基于泰爾指數(shù)的水資源配置公平性研究
——以引江濟(jì)淮工程河南段為例

陶 潔,張 李 婷,左 其 亭,馮 躍 華,張 玉 順

(1.鄭州大學(xué) 水利與交通學(xué)院,河南 鄭州 450001; 2.河南省水循環(huán)模擬與水環(huán)境保護(hù)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450001; 3.河南省豫東水利保障中心,河南 開(kāi)封 475000; 4.河南省水利科技應(yīng)用中心,河南 鄭州 450000)

0 引 言

水資源配置是水資源規(guī)劃管理的核心內(nèi)容,其目的是基于有效、公平、可持續(xù)等原則,對(duì)有限的不同形式水資源在不同甚至是沖突的利益主體之間進(jìn)行分配,最終促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與資源、生態(tài)、環(huán)境和諧的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。水資源多目標(biāo)配置可以平衡區(qū)域內(nèi)不同用水戶的供需要求,實(shí)現(xiàn)最大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和最小的環(huán)境影響[3-4]。Flinn等[5]于1970年提出了空間均衡的概念,并在水資源配置中進(jìn)行研究應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)水資源公平性分配。水資源公平分配與否直接影響著區(qū)域間和用戶間的用水矛盾甚至沖突,也被普遍認(rèn)為是水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵[6-7]。

目前水資源公平性配置研究也從定性分析逐漸轉(zhuǎn)向定量評(píng)估,多通過(guò)基尼系數(shù)和泰爾指數(shù)等開(kāi)展[8-9]。基尼系數(shù)自從被Cullis等[10]確定是衡量水分配不平等的可行量化方法后,多應(yīng)用于水資源公平性研究,如Hu等[11]和Xu等[12]利用基尼系數(shù)研究了區(qū)域水資源配置中公平與經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系。與基尼系數(shù)相比,泰爾指數(shù)是由荷蘭經(jīng)濟(jì)學(xué)家Theil[13]根據(jù)信息理論提出,最初用于國(guó)家間收入差距研究,現(xiàn)多用于判斷區(qū)域資源量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的均衡性,反映配水的公平性。泰爾指數(shù)能夠在反映公平性的基礎(chǔ)上,允許進(jìn)一步將全局差異分為不同時(shí)間、區(qū)域和層次范圍內(nèi)的差異,并進(jìn)一步分析導(dǎo)致不公平性的原因[14-15]。例如,黃萬(wàn)華等[16]運(yùn)用泰爾指數(shù)分析長(zhǎng)江流域上、中、下游水資源管理績(jī)效水平區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)部的差距,發(fā)現(xiàn)組內(nèi)差異是總體差異的主要來(lái)源。黃鋒華等[17]利用泰爾指數(shù)對(duì)粵港澳大灣區(qū)東片區(qū)和西片區(qū)進(jìn)行水資源空間均衡性分析,發(fā)現(xiàn)區(qū)域間差異對(duì)總體差異貢獻(xiàn)率較大。然而,當(dāng)前研究主要集中在流域內(nèi)和流域間的水資源優(yōu)化配置,而對(duì)同一地區(qū)不同用水戶水資源配置公平性的研究較少。迄今為止,不同用水戶間的矛盾多用水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型來(lái)解決[18]。因此,將泰爾指數(shù)與水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型相結(jié)合,不僅可以提高受水區(qū)不同縣區(qū)間配水的公平性,而且可以有效解決不同用水戶間的用水沖突問(wèn)題。

引江濟(jì)淮工程是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江下游向淮河中游地區(qū)跨流域補(bǔ)水的重大水資源配置工程,是國(guó)務(wù)院要求加快推進(jìn)建設(shè)的172項(xiàng)重大水利工程之一,其中河南段工程也被列為河南省十大水利工程之一。為了給河南段受水區(qū)提供更好的水資源分配策略,本文以泰爾指數(shù)構(gòu)建考慮區(qū)域水資源空間均衡的多目標(biāo)優(yōu)化配置模型,并以2020年為現(xiàn)狀年,2030年和2040年為規(guī)劃水平年,研究引江濟(jì)淮工程河南段9個(gè)受水區(qū)之間跨流域調(diào)水的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題,以期實(shí)現(xiàn)區(qū)域間公平可持續(xù)發(fā)展。

