韓宇平，穆文彬，張戴煒

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046;2.河南省黃河流域水資源節(jié)約集約利用重點實驗室，河南 鄭州 450046;3.黃河水利科學研究院 引黃灌溉工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003;4.河南省農(nóng)村水環(huán)境治理工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003）

黃河流域面臨著水資源總量不足、時空分布不均、水資源稟賦與經(jīng)濟社會發(fā)展格局不匹配、經(jīng)濟社會缺水與生態(tài)用水不足并存等問題,是中國水資源問題較為突出的流域之一[1］。自20世紀70年代以來,水資源供需矛盾不斷加劇,下游曾斷流頻繁。為緩解流域無序用水現(xiàn)象,國務(wù)院于1987年頒布了《黃河可供水量分配方案》(簡稱“八七”分水方案)。該方案以1980年的實際用水量為基礎(chǔ),將南水北調(diào)工程生效之前的總可供水量370億m3分配給流域九省(區(qū))及流域外缺水的河北省、天津市(見表1)。該方案考慮黃河流域最大可供水量,對不同頻率的來水年份遵循“豐增枯減”的分水原則,并且前瞻性地預(yù)留了生態(tài)和沖沙用水210億m3。該方案對平衡流域內(nèi)各省(區(qū))的用水和促進黃河水資源可持續(xù)利用起到了積極作用,實現(xiàn)了黃河干流20多a不斷流。盡管“八七”分水方案在執(zhí)行過程中對分水總量進行了調(diào)整,但各省(區(qū))的分水比例一直未調(diào)整?！鞍似摺狈炙桨柑岢?0多a來,黃河流域下墊面條件、水沙形勢、流域用水結(jié)構(gòu)和供水格局均發(fā)生顯著變化,該分水方案確定的各省(區(qū))分水比例的適用性不斷下降,關(guān)于分水比例的調(diào)整問題受到多方關(guān)注[2］。

表1 1987年國務(wù)院批復(fù)的黃河流域可供水量分配方案億m3

水資源情勢方面,“八七”分水方案以1919—1975年黃河年均天然徑流量580億m3為分配基數(shù),而近30 a黃河天然徑流量顯著減少,第二次全國水資源調(diào)查評價確定的1956—2000年黃河流域年均天然徑流量為534.8億m3,1956—2010年、1956—2016年系列年均天然徑流量分別為482億、499億m3,較1919—1975年系列分別減少17%和14%[3］。泥沙情勢方面,黃河來沙量顯著減少,如潼關(guān)站1960—1986年多年平均來沙量為12.1億t,受水利工程、水土保持工程、引黃灌溉工程的影響,2000—2020年多年平均來沙量減少至2.46億t,減少幅度為79.5%。流域用水格局和用水結(jié)構(gòu)變化方面,“八七”分水方案實施以來,農(nóng)業(yè)用水量和用水比例呈下降趨勢,工業(yè)、生活和生態(tài)用水量和用水比例逐漸增加[4］。在用水空間格局方面,各省(區(qū))之間呈現(xiàn)差異化發(fā)展,一些省(區(qū))經(jīng)常性超指標用水,如山東、內(nèi)蒙古等；還有一些省(區(qū))的用水量一直未達到分水指標,如山西、陜西等。另外,自南水北調(diào)東線、中線工程相繼通水后,較大程度改變了河南、河北、天津及山東的用水條件和原有的供水結(jié)構(gòu)；其他跨流域調(diào)水工程(如引漢濟渭工程)也在一定程度上影響著相關(guān)省(區(qū))的用水格局。

2019年9月18 日,黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略。發(fā)展改革委、水利部等五部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)黃河流域水資源節(jié)約集約利用實施方案的通知》要求,基于“大穩(wěn)定、小調(diào)整”思路對“八七”分水方案進行適當調(diào)整[5］。為此,筆者按照江河水量分配原則,采用單指標綜合的水量分配方法、基于賦權(quán)的TOPSIS分配法,并結(jié)合“八七”分水方案確定的分水比例,最終得到黃河流域不同省(區(qū))合理的分配比例與分配水量。通過江河水量分配方法在黃河“八七”分水方案調(diào)整中的適用性研究,以期為黃河流域水量分配的調(diào)整提供參考。

