黄河流域典型城市水资源季节价值研究

苏茂林，王 鹏，杨 靖，张 迪

（1.黄河水利委员会，河南 郑州 450003；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；3.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003）

黄河是我国华北地区和西北地区的重要供水水源，其水资源量和水质的变化对黄河流域生态保护和高质量发展有举足轻重的作用。随着经济社会的发展，水资源紧缺、水环境恶化等问题日益突出［1］，加强水资源管理刻不容缓，运用经济手段管理水资源是重要措施［2］。水资源价值是水资源经济管理的重要依据之一。水资源价值不仅受水资源时空分布影响，且随着自然、社会和经济因素的变化而变化，因此水资源的时空差异和人类社会属性使其呈现出明显的时空价值特性［3］。

有关学者对黄河水资源价值已做过一些研究。温善章等［4］对黄河可供水资源影子价格进行了分析，表明黄河各河段的水资源价值存在明显差异；为了缓解丰水期用水少、枯水期争相引水的矛盾，王强等［5］利用价格杠杆方法计算水资源价值，对山东黄河水资源优化配置进行了研究；吴泽宁等［6］针对黄河流域的农业系统，分析了水资源价值的空间分布特征。然而，关于水资源时间价值，尤其是水资源价值的季节性变化等的相关研究较少。

黄河流域气候季节性变化明显，区域降水和径流呈现明显的季节性特征［7－8］，其水资源价值亦呈现季节性变化特征。就黄河水资源而言，直接使用价值包括用于生产生活、农业灌溉等，间接使用价值包括生态服务价值（如调节小气候、保护生物多样性等）［9］。深入研究黄河流域水资源的季节价值，对于水资源跨时间尺度的调度决策与优化配置、缓解沿黄水资源供需矛盾具有重要意义。

1 水资源季节价值理论

1.1 水资源季节价值内涵

水资源是人类和自然界各类生物赖以生存所必需的重要资源，农业灌溉、工业生产、生活及生态环境维持等都离不开水资源。受自然、社会、经济和环境因素的影响，不同时空水资源利用效率不同。对水资源价值的认识是在社会不断发展过程中随着水资源稀缺性的逐步提高而逐渐形成的，受供需关系制约，其价值体现出从无到有、从低到高的过程。水资源的价值是基于某一社会发展时期，依托社会需求而产生的。水资源具有多重属性，除了其基础资源属性、社会属性和环境属性外，还具备商品的经济属性，具有所有权和稀缺性，能够在开发利用过程中产生不同的用途和价值。

水资源的价值随着季节的演变而改变，本文据此提出水资源季节价值的定义：水资源季节价值是指特定区域内单位水资源量在不同的季节特征下所产生的价值，其受多种因素的影响，主要受水资源量的影响。

1.2 黄河水资源的稀缺性

黄河流域生态保护和高质量发展面临的最大问题是水资源短缺。黄河上中游大部分地区位于400 mm年降水量等值线以西，黄河流域多年平均降水量仅为长江流域的40%，水资源总量仅为长江流域的7%、占全国的2%，却承担着全国12%的人口和15%的耕地用水，人均水资源占有量仅为全国平均水平的27%。黄河水资源开发利用率高达80%，远超40%的国际生态安全警戒线，属于资源性缺水地区。历史上黄河连续枯水段长、极端枯水事件频发。受全球气候和下垫面等变化的影响，20 世纪90 年代黄河发生持续枯水、干流连续断流现象，水资源供需严重失衡，造成严重水危机。

因黄河流域水资源总量有限且动态变化，故取用受限，且受降水、径流的变化影响，可利用水资源量和水质呈现不同的变化特征，都对水资源价值产生影响。同时，受上、中、下游不同河段调节能力限制，水资源对季节敏感性不同，在时空上的稀缺性不同，因而呈现出不同的时空价值。

1.3 黄河水资源季节价值的体现

水资源价值包括正价值和负价值，由水资源特性决定，受水资源时空分布限制，是量和质的统一。通常水资源开发利用是正价值的体现，负价值主要体现在水污染和水灾害方面。黄河流域水资源价值在不同季节有不同的体现，如3—4 月最大限度满足农田灌溉用水，同时保证生活、生态用水，是春季水资源价值的体现；夏季水资源价值体现在众多水库联合调度，开展汛前调水调沙，减轻黄河下游河道防洪压力，保护沿黄两岸人民生命财产安全；秋季后汛期对水库蓄水较为有利，在满足人民生活、社会生产和维系生态环境用水的基础上，发挥水资源的综合效益，体现其秋季价值；冬季水资源价值体现在满足甘、宁、内蒙古冬灌用水和生态补水，改善生态环境，为下一水文年的农业生产和生态健康奠定基础。

