協調公平與效率的“四水四定”研究Ⅰ：方法與模型

2024-03-18 12:08:26游進軍楊朝暉

水利學報 2024年2期

游進軍，賈玲，楊朝暉，汪林，王婷

(中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

1 研究背景

我國水資源分布不均、水土資源不匹配，適水發(fā)展勢在必行?！吨腥A人民共和國黃河保護法》明確要求“國家在黃河流域實行水資源剛性約束制度，堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產，優(yōu)化國土空間開發(fā)保護格局，促進人口和城市科學合理布局，構建與水資源承載能力相適應的現代產業(yè)體系”。上述表述被簡稱為“四水四定”，其中，“水”是水資源可利用量，“定”是定發(fā)展規(guī)模，即在水資源合理開發(fā)范圍內，引導和保障經濟社會高質量發(fā)展?！八乃亩ā笔沁m應水資源條件的發(fā)展模式，也是水資源配置的新理念。

針對不同時期的水資源問題，國內形成了具有階段特征的配置決策分析理念和方法[1]。在適應水資源條件的發(fā)展模式分析方面，新疆水資源軟科學課題研究組提出將水資源承載能力作為經濟社會發(fā)展的約束條件[2]，較早探索了經濟、生態(tài)與水的統(tǒng)籌分析。許新宜等[3]提出華北地區(qū)宏觀經濟水資源優(yōu)化配置方法和模型，建立了水與宏觀經濟整體關聯的量化分析手段。趙建世等[4]應用復雜適應系統(tǒng)理論，分析水與經濟社會、生態(tài)環(huán)境各子系統(tǒng)相互作用關系，構建了多主體適應性優(yōu)化的水資源系統(tǒng)整體模型。王宗志等[5]針對水資源嚴格管理的支撐需求提出供需雙側調控模型，將優(yōu)化調整產業(yè)結構、種植結構作為供需分析的整體內容。張禮兵等[6]提出了針對灌區(qū)水-能-糧系統(tǒng)耦合協調的供需雙側協調評價與優(yōu)化調控。

適水發(fā)展是缺水地區(qū)的實際需求，水資源對行業(yè)發(fā)展的約束作用研究逐步增多，集中在農業(yè)發(fā)展和人口規(guī)?？刂疲缧陆囊运ǖ?、以水定綠洲管理原則[7]、西遼河以水定地的農業(yè)發(fā)展目標引導[8]、中國蔬菜生產水定地原則優(yōu)化布局[9]、甘肅民勤以水定人和生態(tài)移民的發(fā)展思路分析[10]、寧夏以水定人的發(fā)展戰(zhàn)略分析[11]。隨著國土空間規(guī)劃的推進，以水定城也在城市規(guī)劃中得到重視，部分學者對水資源約束下的城鎮(zhèn)發(fā)展建設合理方向進行了探討[12-15]。由于用水效率和可利用水量邊界的不確定性，“以水定產”的研究相對較少。“四水四定”整體研究也有少量探索，如楊舒媛等[16]通過分析“城地人產”關鍵要素指標和分類可利用水量，給出總水量約束下的北京市“四定”規(guī)模。宋志等[17]分別以現狀和用水紅線作為約束，以綜合效率確定“四定”規(guī)模。王浩等[18]提出以流域“自然-社會”二元水循環(huán)、資源競爭和多目標優(yōu)化控制為基礎的“四水四定”關鍵技術體系和實現路徑。楊研等[19]提出了針對“四水四定”的制度體系構建和政策制定要求。

近年來，水與發(fā)展關系受到國際社會廣泛關注。國際水資源協會前主席Biswas[20]指出水資源綜合管理(IWRM)應綜合考慮多類要素，包括經濟效益、環(huán)境質量、社會福利和區(qū)域均衡度，推動水與區(qū)域發(fā)展的良性關系。可持續(xù)發(fā)展框架下的多重均衡配置成為重要研究方向[21]，考慮生態(tài)環(huán)境用水優(yōu)先級及其與農業(yè)價值競爭的水資源配置研究日益增多[21]。Meinzen-Dick等[25]指出經濟增長下的水資源再分配包括行政、市場、協商及混合模式等多種形式，無論何種方式對于弱勢群體應有保障機制。環(huán)境政策和水量配置方式變化對生態(tài)、農業(yè)具有重要影響[26]，循環(huán)經濟、產業(yè)生態(tài)學等新發(fā)展模式對水資源配置目標協同也提出了更高要求[27]，必須考慮社會、經濟與環(huán)境等多重目標均衡的供需關系[28]。由于水資源分配涉及的要素越來越多，從機制手段、技術方法、模型軟件、管理政策、水權水價等方面均需要開展研究[29]。

