用水效率多情景约束下省区初始水量权差别化配置研究

面向最严格水资源管理制度的新要求,利用情景分析法刻画用水效率控制约束情景,分情景研究用水总量控制下的省区初始水量权差别化配置问题。从公平性的角度出发,在全面认知省区现实经济活动量差异、资源禀赋差异和未来发展需求差异,识别影响用水效率控制约束强弱的关键情景指标的基础上,设计省区初始水量权差别化配置指标体系,以区间数描述不确定信息,设置及描述用水效率控制约束情景WECS1、WECS2和WECS3,构建动态区间投影寻踪配置模型,利用实数编码加速遗传算法进行求解,计算获得不同用水效率控制约束情景下各省区的初始水量权。不同情景下2030年太湖流域各省区的初始水量权配置区间量测算结果表明:在任意情景下,江苏省的初始水量权最大,其次是浙江省和上海市,安徽省最少,配置结果在考虑公平的基础上充分尊重省区的差异性;江苏省的初始水量权配置区间量随着用水效率控制强度的增强而减少,浙江省和上海市的配置区间量无明显增减变化趋势,安徽省的配置区间量随着用水效率控制强度的增强而增加,且增加趋势明显。配置结果可有效促进各省区尤其是欠发达省区提高用水效率,有利于推进最严格水资源管理制度的落实。同时,分情景以区间数的形式给出配置结果,可为水量权配置决策提供更为准确的决策空间。     

基于纳污能力控制的省区初始排污权ITSP配置模型

省区初始排污权配置具有多阶段性、复杂性及不确定性特征。面向水功能区限制纳污红线约束,根据省区初始排污权配置的基本假设,引入区间数和随机数来描述不确定性信息,以因省区初始排污权配置产生的经济效益为第1个阶段,以因承担减排责任而可能产生的治污损失为第2个阶段,设计实现流域经济效益最优的目标函数,并以配置结果能够体现社会效益、生态环境效益和社会经济发展连续性为约束条件,构建基于纳污能力控制的省区初始排污权区间两阶段随机规划(ITSP)配置模型,分水污染物类别确定不同减排情形下的省区初始排污权配置方案。在三种减排情形下,2020年太湖流域各省区的初始排污权配置结果表明:1江苏省、浙江省和上海市的COD初始排污权配置区间量没有明显变化,其NH3-N和TP初始排污权配置区间量总体呈上升或递增趋势;2太湖流域各省区因初始排污权的配置产生的总体经济效益最优区间数分别为[335.35,399.75]亿元、[336.63,401.11]亿元和[339.08,402.74]亿元,最优区间数的下限值、上限值及期望值总体呈上升或递增趋势。分类确定不同减排情形下的配置方案,并提出方案实施的政策建议,为排污权配置决策提供更为准确的决策空间。     

基于双子系统协调耦合的流域初始水权配置模型

省区初始水权和流域级政府预留水量是流域初始水权的重要组成部分，研究省区初始水权配置子系统和政府预留水量配置子系统之间的耦合协调性是提高流域水资源利用效率的重要途径。面向最严格水资源管理制度要求，建立基于“三条红线”的耦合协调性判别准则，针对省区初始水权和流域级政府预留水量的配置方案，分别从水量、水质和用水效率视角判别两者之间的耦合协调性；针对未能通过耦合协调性判别的情形，提出调整两个子系统配置方案的方法，并重新进行判别，直至配置方案通过耦合协调性判别，从而获得流域初始水权配置推荐方案；最后，针对太湖流域进行实证研究。结果表明模型和算法具有可行性和有效性，可为其它流域开展同类研究提供借鉴     