1 工程和受水區(qū)概況

引江濟(jì)淮工程河南段在豫皖兩省交界處西淝河通過(guò)龍德泵站提長(zhǎng)江水入清水河,利用三級(jí)泵站提水至試量閘上游向河南境內(nèi)輸水(見(jiàn)圖1)。經(jīng)過(guò)水利部行政許可文件(水許可決〔2019〕38號(hào))批復(fù):規(guī)劃2030年和2040年在試量站斷面分別引江水5.00 億m3和6.34 億m3。

圖1 引江濟(jì)淮工程河南段工程概況和受水區(qū)范圍示意Fig.1 Overview of the Henan section of the Yangtze-to-Huaihe River water diversion project and the scope of the water receiving area

河南段受水區(qū)范圍涉及商丘、周口的9個(gè)區(qū)縣(見(jiàn)圖1)。受水區(qū)位于豫東平原區(qū),人口密集,水資源匱乏,區(qū)域內(nèi)降水時(shí)空分布不均,地表水利工程攔蓄條件差,是河南省淮河流域缺水最嚴(yán)重的區(qū)域[19]?，F(xiàn)狀年2020年受水區(qū)可供水量為15.59 億m3,其中地下水供水12.30 億m3,占供水總量的78.88 %,不合理的供水結(jié)構(gòu)導(dǎo)致地下水超采嚴(yán)重,形成地下漏斗?，F(xiàn)狀年2020年受水區(qū)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水量分別占總用水量的12.38 %,9.88 %,74.48 %和3.25 %,農(nóng)業(yè)灌溉用水占比較大,生態(tài)用水被擠占現(xiàn)象嚴(yán)重,行業(yè)之間存在嚴(yán)重的水資源競(jìng)爭(zhēng)矛盾,容易增加缺水風(fēng)險(xiǎn)。

2 面向公平的水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型

2.1 配置原則

(1) 以流域和區(qū)域水資源可利用量為基礎(chǔ),以最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”為原則,維持河南省淮河流域水資源配置格局。規(guī)劃年引入引江濟(jì)淮水后,用水總量仍然不突破用水總量控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 遵循用水次序原則。優(yōu)先保證城鄉(xiāng)居民基本生活和最小生態(tài)環(huán)境用水;其次考慮到受水區(qū)是重要的糧食產(chǎn)地,因此先滿足農(nóng)業(yè)需水,再滿足工業(yè)和一般生態(tài)需水。

(3) 遵循供水次序原則。根據(jù)《引江濟(jì)淮工程(河南段)水資源論證報(bào)告》對(duì)當(dāng)?shù)夭煌撮_(kāi)發(fā)利用狀況及河南省人民政府對(duì)當(dāng)?shù)厮吹慕y(tǒng)籌規(guī)劃,確定受水區(qū)內(nèi)供水水源配置次序?yàn)?引江濟(jì)淮水、地表水(不含引江濟(jì)淮水)、淺層地下水、中水。其中,中水主要用于煤電、工業(yè)園區(qū)等大型用水企業(yè)或被作為市政雜用水和生態(tài)用水等;淺層地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉及少量鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)用水;深層地下水全面禁采,只在特殊情況下作為備用水源。依據(jù)SL430-2008《調(diào)水工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》規(guī)定“應(yīng)根據(jù)調(diào)水工程的任務(wù)及用戶的重要程度,結(jié)合水資源分布及可利用情況,合理確定供水保證率。城鄉(xiāng)生活供水保證率為95%～97%,工業(yè)供水保證率為 90%～95%,農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境供水保證率為 50%～90%”,引江濟(jì)淮工程河南段設(shè)計(jì)供水保證率為:城鎮(zhèn)生活、工業(yè)供水保證率為 95%;農(nóng)業(yè)灌溉用水為當(dāng)?shù)厮?農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)計(jì)保證率為60%。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

按行政區(qū)劃將研究區(qū)域分為9個(gè)受水子區(qū),用k表示;供水水源分為地表水、淺層地下水、引江濟(jì)淮水及中水回用4種,用i表示;用水戶分為生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)4類(lèi),用j表示。從社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、公平性3個(gè)方面設(shè)置目標(biāo)函數(shù)。