縱觀國內外相關研究，水資源配置的經濟社會、生態(tài)環(huán)境綜合效應已成為共識，以效益為目標引導水量分配成為主要方向，進而促進行業(yè)發(fā)展合理布局。針對我國當前水資源剛性約束管理需求，本文嘗試以水和經濟社會發(fā)展的協調關系為基礎，分析相應的指標和準則，建立具有可操作性的“四水四定”量化分析方法，供決策參考。

2 分析思路

2.1 分析模式相對于傳統(tǒng)的“以需定供”，“以水定需”是引導發(fā)展適應水資源條件的配置新模式，其經歷了三個階段。首先是“總量控制”，各部門按照自身目標發(fā)展，總用水接近或達到水資源約束時停止新增用水；其次是“定額管理”，確保用水效率滿足要求，保證區(qū)域、行業(yè)用水競爭的公平性；第三階段是“適水發(fā)展”，通過“水”要素協調不同行業(yè)發(fā)展要求，控制發(fā)展規(guī)模、提高用水效率效益，這也是“四水四定”的研究目標。

前兩個階段重點解決供水和用水合理性問題[30]，通過最嚴格水資源管理制度的實施，基本實現了階段目標，全國絕大部分區(qū)域滿足用水總量控制要求。然而，這是一種先到先得模式，容易出現“劣幣驅逐良幣”效應，帶來發(fā)展質量不高、區(qū)域不均衡的問題，需要更科學的適水發(fā)展。

“適水發(fā)展”核心是引導發(fā)展規(guī)模和布局主動適應水資源約束?！八乃亩ā辈皇菃渭兊乃Y源配置技術，而是整體決策分析方式，通過識別經濟社會發(fā)展與水的協調關系，為水利以外的行業(yè)決策提供支撐，發(fā)現問題并按照適水發(fā)展要求提出政策優(yōu)化手段[31]。

2.2 分析路徑技術方法上，“四水四定”需要滿足水資源剛性約束，統(tǒng)籌發(fā)展與保護的各類要求，促進水資源高效利用，優(yōu)化人口、城市和產業(yè)發(fā)展布局，確定不同行業(yè)發(fā)展規(guī)模和取用水控制目標。

根據上述目標，提出水資源約束與指標識別、“四定”指標協調計算、發(fā)展質量評價和管控對策分析的分析路徑。首先明確水資源約束，提出表征“四定”的關鍵指標，分析其變化規(guī)律與合理范圍；其次，分析“四定”與水及其內部協調關系，建立協調優(yōu)化準則，確定目標函數和約束條件，構建“四水四定”多目標協調優(yōu)化模型，計算“四定”指標以及行業(yè)區(qū)域取水控制要求；最后對方案進行全面評價，反饋調整計算結果，提出經濟社會發(fā)展布局和水資源利用管控的對策建議。

圖1 “四水四定”分析思路

2.3 指標選擇“四水四定”指標包括“水”和“定”兩方面，前者為水資源約束，后者是經濟社會發(fā)展規(guī)模。水資源約束可以計算分析或采用行政指標。計算分析方式是推求區(qū)域水資源可利用量，地表水資源以區(qū)域地表水資源量扣除生態(tài)水量和不可控洪水得出，地下水按照可開采量確定，非常規(guī)水源參考規(guī)劃確定，疊加合理的過境水和外調水利用指標，得出總的水資源可利用量。行政指標包括最嚴格水資源管理確定的用水總量控制紅線、耗水控制指標、地下水控制指標以及流域水量分配方案等。

區(qū)域總的水資源可利用量計算方式如下：

WA總=WA本+WA入+WA調

(1)