基于奖优罚劣的省区初始水权优化配置

针对我国最严格水资源管理制度要求,研究省区初始水权优化配置模型。首先,基于流域经济效益、省区排污权协调性等建立目标函数,根据流域排污总量构建约束条件,建立多目标省区初始排污权免费分配模型;其次,将排污权嵌入初始水量权配置中,根据奖优罚劣机制构建省区初始水权配置模型;最后,以太湖流域为研究背景进行实证研究。结果表明:太湖流域规划年2030年在75%来水频率下,基于流域可分配初始水权总量为363.3亿m~3和排污量为54.46亿m~3的限制,江苏、浙江和上海初始水权配置量分别为135.19亿m~3,129.21亿m~3和98.89亿m~3。本文的模型通过奖优罚劣函数,把超标或未超标排污的外部性内化到水量分配上,实现了水量权与排污权分配的统一,可为其它流域开展同类研究提供借鉴。     

总量控制约束下区域用水结构调控策略及动态模拟

在既定水资源供给下,通过调控区域用水结构,提高用水效率与效益,使经济社会发展与用水总量限制的水资源约束相适应,是目前区域经济社会发展面临与亟待解答的关键科学问题。选择若干指标定量描述用水系统与社会经济系统耦合关系的基础上,以国民经济部门划分和用水主体划分相结合的方式,细化第一、二、三产业、生活和生态用水指标,建立了江苏省用水结构与产业结构、用水需求与经济社会发展指标互动反馈的模拟调控的系统动力学模型。在对当前发展模式下的江苏省用水总量发展趋势模拟预测分析基础上,选择对系统影响显著的参数作为调控变量,设计了5种对比情景,动态模拟水资源供求变化和用水结构变化情况,提出了江苏省用水总量控制下用水结构调控方案和对策,为区域落实最严格水资源管理制度提供决策依据。     

基于双层优化模型的流域初始二维水权耦合配置

结合新时期我国实行的最严格水资源管理制度,基于用水总量控制、用水效率控制、水功能区限制纳污三条红线控制约束条件,将流域初始取水权与排污权作为研究对象,根据流域初始水权配置的主从递阶思想,构建流域初始二维水权耦合配置的双层优化模型,实现流域初始取水权与排污权在不同区域及其不同部门之间的合理配置。从经济角度体现流域整体的经济效益最大化,从社会角度体现流域内区域之间的协调发展,从生态角度体现流域允许最大水污染物排放总量的严格控制。最终,实现流域初始水权配置中社会、经济以及生态目标的集成化,水资源数量与质量的相统一,提高流域内不同区域不同用水部门的用水效率、水污染物排放绩效,消除流域内不同区域之间的用水矛盾、水污染物排放冲突。并基于交互式决策理论,提出基于满意度的主从递阶交互式迭代算法对流域初始水权配置模型进行求解。结合案例分析,进一步验证了模型的有效性与算法的可行性。     

最严格水资源管理制度下的水权理论框架探析

在我国水资源贫乏、供需矛盾日益尖锐的情况下,建立和发展具有中国特色的水权制度,已成为践行最严格水资源管理制度和解决日趋复杂水问题的切实需要。本文首先从我国水资源管理体制的改革发展历程和未来需求出发,探讨了最严格水资源管理制度与水权制度两者的内在联系,指出水权制度建设对落实最严格水资源管理制度的重要意义;接着,从行政管理视角提出了有关水权划分的两级分类体系,重点解析了使用权与"三条红线"之间的对应关系;最后,从水权制度建设的主体内容出发,构建了由"基于水资源开发利用控制红线的取水权初始分配"、"基于用水效率控制红线的用水权交易"和"基于水功能区限制纳污红线的排污权交易"三部分组成的水权理论框架。在取水权分配方面,以和谐论思想为指导,以水资源开发利用控制红线为硬性约束,提出由和谐分配原则确定、和谐状态指标选取、区域总和谐度计算、和谐目标优化模型、取水权和谐分配方案优选等构成的取水权初始分配工作流程。在用水权交易方面,以用水效率控制红线为硬性约束,运用优化决策理论,提出由用水计划制定、节水潜力分析、水量折算系数计算、可交易用水权计算、用水权交易方案优选等构成的用水权交易工作流程。在排污权交易方面,以水功能区限制纳污红线为硬性约束,提出由污染物入河量预测、控制断面水质预报、减排潜力分析、可交易排污权计算、排污权交易方案优选等构成的排污权交易工作流程。该理论框架的提出可为我国水权理论研究提供参考。     