2 基于模糊数学方法的水资源季节价值评价模型构建

模糊综合评价法基于模糊数学中的隶属度理论，将定性评价转化为定量计算，对受到多种因素制约的对象做出综合性评判。该方法优点在于统筹定性和定量因素，设立多目标进行综合评判，结果清晰且客观科学，适于解决非确定性的、模糊的、难以量化的问题，近年来被广泛应用于价值计算。本文采用模糊综合评价模型对水资源季节价值进行定量计算。水资源季节价值模糊综合评价的步骤：①建立水资源季节价值评价指标体系；②确定隶属函数；③确定权重；④确定承受指数。

2.1 水资源季节价值评价指标体系的建立

水资源季节价值受多重因素的影响。基于黄河流域水资源价值的自然属性和社会属性，选择能够反映水资源季节特征的变量作为时间价值模型的驱动因子，建立水资源季节价值评价指标体系。

本文综合考虑黄河流域水资源开发利用的季节变化特征，根据水资源季节价值的影响因素选择评价指标，旨在反映人类对水资源的认识和利用程度的变化。考虑水资源的自然属性，选取季节降水量、季节径流量、水质达标率作为评价指标，水量和水质的变化直接影响水资源的供给和利用，对水资源的价值有直接影响。考虑水资源的社会属性，以季节平均气温和季节日照时长作为评价指标。黄河流域地表高程差和经度跨度大，流域上、中、下游分布于不同气候区，气温变化对水资源供给和利用的影响主要体现在冬季冰封期和春季开河期，对河道凌汛影响较大，进而影响水资源价值。黄河流域跨不同时区，上游地区日照时间短，下游日照时间长，日照时长直接影响人类对水资源的开发利用程度，比如农作物种植和灌溉用水量等，影响水资源的价值评估。

建立水资源季节价值评价指标向量：

确定评价向量等级，分5 级评价：

建立单因素矩阵组成的综合评价矩阵：

式中：ai为第i个驱动因子的评价向量，ai ＝（ai1…aij…ain）（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；n＝5；aij为第i个驱动因子第j级评价的隶属度）。

经加权计算，得出水资源季节价值的模糊综合评价向量：

式中：W为各影响因子的权重向量；“◦”为模糊矩阵的复合运算符。

2.2 隶属函数的确定

隶属函数通常采用降半梯形分布，一元线性隶属函数计算公式为

式中：x为评价因子的指标值；xij和xi，j＋1为评价因子的相邻两评价等级的设定标准值；Φij（x）为评价因子的隶属度。

2.3 权重的确定

采用专家咨询法与熵值法相结合的方法确定权重。对综合评价矩阵A中的元素aij用极差标准化法进行处理：

式中：bij为aij标准化后的值；maxai、minai分别为第i个驱动因子的原始最大值、最小值。

bij权重计算公式为

驱动因子的信息熵Ei计算公式为

驱动因子i的权重计算公式为

式中：w熵为利用熵值法所确定的指标权重，熵权反映客观信息中指标评价效用的大小；w专为利用专家咨询法确定的指标权重，综合考虑黄河流域各因素的重要性，径流量权重取0.25、降水权重取0.20、水质权重取0.30、气温权重取0.15、日照时长权重取0.10。

2.4 承受指数的确定

承受指数是基于区域经济发展水平以及居民可支配收入确定的。根据居民对水价的承受能力，可以计算出水价的上限值P：

式中：B为水费承受指数；E为人均可支配收入；C为年人均用水量；D为污水处理费用；H为供水工程成本。

采用等差间隔法，将水价上限值P等差划分可得水资源价格向量S：

水资源价格J计算公式为

式中：V为水价的综合评判结果；α为水资源价值（稀缺）系数向量。

3 黄河流域水资源季节价值评价与分析

选取黄河上、中、下游典型城市银川、郑州和济南，评价其水资源价值，研究黄河水资源价值的时空分布特征。黄河水资源在时间上分布不均匀，使得区域水资源价值的季节性变化显著。针对黄河不同河段的水资源季节价值进行研究，对水资源价值的时空评价显得尤为重要。