(1) 社會(huì)效益f1(x)。區(qū)域缺水率的大小和程度直接影響社會(huì)發(fā)展和穩(wěn)定,故以區(qū)域缺水率最小作為社會(huì)效益目標(biāo),即:

(1)

(2) 經(jīng)濟(jì)效益f2(x)。以可供水資源量帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo),即:

(2)

(3) 公平性f3(x)。用泰爾指數(shù)表征區(qū)域間、區(qū)域內(nèi)不同用水戶間兩個(gè)層面水資源配置的差異和公平性。指數(shù)越大,指標(biāo)間匹配程度低,即水資源量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡,水資源配置越不公平;指數(shù)越接近于零,表示差異性越小,水資源配置越公平。

maxf3(x)=min(Twr+Tbr)

(3)

(4)

(5)

2.3 約束條件

2.3.1供水能力約束

供水水源i實(shí)際供水量不能超過(guò)其可供水總量上限,即:

(6)

2.3.2需水約束

為了滿足基本用水需求,分配給各受水子區(qū)各用水戶的總水量應(yīng)以其最大需水量為上限,以其最小需水量為下限,即:

(7)

2.3.3引江濟(jì)淮工程可調(diào)水量約束

引江濟(jì)淮工程可調(diào)水量約束見(jiàn)式(8):

(8)

式中:Q為引江濟(jì)淮工程河南段調(diào)水量,規(guī)劃年2030年調(diào)水量為5.00 億m3,2040年為6.34 億m3。

2.3.4非負(fù)約束

配置水量均滿足非負(fù)約束條件。

2.4 參數(shù)確定

2.4.1供水次序系數(shù)、用水次序系數(shù)

受水子區(qū)配水優(yōu)先系數(shù)按照受水子區(qū)產(chǎn)值占整個(gè)受水區(qū)生產(chǎn)總值的比例確定,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。當(dāng)?shù)毓┧床煌盟畱粲盟涡蛳禂?shù)根據(jù)受水子區(qū)水資源配置原則,按公式(9)計(jì)算得到:生活0.4、農(nóng)業(yè) 0.3、工業(yè)0.2、生態(tài)0.1;引江濟(jì)淮水不同用水戶用水次序系數(shù)為:生活0.50、工業(yè)0.34、生態(tài)0.16。

表1 效益系數(shù)及配水優(yōu)先系數(shù)Tab.1 Benefit coefficient and priority coefficient of water distribution

水源供水次序系數(shù)根據(jù)各水源的調(diào)節(jié)能力和水資源配置原則按式(10)計(jì)算,結(jié)果為引江濟(jì)淮水0.4、地表水0.3、淺層地下水0.2、中水0.1。

(9)

(10)

2.4.2效益系數(shù)和費(fèi)用系數(shù)

效益系數(shù)為單位用水量創(chuàng)造的產(chǎn)值。工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水效益系數(shù)分別為單位用水量創(chuàng)造的工業(yè)增加值、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值[20]。但是生活、生態(tài)用水效益系數(shù)難以確定,本文按工業(yè)用水效益系數(shù)進(jìn)行折算確定,具體計(jì)算如式(11)～(14)所示[21-22],取值結(jié)果見(jiàn)表1。

(11)

(12)

(13)

(14)

農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活費(fèi)用系數(shù)參考當(dāng)?shù)厮畠r(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定,生態(tài)費(fèi)用系數(shù)按與生活費(fèi)用系數(shù)相等的原則確定。最終確定研究區(qū)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水戶的費(fèi)用系數(shù)依次為2.4 元/m3、3.2 元/m3、0.47 元/m3、2.4 元/m3。

2.4.3需水量上下限

依據(jù)受水區(qū)供水保證率要求,結(jié)合參考文獻(xiàn)[23],確定各用水戶需水量的上下限:

(1) 生活用水屬于保障性用水,需要優(yōu)先滿足,生活需水量上下限均取規(guī)劃年需水量。

(2) 工業(yè)需水量上限取規(guī)劃年需水量,下限取規(guī)劃水平年需水量的0.95 倍。

(3) 農(nóng)業(yè)需水量上限取規(guī)劃年需水量,下限取規(guī)劃水平年需水量的0.6 倍。

(4) 生態(tài)需水量上下限與生活用水相同,上下限均取其規(guī)劃水平年的需水量。

2.4.4供需水量預(yù)測(cè)