不同能源政策下苏浙沪能源消费碳排放高峰估计

中国要实现2030年左右达到CO2排放峰值目标,最终要落实到区域层面上。长三角地区作为中国经济的领头羊,其节能减排政策制定对其它省区具有示范作用。基于经济平稳增长模型对江苏省、浙江省和上海市未来的能源消费碳排放量进行了估计,并模拟了不同能源政策情景对能源消费碳排放的影响。研究表明:(1)基准情景下,江苏省、浙江省和上海市的能源消费碳排放高峰分别出现在2034年、2033年和2032年。(2)不同的能源政策对碳高峰的影响不同。能源结构调整情景和能源效率提高情景下,江苏省、浙江省和上海市的能源消费碳排放高峰都能提前到2030年以前,完成2030年碳排放达到峰值的目标。综合能源政策情景模拟结果显示,同时调整能源结构和提高能源效率,碳减排效果更加明显。     

双控行动下流域初始水权分配的多层递阶决策模型

以流域初始水权配置实践为导向,参考现有水权按照"流域-省区-市区-行业"层级结构进行初始配置的思路,在用水总量和用水强度控制的制度约束下,建立双控行动下流域初始水权分配的多层递阶决策模型,以模拟各个层面水权相关利益主体之间的民主协商及其上级层面行政仲裁过程,实现"流域-省区-市区-行业"层级结构的水权分配,充分兼顾分水的公平性与效率性,优化流域社会经济综合用水效益。在此基础上,提出多层递阶决策模型的迭代算法,对流域初始水权分配模型进行求解。并结合流域初始水权配置实践,验证多层递阶决策模型的可行性。研究方法的创新性体现为:一方面,构建的"流域-省区-市区-行业"层级结构的目标函数,有效保障了流域整体的国内生产总值最大化,体现了双控行动下流域分水的经济效益性。同时,有效保障了流域内各省区之间、各市区分水的协调满意度最大化,体现了用水总量控制约束下流域分水的社会公平性;另一方面,构建的"流域-省区-市区-行业"层级结构的约束条件,有效保障了各省区、各市区的配水比例与社会经济发展综合指数之间的匹配关系,提高了各省区之间、各市区之间的耦合协同发展效度,有效保障了双控行动下市区内各行业的用水目标达到预期的目标值,充分体现了流域内各省区、省区内各市区的经济社会发展需求以及市区内各行业的发展用水需求。从大凌河流域初始水权配置实践的多层递阶决策结果来看,流域社会经济综合效益的满意度达到0.993 4。其中内蒙古、辽宁、河北的水权分配比例分别为4.939%、93.731%、1.330%。与水利部试点方案进行对比分析可知,大凌河流域初始水权分配的多层递阶决策模型结果与水利部试点方案相吻合。     

用水总量控制下行业配水权重不完全信息动态博弈

流域水量的合理分配是实现流域水资源可持续利用的基础和前提,而行业配水权重是流域水资源分配的关键问题之一。博弈论借助于严谨的数学模型研究对策行为中利益冲突各方是否存在着最合理的行动方案,是找寻最合理行动方案的有效工具。基于不完全信息动态博弈理论,以广东省东江流域为例,研究了流域行业配水权重博弈过程及其最优解确定途径,并将基于用水总量控制的激励与惩罚机制引入至构建的行业配水权重博弈模型,以提高配水方案的可操作性。结果表明:(1)行业配水权重满足子博弈精炼Nash均衡目标的一阶条件可由水资源可利用量、河道内生态需水量、各行业需水量及其用水效益指标综合决定。(2)采用逆向归纳法求解东江流域初始行业配水权重博弈模型,2020年流域生活、工业、农业及和河道外生态环境配水权重系数分别为0.72、0.71、0.69和0.46,特枯来水年各行业相应配水量分别为20.2亿m~3、28.57亿m~3、33.61亿m~3和2.05亿m~3。配水结果较为客观合理,体现了行业用水的优先顺序。(3)用水总量控制指标下,明确配水的激励与惩罚额度是行业配水博弈的关键;通过用水的激励与惩罚机制,迫使各行业用水量在流域用水总量控制指标范围内重复博弈,增强行业节水积极性,提高用水效率,最终逐步实现各行业用水的个体理性和全流域水资源开发利用的集体理性相统一。研究结果有利于保障最严格水资源管理制度的有效实施,为变化环境下流域行业水量分配提供科学的决策依据。     

