盘山灌区不同节水目标情景下灌区水权优化配置分析

季香华

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘锦 124100)

目前，我国农业灌溉用水压力较大，面临着严峻的水资源短缺形势，人均水资源量远远低于世界平均水平，水资源问题逐渐成为制约经济可持续发展的重要瓶颈。我国大多数灌区灌溉水利用率低下、渠系衬砌率不高、设备老化严重、灌溉设施配套不齐全等问题突出，农业耕作方式比较传统。此外，由于灌区管理体制不健全和灌溉水价普遍偏低等导致灌溉用水量控制不合理、水资源浪费、农业灌溉用水不文明等问题严重[1-3]。充分考虑灌区实际情况制定合理水价，对于提升灌溉水利用系数和节约灌区水资源等意义重大。为实现用水实践过程中水资源的高效利用，必须明确各方主体实际可利用量以优化配置水权。鉴于此，文章将灌区水权优化配置模型与各种不确定因素相融合，优化分析了盘山灌区不同节水目标下的用水情况，旨在为灌区水权合理分配以及灌溉水高效利用提供一定理论依据。

1 灌区概况

盘山灌区位于辽河三角洲冲积平原上，在大凌河、绕阳河、大辽河、辽河四河流的下游，总面积1072km2，其中耕地5.04万hm2，设计和实际灌溉面积3.91万hm2、3.71万hm2，属于辽宁省大型灌区之一。灌区属暖温带季风气候，多年平均气温为8.4℃，年均降雨量646.8mm，多集中在7、8两月，占全年降雨量的53%，年蒸发量大于年降水量，年均蒸发量为1669.6mm，是年降水量的2.7倍。盘山灌区始建于日伪时期，经过几十年的发展，灌区已初步形成田成方、林成线、渠成网，遇旱能灌，遇涝能排的大型水田灌区。近年来，随着城镇化进程的加快和各种极端气候事件频发，工业、农业生产及居民生活用水需水量逐渐增大，与历史平均值相比可供使用的总用水量明显减少，城镇地下水超采、农业灌溉用水比例偏高、水资源供给压力剧增等问题突出，严重影响区域经济的高效发展。然而，农田水利工程老化失修、灌溉水收费偏低是引起水资源利用效率低和灌溉需水量大的重要因素。因此，为有效提升农业用水灌溉效率必须加快推进灌溉水价综合改革[4-6]。

2 模型研究

2.1 初始水权配置模型

分配管理灌区水资源时，在水量量测设施完全缺少的情况下水资源管理者很难做到精准分配每个用户水量，而农业生产量的多少很大程度上取决于分配水量的多少，对于农业生产用户做出缩产或增产计划的根本依据是他们了解可以支配的水量多少(被分配了多少水量)，并且难以给出确定的用水收益和缺水损失数据，这就导致很多不确定因素影响着灌区的水权分配[7-8]。鉴于此，文章利用区间两阶段水权优化模型响应灌区经济惩罚和水量数据不确定参数，在水量分配求解过程中考虑灌区水权配置的决策目标和不确定性，从而保证水权分配方案的科学合理性以及用水效率、成本、安全的协调发展，水权优化模型如下：

(1)

式中：Yci±、wci±为灌区调减水权和预期水权；P1i±、P0i±为灌区农业线性水价和预期水权水价；G1i±单位水权产值；i为灌区编号。该水权优化模型应符合以下约束条件，即：

P1i±≤P0i±≤Pmax

(2)

(3)

qc±≤Q±

(4)

wcimax≥wci±≥Yci±≥0

(5)

式中：Q±、qc±为农业实际可用水总量和实际可分配水权。

考虑到灌区休耕轮作灌溉面积，则可用水量与休耕轮作用水量的差值就等于实际可分配水权，鉴于休耕轮作面积具有一定不确定性，所以实际可分配水权计算应考虑年平均降雨量和蒸发量，具体表达式为：

qc=KPE1RE2ZE3

(6)

式中：P、K为灌区可分配水权价格(元/m3)和计算常数；Z、R为年平均降雨量，mm和蒸发量，mm；E1、E2、E3为水价、蒸发量和降雨量弹性系数。

2.2 水价模型

将区间参数引入至初始水权配置模型，以区间的形式表示来水量和经济数据等不确定性因素。然后引入水价调控指标和两阶段约束条件，将灌区水权分配用水价变化程度来衡量，在保证最大化灌区用水收益的基础上实现水权的最优配置。因此，可联立以上公式建立水价模型，即：

(7)

