游進(jìn)軍，賈 玲，楊朝暉，汪 林，王 婷

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

1 研究背景

我國(guó)水資源分布不均、水土資源不匹配，適水發(fā)展勢(shì)在必行?！吨腥A人民共和國(guó)黃河保護(hù)法》明確要求“國(guó)家在黃河流域?qū)嵭兴Y源剛性約束制度，堅(jiān)持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)，優(yōu)化國(guó)土空間開發(fā)保護(hù)格局，促進(jìn)人口和城市科學(xué)合理布局，構(gòu)建與水資源承載能力相適應(yīng)的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系”。上述表述被簡(jiǎn)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(nèi)，引導(dǎo)和保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展?！八乃亩ā笔沁m應(yīng)水資源條件的發(fā)展模式，也是水資源配置的新理念。

針對(duì)不同時(shí)期的水資源問題，國(guó)內(nèi)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(yīng)水資源條件的發(fā)展模式分析方面，新疆水資源軟科學(xué)課題研究組提出將水資源承載能力作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的約束條件[2]，較早探索了經(jīng)濟(jì)、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(jīng)濟(jì)水資源優(yōu)化配置方法和模型，建立了水與宏觀經(jīng)濟(jì)整體關(guān)聯(lián)的量化分析手段。趙建世等[4]應(yīng)用復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論，分析水與經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境各子系統(tǒng)相互作用關(guān)系，構(gòu)建了多主體適應(yīng)性優(yōu)化的水資源系統(tǒng)整體模型。王宗志等[5]針對(duì)水資源嚴(yán)格管理的支撐需求提出供需雙側(cè)調(diào)控模型，將優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、種植結(jié)構(gòu)作為供需分析的整體內(nèi)容。張禮兵等[6]提出了針對(duì)灌區(qū)水-能-糧系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的供需雙側(cè)協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)與優(yōu)化調(diào)控。

適水發(fā)展是缺水地區(qū)的實(shí)際需求，水資源對(duì)行業(yè)發(fā)展的約束作用研究逐步增多，集中在農(nóng)業(yè)發(fā)展和人口規(guī)模控制，如新疆的以水定地、以水定綠洲管理原則[7]、西遼河以水定地的農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)引導(dǎo)[8]、中國(guó)蔬菜生產(chǎn)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(guó)土空間規(guī)劃的推進(jìn)，以水定城也在城市規(guī)劃中得到重視，部分學(xué)者對(duì)水資源約束下的城鎮(zhèn)發(fā)展建設(shè)合理方向進(jìn)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(chǎn)”的研究相對(duì)較少?！八乃亩ā闭w研究也有少量探索，如楊舒媛等[16]通過分析“城地人產(chǎn)”關(guān)鍵要素指標(biāo)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(xiàn)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(huì)”二元水循環(huán)、資源競(jìng)爭(zhēng)和多目標(biāo)優(yōu)化控制為基礎(chǔ)的“四水四定”關(guān)鍵技術(shù)體系和實(shí)現(xiàn)路徑。楊研等[19]提出了針對(duì)“四水四定”的制度體系構(gòu)建和政策制定要求。

近年來，水與發(fā)展關(guān)系受到國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注。國(guó)際水資源協(xié)會(huì)前主席Biswas[20]指出水資源綜合管理(IWRM)應(yīng)綜合考慮多類要素，包括經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境質(zhì)量、社會(huì)福利和區(qū)域均衡度，推動(dòng)水與區(qū)域發(fā)展的良性關(guān)系?？沙掷m(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(jí)及其與農(nóng)業(yè)價(jià)值競(jìng)爭(zhēng)的水資源配置研究日益增多[21]。Meinzen-Dick等[25]指出經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)下的水資源再分配包括行政、市場(chǎng)、協(xié)商及混合模式等多種形式，無論何種方式對(duì)于弱勢(shì)群體應(yīng)有保障機(jī)制。環(huán)境政策和水量配置方式變化對(duì)生態(tài)、農(nóng)業(yè)具有重要影響[26]，循環(huán)經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)等新發(fā)展模式對(duì)水資源配置目標(biāo)協(xié)同也提出了更高要求[27]，必須考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境等多重目標(biāo)均衡的供需關(guān)系[28]。由于水資源分配涉及的要素越來越多，從機(jī)制手段、技術(shù)方法、模型軟件、管理政策、水權(quán)水價(jià)等方面均需要開展研究[29]。

