià)模型，并將其應(yīng)用于引灤入津工程中，適用性較好；劉衛(wèi)國(guó)等［15］分析了南水北調(diào)工程水價(jià)對(duì)水資源配置的作用，指出南水北調(diào)工程水價(jià)可通過(guò)調(diào)節(jié)水資源供需平衡和水價(jià)格彈性引導(dǎo)商品水的消費(fèi)模式，從而實(shí)現(xiàn)受水區(qū)水資源優(yōu)化配置；唐曉曈［16］以全成本定價(jià)模型為基礎(chǔ)，提出區(qū)域水價(jià)理論，并結(jié)合國(guó)外水價(jià)制度為解決我國(guó)現(xiàn)行水價(jià)存在的問(wèn)題提出建議；崔延松［17］分析了同質(zhì)區(qū)域與功能區(qū)域水價(jià)在現(xiàn)實(shí)操作中可能遇到的問(wèn)題，提出按供水成本確定合理的價(jià)格水平，制定科學(xué)的定額指標(biāo)體系、可持續(xù)發(fā)展的水價(jià)構(gòu)成等區(qū)域水價(jià)目標(biāo)。 在南水北調(diào)受水區(qū)綜合水價(jià)方面，徐鶴［18］分析了多水源混合供水的綜合水價(jià)影響因素，提出南水北調(diào)工程受水區(qū)不同用水戶對(duì)多水源供水費(fèi)用的分?jǐn)偡椒?，制定了各用水戶的多水源綜合供水全成本水價(jià)；劉衛(wèi)國(guó)等［19－21］基于節(jié)水理論，建立了改善水資源保護(hù)的南水北調(diào)工程受水區(qū)多水源水價(jià)模型，取得較好結(jié)果；王炎如［22］建立了以環(huán)境補(bǔ)償或級(jí)差收益為核心的天然水資源價(jià)值實(shí)用計(jì)算新模型，對(duì)工業(yè)水價(jià)承受能力提出了企業(yè)虧損比例法、類似地區(qū)水價(jià)比較法等，對(duì)當(dāng)?shù)厮此畠r(jià)和南水北調(diào)中線工程水價(jià)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)算；賈屏等［23］分析了南水北調(diào)工程通水后多水源供水水價(jià)變化，認(rèn)為合理的水價(jià)可以使全社會(huì)增強(qiáng)節(jié)水意識(shí)、提高用水效率；高悅等［12］對(duì)南水北調(diào)通水后的供水價(jià)格和水源結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行分析，并綜合考慮水資源的全成本水價(jià)，探討多水源水價(jià)制定策略；唐瑜等［24］從南水北調(diào)受水區(qū)水資源優(yōu)化配置的角度出發(fā)，以區(qū)域水資源合理利用條件下的凈效益最大為目標(biāo)，應(yīng)用線性規(guī)劃求解了南水北調(diào)受水區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源的影子價(jià)格。 而針對(duì)區(qū)域供水系統(tǒng)，如何基于精細(xì)化優(yōu)化配置建立多水源多環(huán)節(jié)供水系統(tǒng)綜合水價(jià)模型，尚待深入研究。

山東省鄒平市屬南水北調(diào)受水區(qū)，工業(yè)企業(yè)發(fā)展迅速，但水資源短缺，因此需要將長(zhǎng)江水作為常規(guī)水源納入供水系統(tǒng)［25］。 通過(guò)配套工程將長(zhǎng)江水引入當(dāng)?shù)卣{(diào)蓄水庫(kù)向用水戶供水成本較高，若以單一水價(jià)供水，企業(yè)使用高價(jià)長(zhǎng)江水的積極性很低。 筆者建立多水源供水系統(tǒng)綜合水價(jià)模型，分析鄒平市綜合水價(jià)，并探討各因素變動(dòng)情形下綜合水價(jià)的變化規(guī)律，以期為科學(xué)有效管理現(xiàn)有供水系統(tǒng)，提高用水效率，保障區(qū)域供水安全提供參考。

2 基于優(yōu)化配置的工業(yè)多水源綜合水價(jià)模型

南水北調(diào)受水區(qū)供水系統(tǒng)運(yùn)行流程一般為水源—水庫(kù)—水廠—用水戶。 具體來(lái)說(shuō)，就是將長(zhǎng)江水通過(guò)渠道或管線輸送至水庫(kù)，再經(jīng)渠道或管線輸送至水廠進(jìn)行一系列物理及化學(xué)處理，達(dá)到國(guó)家規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，再通過(guò)管網(wǎng)配送給用水戶。

綜合水價(jià)是指當(dāng)?shù)厮c外調(diào)水互補(bǔ)使用時(shí)，共同為當(dāng)?shù)赜盟畱艄┧畬?shí)行的統(tǒng)一價(jià)格，主要受外調(diào)水量與當(dāng)?shù)厮?、?dāng)?shù)厮畠r(jià)和外調(diào)水價(jià)的影響。 綜合水價(jià)運(yùn)作需要成立非營(yíng)利性管理機(jī)構(gòu)，管制各水源供水比例和供水類型，負(fù)責(zé)供水系統(tǒng)的運(yùn)行和管理。 根據(jù)南水北調(diào)受水區(qū)綜合水價(jià)管理需求，建立多水源供水系統(tǒng)綜合水價(jià)模型。

