基于江河水量分配方法的黄河“八七”分水方案调整问题探讨

韩宇平，穆文彬，张戴炜

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046;2.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室，河南 郑州 450046;3.黄河水利科学研究院 引黄灌溉工程技术研究中心，河南 郑州 450003;4.河南省农村水环境治理工程技术研究中心，河南 郑州 450003）

黄河流域面临着水资源总量不足、时空分布不均、水资源禀赋与经济社会发展格局不匹配、经济社会缺水与生态用水不足并存等问题,是中国水资源问题较为突出的流域之一[1］。自20世纪70年代以来,水资源供需矛盾不断加剧,下游曾断流频繁。为缓解流域无序用水现象,国务院于1987年颁布了《黄河可供水量分配方案》(简称“八七”分水方案)。该方案以1980年的实际用水量为基础,将南水北调工程生效之前的总可供水量370亿m3分配给流域九省(区)及流域外缺水的河北省、天津市(见表1)。该方案考虑黄河流域最大可供水量,对不同频率的来水年份遵循“丰增枯减”的分水原则,并且前瞻性地预留了生态和冲沙用水210亿m3。该方案对平衡流域内各省(区)的用水和促进黄河水资源可持续利用起到了积极作用,实现了黄河干流20多a不断流。尽管“八七”分水方案在执行过程中对分水总量进行了调整,但各省(区)的分水比例一直未调整。“八七”分水方案提出30多a来,黄河流域下垫面条件、水沙形势、流域用水结构和供水格局均发生显著变化,该分水方案确定的各省(区)分水比例的适用性不断下降,关于分水比例的调整问题受到多方关注[2］。

表1 1987年国务院批复的黄河流域可供水量分配方案亿m3

水资源情势方面,“八七”分水方案以1919—1975年黄河年均天然径流量580亿m3为分配基数,而近30 a黄河天然径流量显著减少,第二次全国水资源调查评价确定的1956—2000年黄河流域年均天然径流量为534.8亿m3,1956—2010年、1956—2016年系列年均天然径流量分别为482亿、499亿m3,较1919—1975年系列分别减少17%和14%[3］。泥沙情势方面,黄河来沙量显著减少,如潼关站1960—1986年多年平均来沙量为12.1亿t,受水利工程、水土保持工程、引黄灌溉工程的影响,2000—2020年多年平均来沙量减少至2.46亿t,减少幅度为79.5%。流域用水格局和用水结构变化方面,“八七”分水方案实施以来,农业用水量和用水比例呈下降趋势,工业、生活和生态用水量和用水比例逐渐增加[4］。在用水空间格局方面,各省(区)之间呈现差异化发展,一些省(区)经常性超指标用水,如山东、内蒙古等；还有一些省(区)的用水量一直未达到分水指标,如山西、陕西等。另外,自南水北调东线、中线工程相继通水后,较大程度改变了河南、河北、天津及山东的用水条件和原有的供水结构；其他跨流域调水工程(如引汉济渭工程)也在一定程度上影响着相关省(区)的用水格局。

2019年9月18 日,黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略。发展改革委、水利部等五部委联合发布的《关于印发黄河流域水资源节约集约利用实施方案的通知》要求,基于“大稳定、小调整”思路对“八七”分水方案进行适当调整[5］。为此,笔者按照江河水量分配原则,采用单指标综合的水量分配方法、基于赋权的TOPSIS分配法,并结合“八七”分水方案确定的分水比例,最终得到黄河流域不同省(区)合理的分配比例与分配水量。通过江河水量分配方法在黄河“八七”分水方案调整中的适用性研究,以期为黄河流域水量分配的调整提供参考。

1 江河流域水量分配原则

江河水量分配原则体现了流域水量分配的思路,决定着水量分配的格局,与流域水资源的特点、水量分配的目标、分配层次等密切相关[6］。借鉴前人的研究成果,确定江河流域水量分配原则。

(1)尊重历史和现状原则。虽然现行的流域水量分配方案可能存在一些不合理的因素,但该方案是历史演进的产物和利益各方博弈的结果,具有一定的稳定性和科学性,如黄河“八七”分水方案[6］。流域水量分配方案的调整在尊重现状用水、尽量维持现有分配格局的同时,还需兼顾未来经济社会发展用水需求,对方案中不合理的部分进行适当调整,最大限度降低因大规模调整而带来的社会风险。