1 江河流域水量分配原則

江河水量分配原則體現(xiàn)了流域水量分配的思路,決定著水量分配的格局,與流域水資源的特點、水量分配的目標、分配層次等密切相關(guān)[6］。借鑒前人的研究成果,確定江河流域水量分配原則。

(1)尊重歷史和現(xiàn)狀原則。雖然現(xiàn)行的流域水量分配方案可能存在一些不合理的因素,但該方案是歷史演進的產(chǎn)物和利益各方博弈的結(jié)果,具有一定的穩(wěn)定性和科學性,如黃河“八七”分水方案[6］。流域水量分配方案的調(diào)整在尊重現(xiàn)狀用水、盡量維持現(xiàn)有分配格局的同時,還需兼顧未來經(jīng)濟社會發(fā)展用水需求,對方案中不合理的部分進行適當調(diào)整,最大限度降低因大規(guī)模調(diào)整而帶來的社會風險。

(2)公平性原則。江河流域水量分配應(yīng)充分考慮各地區(qū)的水資源條件、人口分布、自然條件、生產(chǎn)力布局與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等因素,力求做到分水公平合理。

(3)效益最大化原則。水資源既是一種有限的公共自然資源,又是一種經(jīng)濟資源。因此,在水量分配時,應(yīng)考慮水資源的經(jīng)濟效益、社會效益以及生態(tài)效益最大化。

(4)可持續(xù)性原則。水資源作為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要資源,其開發(fā)利用不能超過資源環(huán)境的承載力。在江河水量分配中,需遵循水資源與經(jīng)濟社會和諧發(fā)展的原則。

2 江河流域水量分配方法

江河流域水量分配方法主要包括水資源供需法、指標體系法以及多目標優(yōu)化法3類。相比其他兩類方法,指標體系法既考慮了流域更多的信息,又易于表達和計算,應(yīng)用較為廣泛。因此,本研究采用指標體系法中的單指標分析法、層次分析法(AHP)以及基于賦權(quán)的TOPSIS法綜合開展黃河流域水量分配計算。

2.1 單指標綜合的水量分配方法

(1)基于人口的水量分配方法。該方法按照不同地區(qū)實際人口比例分水。隨著地區(qū)人口數(shù)量的增加,用水需求量不斷增大,因此按照人口比例分水可體現(xiàn)分水的公平性,計算公式為

式中:Qi為第i個地區(qū)的分水量；Q總為流域內(nèi)可分配水量；Pi為第i個地區(qū)的實際人口數(shù)量；n為流域內(nèi)地區(qū)的數(shù)量。

(2)基于面積的水量分配方法。按照不同地區(qū)流域面積或引水灌溉面積比例分水也可體現(xiàn)分水的合理性和公平性,計算公式為

式中:Ai為第i個地區(qū)的流域面積或引水灌溉面積。

(3)基于GDP的水量分配方法。該方法按照不同地區(qū)的國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的比例分水。萬元GDP用水量是反映地區(qū)生產(chǎn)用水效率的重要指標,經(jīng)濟發(fā)展水平較高的地區(qū),其生產(chǎn)用水效率一般也較高,因此按GDP分水能體現(xiàn)資源配置效率。計算公式為

式中:GDPi為第i個地區(qū)內(nèi)的國內(nèi)生產(chǎn)總值。

(4)基于生態(tài)用水的水量分配方法。生態(tài)用水對維持地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)及水資源的可持續(xù)利用意義重大,健康的生態(tài)系統(tǒng)具有抵抗干擾、恢復(fù)自身結(jié)構(gòu)和功能的能力,并能夠為地區(qū)提供合乎自然和人類需求的生態(tài)服務(wù)[7］,是保障地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此,按地區(qū)生態(tài)用水需求分水具有一定的科學性,計算公式為