縱觀國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，水資源配置的經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境綜合效應(yīng)已成為共識(shí)，以效益為目標(biāo)引導(dǎo)水量分配成為主要方向，進(jìn)而促進(jìn)行業(yè)發(fā)展合理布局。針對(duì)我國(guó)當(dāng)前水資源剛性約束管理需求，本文嘗試以水和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系為基礎(chǔ)，分析相應(yīng)的指標(biāo)和準(zhǔn)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(duì)于傳統(tǒng)的“以需定供”，“以水定需”是引導(dǎo)發(fā)展適應(yīng)水資源條件的配置新模式，其經(jīng)歷了三個(gè)階段。首先是“總量控制”，各部門按照自身目標(biāo)發(fā)展，總用水接近或達(dá)到水資源約束時(shí)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(jìng)爭(zhēng)的公平性；第三階段是“適水發(fā)展”，通過“水”要素協(xié)調(diào)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(biāo)。

前兩個(gè)階段重點(diǎn)解決供水和用水合理性問題[30]，通過最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施，基本實(shí)現(xiàn)了階段目標(biāo)，全國(guó)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(xiàn)“劣幣驅(qū)逐良幣”效應(yīng)，帶來發(fā)展質(zhì)量不高、區(qū)域不均衡的問題，需要更科學(xué)的適水發(fā)展。

“適水發(fā)展”核心是引導(dǎo)發(fā)展規(guī)模和布局主動(dòng)適應(yīng)水資源約束?！八乃亩ā辈皇菃渭兊乃Y源配置技術(shù)，而是整體決策分析方式，通過識(shí)別經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水的協(xié)調(diào)關(guān)系，為水利以外的行業(yè)決策提供支撐，發(fā)現(xiàn)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(shù)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(hù)的各類要求，促進(jìn)水資源高效利用，優(yōu)化人口、城市和產(chǎn)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(biāo)。

根據(jù)上述目標(biāo)，提出水資源約束與指標(biāo)識(shí)別、“四定”指標(biāo)協(xié)調(diào)計(jì)算、發(fā)展質(zhì)量評(píng)價(jià)和管控對(duì)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(guān)鍵指標(biāo)，分析其變化規(guī)律與合理范圍；其次，分析“四定”與水及其內(nèi)部協(xié)調(diào)關(guān)系，建立協(xié)調(diào)優(yōu)化準(zhǔn)則，確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件，構(gòu)建“四水四定”多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，計(jì)算“四定”指標(biāo)以及行業(yè)區(qū)域取水控制要求；最后對(duì)方案進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，反饋調(diào)整計(jì)算結(jié)果，提出經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展布局和水資源利用管控的對(duì)策建議。

圖1 “四水四定”分析思路

2.3 指標(biāo)選擇“四水四定”指標(biāo)包括“水”和“定”兩方面，前者為水資源約束，后者是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模。水資源約束可以計(jì)算分析或采用行政指標(biāo)。計(jì)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(diào)水利用指標(biāo)，得出總的水資源可利用量。行政指標(biāo)包括最嚴(yán)格水資源管理確定的用水總量控制紅線、耗水控制指標(biāo)、地下水控制指標(biāo)以及流域水量分配方案等。

區(qū)域總的水資源可利用量計(jì)算方式如下：

WA總=WA本+WA入+WA調(diào)

(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(nèi)的區(qū)域本地可利用水量；WA入為入境水可利用量；WA調(diào)為區(qū)域可接受或需調(diào)出的外調(diào)水量，調(diào)入為正，調(diào)出為負(fù)，同時(shí)具有調(diào)入調(diào)出水量取其累計(jì)值。WA本可參考水資源評(píng)價(jià)結(jié)果選擇。