采用區(qū)域供水成本最低作為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)：

式中：ciklj為從i水源取水至k水庫(kù)并經(jīng)l水廠處理后向j用戶供水的成本，元／m3；xiklj為從i水源取水至k水庫(kù)并經(jīng)l水廠處理后向j用戶供水的水量，萬(wàn)m3；I、K、L、J分別為水源總數(shù)、水庫(kù)總數(shù)、水廠總數(shù)、用戶總數(shù)。

采用區(qū)域缺水量最小作為社會(huì)目標(biāo)：

式中：Dj為j用戶的需水量。

綜合水價(jià)根據(jù)多水源水量和水價(jià)計(jì)算得出，公式為

式中：P綜為綜合水價(jià)，元／m3；piklj為從i水源地取水至k水庫(kù)并經(jīng)l水廠處理后向j用戶供水的價(jià)格，元／m3。

取水總量控制約束：

式中：Ci為區(qū)域i水源的取水總量控制指標(biāo)。水庫(kù)可分配給用戶的最大水量約束：

式中：Wikl為從i水源地取水至k水庫(kù)并經(jīng)l水廠處理的可供水量，即扣除輸水損失量、水庫(kù)滲漏與蒸發(fā)損失量、配水損失量之后可供用戶的水量。

用戶需水量約束：

變量非負(fù)約束：

3 案例分析

3.1 鄒平市水資源概況

鄒平市為山東省轄縣級(jí)市，由濱州市代管，位于山東省中部偏北，西北臨黃河，地處魯中泰沂山區(qū)與魯北黃泛平原的交錯(cuò)地帶，地勢(shì)南高北低，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，多年平均降水量581.7 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 200 mm，全市總面積1 250 km2。多年平均地表和地下水資源量分別為9 925.3 萬(wàn)、13 137.8 萬(wàn)m3，目前黃河水和長(zhǎng)江水引水指標(biāo)分別為10 400 萬(wàn)、9 850 萬(wàn)m3。

鄒平市2020 年工業(yè)用水量為16 075.99 萬(wàn)m3，其中：當(dāng)?shù)氐乇硭ㄐ∏搴铀⒌叵滤?、黃河水（包括自引黃河水和從淄博市購(gòu)買的黃河水）分別為146.94萬(wàn)、335.51 萬(wàn)、15 593.54 萬(wàn)m3，分別占工業(yè)用水總量的0.9%、2.1%、97.0%（因長(zhǎng)江水價(jià)高而未引用長(zhǎng)江水）。 根據(jù)引黃干渠、南水北調(diào)配套工程、工業(yè)管線布置規(guī)劃方案，預(yù)測(cè)2025 年鄒平市工業(yè)用水量為17 844.99 萬(wàn)m3，其中：地表水量（包括黃河水、長(zhǎng)江水等）14 451.99 萬(wàn)m3、地下水量251.07 萬(wàn)m3、非常規(guī)水量3 141.93萬(wàn)m3（不納入工業(yè)綜合水價(jià)計(jì)算）。

3.2 區(qū)域綜合水價(jià)計(jì)算結(jié)果及影響趨勢(shì)分析

作為資源性缺水城市，鄒平市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展主要利用黃河水，但指標(biāo)約束下的引黃水量已遠(yuǎn)不能滿足用水量增長(zhǎng)需求。 南水北調(diào)續(xù)建配套工程建成后，需要改變當(dāng)前長(zhǎng)江水未被利用的現(xiàn)狀，將外調(diào)水、當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水統(tǒng)一調(diào)度管理，實(shí)行綜合水價(jià)。 為有效促進(jìn)綜合水價(jià)實(shí)施、科學(xué)管理決策，選擇多種典型水源作為不確定因素，分析其對(duì)綜合水價(jià)的影響趨勢(shì)。

供水系統(tǒng)單一水源價(jià)格由原水水價(jià)、水資源稅以及工程水價(jià)組成。 根據(jù)最嚴(yán)格水資源管理要求，污水處理費(fèi)1.2 元／m3計(jì)入水價(jià)。 濱州市分配給鄒平市的9 850 萬(wàn)m3長(zhǎng)江水量指標(biāo)基本水費(fèi)為8 077 萬(wàn)元，實(shí)行綜合水價(jià)之后將由工業(yè)各用水戶共同分?jǐn)偂?采用式（1）～式（7）計(jì)算鄒平市工業(yè)用水綜合水價(jià)。 各水源工業(yè)供水量及綜合水價(jià)模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，95%保證率下，2020 現(xiàn)狀年和2025 規(guī)劃年鄒平市工業(yè)用水綜合水價(jià)分別為3.88、3.89 元／m3。 根據(jù)水費(fèi)支出占工業(yè)產(chǎn)值比重（2.5%）、2020 年鄒平市工業(yè)產(chǎn)值（511.78 億元）與工業(yè)用水量（1.61 億m3）測(cè)算，鄒平市工業(yè)可承受水價(jià)為7.95 元／m3，因此工業(yè)可以承受綜合水價(jià)3.88 元／m3。 實(shí)行綜合水價(jià)有助于提高工業(yè)節(jié)水積極性，緩解水資源短缺問(wèn)題。