采用定額法預(yù)測(cè)規(guī)劃年2030,2040年的需水量[23]。從不同的水源考慮現(xiàn)狀工程供水能力、水資源可利用量及工程變化狀況來(lái)綜合確定可供水量?，F(xiàn)狀年供水量查閱相關(guān)水資源公報(bào)確定。

2.5 模型求解

目前,求解多目標(biāo)的復(fù)雜非線性優(yōu)化模型最流行的是基于參考點(diǎn)的非支配排序方法的進(jìn)化算法(NSGA),其中NSGA-Ⅲ算法利用參考點(diǎn)分布良好的特征來(lái)維持種群的多樣性,其優(yōu)勢(shì)是在處理3個(gè)以上目標(biāo)時(shí)具有更好的收斂性,避免了NSGA-Ⅱ算法陷入局部最優(yōu)解的情況[24]。本文選擇NSGA-Ⅲ算法求解水資源配置模型。

3 結(jié)果分析

3.1 水資源優(yōu)化配置方案分析

引江濟(jì)淮工程河南段規(guī)劃年水資源配置方案見(jiàn)表2。2030,2040年河南段受水區(qū)缺水量分別為2.68億m3、1.53億m3,相較于現(xiàn)狀年2020年(6.95億m3)缺水明顯減少,工程調(diào)水有效緩解了當(dāng)?shù)毓┧畨毫ΑＲ?guī)劃年2030,2040年地下水供水占比分別為53.31 %,46.58 %,較現(xiàn)狀年2020年(78.88 %)顯著降低,可改善靠超采地下水來(lái)維持受水區(qū)供水的狀況。

表2 規(guī)劃年引江濟(jì)淮工程河南段水資源配置方案Tab.2 Water resources allocation scheme for Henan section of the Yangtze-to-Huaihe river water diversion project in the planning year 萬(wàn)m3

3.2 社會(huì)效益分析

規(guī)劃年受水區(qū)配置方案社會(huì)效益(以缺水率來(lái)表征)見(jiàn)表3。生活和生態(tài)用水戶需水量均滿足,圖2僅展示工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水戶的缺水量狀況,由于永城市是一座能源工業(yè)城市,工業(yè)需水量較大,工業(yè)缺水最嚴(yán)重。僅太康縣受水區(qū)農(nóng)業(yè)用水戶滿足需求,這主要是因?yàn)樘悼h淺層地下水資源豐富,在滿足農(nóng)業(yè)用水戶需求外,仍有剩余可供給工業(yè);夏邑縣農(nóng)業(yè)需水量大,但主要供給農(nóng)業(yè)的淺層地下水量較小,導(dǎo)致夏邑縣農(nóng)業(yè)缺水最為嚴(yán)重,2030年和2040年缺水量分別為7 447萬(wàn)m3和4 989萬(wàn)m3。

表3 規(guī)劃年引江濟(jì)淮工程河南段水資源配置方案的目標(biāo)效益Tab.3 Target benefits of water resources allocation scheme for Henan section of the Yangtze-to-Huaihe river water diversion project

圖2 規(guī)劃年引江濟(jì)淮工程河南段用水戶缺水量Fig.2 Water shortage of water users in Henan section of the Yangtze-to-Huaihe River water diversion project in the planning year

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

規(guī)劃年水資源配置方案的經(jīng)濟(jì)效益見(jiàn)表3。2030,2040年受水區(qū)總經(jīng)濟(jì)效益分別為747.50 億元、945.81 億元,2040年較2030年增長(zhǎng)了26.53 %,其中鄲城縣經(jīng)濟(jì)效益增幅最大,增長(zhǎng)了37.16 %。由于永城市礦產(chǎn)資源和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品豐富,受水區(qū)中經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值最高,2030年、2040年占比分別為17.86 %和18.21 %。