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模選擇“四定”代表性指標(biāo)：“定人”指標(biāo)為常住人口，是滿足一定經(jīng)濟(jì)水平的人口規(guī)模和人口結(jié)構(gòu)；“定產(chǎn)”指標(biāo)為經(jīng)濟(jì)總量，是滿足區(qū)域發(fā)展要求的經(jīng)濟(jì)規(guī)模和結(jié)構(gòu)；“定地”指標(biāo)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(jié)構(gòu)；“定城”指標(biāo)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)在內(nèi)的城鎮(zhèn)發(fā)展?fàn)顩r。

3 協(xié)調(diào)準(zhǔn)則

3.1 協(xié)調(diào)關(guān)系“四水四定”涉及到多方面協(xié)調(diào)關(guān)系，包括兩個(gè)層次：第一層是“四定”相互關(guān)系，是分析水資源公平性保障和有序流動(dòng)的基礎(chǔ)；第二層是水支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)關(guān)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(qū)動(dòng)水量流轉(zhuǎn)提供分析基礎(chǔ)。

“四定”要素存在既競(jìng)爭(zhēng)又協(xié)調(diào)的關(guān)系，共同構(gòu)筑社會(huì)發(fā)展的基本形態(tài)，總結(jié)其相互關(guān)系如下：(1)以“人”為本。人是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展第一要素，人均經(jīng)濟(jì)量代表整體發(fā)展水平，城鎮(zhèn)化程度反映社會(huì)發(fā)展水平；(2)“人產(chǎn)”相依。產(chǎn)業(yè)發(fā)展決定經(jīng)濟(jì)總量，經(jīng)濟(jì)總量制約滿足發(fā)展目標(biāo)的人口規(guī)模，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)反映發(fā)展水平和綜合用水效率；(3)“地產(chǎn)”相關(guān)。農(nóng)業(yè)用水總量大、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出低，但關(guān)系糧食安全、農(nóng)村就業(yè)和社會(huì)安定，必須保障其最低需求；(4)“人城”一體?！俺恰斌w現(xiàn)“人”“產(chǎn)”的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，也體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)整體發(fā)展水平。

第二層關(guān)系可以通過區(qū)域經(jīng)濟(jì)特征和發(fā)展規(guī)律識(shí)別。生活用水具有最高優(yōu)先級(jí)，“城”和“人”具有一致性，因而用水競(jìng)爭(zhēng)性主要表現(xiàn)在生產(chǎn)行業(yè)。行業(yè)用水量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)、用水效率指標(biāo)之間通常具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，分析其變化趨勢(shì)可以揭示產(chǎn)業(yè)變化和用水效率變化規(guī)律，為行業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)用水關(guān)系分析提供依據(jù)。

考慮“四定”全口徑分析需求，按照三次產(chǎn)業(yè)劃分生產(chǎn)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(jìng)爭(zhēng)用水依據(jù)。以產(chǎn)業(yè)規(guī)模為自變量，以用水結(jié)構(gòu)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(jì)算二者相關(guān)系數(shù)r值，得到各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用水結(jié)構(gòu)的相關(guān)程度。r越大，表示產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)水的依賴程度越高。相關(guān)分析公式如下：

(2)

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

選擇相關(guān)關(guān)系較強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)類型，基于其產(chǎn)業(yè)占比變化規(guī)律，結(jié)合用水總量約束和GDP總量預(yù)測(cè)，優(yōu)先確定產(chǎn)業(yè)增加值和用水區(qū)間，從而得到其單位產(chǎn)業(yè)增加值用水量?？紤]相關(guān)性后的行業(yè)用水效率計(jì)算如下：

(3)

式中：ei，j為第i分區(qū)第j產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)的用水量占比；yi，j為第i分區(qū)第j產(chǎn)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(xié)調(diào)關(guān)系。由于不同行業(yè)的單位增加值用水效率差異較大，實(shí)際應(yīng)用中也可以行業(yè)用水效率的相對(duì)變化值作分析。

