基于灌溉系统结构和边际效益的田块水权分配方法

刘畅 闫晋阳 周龙伟 范泽华 杨智渊

关键词：水权分配；边际效益；农业用水；河套灌区

我国经济社会的快速发展导致水资源需求量急剧增大。水资源供需矛盾严重限制了干旱地区经济社会与生态环境的可持续发展。水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，区域的水资源禀赋往往难以显著提高。因此，加强水资源管理，科学合理地利用有限的水资源是缓解水资源供需矛盾的关键。水权管理是水资源管理的重要内容，而初始水权分配是水权管理的基础［１］。初始水权分配是指水资源管理部门将水的使用权分配给工业、农业、生态和生活等用水行业，一般由流域管理机构或者政府部门进行初始水权的确权［２－６］。灌区是开展农业节水、农业水权转让和农业水价改革的重要区域，农业灌溉水源集中且用水量较大，因而灌区农业水权分配是农业水权分配的重要组成部分［７］。灌区灌溉实时信息获取能力不足、水权行使情况监管困难，研究建立适宜的农业用水户水权确权方法对于农业用水户水权管理具有重要的理论意义与实践价值。

目前国内外学者在农业水权确权方法研究方面已经取得较为丰富的成果，但灌区水权分配模型方法及确权的理论体系仍需进一步探索。Ｄｅｌｏｒｉｔ等［８］提出参与农业生产的水权持有者可以利用水资源协同决策来解決水权分配的不确定性问题，提高农业用水的经济和社会效益。潘少斌等［９］构建灌溉面积和灌溉需水量相结合的混合分配模式，确定了农业基本水权和动态水权，以保证农业水权分配的科学合理。张丹等［１０］采用基于用户满意度的综合加权模型，完成了农户间农业水权的初始分配，兼顾了农业水权初始分配的个体公平与整体公平。高娟娟等［１１］针对灌区内不同支渠基础条件和种植结构的差异，结合灌区工程条件、社会、经济及生态等方面的实际情况，提出一种在灌区现状约束条件下使经济效益达到最优的灌区各支渠间农业水权分配方法。管新建等［１２］基于灌区农业人口和灌溉面积，运用基尼系数法对灌区农户间农业水权进行初始分配，使分配结果更具公平性。贺天明等［１３］运用投影寻踪混沌粒子群优化模型，构建农业水权初始分配体系，对灌区农业水权进行深层次初始分配，实现灌区农业水权分配到户，为农业水权界定到户奠定了基础。王娅［１４］在分析运城市灌区水权交易潜力、核定水权交易水价的基础上，引入水权交易机制，提出了地表水灌区和地下水井灌区水权确权分配方法。已有水权分配研究大多在宏观方面构建了比较完备的水权分配模型，但是在灌区农户间的微观分配模型的构建方面鲜有研究，因此如何结合灌区特点，提出合理的灌区水权分配的多层级结构和适合不同层级的水权分配方法是值得研究的重要课题。

本研究将确权田块水权拆分为使用水权和占有水权，以不同农作物边际效益相等为准则分配确权田块使用水权，以同一渠系级别田块的单位渠道长度渗漏损失系数相同为准则分配确权田块占有水权，从使用水权和占有水权两个方面提升水权分配的公平性。

１研究区概况

乌兰布和灌域是河套灌区五大灌域之一，位于三盛公水利枢纽西北部，南边界为乌兰布和沙漠穿沙公路，北边界为磴口县与杭锦后旗行政区界，东起河套总干渠及乌拉河干渠，西至狼山冲洪积坡地边界。乌兰布和灌域地处乌兰布和沙漠东北部，主要地貌有内陆高平原、河套盆地，海拔为１０３０～１０６０ｍ，属中温带大陆性季风气候区，冬寒夏炎，四季分明，日光充足，温差大，光能丰富、积温高，降水稀少，蒸发强烈。灌域总的地势自西南向东北微倾，地势平坦开阔，局部有起伏，形成岗丘和洼地。