表1 各水源工業(yè)供水量及綜合水價(jià)模型計(jì)算結(jié)果

區(qū)域多水源工業(yè)供水綜合水價(jià)不確定因素有很多，通常選擇可能發(fā)生而且會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生較大不利影響的因素作為不確定因素。 基于鄒平市各水源總量控制指標(biāo)和水庫(kù)供水能力，計(jì)算出可以供給用水戶終端的總水量（長(zhǎng)江水、新城水庫(kù)水、地下水、自引黃河水最大可供水量分別為7 683.63 萬(wàn)、6 000 萬(wàn)、4 804萬(wàn)、6 162.3 萬(wàn)m3）。 基于工業(yè)用水總量和各水源最大可供水量，依次改變某一水源的水量，按照自引黃河水、新城水庫(kù)水、長(zhǎng)江水、地下水的供水順序，利用優(yōu)化配置的多水源綜合水價(jià)模型，計(jì)算各水源供水量情況下的綜合水價(jià)，分析現(xiàn)狀年和規(guī)劃年長(zhǎng)江水、新城水庫(kù)水、地下水、自引黃河水這4 種不確定因素對(duì)綜合水價(jià)的影響。

由圖1、圖2 可知，現(xiàn)狀年與規(guī)劃年同類水源水量對(duì)綜合水價(jià)的影響基本相同。 對(duì)于2020 現(xiàn)狀年，在水量約束和現(xiàn)狀工程條件下，引長(zhǎng)江水量變化導(dǎo)致綜合水價(jià)呈拋物線形變化，當(dāng)引長(zhǎng)江水量為4 000 萬(wàn)m3時(shí)綜合水價(jià)最低（3.72 元／m3），當(dāng)引長(zhǎng)江水量為0 時(shí)綜合水價(jià)最高（3.87 元／m3），當(dāng)引長(zhǎng)江水量最大為7 683.63萬(wàn)m3時(shí)綜合水價(jià)為3.85 元／m3，由此可知長(zhǎng)江水對(duì)綜合水價(jià)的影響較大。 新城水庫(kù)供水量為0 時(shí)綜合水價(jià)為4.03 元／m3，供水量為6 000 萬(wàn)m3時(shí)綜合水價(jià)為3.65 元／m3。 自引黃河水量為0 時(shí)綜合水價(jià)為4.29 元／m3，水量為6 162.3 萬(wàn)m3時(shí)綜合水價(jià)為3.65元／m3。 地下水供水量為0 時(shí)綜合水價(jià)為3.65 元／m3，供水量為4 804 萬(wàn)m3時(shí)綜合水價(jià)為3.99 元／m3。 綜合水價(jià)隨新城水庫(kù)供水量和自引黃河水水量增大而降低，隨地下水供水量增大而升高。 在總供水量一定的前提下，低價(jià)水供水量越少，則高價(jià)水供水量越多，綜合水價(jià)越高。 2025 年新城水庫(kù)供水量對(duì)綜合水價(jià)的影響較2020 年明顯。 價(jià)格影響趨勢(shì)圖可為決策者根據(jù)現(xiàn)狀水價(jià)適時(shí)調(diào)整不同水源的水量提供依據(jù)。

圖1 2020 現(xiàn)狀年不同水源對(duì)綜合水價(jià)的影響趨勢(shì)

圖2 2025 規(guī)劃年不同水源對(duì)綜合水價(jià)的影響趨勢(shì)

4 結(jié)語(yǔ)

在分析鄒平市水資源概況的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多水源用水綜合水價(jià)模型分析了鄒平市現(xiàn)狀年與規(guī)劃年最優(yōu)配置水量的綜合水價(jià)，分別為3.88 元／m3和3.89 元／m3。 基于工業(yè)用水總量和各水源最大可供水量，深入研究了各因素對(duì)綜合水價(jià)的影響規(guī)律，結(jié)果表明現(xiàn)狀年與規(guī)劃年同類水源水量對(duì)綜合水價(jià)的影響相似，均呈拋物線形變化。

南水北調(diào)較高的長(zhǎng)江水價(jià)給受水區(qū)水資源利用造成較大影響，因此基于綜合水價(jià)模型制定多水源工業(yè)用水綜合水價(jià)十分必要。 通過(guò)發(fā)揮綜合水價(jià)長(zhǎng)效補(bǔ)償機(jī)制，建立非營(yíng)利性質(zhì)的水價(jià)管理服務(wù)平臺(tái)，可以提高水資源利用效率，推動(dòng)區(qū)域水價(jià)動(dòng)態(tài)調(diào)整，促進(jìn)用水公平，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，發(fā)揮跨流域調(diào)水工程的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和公益性作用，保障南水北調(diào)受水區(qū)人口、資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。