(2)公平性原则。江河流域水量分配应充分考虑各地区的水资源条件、人口分布、自然条件、生产力布局与区域经济发展等因素,力求做到分水公平合理。

(3)效益最大化原则。水资源既是一种有限的公共自然资源,又是一种经济资源。因此,在水量分配时,应考虑水资源的经济效益、社会效益以及生态效益最大化。

(4)可持续性原则。水资源作为经济社会可持续发展的重要资源,其开发利用不能超过资源环境的承载力。在江河水量分配中,需遵循水资源与经济社会和谐发展的原则。

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资源供需法、指标体系法以及多目标优化法3类。相比其他两类方法,指标体系法既考虑了流域更多的信息,又易于表达和计算,应用较为广泛。因此,本研究采用指标体系法中的单指标分析法、层次分析法(AHP)以及基于赋权的TOPSIS法综合开展黄河流域水量分配计算。

2.1 单指标综合的水量分配方法

(1)基于人口的水量分配方法。该方法按照不同地区实际人口比例分水。随着地区人口数量的增加,用水需求量不断增大,因此按照人口比例分水可体现分水的公平性,计算公式为

式中:Qi为第i个地区的分水量；Q总为流域内可分配水量；Pi为第i个地区的实际人口数量；n为流域内地区的数量。

(2)基于面积的水量分配方法。按照不同地区流域面积或引水灌溉面积比例分水也可体现分水的合理性和公平性,计算公式为

式中:Ai为第i个地区的流域面积或引水灌溉面积。

(3)基于GDP的水量分配方法。该方法按照不同地区的国内生产总值(GDP)的比例分水。万元GDP用水量是反映地区生产用水效率的重要指标,经济发展水平较高的地区,其生产用水效率一般也较高,因此按GDP分水能体现资源配置效率。计算公式为

式中:GDPi为第i个地区内的国内生产总值。

(4)基于生态用水的水量分配方法。生态用水对维持地区自然生态系统及水资源的可持续利用意义重大,健康的生态系统具有抵抗干扰、恢复自身结构和功能的能力,并能够为地区提供合乎自然和人类需求的生态服务[7］,是保障地区经济社会可持续发展的基础。因此,按地区生态用水需求分水具有一定的科学性,计算公式为

式中:ECi为第i个地区河道外生态环境用水量。

(5)基于单指标综合的水量分配法。基于人口、GDP、面积以及生态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区、不同行业人员对水资源的需求差异；基于GDP的水量分配方法易导致地区经济出现两极分化的现象；基于流域面积的水量分配方法则较适用于丰水地区。因此,笔者综合上述单指标水量分配方法,选取黄河流域各省(区)人口、GDP、省内流域面积、引水灌溉面积以及生态用水量作为指标。首先采用单指标分配方法确定各省(区)的水量分配比例,然后利用AHP法确定各分配方法的权重,最终得到各省(区)的综合分配比例与分配水量。

2.2 基于赋权的TOPSIS分配法

2.2.1 指标体系的确定

流域水量分配属于多目标、多层次的系统决策问题,涉及人口、经济、资源、环境等多方面因素。因此,根据江河流域水量分配原则,既要考虑公平性、效益最大化和可持续性,又要尊重历史与现状用水情况。其中:尊重历史与现状原则B1选取现状用水总量(C11)和未来(如2030年)用水总量(C12),公平性原则B2选取人口数量(C21)、地区GDP(C22)、地区流域面积(C23)以及地区引水灌溉面积(C24),效益最大化原则B3选取人均GDP(C31)、人均综合用水量(C32)、万元GDP用水量(C33)、万元工业增加值用水量(C34)以及农田灌溉水有效利用系数(C35),可持续性原则B4选取森林覆盖率(C41)、城镇化率(C42)、人口增长率(C43)以及GDP增长率(C44)。指标体系中越大越好的指标为正向指标,越小越好的指标为负向指标。