２０１４年，水利部将内蒙古自治区列为全国７个水权试点之一，试点目标为在河套灌区乌兰布和灌域推行节水工程，在巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、阿拉善盟开展水权转让，建立健全水权交易平台，建设水权交易制度，探索相关改革［１５－１６］。目前内蒙古河套灌区水利发展中心以直口渠（一般为斗渠）为单元，对乌兰布和灌域内的４６１个群管组织发放了《引黄水资源管理权证》、对１６０３７个终端用水户发放了《引黄水资源使用权证》，完成了直口渠灌溉用水初始水权分配和计量设施体系建设。乌兰布和灌域水权分配试点在国内水权管理方面取得了良好的引领效果，为继续推进灌区水资源高效利用和精细化管理，有必要探索将直口渠的初始水权分配延伸到农业用水户层级的方案。

２研究方法

根据水权的“四权说”理论，水权是指水资源的所有权、占有权、支配权和使用权组成的权利束。根据农业水权行使过程特征，本研究将确权田块水权拆分为使用水权和占有水权，分别代表田间用水量和渠系渗漏损失量。本研究提出基于灌溉系统物理结构和边际效益的田块水权分配方法：以不同农作物边际效益相等为准则，分配确权田块使用水权；以同一渠系级别田块的单位渠道长度渗漏损失系数相同为准则，分配确权田块占有水权。

２．１使用水权分配方法

基于公平性原则，本研究以不同农作物边际效益相等为目标，利用作物水分生产函数构建确权田块使用水权分配模型，实现最优的水权分配［１７］。对于灌溉用水户来说，水分生产函数能很好符合灌溉用水户的用水边际效益递减特点以及反映用水效益和用水量之间的关系［１８－１９］。由水分生产函数的性质可知，当不同作物用水边际效益相等时，所有田块总体效益最大。因此，分配模型可以表示为式中：Ｖｉ为第ｉ种作物的收益，ｎ为作物种类数，Ｖ′ｉ为第ｉ种作物的边际收益，ｘｉ为第ｉ种作物的灌溉定额，Ａｉ为第ｉ种作物的种植面积，ｐｉ为第ｉ种作物的单价，ｆ（ｘｉ）为第ｉ种作物的水分生产函数，Ｗｃ为田块使用水权总量，Ｗｔ为渠首确权水量，ｍ为渠道级数，ηｊ为第ｊ级渠道的渠系水利用系数。

２．２占有水权分配方法

确权田块水资源占有权计算方法：假设同一等级渠道的单位长度渗漏损失系数相同，确权田块单位灌溉面积所分配的水资源占有权应与对应等级渠道的输水长度、灌溉定额成正比例函数关系。因此，基于某一等级渠道在灌溉系统中的渗漏损失总量，求得灌溉系统单位灌溉面积单位渠道输水长度的渗漏损失系数，然后乘以对应等级渠道的输水长度即可求得确权田块单位灌溉面积在该等级渠道的水资源占有权，将所有等级渠道水资源占有权求和得到最终分配的水资源占有权，其计算公式为

３研究结果分析

以河套灌区乌兰布和灌域巴彦套海农场新三斗渠确权田块为例，对基于灌溉系统物理结构和边际效益的田块水权分配方法进行实例应用。根据调研结果，２０１２年巴彦套海农场新三斗渠确权水量为１０．９１万ｍ３，灌溉总面积为３６．６ｈｍ２（玉米种植面积为３３．０ｈｍ２、向日葵种植面积为３．６ｈｍ２），灌溉水量由斗渠口引入。巴彦套海农场新三斗渠确权田块种植结构和灌溉系统结构见图１（图中数字为地块编号）。