3.2 引導(dǎo)準(zhǔn)則“四水四定”是以水資源約束倒逼發(fā)展，需要將水作為動(dòng)力因子，制定引導(dǎo)水量分配的準(zhǔn)則，驅(qū)動(dòng)預(yù)期的發(fā)展方向。發(fā)展目標(biāo)包括經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和社會(huì)目標(biāo)，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(jù)“四水四定”目標(biāo)，結(jié)合水資源配置的一般原則，提出“尊重現(xiàn)狀、保障剛需、效率驅(qū)動(dòng)、區(qū)域均衡”的水量分配引導(dǎo)準(zhǔn)則。尊重現(xiàn)狀是以已有水量分配方案、現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平以及用水狀況為基礎(chǔ)；保障剛需是優(yōu)先滿足民生、國(guó)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(chǎn)出效益最大進(jìn)行分配；區(qū)域均衡是在滿足前述要求的條件下實(shí)現(xiàn)用水公平，縮小區(qū)域發(fā)展差距。根據(jù)上述準(zhǔn)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(chǎn)業(yè)用水。第二類是一般需求，指剛性需求以外的產(chǎn)業(yè)用水。由于后兩項(xiàng)準(zhǔn)則存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，需要多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化，在保障剛需基礎(chǔ)上滿足一般需求。

根據(jù)上述準(zhǔn)則分析水約束下的“四定”用水配置關(guān)系。生活用水通常占比不高，“定人”的依據(jù)主要是經(jīng)濟(jì)規(guī)模能否滿足一定人均水平，實(shí)際依賴于“產(chǎn)”的結(jié)果。“產(chǎn)”“地”存在用水競(jìng)爭(zhēng)，依賴用水效益驅(qū)動(dòng)，而農(nóng)業(yè)難以和其他行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)?？紤]社會(huì)基本保障和行業(yè)公平性，需要在滿足農(nóng)業(yè)基本需求后考慮水量的優(yōu)化流動(dòng)，因此將農(nóng)業(yè)基本需求作為優(yōu)先保障的產(chǎn)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(chǎn)”的水量約束，也即“定產(chǎn)”是在初步“定地”的基礎(chǔ)上完成?！岸ǖ亍焙蟮乃渴恰叭恕薄爱a(chǎn)”共用，二者應(yīng)根據(jù)人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)水平相互協(xié)調(diào)。“定地”的同時(shí)可以提供農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，為“定產(chǎn)”提供信息。當(dāng)存在人均糧食安全保障需求時(shí)，“定地”也需要與“定人”協(xié)調(diào)。城鎮(zhèn)人口和非農(nóng)產(chǎn)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(qiáng)度和規(guī)模，即“定人”“定產(chǎn)”是“定城”的基礎(chǔ)?！岸óa(chǎn)”后還需要再次反饋“定地”規(guī)模，當(dāng)“定產(chǎn)”受發(fā)展速度等各類約束不能完全利用時(shí)存在富余水量，或剛性約束不能保證時(shí)，也需要對(duì)“定地”水量和規(guī)模進(jìn)行調(diào)整。

綜上，在上述引導(dǎo)準(zhǔn)則下給出“四定”競(jìng)爭(zhēng)用水關(guān)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(xié)調(diào)“定產(chǎn)”“定人”的水資源可利用量。

圖2 “四水四定”水量約束流轉(zhuǎn)和內(nèi)部協(xié)調(diào)關(guān)系分析

3.3 優(yōu)化準(zhǔn)則在水資源稀缺條件下，產(chǎn)出效益更高的部門和區(qū)域會(huì)優(yōu)先獲取水量?！八乃亩ā笔莾?yōu)先保障部分需求下的限定水量競(jìng)爭(zhēng)利用模式，在保障剛需基礎(chǔ)上盡可能提升效益，并兼顧區(qū)域均衡關(guān)系。不同行業(yè)可能同時(shí)存在剛性需求和一般需求，前者反映公平性的社會(huì)目標(biāo)，后者反映效率優(yōu)先的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，通過層次化需求反映不同目標(biāo)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(jìng)爭(zhēng)獲取[33]。

按照上述水量?jī)?yōu)化配置原理，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和均衡發(fā)展兩方面因素建立目標(biāo)函數(shù)，確定分類水量約束和配置關(guān)系、剛性保障需求、水量平衡等約束條件，構(gòu)建“四水四定”多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。選取人均GDP最大為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)“效率驅(qū)動(dòng)”，使有限水量支撐更大產(chǎn)出效益；選取人均GDP差距最小、人口與產(chǎn)業(yè)分布偏離度為社會(huì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)“區(qū)域均衡”，縮小行業(yè)、區(qū)域發(fā)展差異，體現(xiàn)公平；通過約束條件反映“尊重現(xiàn)狀、保障剛需”要求。