渠道衬砌率在一定程度上决定着灌区用水，一般地灌溉水利用系数随渠道衬砌率的提高而增大，当衬砌率达到界限值后灌溉水利用系数增长率明显减小，该条件下就不太适合投资渠道衬砌。所以，还要将灌溉水利用系数和渠道衬砌率引入水价模型中，并且符合节水措施约束条件，具体如下：

(8)

λ0i±≥λ1i±

(9)

式中：P2i±、Ri±为预期节水水价和节水奖补；λ0i±、λ1i±灌区渠道预期和实际衬砌率。

3 实例应用

3.1 数据输入

1)农业可分配水量。预留用水、非农业用水、生态用水、生活用水和农业用水属于“三条红线”用水总量控制目标的主要组成部分，结合实际情况确定灌区及其周边区域用水总量控制目标为6.71亿m3，而预留用水、非农业用水、生态用水和生活用水综合为0.46亿m3，所以农业可分配水量为6.25亿m3。

2)灌区预期水权界值。充分考虑灌区多年来的灌溉情况适当调整有效灌溉面积，结合农业可分配水量设置农业用水总量3%、5%、10%、15%的控制政策情景，即2025年、2030年、2035年、2040年灌溉水控制目标，以此确定农业用水确权方案。

3)农业单位水权损失与收益。灌区内的三产业比例为58.2%、12.8%、28.0%，人均可支配收入38460元，以此为基础计算各情景下单位水权损失与收益。

4)农业节水预期。结合灌区内经济发展情况和气候环境条件构建水价模型，从而计算实际用水量，模型表达式为：

qc=0.21P-0.482R0.381Z-0.186

(10)

盘山灌区内农作物以水稻为主，结合经验确定田间水利用系数0.815，以渠道衬砌率为自变量计算确定其与灌水利用系数的关系，即：

η=0.355+0.063In(λ-2.751)

(11)

根据以上公式可以确定预期节约水权界值为0.60-0.66，灌区节水量≥20%和≥50%时的节水奖补为0.04元/m3、0.055元/m3，由此获取差别化水价，见表1。

表1 不同情景下的模型取值

3.2 结果分析

经计算，农业用水总量3%、5%、10%、15%控制政策情景下的用水调减界值如图1。由图1可知，灌区用水调减界值随用水总量控制政策目标的提升而不断增大。具体而言：①在调减3%用水分配水权条件下，灌区用水调减上界值和下界值为12.8×106m3、12.1×106m3，上界和下界用水调减比例为2.88%、2.75%；②在调减5%用水分配水权条件下，灌区用水调减上界值和下界值为21.0×106m3、20.6×106m3，上界和下界用水调减比例为4.50%、4.41%，两者相差仅有0.04%；③在调减10%用水分配水权条件下，灌区用水调减上界值和下界值为60.3×106m3、55.8×106m3，上界和下界用水调减比例为12.81%、11.95%，两者相差0.86%；④在调减15%用水分配水权条件下，灌区用水调减上界值和下界值为91.5×106m3、85.4×106m3，上界和下界用水调减比例为15.47%、14.45%，两者相差仅有1.02%。

图1 不同情景下的用水调减界值

灌区用水最优情境下的计算结果，如图2。

图2 水权配置最优值

由图2可知，灌区用水最优值随着用水总量控制政策目标的提升不断减小，政策情景3%、5%、10%、15%条件下的灌区用水最优值为500.62×106m3、481.57×106m3、416.20×106m3、357.82×106m3。然而，灌区灌溉需水量与调减水权呈正相关性，即调减水权随用水量的增加而增大，调减水权提升则用水户的倾向性越好，用水效益低的用户调减水权越高而用水效益相对较高的用水调减水权反而越低。对于达到一定比例的调减水权，因过度缺水再分配和调整水权反而会降低经济效益。对调减水权较高的情景应优先从效益低的用户调减，再调整效益高的用户，直至调减到水权配置最优值。

4 结 论

文章将不确定性因素和灌溉系统收益最大化目标引入水权优化配置模型，并利用模型计算与分析了水价变动和不同政策情境下的水权，主要结论如下：

1)灌区水权调减比例不应超过一定的界限值，为保证灌区整体经济效益调减比例一般不超过20%。

2)在调减水权较高情景下应优先从效益低的用户调减，再调整效益高的用户，直至调减到水权配置最优值。通过合理设置奖补门槛有利于提高灌区用水户节水积极性，结合实际情况门槛不得过高。

3)文章统计数据与实际情况可能存在一定偏差，这主要是由于数据自身具有不确定性，研究成果可为优化配置灌区水权提供一定参考。