３．１使用水权分配结果

根据河套灌区当地经验值和参考文献［２０］确定农作物的水分生产函数。玉米、向日葵的水分生产函数分别为

由水分生产函数可知，当农作物产量达到理论最大值时，玉米和向日葵的最佳灌溉定额分别为３５５８、４２３１ｍ３／ｈｍ２，分别乘以玉米和向日葵的种植面积，累加求得新三斗渠最佳灌溉水量为１３．２６万ｍ３，而２０１２年新三斗渠实际确权水量为１０．９１万ｍ３，达不到最佳灌溉水量，因此不满足农作物需水要求，属于非充分灌溉。根据实际市场价格，玉米价格为２．２６元／ｋｇ，向日葵籽价格为１５．４元／ｋｇ。利用式（１）、式（２），求解玉米和向日葵的边际效益分别为

根据实地调研结果，斗渠渠系水利用系数为０．９６１８，农渠渠系水利用系数为０．９１１３。利用式（３）求得田块使用水权总量为９５６５９ｍ３。

当玉米和向日葵边际效益相等时，玉米和向日葵边际效益为２．５２元／ｍ３，玉米确权田块单位面积使用水权对应的ｘ１为２７５３ｍ３／ｈｍ２，向日葵确权田块使用水权对应的ｘ２为１３６７ｍ３／ｈｍ２，分别乘以田块面积，求得每个田块的使用水权。

３．２占有水权分配结果

新三斗渠７２个确权田块的灌溉面积及其对应农渠长度Ｄｑ，１和斗渠长度Ｄｑ，２分别见图２和图３。利用式（４）求得巴彦套海农场新三斗渠灌溉系统的斗渠渗漏损失系数为０．０００１１／ｍ，农渠渗漏损失系数为０．０００４２／ｍ。根据地块各级渠系长度和渗漏损失系数，利用式（５）计算各确权田块不同级别渠系的渗漏损失水量，利用式（６）计算各确权田块占有水权量。

１～７２号田块的水权确权结果见表１。渠系灌溉系统物理结构决定了单位面积确权田块占有水权的大小，边际效益决定了确权田块单位面积使用水权的大小。以田块３和田块４为例，两个田块均種植向日葵，灌溉定额相同，使用水权（分别为５０８、５６２ｍ３）与田块面积（分别为０．３７、０．４１ｈｍ２）成正比，而田块３的农渠长度（３５９ｍ）明显大于田块４的（２６７ｍ），所以田块４获得了更大的占有水权。综上所述，本研究提出的基于灌溉系统结构和边际效益的田块水权分配方法能够对确权田块的占有水权、使用水权和确权水权进行公平地分配。

３．３讨论

传统田块水权分配方法通常将多年平均引水量根据灌溉面积平均分配。在实际灌溉过程中，灌溉系统物理结构的差异使处于灌区灌溉系统不同位置的农田取水量在输配水过程中的损失情况并不相同。受输配水渠道长度的影响，渠系末端农田的输配水损失量往往更大，而渠首农田的输配水损失量则相对较小。由于田块不同农作物具有不同的灌溉定额，因此按照田块面积平均分配水权则农作物灌溉需水量与实际分配的水权必然存在差异。根据灌溉面积平均分配水权没有考虑农作物灌溉需水满足程度的差异，实际分配的水权往往不能满足农作物灌溉需水量，在灌溉不充分的情况下，不同农作物的田块便会产生不同的产量损失和收益损失。本研究以不同农作物边际效益相等为准则，利用作物水分生产函数构建确权田块使用水权分配模型，可实现最优的使用水权分配。根据渠道的输水长度、灌溉定额、渠道损失系数分配确权田块使用水权，更能体现水权分配的公平性。

４结束语

相比传统的水权确权方法，本研究提出的基于灌溉系统物理结构和边际效益的水权分配方法不仅能够反映各田块面积的差异性，同时考虑了田块在灌溉系统物理结构中位置的差异性和不同作物灌溉边际效益，可保证单位面积田块得到相同的边际效益，相比传统水权确权方法更能体现公平性。本研究以河套灌区乌兰布和灌域巴彦套海农场新三斗渠为例，对确权田块的占有水权、使用水权和确权水权进行分配，体现了分配方法良好的适用性。