3.1 评价等级划分标准

针对各评价指标制定评价等级划分标准（见表1）。研究数据来源于《中国统计年鉴》《黄河水资源公报》《黄河泥沙公报》和各城市水务局公开的水质监测数据等。

表1 评价等级划分标准

3.2 评价指标的时空分布特征

黄河典型城市2016—2020 年不同季节的降水量、径流量、日照时长和平均气温分布特征见表2。

表2 黄河典型城市各评价指标季节变化特征

水资源各评价指标具有明显的时空分布特征，对水资源价值的影响各不相同。流域降水主要集中在夏季（各城市夏季平均降水量为361.81 mm，占全年的65.3%），春、秋、冬季降水量较小（分别占全年的13.6%、15.8%和5.3%）。受气候与地形影响，中游地区年降水量大于上游地区、下游地区年降水量大于中上游地区。采用石嘴山、花园口和艾山水文站的径流量数据反映上、中、下游典型城市的黄河干流径流量。可知，各城市径流量年内分布不均，主要集中在夏、秋两季；3 个典型城市夏季和秋季多年平均径流量分别为121.11 亿m3和93.63 亿m3，分别占全年的37.3%和28.8%；春、冬两季多年平均径流量较小，分别占全年的22.0%和11.9%。从空间上看，中游干流年径流量最大，上游干流年径流量次之，下游年径流量最小。黄河流域2016—2020 年的平均气温数据表明，夏季的平均气温为26.34 ℃，冬季的平均气温为0.45 ℃。同一季节，中游气温最高，下游气温次之，上游气温最低。气温变化对水资源的供给和利用有显著影响，尤其是冬季和春季的凌汛期，间接影响水资源可利用量。季节日照时长对流域农作物种植和灌溉用水量有显著影响，反映人类活动对水资源的开发利用程度；黄河流域2016—2020 年春季多年平均日照时长最长（为718.41 h），夏季、秋季日照时长次之，冬季日照时长最短（为480.77 h）；地域分布上，上游日照时长最长，下游日照时长次之，中游日照时长最短。

3.3 水资源价值（稀缺）系数的时空变化特征

黄河典型城市水资源价值（稀缺）系数的季节变化情况见图1。水资源价值系数反映水资源的稀缺性，水资源越稀缺，其水资源价值系数就越大。

图1 黄河流域典型城市水资源价值系数的季节变化情况

从图1 可以看出，水资源价值系数时空分布不同。从空间上看，黄河流域典型城市的水资源稀缺性不同，上游银川的水资源价值系数显著大于中、下游城市的，中游郑州的水资源价值系数最小。从时间上看，春季的水资源价值系数最大，原因是春季水资源稀缺性高，黄河降水量和径流量都较小；夏季水资源在4 个季节中最为丰沛，水资源价值系数最小；秋季径流量较大，其水资源价值系数也较小；冬季降水量和径流量均为4个季节中最小，由于日照时长最短且气温最低、对水资源的需求量较大，因此其水资源价值系数较大。上游银川的水资源价值系数四季波动较为平缓，而中、下游的郑州和济南的水资源价值系数在夏季出现显著波动，其水资源价值大幅度降低。受黄河流域水权分配的影响，实际中、下游城市的水资源价值与自然情况略有不同。

3.4 综合水价的时空变化特征

根据《中国统计年鉴》，2019 年银川、郑州、济南城镇居民人均可支配收入分别为3.82 万、4.21 万、5.19万元，按每人每天用水量150 L、每月30 d 计算，则每人每月用水量为4.5 m3。银川、郑州和济南用水成本分别为1.2、1.0、1.4 元／m3，家庭水费承受指数按1%计，黄河流域典型城市综合水价的季节变化情况见图2（图中彩色代表资源水价，灰色代表用水成本，二者之和为综合水价）。

图2 黄河流域典型城市综合水价的季节变化情况

由图2 可知，在水资源价值系数较大的春季和冬季，黄河流域典型城市的综合水价较高。由于综合水价是资源水价和用水成本之和，因此尽管银川水资源价值系数较大，但是综合水价却没有济南的高，而郑州的综合水价最低，原因是济南的用水成本较高、郑州的用水成本较低。整体而言，夏季的综合水价最低、冬季的综合水价最高。除了夏季上游城市的综合水价高于中下游城市外，其他季节下游城市的综合水价均高于中上游城市的。综上，黄河流域上、中、下游典型城市的水资源价值不同，水资源季节价值变化明显。

4 结 语

黄河流域水资源价值具有显著的时空变化特征。上游银川的水资源价值系数显著大于中、下游城市的，中游郑州的水资源价值系数最小。春季水资源价值系数最大、夏季水资源价值系数最小，原因是春季水资源匮乏、水资源稀缺性高，而夏季降水量和径流量大、水资源稀缺性低。

综合水价除受水资源价值系数影响外，还与用水成本有关。夏季的综合水价最低，冬季综合水价最高。除了夏季上游城市的综合水价高于中、下游城市外，其他季节下游城市的综合水价均高于中、上游城市的。

明确水资源价值的时空变化规律，加快水价改革进程，发挥市场经济的杠杆调节作用，有利于优化配置水资源，提高公众节水意识和用水效率，缓解黄河流域水资源短缺状况。