工业多水源综合水价分析

吴 振，陈华伟，仇钰婷，徐丹丹，张 欣，王开然

（山东省水利科学研究院 山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250014）

1 引言

南水北调工程［1－2］作为我国水资源优化配置［3］的战略性基础工程，对于缓解北方地区严重的水资源短缺危机、促进经济社会可持续发展、改善生态环境具有重要意义［4］。 南水北调东线一期工程正式通水后，山东省受水区在原有水源的基础上增加了新的长江水源。 南水北调工程线路长、成本高，导致长江水价高于当地水价而极少被引用。 受水区如何优化配置［5－11］包括外调水在内的多种水源［12］，实现最大的水资源利用效益，是亟待解决的重大问题。 在南水北调工程水价、区域水价方面已有较多研究成果。 顾永钢等［13］提出了南水北调中线工程水价仿真模型系统，测算了不同条件下中线受水区供水价格的变化，并利用投入产出模型分析了水价变化对相关行业产品价格的影响；任俊俊［14］提出分环节水价与三重构成水价相结合的跨流域调水工程水价定价模型，并将其应用于引滦入津工程中，适用性较好；刘卫国等［15］分析了南水北调工程水价对水资源配置的作用，指出南水北调工程水价可通过调节水资源供需平衡和水价格弹性引导商品水的消费模式，从而实现受水区水资源优化配置；唐晓曈［16］以全成本定价模型为基础，提出区域水价理论，并结合国外水价制度为解决我国现行水价存在的问题提出建议；崔延松［17］分析了同质区域与功能区域水价在现实操作中可能遇到的问题，提出按供水成本确定合理的价格水平，制定科学的定额指标体系、可持续发展的水价构成等区域水价目标。 在南水北调受水区综合水价方面，徐鹤［18］分析了多水源混合供水的综合水价影响因素，提出南水北调工程受水区不同用水户对多水源供水费用的分摊方法，制定了各用水户的多水源综合供水全成本水价；刘卫国等［19－21］基于节水理论，建立了改善水资源保护的南水北调工程受水区多水源水价模型，取得较好结果；王炎如［22］建立了以环境补偿或级差收益为核心的天然水资源价值实用计算新模型，对工业水价承受能力提出了企业亏损比例法、类似地区水价比较法等，对当地水源水价和南水北调中线工程水价进行了详细测算；贾屏等［23］分析了南水北调工程通水后多水源供水水价变化，认为合理的水价可以使全社会增强节水意识、提高用水效率；高悦等［12］对南水北调通水后的供水价格和水源结构的变化进行分析，并综合考虑水资源的全成本水价，探讨多水源水价制定策略；唐瑜等［24］从南水北调受水区水资源优化配置的角度出发，以区域水资源合理利用条件下的净效益最大为目标，应用线性规划求解了南水北调受水区当地水资源的影子价格。 而针对区域供水系统，如何基于精细化优化配置建立多水源多环节供水系统综合水价模型，尚待深入研究。

山东省邹平市属南水北调受水区，工业企业发展迅速，但水资源短缺，因此需要将长江水作为常规水源纳入供水系统［25］。 通过配套工程将长江水引入当地调蓄水库向用水户供水成本较高，若以单一水价供水，企业使用高价长江水的积极性很低。 笔者建立多水源供水系统综合水价模型，分析邹平市综合水价，并探讨各因素变动情形下综合水价的变化规律，以期为科学有效管理现有供水系统，提高用水效率，保障区域供水安全提供参考。

2 基于优化配置的工业多水源综合水价模型

南水北调受水区供水系统运行流程一般为水源—水库—水厂—用水户。 具体来说，就是将长江水通过渠道或管线输送至水库，再经渠道或管线输送至水厂进行一系列物理及化学处理，达到国家规定的水质标准后，再通过管网配送给用水户。

综合水价是指当地水与外调水互补使用时，共同为当地用水户供水实行的统一价格，主要受外调水量与当地水量、当地水价和外调水价的影响。 综合水价运作需要成立非营利性管理机构，管制各水源供水比例和供水类型，负责供水系统的运行和管理。 根据南水北调受水区综合水价管理需求，建立多水源供水系统综合水价模型。

采用区域供水成本最低作为经济目标：

式中：ciklj为从i水源取水至k水库并经l水厂处理后向j用户供水的成本，元／m3；xiklj为从i水源取水至k水库并经l水厂处理后向j用户供水的水量，万m3；I、K、L、J分别为水源总数、水库总数、水厂总数、用户总数。

采用区域缺水量最小作为社会目标：

式中：Dj为j用户的需水量。

综合水价根据多水源水量和水价计算得出，公式为

式中：P综为综合水价，元／m3；piklj为从i水源地取水至k水库并经l水厂处理后向j用户供水的价格，元／m3。

取水总量控制约束：

式中：Ci为区域i水源的取水总量控制指标。水库可分配给用户的最大水量约束：

式中：Wikl为从i水源地取水至k水库并经l水厂处理的可供水量，即扣除输水损失量、水库渗漏与蒸发损失量、配水损失量之后可供用户的水量。

用户需水量约束：

变量非负约束：

3 案例分析

3.1 邹平市水资源概况

邹平市为山东省辖县级市，由滨州市代管，位于山东省中部偏北，西北临黄河，地处鲁中泰沂山区与鲁北黄泛平原的交错地带，地势南高北低，属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，多年平均降水量581.7 mm，多年平均水面蒸发量1 200 mm，全市总面积1 250 km2。多年平均地表和地下水资源量分别为9 925.3 万、13 137.8 万m3，目前黄河水和长江水引水指标分别为10 400 万、9 850 万m3。