式中:ECi為第i個地區(qū)河道外生態(tài)環(huán)境用水量。

(5)基于單指標綜合的水量分配法?；谌丝?、GDP、面積以及生態(tài)用水的水量分配方法各有一定的不足,如:基于人口的水量分配方法易忽略不同地區(qū)、不同行業(yè)人員對水資源的需求差異；基于GDP的水量分配方法易導致地區(qū)經(jīng)濟出現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象；基于流域面積的水量分配方法則較適用于豐水地區(qū)。因此,筆者綜合上述單指標水量分配方法,選取黃河流域各省(區(qū))人口、GDP、省內(nèi)流域面積、引水灌溉面積以及生態(tài)用水量作為指標。首先采用單指標分配方法確定各省(區(qū))的水量分配比例,然后利用AHP法確定各分配方法的權(quán)重,最終得到各省(區(qū))的綜合分配比例與分配水量。

2.2 基于賦權(quán)的TOPSIS分配法

2.2.1 指標體系的確定

流域水量分配屬于多目標、多層次的系統(tǒng)決策問題,涉及人口、經(jīng)濟、資源、環(huán)境等多方面因素。因此,根據(jù)江河流域水量分配原則,既要考慮公平性、效益最大化和可持續(xù)性,又要尊重歷史與現(xiàn)狀用水情況。其中:尊重歷史與現(xiàn)狀原則B1選取現(xiàn)狀用水總量(C11)和未來(如2030年)用水總量(C12),公平性原則B2選取人口數(shù)量(C21)、地區(qū)GDP(C22)、地區(qū)流域面積(C23)以及地區(qū)引水灌溉面積(C24),效益最大化原則B3選取人均GDP(C31)、人均綜合用水量(C32)、萬元GDP用水量(C33)、萬元工業(yè)增加值用水量(C34)以及農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)(C35),可持續(xù)性原則B4選取森林覆蓋率(C41)、城鎮(zhèn)化率(C42)、人口增長率(C43)以及GDP增長率(C44)。指標體系中越大越好的指標為正向指標,越小越好的指標為負向指標。

2.2.2 基于賦權(quán)的TOPSIS法計算步驟

TOPSIS法是一種逼近理想解的排序方法,也是求解多目標決策問題常用的有效方法,由Hwang等[8］于1981年提出。該方法的基本思想是通過分析評價對象的優(yōu)劣狀態(tài),確定最優(yōu)(最劣)方案,并檢測評價對象與該方案的距離,進而根據(jù)評價對象與最優(yōu)(最劣)方案的貼近度進行排序,若評價對象最靠近最優(yōu)方案同時最遠離最劣方案則為最好,最優(yōu)方案的各指標值均為各評價指標的最優(yōu)值?；谫x權(quán)TOPSIS法的計算步驟如下。

(1)構(gòu)造初始判斷矩陣:R＝(rij)m×n(rij為第i個方案的第j個指標,m為方案數(shù)量,n為指標數(shù)量)。

(2)建立標準化決策矩陣B:B＝(bij)m×n(bij為第i個方案第j個指標的標準化值)。

(3)建立加權(quán)矩陣。①利用AHP法和熵權(quán)法分別確定準則層對目標層的權(quán)重以及指標層對準則層的權(quán)重,最后確定各指標對目標層的權(quán)重W＝(w1,w2,…,wn)；②通過Z＝B×W構(gòu)造加權(quán)決策矩陣Z＝(zij)m×n,其中zij＝wj×bij。

(4)確定最優(yōu)方案Z＋與最劣方案Z-:

(6)計算評價對象與最優(yōu)方案的貼近度Ci:Ci＝越接近1表明該方案越優(yōu)[9］)。

2.3 基于多方案綜合的水量分配法

在綜合考慮“八七”分水方案、單指標綜合水量分配結(jié)果以及基于賦權(quán)的TOPSIS分配結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用AHP法對3種分配方法進行賦權(quán),最終得到較為合理的水量分配方案。