2.2.2 基于赋权的TOPSIS法计算步骤

TOPSIS法是一种逼近理想解的排序方法,也是求解多目标决策问题常用的有效方法,由Hwang等[8］于1981年提出。该方法的基本思想是通过分析评价对象的优劣状态,确定最优(最劣)方案,并检测评价对象与该方案的距离,进而根据评价对象与最优(最劣)方案的贴近度进行排序,若评价对象最靠近最优方案同时最远离最劣方案则为最好,最优方案的各指标值均为各评价指标的最优值。基于赋权TOPSIS法的计算步骤如下。

(1)构造初始判断矩阵:R＝(rij)m×n(rij为第i个方案的第j个指标,m为方案数量,n为指标数量)。

(2)建立标准化决策矩阵B:B＝(bij)m×n(bij为第i个方案第j个指标的标准化值)。

(3)建立加权矩阵。①利用AHP法和熵权法分别确定准则层对目标层的权重以及指标层对准则层的权重,最后确定各指标对目标层的权重W＝(w1,w2,…,wn)；②通过Z＝B×W构造加权决策矩阵Z＝(zij)m×n,其中zij＝wj×bij。

(4)确定最优方案Z＋与最劣方案Z-:

(6)计算评价对象与最优方案的贴近度Ci:Ci＝越接近1表明该方案越优[9］)。

2.3 基于多方案综合的水量分配法

在综合考虑“八七”分水方案、单指标综合水量分配结果以及基于赋权的TOPSIS分配结果的基础上,采用AHP法对3种分配方法进行赋权,最终得到较为合理的水量分配方案。

3 黄河流域水量分配方案调整及讨论

3.1 数据来源及分水规则

(1)数据来源。除满足黄河流域9个省(区)用水外,还需兼顾河北、天津的用水(天津自2013年起不再使用引黄水量)。本文选取的指标数据主要来源于《黄河水资源公报》《黄河年鉴》、各省(区、市)水资源公报与统计年鉴,同时借鉴了相关研究成果中的数据(如黄河流域除四川外的其他8个省(区)2030年用水量参考了文献[10］预测的结果)。计算数据见表2。

表2 黄河流域水量分配计算数据

(2)分水规则。以“八七”分水方案确定的黄河可供水量370亿m3进行计算,未考虑南水北调工程供水的影响,并以2018年为现状用水年。其中:四川省2011—2020年年均黄河用水量为0.26亿m3,未超其“八七”分水方案确定的0.4亿m3指标,因此其分水指标保持不变；河北、天津的分水量采用文献[10］计算的9.76亿m3,该结果是在综合考虑“八七”分水方案的分水量及两地区的现状与未来用水量的基础上确定的。

3.2 分水比例与计算结果

3.2.1 基于单指标综合的水量分配结果

基于表2统计的黄河流域8个省(区)总人口、GDP、流域面积、引黄灌溉面积以及生态用水量5个指标,利用式(1)～式(4)计算各省(区)的单指标占比(见表3)。结合黄河流域的实际用水情况,采用AHP法对各单指标分配结果赋权,经计算确定总人口、GDP、引黄灌溉面积、生态用水量以及省内流域面积的权重分别为0.375、0.272、0.190、0.100和0.063。最终得到各省(区)的综合水量分配比例见表3。

表3 单指标水量分配比例及其综合水量分配比例 %

3.2.2 基于赋权的TOPSIS法水量分配结果

(1)准则层和指标层权重的确定。采用AHP法确定黄河流域水量分配指标体系准则层B对目标层A的权重。根据黄河流域各省(区)的实际情况,按照尊重历史与现状原则、公平性原则、效益最大化原则以及可持续性原则的重要等级,采用熵权法确定指标层C对各准则层B的权重。结合准则层的权重,确定各项指标的最终权重,见表4。

表4 基于AHP法和熵权法指标权重计算结果

(2)水量分配比例。根据各项指标的最终权重值,采用赋权的TOPSIS法计算最优方案集合、最劣方案集合以及各省(区)与最优、最劣方案间的距离,最终确定各省(区)的分水比例(见表5)。