3.4 公平性分析

3.4.1匹配性分析

規(guī)劃年水資源量與經(jīng)濟(jì)效益的匹配性分析見(jiàn)圖3,2030年配置水量最少與經(jīng)濟(jì)效益最差的分別為梁園區(qū)和鄲城縣,區(qū)域間水資源配置存在不匹配現(xiàn)象;2040年配置水量和經(jīng)濟(jì)效益最低的均為梁園區(qū),配置水量與經(jīng)濟(jì)效益匹配性提升,區(qū)域間水資源配置公平性提高。規(guī)劃年各用水戶配置水量占比最高的是農(nóng)業(yè)用水戶,而經(jīng)濟(jì)效益占比最高的是生活用水戶,農(nóng)業(yè)用水戶產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最低,夏邑縣水資源配置公平性最差也與上述原因一致,區(qū)域內(nèi)用水戶間水資源配置不公平性現(xiàn)象明顯。

圖3 河南段受水區(qū)規(guī)劃年水資源配置匹配性分析Fig.3 Matching analysis of water resources allocation in the planned year of the water receiving area in Henan section

3.4.2差異貢獻(xiàn)率分析

規(guī)劃年區(qū)域內(nèi)用水戶間水資源配置差異結(jié)果見(jiàn)表3。區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間配水差異對(duì)總體水資源配置公平性的貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4。規(guī)劃年泰爾指數(shù)計(jì)算結(jié)果均遠(yuǎn)大于零,經(jīng)濟(jì)角度下河南段受水區(qū)水資源配置處于不公平狀態(tài),2040年泰爾指數(shù)較2030年有所降低,水資源配置公平性提升,這與上述水資源量與經(jīng)濟(jì)效益匹配度提高結(jié)果相同。2030年和2040年用水戶間水資源配置的差異占比分別96.24 %,96.19 %,水資源配置不公平性主要由受水區(qū)區(qū)域內(nèi)用水戶間的用水量差異所導(dǎo)致,其直接影響其他用水戶的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 河南段受水區(qū)規(guī)劃年水資源配置公平性分析Tab.4 Equity analysis of water resources allocation in the planned year of the water receiving area in Henan section

4 結(jié)論與展望

本文將體現(xiàn)區(qū)域水資源與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展差異、表征公平性的泰爾指數(shù)納入到水資源配置模型中,并開(kāi)展引江濟(jì)淮工程河南段應(yīng)用研究,得到結(jié)論如下:

(1) 規(guī)劃水平年2030年和2040年河南段受水區(qū)泰爾指數(shù)分別為0.479和0.420,水資源配置公平性提高,用水戶間配水的差異性對(duì)河南段水資源配置公平性起到?jīng)Q定性作用,將公平性目標(biāo)納入水資源優(yōu)化配置模型,能夠?qū)⒂邢薜乃Y源更合理地分配,分析水資源配置不公平性產(chǎn)生的原因,為區(qū)域空間均衡發(fā)展提供借鑒。

(2) 由配置結(jié)果得出,針對(duì)受水區(qū)供水結(jié)構(gòu),需通過(guò)強(qiáng)化節(jié)約用水、計(jì)劃用水、科學(xué)用水等措施減少無(wú)效需求減輕供水壓力。污水回用占比較小,受水區(qū)要擴(kuò)大水源,加快城市污水處理設(shè)施建設(shè)、努力實(shí)現(xiàn)污水資源化提高工業(yè)用水的重復(fù)利用率及污水處理回用量,加大該區(qū)的供水能力。

(3) 引江濟(jì)淮工程河南省受水區(qū)人口密集、耕地率高,農(nóng)業(yè)用水占比最大,而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益較小,因此,未來(lái)河南段受水區(qū)應(yīng)在保證糧食安全、嚴(yán)守耕地紅線的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變種植結(jié)構(gòu)提高農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù),推進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化,優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和區(qū)域布局,加強(qiáng)糧食生產(chǎn)功能區(qū)、重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)和特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)區(qū)建設(shè),提高農(nóng)業(yè)用水戶的經(jīng)濟(jì)效益。

本次研究?jī)H從年尺度開(kāi)展水資源配置公平性研究,后續(xù)有必要進(jìn)一步細(xì)化到月、日、實(shí)時(shí)尺度;且模型構(gòu)建中有必要進(jìn)一步納入?yún)^(qū)域水污染、生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題,以期實(shí)現(xiàn)水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)。