式中：WA總為區(qū)域總的可利用水量；WA本為包括地表和地下在內的區(qū)域本地可利用水量；WA入為入境水可利用量；WA調為區(qū)域可接受或需調出的外調水量，調入為正，調出為負，同時具有調入調出水量取其累計值。WA本可參考水資源評價結果選擇。

經濟社會發(fā)展規(guī)模選擇“四定”代表性指標：“定人”指標為常住人口，是滿足一定經濟水平的人口規(guī)模和人口結構；“定產”指標為經濟總量，是滿足區(qū)域發(fā)展要求的經濟規(guī)模和結構；“定地”指標為灌溉面積，是滿足區(qū)域糧食安全要求的灌溉規(guī)模和種植結構；“定城”指標為建成區(qū)面積，是滿足高效集約用水要求的城鎮(zhèn)開發(fā)規(guī)模，反映包括人口規(guī)模和基礎設施建設在內的城鎮(zhèn)發(fā)展狀況。

3 協調準則

3.1 協調關系“四水四定”涉及到多方面協調關系，包括兩個層次：第一層是“四定”相互關系，是分析水資源公平性保障和有序流動的基礎；第二層是水支撐產業(yè)發(fā)展的競爭協調關系，需要確定行業(yè)合理的發(fā)展空間和用水效率范圍，為提高效率驅動水量流轉提供分析基礎。

“四定”要素存在既競爭又協調的關系，共同構筑社會發(fā)展的基本形態(tài)，總結其相互關系如下：(1)以“人”為本。人是經濟社會發(fā)展第一要素，人均經濟量代表整體發(fā)展水平，城鎮(zhèn)化程度反映社會發(fā)展水平；(2)“人產”相依。產業(yè)發(fā)展決定經濟總量，經濟總量制約滿足發(fā)展目標的人口規(guī)模，產業(yè)結構反映發(fā)展水平和綜合用水效率；(3)“地產”相關。農業(yè)用水總量大、經濟產出低，但關系糧食安全、農村就業(yè)和社會安定，必須保障其最低需求；(4)“人城”一體?！俺恰斌w現“人”“產”的發(fā)展狀態(tài)，也體現經濟社會整體發(fā)展水平。

第二層關系可以通過區(qū)域經濟特征和發(fā)展規(guī)律識別。生活用水具有最高優(yōu)先級，“城”和“人”具有一致性，因而用水競爭性主要表現在生產行業(yè)。行業(yè)用水量與經濟發(fā)展指標、用水效率指標之間通常具有較強的相關關系，分析其變化趨勢可以揭示產業(yè)變化和用水效率變化規(guī)律，為行業(yè)間競爭用水關系分析提供依據。

考慮“四定”全口徑分析需求，按照三次產業(yè)劃分生產行業(yè)，采用行業(yè)單位增加值用水量表征用水效率，作為競爭用水依據。以產業(yè)規(guī)模為自變量，以用水結構為因變量，整理行業(yè)歷史用水占比和行業(yè)增加值占比系列，計算二者相關系數r值，得到各產業(yè)結構與用水結構的相關程度。r越大，表示產業(yè)發(fā)展對水的依賴程度越高。相關分析公式如下：

(2)

當r=1時，表示產業(yè)占比x與用水占比y完全相關；當r=0時為完全獨立；r∈(0，0.3)時，為微相關；r∈[0.3，0.5)時，為低度相關；r∈[0.5，0.8)時，為顯著相關；r∈[0.8，1)時，為高度相關。

選擇相關關系較強的產業(yè)類型，基于其產業(yè)占比變化規(guī)律，結合用水總量約束和GDP總量預測，優(yōu)先確定產業(yè)增加值和用水區(qū)間，從而得到其單位產業(yè)增加值用水量。考慮相關性后的行業(yè)用水效率計算如下：

(3)

式中：ei，j為第i分區(qū)第j產業(yè)的用水效率，m3/萬元；j=(1，2，3)，分別表示第一、第二、第三產業(yè)；Wi、Gi分別為第i分區(qū)的分配水量和GDP；xi，j為第i分區(qū)第j產業(yè)的用水量占比；yi，j為第i分區(qū)第j產業(yè)的增加值占比。

通過上述分析得出行業(yè)發(fā)展與用水的協調關系。由于不同行業(yè)的單位增加值用水效率差異較大，實際應用中也可以行業(yè)用水效率的相對變化值作分析。