邹平市2020 年工业用水量为16 075.99 万m3，其中：当地地表水（小清河水）、地下水、黄河水（包括自引黄河水和从淄博市购买的黄河水）分别为146.94万、335.51 万、15 593.54 万m3，分别占工业用水总量的0.9%、2.1%、97.0%（因长江水价高而未引用长江水）。 根据引黄干渠、南水北调配套工程、工业管线布置规划方案，预测2025 年邹平市工业用水量为17 844.99 万m3，其中：地表水量（包括黄河水、长江水等）14 451.99 万m3、地下水量251.07 万m3、非常规水量3 141.93万m3（不纳入工业综合水价计算）。

3.2 区域综合水价计算结果及影响趋势分析

作为资源性缺水城市，邹平市经济社会发展主要利用黄河水，但指标约束下的引黄水量已远不能满足用水量增长需求。 南水北调续建配套工程建成后，需要改变当前长江水未被利用的现状，将外调水、当地地表水、地下水统一调度管理，实行综合水价。 为有效促进综合水价实施、科学管理决策，选择多种典型水源作为不确定因素，分析其对综合水价的影响趋势。

供水系统单一水源价格由原水水价、水资源税以及工程水价组成。 根据最严格水资源管理要求，污水处理费1.2 元／m3计入水价。 滨州市分配给邹平市的9 850 万m3长江水量指标基本水费为8 077 万元，实行综合水价之后将由工业各用水户共同分摊。 采用式（1）～式（7）计算邹平市工业用水综合水价。 各水源工业供水量及综合水价模型计算结果见表1，95%保证率下，2020 现状年和2025 规划年邹平市工业用水综合水价分别为3.88、3.89 元／m3。 根据水费支出占工业产值比重（2.5%）、2020 年邹平市工业产值（511.78 亿元）与工业用水量（1.61 亿m3）测算，邹平市工业可承受水价为7.95 元／m3，因此工业可以承受综合水价3.88 元／m3。 实行综合水价有助于提高工业节水积极性，缓解水资源短缺问题。

表1 各水源工业供水量及综合水价模型计算结果

区域多水源工业供水综合水价不确定因素有很多，通常选择可能发生而且会对评价结果产生较大不利影响的因素作为不确定因素。 基于邹平市各水源总量控制指标和水库供水能力，计算出可以供给用水户终端的总水量（长江水、新城水库水、地下水、自引黄河水最大可供水量分别为7 683.63 万、6 000 万、4 804万、6 162.3 万m3）。 基于工业用水总量和各水源最大可供水量，依次改变某一水源的水量，按照自引黄河水、新城水库水、长江水、地下水的供水顺序，利用优化配置的多水源综合水价模型，计算各水源供水量情况下的综合水价，分析现状年和规划年长江水、新城水库水、地下水、自引黄河水这4 种不确定因素对综合水价的影响。

由图1、图2 可知，现状年与规划年同类水源水量对综合水价的影响基本相同。 对于2020 现状年，在水量约束和现状工程条件下，引长江水量变化导致综合水价呈抛物线形变化，当引长江水量为4 000 万m3时综合水价最低（3.72 元／m3），当引长江水量为0 时综合水价最高（3.87 元／m3），当引长江水量最大为7 683.63万m3时综合水价为3.85 元／m3，由此可知长江水对综合水价的影响较大。 新城水库供水量为0 时综合水价为4.03 元／m3，供水量为6 000 万m3时综合水价为3.65 元／m3。 自引黄河水量为0 时综合水价为4.29 元／m3，水量为6 162.3 万m3时综合水价为3.65元／m3。 地下水供水量为0 时综合水价为3.65 元／m3，供水量为4 804 万m3时综合水价为3.99 元／m3。 综合水价随新城水库供水量和自引黄河水水量增大而降低，随地下水供水量增大而升高。 在总供水量一定的前提下，低价水供水量越少，则高价水供水量越多，综合水价越高。 2025 年新城水库供水量对综合水价的影响较2020 年明显。 价格影响趋势图可为决策者根据现状水价适时调整不同水源的水量提供依据。

图1 2020 现状年不同水源对综合水价的影响趋势

图2 2025 规划年不同水源对综合水价的影响趋势

4 结语

在分析邹平市水资源概况的基础上，运用多水源用水综合水价模型分析了邹平市现状年与规划年最优配置水量的综合水价，分别为3.88 元／m3和3.89 元／m3。 基于工业用水总量和各水源最大可供水量，深入研究了各因素对综合水价的影响规律，结果表明现状年与规划年同类水源水量对综合水价的影响相似，均呈抛物线形变化。

南水北调较高的长江水价给受水区水资源利用造成较大影响，因此基于综合水价模型制定多水源工业用水综合水价十分必要。 通过发挥综合水价长效补偿机制，建立非营利性质的水价管理服务平台，可以提高水资源利用效率，推动区域水价动态调整，促进用水公平，实现水资源优化配置，发挥跨流域调水工程的基础性、战略性和公益性作用，保障南水北调受水区人口、资源、环境和经济的协调发展。