3 黃河流域水量分配方案調(diào)整及討論

3.1 數(shù)據(jù)來源及分水規(guī)則

(1)數(shù)據(jù)來源。除滿足黃河流域9個省(區(qū))用水外,還需兼顧河北、天津的用水(天津自2013年起不再使用引黃水量)。本文選取的指標數(shù)據(jù)主要來源于《黃河水資源公報》《黃河年鑒》、各省(區(qū)、市)水資源公報與統(tǒng)計年鑒,同時借鑒了相關(guān)研究成果中的數(shù)據(jù)(如黃河流域除四川外的其他8個省(區(qū))2030年用水量參考了文獻[10］預(yù)測的結(jié)果)。計算數(shù)據(jù)見表2。

表2 黃河流域水量分配計算數(shù)據(jù)

(2)分水規(guī)則。以“八七”分水方案確定的黃河可供水量370億m3進行計算,未考慮南水北調(diào)工程供水的影響,并以2018年為現(xiàn)狀用水年。其中:四川省2011—2020年年均黃河用水量為0.26億m3,未超其“八七”分水方案確定的0.4億m3指標,因此其分水指標保持不變；河北、天津的分水量采用文獻[10］計算的9.76億m3,該結(jié)果是在綜合考慮“八七”分水方案的分水量及兩地區(qū)的現(xiàn)狀與未來用水量的基礎(chǔ)上確定的。

3.2 分水比例與計算結(jié)果

3.2.1 基于單指標綜合的水量分配結(jié)果

基于表2統(tǒng)計的黃河流域8個省(區(qū))總?cè)丝?、GDP、流域面積、引黃灌溉面積以及生態(tài)用水量5個指標,利用式(1)～式(4)計算各省(區(qū))的單指標占比(見表3)。結(jié)合黃河流域的實際用水情況,采用AHP法對各單指標分配結(jié)果賦權(quán),經(jīng)計算確定總?cè)丝凇DP、引黃灌溉面積、生態(tài)用水量以及省內(nèi)流域面積的權(quán)重分別為0.375、0.272、0.190、0.100和0.063。最終得到各省(區(qū))的綜合水量分配比例見表3。

表3 單指標水量分配比例及其綜合水量分配比例 %

3.2.2 基于賦權(quán)的TOPSIS法水量分配結(jié)果

(1)準則層和指標層權(quán)重的確定。采用AHP法確定黃河流域水量分配指標體系準則層B對目標層A的權(quán)重。根據(jù)黃河流域各省(區(qū))的實際情況,按照尊重歷史與現(xiàn)狀原則、公平性原則、效益最大化原則以及可持續(xù)性原則的重要等級,采用熵權(quán)法確定指標層C對各準則層B的權(quán)重。結(jié)合準則層的權(quán)重,確定各項指標的最終權(quán)重,見表4。

表4 基于AHP法和熵權(quán)法指標權(quán)重計算結(jié)果

(2)水量分配比例。根據(jù)各項指標的最終權(quán)重值,采用賦權(quán)的TOPSIS法計算最優(yōu)方案集合、最劣方案集合以及各省(區(qū))與最優(yōu)、最劣方案間的距離,最終確定各省(區(qū))的分水比例(見表5)。

表5 各?。▍^(qū)）與最優(yōu)、最劣方案間的距離及其水量分配比例

3.2.3 基于多方案綜合的水量分配結(jié)果

以“八七”分水方案確定的黃河流域可供水量370億m3為例,扣除四川的分水量0.40億m3和河北、天津的分水量9.76億m3,余下的359.84億m3作為青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東8個省(區(qū))的分水總量。針對“八七”分水方案、基于單指標綜合的水量分配法以及基于賦權(quán)的TOPSIS水量分配法分別確定的各省(區(qū))水量分配比例,采用AHP法確定3種分水方案的權(quán)重分別為0.637、0.105和0.258,并最終確定黃河流域除四川外的8個省(區(qū))的分水比例(見表6)及其分配的水量(見表7)。