3.2 引導準則“四水四定”是以水資源約束倒逼發(fā)展，需要將水作為動力因子，制定引導水量分配的準則，驅動預期的發(fā)展方向。發(fā)展目標包括經濟目標和社會目標，前者反映效率，在有限資源條件下追求更高效益；后者反映公平，確保行業(yè)、區(qū)域發(fā)展均衡，避免差距過大。

根據“四水四定”目標，結合水資源配置的一般原則，提出“尊重現狀、保障剛需、效率驅動、區(qū)域均衡”的水量分配引導準則。尊重現狀是以已有水量分配方案、現有經濟社會發(fā)展水平以及用水狀況為基礎；保障剛需是優(yōu)先滿足民生、國家戰(zhàn)略和區(qū)域定位要求的行業(yè)發(fā)展用水；效率優(yōu)先是保障剛需后的水量按照產出效益最大進行分配；區(qū)域均衡是在滿足前述要求的條件下實現用水公平，縮小區(qū)域發(fā)展差距。根據上述準則可確定兩類用水需求。第一類是剛性需求，包括：(1)居民生活用水；(2)基本生態(tài)環(huán)境用水；(3)優(yōu)先保障的產業(yè)用水。第二類是一般需求，指剛性需求以外的產業(yè)用水。由于后兩項準則存在競爭關系，需要多目標協調優(yōu)化，在保障剛需基礎上滿足一般需求。

根據上述準則分析水約束下的“四定”用水配置關系。生活用水通常占比不高，“定人”的依據主要是經濟規(guī)模能否滿足一定人均水平，實際依賴于“產”的結果?！爱a”“地”存在用水競爭，依賴用水效益驅動，而農業(yè)難以和其他行業(yè)競爭。考慮社會基本保障和行業(yè)公平性，需要在滿足農業(yè)基本需求后考慮水量的優(yōu)化流動，因此將農業(yè)基本需求作為優(yōu)先保障的產業(yè)用水，并初步完成“定地”。將生活以外的剛性需求扣除后作為“定產”的水量約束，也即“定產”是在初步“定地”的基礎上完成?！岸ǖ亍焙蟮乃渴恰叭恕薄爱a”共用，二者應根據人口規(guī)模、經濟水平相互協調?！岸ǖ亍钡耐瑫r可以提供農業(yè)的經濟效益，為“定產”提供信息。當存在人均糧食安全保障需求時，“定地”也需要與“定人”協調。城鎮(zhèn)人口和非農產業(yè)決定城鎮(zhèn)規(guī)模，通過合理的用水集約度分析建成區(qū)用水強度和規(guī)模，即“定人”“定產”是“定城”的基礎。“定產”后還需要再次反饋“定地”規(guī)模，當“定產”受發(fā)展速度等各類約束不能完全利用時存在富余水量，或剛性約束不能保證時，也需要對“定地”水量和規(guī)模進行調整。

綜上，在上述引導準則下給出“四定”競爭用水關系如圖2所示，其中水約束1指總的水資源可利用量，水約束2是指協調“定產”“定人”的水資源可利用量。

圖2 “四水四定”水量約束流轉和內部協調關系分析

3.3 優(yōu)化準則在水資源稀缺條件下，產出效益更高的部門和區(qū)域會優(yōu)先獲取水量。“四水四定”是優(yōu)先保障部分需求下的限定水量競爭利用模式，在保障剛需基礎上盡可能提升效益，并兼顧區(qū)域均衡關系。不同行業(yè)可能同時存在剛性需求和一般需求，前者反映公平性的社會目標，后者反映效率優(yōu)先的經濟目標，通過層次化需求反映不同目標保障[32]。剛性需求優(yōu)先保障，一般需求的水量分配通過效率競爭獲取[33]。

按照上述水量優(yōu)化配置原理，綜合考慮經濟效益和均衡發(fā)展兩方面因素建立目標函數，確定分類水量約束和配置關系、剛性保障需求、水量平衡等約束條件，構建“四水四定”多目標協調優(yōu)化模型。選取人均GDP最大為經濟目標實現“效率驅動”，使有限水量支撐更大產出效益；選取人均GDP差距最小、人口與產業(yè)分布偏離度為社會目標實現“區(qū)域均衡”，縮小行業(yè)、區(qū)域發(fā)展差異，體現公平；通過約束條件反映“尊重現狀、保障剛需”要求。