表5 各省（区）与最优、最劣方案间的距离及其水量分配比例

3.2.3 基于多方案综合的水量分配结果

以“八七”分水方案确定的黄河流域可供水量370亿m3为例,扣除四川的分水量0.40亿m3和河北、天津的分水量9.76亿m3,余下的359.84亿m3作为青海、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东8个省(区)的分水总量。针对“八七”分水方案、基于单指标综合的水量分配法以及基于赋权的TOPSIS水量分配法分别确定的各省(区)水量分配比例,采用AHP法确定3种分水方案的权重分别为0.637、0.105和0.258,并最终确定黄河流域除四川外的8个省(区)的分水比例(见表6)及其分配的水量(见表7)。

表6 基于不同水量分配方法的分水比例 %

表7 基于多方案综合的分水量与“八七”分水方案分水量的比较亿m3

3.3 讨 论

由表7可知:基于多方案综合的分水量确定的山东分水量最大,为75.53亿m3(占黄河流域总分水量370亿m3的20.41%),其次为河南、内蒙古,山东、河南、内蒙古三省(区)的分水量占总分水量的52.06%)；与“八七”分水方案相比,综合分水方案确定的青海、陕西、河南及山东的分水量有所增加,甘肃、宁夏、内蒙古、山西、河北和天津的分水量有所减小。

青海作为三江源最重要的水源涵养区和生态保护区,提供了黄河流域一半以上的水量,因此增加其黄河分水量,主要用于生态环境保护。陕西人口较多、GDP较高,流域面积较大,生态用水量位居首位(40.8亿m3),同时鉴于黄土高原作为黄河流域的重点生态用水保障区域,因而增加了其分配水量。河南和山东作为用水大户,人口、GDP、引黄灌溉面积均位居前两位,其中:河南作为全国粮食生产大省,黄河供水区覆盖全省大部分粮食生产核心区和主产区,但整个区域尤其是豫北、豫西山前平原地区水资源不足,大部分地区不得不依赖开采浅层地下水来满足用水需求,鉴于河南在保证粮食安全方面的重要作用,需增加其分配水量；山东省工农业较为发达,用水主要依赖黄河供给,鉴于其在保障河口湿地生态系统方面的重要作用,同样需增加其分配水量。

甘肃省万元GDP用水量、万元工业增加值用水量均较其他省(区)高,人均GDP相对最低,其工业用水存在较大的节水空间,因此适当减小其分配水量。宁夏的黄河流域面积较小,鉴于其人口数量、GDP相对较少,人均综合用水量、万元GDP用水量仍有较大提升空间,因此可压缩其分配水量；内蒙古以农业用水为主,但农田灌溉水有效利用系数不高,农业节水潜力较大,因此分配水量在原基础上有所减少；山西省水资源丰富,但地势原因使其水资源利用较为困难,用水量一直未达到“八七”分水方案确定的分配指标,其分水量可在原基础上适当减少。此外,考虑到河北、天津近10 a(2011—2020年)多年平均用水量(7.67亿m3)远小于“八七”分水方案确定的分配指标,且天津自2013年起不再使用引黄水量,因此原向河北、天津分配的20亿m3分水指标应大幅度减小。

需要指出的是,本文的研究成果是属于理论性的,对某些分水因素的考虑存在不足,如宁夏平原、内蒙古河套平原的绿洲生态经济完全依赖黄河水资源,绿洲生态经济系统用水特别是保持地下水位对支撑整个生态系统安全尤为重要,因此在制定具体分水方案时要兼顾这方面的需求。另外,黄河“八七”分水方案的前置条件是“南水北调通水前”,而目前南水北调东线、中线一期工程已经稳定运行,用水效益充分体现,所以各省(区)分水方案的调整也要适当考虑这方面的因素。

4 结语

黄河流域当前面临的水沙情势、用水格局和用水结构以及跨流域调水的变化均表明“八七”分水方案有必要适当调整。本文按照江河水量分配的原则,在全面考虑单指标综合的水量分配法、基于赋权的TOPSIS分配法以及“八七”分水方案确定的分配水量的基础上,最终确定了黄河流域各省(区)较为合理的水量分配比例与分配水量。通过与“八七”分水方案比较,大多数省(区)的分水比例有所调整,说明随着人民生活水平的提高、工农业的快速发展以及生态保护意识的提升,用水需求在一定程度上发生了变化。整体来看,分水方案与各省(区)的用水需求和重点发展方向紧密相关,水资源刚性约束将倒逼各省(区)调整产业结构,促进高质量发展。