表6 基于不同水量分配方法的分水比例 %

表7 基于多方案綜合的分水量與“八七”分水方案分水量的比較億m3

3.3 討 論

由表7可知:基于多方案綜合的分水量確定的山東分水量最大,為75.53億m3(占黃河流域總分水量370億m3的20.41%),其次為河南、內(nèi)蒙古,山東、河南、內(nèi)蒙古三省(區(qū))的分水量占總分水量的52.06%)；與“八七”分水方案相比,綜合分水方案確定的青海、陜西、河南及山東的分水量有所增加,甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、河北和天津的分水量有所減小。

青海作為三江源最重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)保護區(qū),提供了黃河流域一半以上的水量,因此增加其黃河分水量,主要用于生態(tài)環(huán)境保護。陜西人口較多、GDP較高,流域面積較大,生態(tài)用水量位居首位(40.8億m3),同時鑒于黃土高原作為黃河流域的重點生態(tài)用水保障區(qū)域,因而增加了其分配水量。河南和山東作為用水大戶,人口、GDP、引黃灌溉面積均位居前兩位,其中:河南作為全國糧食生產(chǎn)大省,黃河供水區(qū)覆蓋全省大部分糧食生產(chǎn)核心區(qū)和主產(chǎn)區(qū),但整個區(qū)域尤其是豫北、豫西山前平原地區(qū)水資源不足,大部分地區(qū)不得不依賴開采淺層地下水來滿足用水需求,鑒于河南在保證糧食安全方面的重要作用,需增加其分配水量；山東省工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達,用水主要依賴黃河供給,鑒于其在保障河口濕地生態(tài)系統(tǒng)方面的重要作用,同樣需增加其分配水量。

甘肅省萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量均較其他省(區(qū))高,人均GDP相對最低,其工業(yè)用水存在較大的節(jié)水空間,因此適當減小其分配水量。寧夏的黃河流域面積較小,鑒于其人口數(shù)量、GDP相對較少,人均綜合用水量、萬元GDP用水量仍有較大提升空間,因此可壓縮其分配水量；內(nèi)蒙古以農(nóng)業(yè)用水為主,但農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)不高,農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力較大,因此分配水量在原基礎(chǔ)上有所減少；山西省水資源豐富,但地勢原因使其水資源利用較為困難,用水量一直未達到“八七”分水方案確定的分配指標,其分水量可在原基礎(chǔ)上適當減少。此外,考慮到河北、天津近10 a(2011—2020年)多年平均用水量(7.67億m3)遠小于“八七”分水方案確定的分配指標,且天津自2013年起不再使用引黃水量,因此原向河北、天津分配的20億m3分水指標應(yīng)大幅度減小。

需要指出的是,本文的研究成果是屬于理論性的,對某些分水因素的考慮存在不足,如寧夏平原、內(nèi)蒙古河套平原的綠洲生態(tài)經(jīng)濟完全依賴黃河水資源,綠洲生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水特別是保持地下水位對支撐整個生態(tài)系統(tǒng)安全尤為重要,因此在制定具體分水方案時要兼顧這方面的需求。另外,黃河“八七”分水方案的前置條件是“南水北調(diào)通水前”,而目前南水北調(diào)東線、中線一期工程已經(jīng)穩(wěn)定運行,用水效益充分體現(xiàn),所以各省(區(qū))分水方案的調(diào)整也要適當考慮這方面的因素。

4 結(jié)語

黃河流域當前面臨的水沙情勢、用水格局和用水結(jié)構(gòu)以及跨流域調(diào)水的變化均表明“八七”分水方案有必要適當調(diào)整。本文按照江河水量分配的原則,在全面考慮單指標綜合的水量分配法、基于賦權(quán)的TOPSIS分配法以及“八七”分水方案確定的分配水量的基礎(chǔ)上,最終確定了黃河流域各省(區(qū))較為合理的水量分配比例與分配水量。通過與“八七”分水方案比較,大多數(shù)省(區(qū))的分水比例有所調(diào)整,說明隨著人民生活水平的提高、工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及生態(tài)保護意識的提升,用水需求在一定程度上發(fā)生了變化。整體來看,分水方案與各省(區(qū))的用水需求和重點發(fā)展方向緊密相關(guān),水資源剛性約束將倒逼各省(區(qū))調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),促進高質(zhì)量發(fā)展。