4 模型設(shè)計(jì)

按照上述協(xié)調(diào)優(yōu)化的準(zhǔn)則，建立多目標(biāo)決策模型。

4.1 目標(biāo)函數(shù)根據(jù)協(xié)調(diào)發(fā)展目標(biāo)綜合確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)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?。籱inDEV為人口與產(chǎn)業(yè)分布偏離度最小，也即匹配程度最高；PEN為罰函數(shù)，當(dāng)模型因約束嚴(yán)格無解時(shí)，需突破部分約束條件降低目標(biāo)值。

人均GDP最大目標(biāo)：

(5)

式中：Wi，j為第i個(gè)分區(qū)第j個(gè)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(jù)用水效率推算；Pi為第i個(gè)分區(qū)人口數(shù)量；m為分區(qū)個(gè)數(shù)；n為產(chǎn)業(yè)用水戶數(shù)，包含第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)。

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

(6)

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

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

(7)

式中：Mi指數(shù)為各地區(qū)產(chǎn)業(yè)份額與人口份額差的絕對(duì)值；Hi為產(chǎn)業(yè)份額差，用區(qū)域第三產(chǎn)業(yè)增加值占全區(qū)第三產(chǎn)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(shù)的取值范圍為[0，1]，數(shù)值越小表明產(chǎn)業(yè)與人口分布的匹配度越高。以各個(gè)分區(qū)累計(jì)的人口產(chǎn)業(yè)分布偏離度最小作為引導(dǎo)區(qū)域產(chǎn)業(yè)和人口分布盡可能一致的目標(biāo)。

基于尊重現(xiàn)狀和保障剛性原則，當(dāng)剛性需求不能保障、分區(qū)用水總量與現(xiàn)狀偏離較大時(shí)，通過罰函數(shù)降低目標(biāo)值。在具備條件的情況下用水效率提升的經(jīng)濟(jì)成本也可以由罰函數(shù)反映。罰函數(shù)計(jì)算公式如下：

(8)

式中：Cont為第t項(xiàng)剛性需求不能保障的偏離值；Divt為對(duì)應(yīng)的偏差計(jì)算系數(shù)；T為需要考慮的剛性需求用戶數(shù)量，包括糧食安全、重點(diǎn)工業(yè)、重點(diǎn)生態(tài)等不同用戶；Wsti為分區(qū)用水總量突破現(xiàn)狀范圍的比例值；Csti為對(duì)應(yīng)的偏差計(jì)算系數(shù)。

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(jì)算。Divt為按照不同剛需用戶的相對(duì)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(xiàn)狀用水量占全區(qū)總用水量的比例。

上述計(jì)算中的現(xiàn)狀用水范圍可以采用近期實(shí)際用水的變化范圍，也可以按照現(xiàn)有的水資源管控紅線作為取值依據(jù)，全區(qū)取水總量約束為不可突破的硬約束。因此，罰函數(shù)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(jù)區(qū)域情況也可以有分類水源約束。

(9)

式中：Wi為第i個(gè)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(jì)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(jié)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(biāo)時(shí)，按照尊重現(xiàn)狀原則，對(duì)比現(xiàn)狀指標(biāo)設(shè)置變化范圍，在指標(biāo)約束突破時(shí)通過罰函數(shù)降低目標(biāo)效益。

(3)配置關(guān)系約束：一是不同類別水源與用戶的可行配置關(guān)系限制，如地下水不作為環(huán)境用水或農(nóng)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(diào)水工程需在限定受水區(qū)范圍分配。該約束根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況和情景分析需求設(shè)定。

(4)用水效率約束：各類用水效率必須在合理范圍內(nèi)，可參照協(xié)調(diào)關(guān)系分析中的式(3)設(shè)定。

第三類為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展范圍約束，按照趨勢(shì)分析提出全區(qū)總體控制范圍，基于現(xiàn)狀制定各個(gè)區(qū)域限制范圍，具體包括：