基于生产视角的中国水足迹地区间差异:“总量-结构-效率”分析框架

我国水资源短缺地区间差异问题正引起各界关注,分析比较各地区用水总量、结构及效率,是我国构建特色水安全保障体系、实施最严格水资源管理制度的前提。在"总量-结构-效率"分析框架下,采用多区域投入产出分析、锡尔指数空间差异分解、伪基尼系数差异成因分解等方法,分析我国30省级行政区(除西藏)42经济部门生产视角下水足迹(生产水足迹)地区间差异及其成因,为我国合理高效调整生产以降低水足迹提供依据。研究结果表明:1我国生产水足迹总量、结构、效率地区间差异明显。2生产水足迹经济区域间差异是其总体空间差异的主要成因(贡献率69.46%),而农林牧渔业生产水足迹经济区域间差异是生产水足迹经济区域间差异的重要贡献因子(贡献率59.19%),其关键因子为该部门最终需求量经济区域间差异(贡献率74.57%);水资源压力指标总体空间差异主要源自经济区域内省区间可利用水资源量对应差别。3农林牧渔业直接用水系数与最终需求量、食品制造及烟草加工业最终需求量、住宿餐饮业用水乘数与最终需求量等省区间差别分别是三大产业生产水足迹省区间差异主要贡献因子。4生产水足迹强度省区间差异主要源于农林牧渔业生产水足迹强度对应差异;煤炭开采和洗选业、石油和天然气开采业对工业生产水足迹废弃率省区间差异的贡献高于其他经济部门。     

合作视角下的跨境水资源两级分配模式

跨境水资源是淡水资源的重要组成部分，随着世界人口和经济的快速发展，各国对水资源需求增加，气候变化使水资源变化情势具有不确定性，更是加剧了各国对水资源安全保障的诉求。公平合理的跨境水资源分配对于缓解各流域国用水冲突、实现跨境水资源可持续利用具有重要意义。为提高跨境水资源分配的公平合理性和水资源利用效率，基于合作视角，该研究提出一个“初始分配以明晰所有权+优化再分配以实现高效利用”的跨境水资源两级分配模式。首先基于协商谈判视角，运用讨价还价博弈模型的方法理念，引入流域国间协商谈判机制，以实现跨境水资源在流域国间的公平合理初始分配。然后基于利益共享理念，构建具有模糊支付的跨境水资源合作博弈模型和要素双重模糊的跨境水资源合作博弈模型，探讨不同模糊情景下的跨境水资源优化再分配问题。并以澜沧江-湄公河流域为例进行实证分析，研究表明：(1)基于协商谈判寻求跨境水权分配最优解，可以有效提高分配方案的可接受性。(2)初始分配是流域国开发利用跨境水资源的基础，有利于明晰初始水权，但也存在难以长时间适应流域环境变化和各流域国用水需求变化的缺陷。(3)合作开发情景下的系统收益比非合作情景下的系统收益更高，且当...     

长江三角洲城市群工业用水效率评价及时空差异研究

在水资源约束趋紧的背景下，选取长江三角洲城市群中26个城市2005~2014年的面板数据，运用SBM模型对工业用水效率进行测算，并基于可分解的泰尔指数分析长江三角洲城市群内部工业用水效率的空间差异。结果显示：（1）长江三角洲城市群工业用水效率水平整体偏低，在不考虑与考虑非期望产出的情况下，工业用水效率10a平均值分别为 0.591 8.和 0.519 7;（2）工业用水效率的地区内部差异是造成总差异的主要部分，并且有随时间递增的趋势，其中安徽省对于地区内部差异的贡献率最大，其次为浙江省，江苏省贡献率最低;（3）江苏省各城市工业用水效率虽然差异不大但整体水平较低，而上海市工业用水效率较高并处于稳步上升状态。因此，缩小地区内部差异是实现长江三角洲城市群工业用水效率整体上升的重要途径。     