4 模型設計

按照上述協調優(yōu)化的準則，建立多目標決策模型。

4.1 目標函數根據協調發(fā)展目標綜合確定優(yōu)化目標函數如下：

f(x)=f{maxGDP，minGAP， minDEV，PEN}

(4)

式中：maxGDP為區(qū)域人均GDP最大；minGAP為分區(qū)人均GDP差距最小；minDEV為人口與產業(yè)分布偏離度最小，也即匹配程度最高；PEN為罰函數，當模型因約束嚴格無解時，需突破部分約束條件降低目標值。

人均GDP最大目標：

(5)

式中：Wi，j為第i個分區(qū)第j個用戶的分配水量；Ei，j為該用戶單位用水量創(chuàng)造的增加值，根據用水效率推算；Pi為第i個分區(qū)人口數量；m為分區(qū)個數；n為產業(yè)用水戶數，包含第一、第二、第三產業(yè)。

區(qū)域人均GDP差距最小目標，采用梯形面積法的基尼系數公式計算[34]：

(6)

式中：Xi為從低到高排序后第i個分區(qū)GDP占全區(qū)總GDP的累計比例；Yi為從低到高排序后第i個分區(qū)人口數占全區(qū)人口總數的累積比例。

區(qū)域人口與產業(yè)分布偏離度最小目標，考慮第一產業(yè)和第二產業(yè)受自然環(huán)境影響較大，以第三產業(yè)與人口的分布偏離度來衡量，采用分區(qū)第三產業(yè)份額與人口份額差的絕對值計算[35-36]：

(7)

式中：Mi指數為各地區(qū)產業(yè)份額與人口份額差的絕對值；Hi為產業(yè)份額差，用區(qū)域第三產業(yè)增加值占全區(qū)第三產業(yè)增加值總量的比例來表示；Si為人口份額差，用區(qū)域人口占全區(qū)人口比例來表示。

M指數的取值范圍為[0，1]，數值越小表明產業(yè)與人口分布的匹配度越高。以各個分區(qū)累計的人口產業(yè)分布偏離度最小作為引導區(qū)域產業(yè)和人口分布盡可能一致的目標。

基于尊重現狀和保障剛性原則，當剛性需求不能保障、分區(qū)用水總量與現狀偏離較大時，通過罰函數降低目標值。在具備條件的情況下用水效率提升的經濟成本也可以由罰函數反映。罰函數計算公式如下：

(8)

式中：Cont為第t項剛性需求不能保障的偏離值；Divt為對應的偏差計算系數；T為需要考慮的剛性需求用戶數量，包括糧食安全、重點工業(yè)、重點生態(tài)等不同用戶；Wsti為分區(qū)用水總量突破現狀范圍的比例值；Csti為對應的偏差計算系數。

式(8)中，Cont和Wsti為均按照(0，1]取值，偏離值超過一倍后均按照1計算。Divt為按照不同剛需用戶的相對偏離值歸一處理后占系統(tǒng)總偏離值的比重，Csti為不同分區(qū)現狀用水量占全區(qū)總用水量的比例。

上述計算中的現狀用水范圍可以采用近期實際用水的變化范圍，也可以按照現有的水資源管控紅線作為取值依據，全區(qū)取水總量約束為不可突破的硬約束。因此，罰函數取值范圍為(0，2]。

4.2 約束條件第一類為水源條件約束，包括取用水及耗水總量約束，根據區(qū)域情況也可以有分類水源約束。

(9)

式中：Wi為第i個分區(qū)的分配水量；WA總為全區(qū)總用水量約束值。

第二類為水量平衡與配置約束，具體包括：

(1)取耗水平衡約束：按照分區(qū)分類用戶耗水率計算耗水，城鎮(zhèn)生活和部分工業(yè)扣除耗水后的排水作為污水水源，結合處理回用率得出再生水可利用量。

