王 川

(南岸干渠灌區(qū)管理處，新疆 伊犁 835100)

1 概 述

本世紀(jì)，水資源管理將面臨日益嚴(yán)重的稀缺性、日益激烈的競爭和日益增長的環(huán)境問題。在未來幾十年中，水問題預(yù)計將成為一些國家可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素，而水價是克服這一制約因素的關(guān)鍵工具。雖然水價政策的實(shí)施不會對工業(yè)、水電和城市用戶造成實(shí)質(zhì)性問題，但在農(nóng)業(yè)用戶方面，這已成為一個極具爭議的問題[1-2]。它們有幾個共同的特點(diǎn)：①灌溉農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量中占有很大的比重，在一些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動中仍然發(fā)揮著重要作用。②農(nóng)業(yè)一直是，而且仍然是主要的用水者。尤其在中國西部地區(qū)，那里的農(nóng)業(yè)用戶占總用水量的80%，因此成為水價政策領(lǐng)域的主要利益相關(guān)者。③農(nóng)業(yè)集約化導(dǎo)致水資源和肥料使用的顯著增加，造成日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。其中包括地下水和河流水位下降，這是取水的直接結(jié)果；硝酸鹽、磷酸鹽和農(nóng)藥的淋失增加以及地下水和地表水的污染[3-4]。

綜上所述，成本回收方法的實(shí)施意味著水價政策的一個重要變化，表明需要認(rèn)真界定水價標(biāo)準(zhǔn)，同時考慮到環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)和區(qū)域的具體影響。這種新的體制背景增加了開發(fā)經(jīng)濟(jì)管理工具的必要性，以評估不同用水者和不同用水者之間的水價標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計和評估。

2 方法論

鑒于供水成本和水價的影響在整個特定流域可能高度不均勻，對水價政策的評估應(yīng)能夠在詳細(xì)和分類的層面上區(qū)分和描述政策影響。為此，開發(fā)了一個模擬水資源利用的模型——“實(shí)證數(shù)學(xué)規(guī)劃”模型，以應(yīng)對容積水價的情景，并將其應(yīng)用于大量異質(zhì)灌溉地區(qū)。與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法相比，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確地表示參考情況，對數(shù)據(jù)的要求較低，并且當(dāng)模型用于政策變化分析時，模型結(jié)果能夠?qū)ν馍鷧?shù)的連續(xù)變化作出平滑的響應(yīng)。對我們的目標(biāo)也很重要的是，通過應(yīng)用PMP方法，有可能建立反映每個灌溉區(qū)觀測到的種植模式的模型自動校準(zhǔn)程序，并便于在詳細(xì)比例尺上通過流域的不同區(qū)域進(jìn)行復(fù)制。

實(shí)證數(shù)學(xué)規(guī)劃的一個主要缺點(diǎn)是，農(nóng)民可選擇的方案僅限于在基準(zhǔn)年情況下觀察到的活動。為了克服這一困難，擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)的PMP方法，以便納入新的生產(chǎn)活動和灌溉技術(shù)。提出一種成本轉(zhuǎn)移方法，以模擬采用新的灌溉技術(shù)和從灌溉作物向旱地作物的轉(zhuǎn)變。

遵循標(biāo)準(zhǔn)的PMP方法，對數(shù)學(xué)規(guī)劃模型進(jìn)行校準(zhǔn)，以觀察到涉及兩步實(shí)施程序的活動水平。在第一步中，傳統(tǒng)的線性規(guī)劃模型是以灌區(qū)的觀測活動水平為界，引入一組校正約束。在第二步中，與校準(zhǔn)約束相關(guān)聯(lián)的對偶值允許恢復(fù)非線性目標(biāo)函數(shù)，使得一旦刪除校準(zhǔn)約束，新的規(guī)劃模型幾乎準(zhǔn)確地再現(xiàn)了觀察到的活動水平。

校準(zhǔn)模型理論公式為(子索引j=1。m表示作物類型，子索引r=1。s表示灌溉技術(shù)，分項(xiàng)指數(shù)i=1。n表示資源類型)

(1)

(2)

xjr≥0;?j,r

(3)

(4)

目標(biāo)函數(shù)使農(nóng)場凈收入最大化。凈收入定義為總銷售額減去灌溉成本和其他可變成本。資源限制包括對可用耕地總量、可用灌溉水總量和農(nóng)業(yè)政策的限制。

(5)

(6)

(7)

式中：λi為i資源的雙重值；mjr為與校準(zhǔn)約束相關(guān)聯(lián)的雙重值。第一個條件式(5)可以重寫為：

(8)

(9)

使用一階條件，邊際值mjr的向量允許根據(jù)以下條件計算這個函數(shù)的參數(shù)αjr，y和jr:

(10)

αjr=cjr?j,r/xjr≠0

(11a)

αjr=max{cjr′,((pjyjr-pjyjr′))} ?j,r/xjr=0

(11b)

其中r表示觀測情況中不存在的灌溉技術(shù)子集，但如果經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)生變化，則可能是解決方案的一部分。式(11)允許校準(zhǔn)未觀測到的技術(shù)或活動，同時保證這些活動不包括在基年解決方案中。一旦成本函數(shù)恢復(fù)，完整的非線性模型可以定義為：

(12)

(13)

xjr≥0

(14)