长江经济带省会城市用水效率分析

提高水资源使用效率是落实最严格水资源管理制度和水生态文明建设的重要内容。长江经济带是我国重要经济和生态走廊,也是我国正大力打造的经济新支撑带,分析各省会城市用水效率对缓解人水矛盾,促进水生态文明城市建设,推动长江经济带发展具有重大意义。基于2011-2013年长江经济带11个省会城市面板数据,利用超效率DEA模型和Malmquist指数测度各城市用水效率,并用Tobit模型检验其影响因素。①超效率DEA分析结果显示,长江经济带11个省会城市的水资源利用效率总体情况较好。分城市看,武汉、昆明、杭州、贵阳和成都水资源利用效率相对较高,上海和重庆水资源利用效率相对较低。2012年最严格水资源管理制度的实行,证明水资源利用效率受政策因素驱动迹象明显。②Malmquist指数分析结果显示,长江经济带11个省会城市整体水资源利用效率呈衰退趋势;而较低的技术效率变化和纯技术效率是制约长江经济带整体水资源利用效率的关键因素。省会城市中,杭州、合肥、长沙和贵阳TFP值排名靠前,长沙、上海、南昌和杭州技术进步最快;武汉用水效率衰退趋势最为明显和严重,合肥、长沙、杭州的用水效率提升较快。③Tobit回归结果表明,人均GDP、人均水资源量和第三产业比重对水资源利用效率影响较大且呈正相关关系。因此,从以上研究结果可以得出提升水资源利用效率的关键是在切实落实最严格水资源管理制度基础上,积极改进生产技术,普及节水工艺,大力发展第三产业,优化产业结构,最终形成制度、技术和结构的综合节水模式。     

基于区间直觉模糊集的水资源配置群决策研究

水资源问题是我国面临的重要资源与环境问题。流域水资源配置的有效性缺失也使水资源问题进一步恶化，而水资源配置过程中大量不确定信息也使高效决策问题更加困难。基于区间直觉模糊群决策的水资源配置方案优化方法，分析了水资源系统作为复杂系统的特殊性和区间直觉模糊理论在群决策中应用的优势，利用区间模糊数来表达专家判断信息，提高了流域水资源配置方案的合理性。通过多个水资源领域专家的群体决策，从流域水资源可持续利用评价视角出发，针对流域的社会、经济、资源、环境等多个因素进行判断，利用IIWAA算子进行群体意见集成，最后根据流域指标与理想点逼近点的距离对流域水资源配置方案排序。通过赣抚平原灌区内的用水区域在不同方案情景下的水资源可持续利用实例分析表明，该方法能够比较准确地评估出流域水资源配置方案的可持续性，为流域的水资源配置方案制定提供有效合理的决策支持     

基于最严格水资源管理制度的初始水权分配研究

实行最严格水资源管理制度是2011年中央一号文件明确要求的内容。在分析最严格水资源管理初始水权分配内涵的基础上,首次以水资源管理“三条红线”为准则,构建了包含目标层、准则层、指标层及方案层4个层次结构的初始水权分配指标体系,建立了最严格水资源管理初始水权分配的投影寻踪模型,并采用量子遗传算法优化投影指标函数,以模型计算出的最佳投影值作为初始水权分配的分水比例。最后,以南水北调东线一期工程为例,将本文所建立的模型用来分配该工程净增加供水量的初始调水量。结果表明:该指标体系和模型具有一定的可操作性及有效性。     