(2)區(qū)域用水總量約束：在分區(qū)存在用水總量紅線指標時，按照尊重現狀原則，對比現狀指標設置變化范圍，在指標約束突破時通過罰函數降低目標效益。

(3)配置關系約束：一是不同類別水源與用戶的可行配置關系限制，如地下水不作為環(huán)境用水或農業(yè)用水，非常規(guī)水源不供給生活用戶等；二是水源工程限制，如外調水工程需在限定受水區(qū)范圍分配。該約束根據區(qū)域實際情況和情景分析需求設定。

(4)用水效率約束：各類用水效率必須在合理范圍內，可參照協調關系分析中的式(3)設定。

第三類為經濟社會發(fā)展范圍約束，按照趨勢分析提出全區(qū)總體控制范圍，基于現狀制定各個區(qū)域限制范圍，具體包括：

(1)人口總量增速與結構約束：根據人口變化趨勢結合規(guī)劃分析，確定可行的變化范圍。

(2)分區(qū)人口數量與結構約束：以現狀為基準，變化范圍可參考歷史狀況確定。

(3)GDP增長率與結構約束：參考區(qū)域規(guī)劃結合近期的平均和最大增長率設定。

(4)灌溉面積控制要求：考慮糧食安全目標設定。

第四類為剛性用水需求保障約束：

(10)

式中：Wgi為分區(qū)i對應的剛性需水；l為有剛需要求的分區(qū)數量；WG為最低保障水量。該約束可以根據具體情況對分區(qū)單元或全區(qū)總值設定。

4.3 計算與應用針對4.1節(jié)中三類目標按照權重相等的方式處理，如采用理想點或離差標準化歸一化處理計算目標函數總值，轉化為單目標優(yōu)化問題，再采用線性規(guī)劃、智能優(yōu)化算法求解?？梢园凑铡八亩ā眳f調關系分析建立約束變化范圍，以現狀數據作為初始值。通過模型的整體協調優(yōu)化計算，得出分區(qū)分行業(yè)的水量控制結果，以及對應的“四定”規(guī)模結果。

由于模型目標函數僅反映了效率和公平這兩項因素，計算結果是否全面滿足高質量發(fā)展要求，還應進行綜合評價，形成包括資源、經濟、生態(tài)、環(huán)境和防災等多方面的水安全評價指標體系[37]。綜合高質量發(fā)展的內涵，可以從發(fā)展水平、協調均衡、集約高效和綠色生態(tài)等方面構建評價體系，對區(qū)域整體和分區(qū)發(fā)展質量進行評價。依據評價結果反饋調整模型的約束條件、罰函數，形成更為合理的方案結果。

“四水四定”目的是提供發(fā)展布局和水量分配的調控方向和措施。通過對比方案結果和現狀，可以提出針對人口、產業(yè)、農業(yè)、城鎮(zhèn)發(fā)展布局的調控方向，以及相應的完善水量區(qū)域行業(yè)分配、提升用水效率的工程和管理措施，實現從現狀到未來良性發(fā)展。

5 結論

“四水四定”以確定發(fā)展規(guī)模布局為主線，而不以供需平衡和缺水為主導，從計算目標、分配原則、輸出結果上均有別于現有的水資源配置。“四水四定”是將經濟社會發(fā)展決策與水資源配置結合的新理念，需要新的分析思路，重點將區(qū)域自然特征、經濟社會發(fā)展現狀與水資源條件結合，從被動的“先發(fā)展后適應”轉變?yōu)橹鲃拥摹跋燃s束后發(fā)展”，推進水資源剛性約束制度落地實施。

“四水四定”是當前的政策熱點，實踐需求增強，相關研究也逐漸增多，然而目前還缺乏量化計算工具和完整的案例應用?；诖?，論文探討了“四水四定”分析路徑和方法，形成量化分析工具，可為相關研究和實際工作提供參考。主要的創(chuàng)新突破包括：(1)提出“四水四定”指標，明晰產業(yè)結構變化與用水效率關系，解析水與“四定”的協調關系，建立保障剛性需求基礎上效率驅動競爭用水的優(yōu)化準則；(2)協調保障公平性的社會目標和效率優(yōu)先的經濟目標，建立目標函數和約束條件，構建行業(yè)發(fā)展規(guī)模控制和水量分配的整體模型。通過模型可以實現整體性決策分析，規(guī)避單獨分析各類發(fā)展目標時相互關系不清晰、邊界條件難以確定的不足。