目標(biāo)函數(shù)式(12)集成水價部分，以模擬成本回收情景。在這個術(shù)語中，t是成本回收水平，w是單位生產(chǎn)活動的用水量。該非線性模型再現(xiàn)了在基準(zhǔn)年情況下觀察到的活動水平，能夠模擬假設(shè)的成本回收情景。

3 經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用

利用農(nóng)業(yè)或河流流域統(tǒng)計資料建立一個綜合數(shù)據(jù)庫。對于每個灌溉區(qū)，收集了關(guān)于觀測到的生產(chǎn)活動水平、灌溉技術(shù)、每種作物的投入使用、水費(fèi)、每項(xiàng)活動的可變成本、作物價格、作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)政策補(bǔ)貼的現(xiàn)有信息。還記錄了每個灌溉區(qū)的總耕地、灌溉用地和可用水量。

為了說明這種方法論方法在評估水價機(jī)制執(zhí)行情況方面的能力，選取西部地區(qū)南岸干渠的兩個灌區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，定為A灌區(qū)和B灌區(qū)，其中A灌區(qū)灌溉方式主要為地面灌溉，B灌區(qū)為噴灌與地面灌溉相結(jié)合。在這兩種情況下，灌溉都是用地表水進(jìn)行的；流域管理局主要負(fù)責(zé)供水系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。兩個灌區(qū)目前的水價都是以每公頃為基礎(chǔ)確定的，換算成容積價格將是0.14元/m3。見圖1。

圖1 灌溉技術(shù)

為了分析水價的潛在影響，模擬了0～3元/m3的水價。模擬遠(yuǎn)高于目標(biāo)成本回收水平的水價，以評估不同的水價標(biāo)準(zhǔn)，并說明水價的影響。

取水結(jié)果表明，由于技術(shù)變化和作物替代效應(yīng)，將水價從0元/m3提高到3元/m3將導(dǎo)致水的使用量顯著減少，并且隨著水價的提高會引起灌區(qū)灌溉技術(shù)的改革。例如，在灌區(qū)A，水費(fèi)為0.9元/m3時導(dǎo)致用水減少30%，而1.2元/m3的水費(fèi)導(dǎo)致用水減少40%。

水價的變化影響著用水量的變化，見圖2。隨著水價從0元/m3提高至3元/m3，用水量從7 000 m3/hm2左右減少至800 m3/hm2。從圖2中可以看出，A灌區(qū)與B灌區(qū)的用水量變化略有差異，隨著水價的提高A灌區(qū)的用水量降低更快。這表明由于節(jié)水灌溉技術(shù)的使用，B灌區(qū)的生產(chǎn)率更好，抵御水價波動的能力更強(qiáng)。

圖2 耗水量

分析水價政策的社會經(jīng)濟(jì)影響，主要是農(nóng)場收入和勞動力收入，見圖3和圖4。關(guān)于農(nóng)場收入，A灌區(qū)與B灌區(qū)的收入變化趨勢類似，但是整體收入B灌區(qū)始終高于A灌區(qū)。對于勞動者的收入，當(dāng)水價在0.14元/m3以下時，A灌區(qū)勞動者收入要高于B灌區(qū)勞動者收入；當(dāng)水價大于0.3元/m3時，A灌區(qū)勞動者收入急劇下降。

圖3 農(nóng)場凈收入

水價對勞動力的影響對于地區(qū)的低水價水平尤為重要。圖4顯示，水和勞動力具有重要的互補(bǔ)性。低水價的情況尤其如此。

圖4 勞動者凈收入

圖5和圖6顯示了肥料使用和水分提取之間的密切關(guān)系。在施肥方面，兩個灌區(qū)的模型結(jié)果有很大不同。在灌區(qū)A(圖5)，隨著水價的上漲，化肥的使用量明顯減少。對于低水價來說，這一事實(shí)尤其如此。

圖5 灌區(qū)A化肥消耗量分析圖

圖6 灌區(qū)B化肥消耗量分析圖

關(guān)于灌區(qū)B(圖6)，模型結(jié)果表明，水價上漲可能導(dǎo)致硝酸鹽肥料用量增加。這種現(xiàn)象發(fā)生在中等的水價水平。事實(shí)上，作物活動與肥料利用之間存在著密切的對應(yīng)關(guān)系，用甜菜等硝酸鹽需求量較高的作物部分替代棉花可以解釋這一結(jié)果。結(jié)果表明，不同地區(qū)水價機(jī)制對環(huán)境的影響可能存在較大差異，需要進(jìn)一步分析。

4 結(jié) 論

本文建立正態(tài)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，用以評估大量灌區(qū)效益的影響。該模型可以模擬不同水價情景下農(nóng)戶的行為，與傳統(tǒng)的農(nóng)場建模方法相比，正態(tài)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法具有較低的野外數(shù)據(jù)采集要求，并利用可用統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫中的信息，使得在本地和全國流域尺度上進(jìn)行分析更為容易。實(shí)證數(shù)學(xué)規(guī)劃這種方法顯示出兩個重要的優(yōu)點(diǎn)：①該模型可以在國內(nèi)推廣使用；②隨著每年新的統(tǒng)計觀測數(shù)據(jù)的提供，該模型可以方便地更新。這兩個特征對于水價政策設(shè)計都很重要。