汉江流域基于模糊物元评价和数据包络分析的水资源用水效率评价

结合当前水利部在实施最严格水资源管理过程中对用水效率控制的要求,构建了涵盖工业、农业、生活、生态的用水效率评价指标体系和评价标准,采用基于熵权的模糊物元评价法和数据包络分析法(DEA)对汉江流域各行政区2010、2012和2014年的用水效率进行了评价。结果显示:两种方法所得结果一致,即汉江流域各行政区2014年的用水效率均有大幅度提高,主要集中在较高和中等水平;除武汉市用水效率达到最佳水平之外,其他各行政区均为DEA无效,且规模收益均为规模递增,说明汉江流域各地区已经采取措施来提高用水效率,并取得了初步成效,但仍存在很大的节水潜力,需通过节水技术进步和产业结构调整来提高用水效率。此研究结果可为汉江流域水资源利用和节水措施提供参考和依据。     

群链产业合作模式下“京津冀”区域水资源优化配置研究

产业间的合作在不同区域中呈现出不同的形式,这会导致基于其建立的水资源合作联盟形式各异,进而会影响区域内合作水资源的整体收益。为优化"京津冀"区域内的水资源配置,本文基于产业合作的群链模式机理和模糊联盟博弈思想,提出了一种具有三阶段结构的"京津冀"区域水资源配置模式。在第一阶段,以满足"京津冀"区域居民生活用水需求并兼顾产业间的水资源配置公平为目标,通过构建水资源一次配置模型,进行区域内各用水主体间的一次配置;在第二阶段,针对"京津冀"区域内产业间合作的群链结构,分析产业间进行水资源模糊合作博弈可能出现的模糊联盟形式,进而构建出水资源二次配置模型以实现水资源收益(效率)最大化,二次配置模型采用"优先规则"建立各水资源合作模糊联盟的支付函数,将"京津冀"区域内所有产业用水主体在第一阶段配置中获得的水资源按一定比率配置到各联盟中;在第三阶段,考虑模糊联盟的稳定性,采用模糊shapley值法对第二阶段配置后各模糊联盟的收益分配给产业用水主体。本文运用算例对上述水资源配置模式的有效性进行了验证。算例分析结果显示:(1)"京津冀"区域内各产业间合作关系为群链模式时,各产业通过形成多种形式的水资源合作模糊联盟,获得比其单独利用水资源时更高的用水收益;(2)京津冀区域内各产业的总体用水收益也高于各产业单独利用水资源时的总用水收益。即本研究中的水资源配置模式有效。因此,该水资源配置模式可为产业合作关系为群链模式的区域,在进行产业间水资源优化配置时提供决策参考。     

基于系统动力学—投入产出分析整合方法的江苏省产业用水综合效用分析

产业用水结构的欠合理一定程度上制约着社会的发展,如何科学评价产业用水情况,取得在经济效益、水资源和环境资源约束下的协调发展已成为目前区域社会经济发展面临与亟待解答的科学问题。以江苏省为例,提出了系统动力学—投入产出分析整合方法,在构建反映产业结构、用水结构和排污结构的互动反馈的水资源综合利用系统动力学模型基础上,通过敏感性分析确定对系统影响较大的关键变量,运用投入产出分析技术,对江苏省各部门用水特性、排污特性和经济效益特性进行计算测度,由此构建了3种产业发展模拟方案。依据系统动力学模型输出结果,对2025年3种方案下的重点产业部门用水综合效用情况进行对比分析,进而优选出"节水治污型"方案,并最后提出保障方案实施的对策建议,为江苏省产业和用水结构调整提供决策依据。     

基于粮食安全的河南省农业用水分析及其保障对策

对河南省1995-2010年粮食产量和农业用水现状进行分析,预测未来粮食产量以及农业用水的供需态势,提出河南省粮食安全的农业用水保障对策。结果表明,河南省近几年粮食产量的增加仍然依靠农业用水量的增长而获得,未来如果不采取节水措施,农业用水难以满足6500万t粮食产量的需求,在本文假设的两种情景下,届时缺口分别为23.9亿m3和44.7亿m3,保障程度分别为84.0和79.1%。同时,随外调粮食输出的水量约38.3亿m3,粮食外调加剧了河南省水资源的紧缺程度。为此提出以下建议:提高农业用水效率、设定农业用水红线、给予农业水资源适当的补偿、加强农田水利建设等。按照本文的初步估算,建议的农业用水红线为125亿m3。