(1)人口總量增速與結(jié)構(gòu)約束：根據(jù)人口變化趨勢(shì)結(jié)合規(guī)劃分析，確定可行的變化范圍。

(2)分區(qū)人口數(shù)量與結(jié)構(gòu)約束：以現(xiàn)狀為基準(zhǔn)，變化范圍可參考?xì)v史狀況確定。

(3)GDP增長(zhǎng)率與結(jié)構(gòu)約束：參考區(qū)域規(guī)劃結(jié)合近期的平均和最大增長(zhǎng)率設(shè)定。

(4)灌溉面積控制要求：考慮糧食安全目標(biāo)設(shè)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(duì)應(yīng)的剛性需水；l為有剛需要求的分區(qū)數(shù)量；WG為最低保障水量。該約束可以根據(jù)具體情況對(duì)分區(qū)單元或全區(qū)總值設(shè)定。

4.3 計(jì)算與應(yīng)用針對(duì)4.1節(jié)中三類目標(biāo)按照權(quán)重相等的方式處理，如采用理想點(diǎn)或離差標(biāo)準(zhǔn)化歸一化處理計(jì)算目標(biāo)函數(shù)總值，轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)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(xié)調(diào)關(guān)系分析建立約束變化范圍，以現(xiàn)狀數(shù)據(jù)作為初始值。通過模型的整體協(xié)調(diào)優(yōu)化計(jì)算，得出分區(qū)分行業(yè)的水量控制結(jié)果，以及對(duì)應(yīng)的“四定”規(guī)模結(jié)果。

由于模型目標(biāo)函數(shù)僅反映了效率和公平這兩項(xiàng)因素，計(jì)算結(jié)果是否全面滿足高質(zhì)量發(fā)展要求，還應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，形成包括資源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境和防災(zāi)等多方面的水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[37]。綜合高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)涵，可以從發(fā)展水平、協(xié)調(diào)均衡、集約高效和綠色生態(tài)等方面構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，對(duì)區(qū)域整體和分區(qū)發(fā)展質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果反饋調(diào)整模型的約束條件、罰函數(shù)，形成更為合理的方案結(jié)果。

“四水四定”目的是提供發(fā)展布局和水量分配的調(diào)控方向和措施。通過對(duì)比方案結(jié)果和現(xiàn)狀，可以提出針對(duì)人口、產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)發(fā)展布局的調(diào)控方向，以及相應(yīng)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(shí)現(xiàn)從現(xiàn)狀到未來良性發(fā)展。

5 結(jié)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(dǎo)，從計(jì)算目標(biāo)、分配原則、輸出結(jié)果上均有別于現(xiàn)有的水資源配置?！八乃亩ā笔菍⒔?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展決策與水資源配置結(jié)合的新理念，需要新的分析思路，重點(diǎn)將區(qū)域自然特征、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀與水資源條件結(jié)合，從被動(dòng)的“先發(fā)展后適應(yīng)”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的“先約束后發(fā)展”，推進(jìn)水資源剛性約束制度落地實(shí)施。

“四水四定”是當(dāng)前的政策熱點(diǎn)，實(shí)踐需求增強(qiáng)，相關(guān)研究也逐漸增多，然而目前還缺乏量化計(jì)算工具和完整的案例應(yīng)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(guān)研究和實(shí)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(biāo)，明晰產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化與用水效率關(guān)系，解析水與“四定”的協(xié)調(diào)關(guān)系，建立保障剛性需求基礎(chǔ)上效率驅(qū)動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)用水的優(yōu)化準(zhǔn)則；(2)協(xié)調(diào)保障公平性的社會(huì)目標(biāo)和效率優(yōu)先的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，構(gòu)建行業(yè)發(fā)展規(guī)?？刂坪退糠峙涞恼w模型。通過模型可以實(shí)現(xiàn)整體性決策分析，規(guī)避單獨(dú)分析各類發(fā)展目標(biāo)時(shí)相互關(guān)系不清晰、邊界條件難以確定的不足。

論文研究仍然存在一些不足，如對(duì)決策偏好信息、用水效率提升的經(jīng)濟(jì)成本等考慮還不足，這也說明“四水四定”十分復(fù)雜，未來還需要大量探索和實(shí)踐去完善。