廣義水資源高效利用調(diào)控框架

1廣義水資源高效利用技術(shù)研究存在的問題水資源不足，水資源利用效率和效率低下，促使人們更多地關(guān)注如何改進(jìn)有限水資源的利用效率和效率。國(guó)內(nèi)外對(duì)廣泛水資源的利用進(jìn)行了大量研究，在基礎(chǔ)理論、實(shí)施方法和效率評(píng)價(jià)方面取得了一些重要進(jìn)展。特別是在我國(guó)廣泛水資源的有效利用方面，我們注重對(duì)國(guó)外景觀水系統(tǒng)的管理，提高了生物水系統(tǒng)、植物水管理和水系統(tǒng)科學(xué)控制。提出了限制灌溉、非充分灌溉和缺水的概念。在廣泛水資源利用效率的研究中，我們注重對(duì)微觀水資源利用效率的研究，高灌溉水利用率、灌溉水生產(chǎn)效率和單位產(chǎn)水效率。在城市水資源的有效利用方面，國(guó)內(nèi)外主要集中在相關(guān)應(yīng)用研究上，如工業(yè)和家庭節(jié)水和生活水利用技術(shù)的應(yīng)用、代際節(jié)水管理的政策和分配標(biāo)準(zhǔn)的制定。盡管廣義水資源高效利用研究取得了一定的成果,但是由于廣義水資源高效利用的系統(tǒng)性和廣泛性,加之水資源研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,廣義水資源高效利用的概念、內(nèi)涵、評(píng)價(jià)指標(biāo)、核算與調(diào)控方法等方面的研究還遠(yuǎn)不成熟,存在的主要問題有:(1)研究對(duì)象主要針對(duì)農(nóng)田、企業(yè)、用戶等某一具體的微觀用水領(lǐng)域,綜合性的宏觀區(qū)域廣義水資源利用效用體系尚未形成;(2)現(xiàn)狀水資源高效利用研究缺乏水的循環(huán)轉(zhuǎn)化分析,水資源在區(qū)域之間、行業(yè)之間、人工和生態(tài)系統(tǒng)之間、以及地表水、土壤水和地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系未能得到清晰體現(xiàn),難以反映水資源在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)中的運(yùn)移消耗、產(chǎn)出貢獻(xiàn)和水資源利用的外部性;(3)水資源利用效益的研究偏重于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,生態(tài)效益評(píng)價(jià)分析較少,即便是經(jīng)濟(jì)效益分析,也往往只是某項(xiàng)工程的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià),對(duì)用水方式改變引起的區(qū)域宏觀經(jīng)濟(jì)效益變化研究較少;(4)僅針對(duì)狹義的地表地下水資源進(jìn)行利用效用評(píng)價(jià),且研究范圍多局限于人工系統(tǒng),缺乏廣義水資源的利用效用和天然生態(tài)用水效用的評(píng)價(jià)。2正在研究大型水資源效率的理論2.1水的服務(wù)功能廣義水資源是指通過天然水循環(huán)不斷補(bǔ)充和更新,對(duì)人工系統(tǒng)和天然系統(tǒng)具有效用的一次性淡水資源,其來源于降水,賦存形式為地表水、土壤水和地下水。根據(jù)廣義水資源的定義,從資源利用模式,可以將廣義水資源分為三類:一類是天然生態(tài)系統(tǒng)消耗而人工系統(tǒng)無法直接利用的降水,如消耗于裸地、沙漠戈壁和天然鹽堿地的水分;第二類是人類無法直接引用但可以調(diào)控的水分,如降水產(chǎn)生的土壤水可為天然生態(tài)系統(tǒng)與人工生態(tài)系統(tǒng)直接利用,無法直接引提使用,但可以調(diào)整水資源利用模式調(diào)控這部分水分;第三類是可通過工程開發(fā)利用的水分,包括地表水、地下含水層中的潛水和承壓水。從資源利用目的,可以將廣義水資源的服務(wù)功能分為經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)服務(wù)功能。水的經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能是指維持與生產(chǎn)活動(dòng)相關(guān)的功能,包括滿足農(nóng)業(yè)、工業(yè)、發(fā)電、航運(yùn)及漁業(yè)等用水需求,如作為生產(chǎn)物質(zhì)產(chǎn)品的原材料;作為生產(chǎn)物質(zhì)的中間產(chǎn)品和最終產(chǎn)品;作為經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中的載體或媒介;作為精神享受的物質(zhì)化產(chǎn)品等。水的社會(huì)服務(wù)功能主要是指人類生活用水和為提高人類生活質(zhì)量的用水。水的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指水維持自然生態(tài)過程與區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件的功能,包括泥沙的推移、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸、環(huán)境凈化及維持濕地、湖泊、河流等自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與過程及其它人工生態(tài)系統(tǒng)的功能。2.2水資源高效利用目廣義水資源的利用能對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展起到積極有效的作用,能夠?qū)ι鷳B(tài)與環(huán)境起到支撐和維持作用。廣義水資源高效利用必須圍繞水的利用過程進(jìn)行,并在利用過程中體現(xiàn)水的資源消耗特性;其次,廣義水資源利用消耗的高效性包括兩重相互聯(lián)系的特征,即微觀資源利用的高效率和宏觀資源配置的高效益;第三,廣義水資源高效利用目的是為了充分發(fā)揮水作為資源所具有的潛在的為人類社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值和功能,以最少的資源利用與消耗獲得最大的綜合效益,從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣義水資源的可持續(xù)利用,促進(jìn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。因此,廣義水資源高效利用概念是指在相同耗用水情況下,保持生態(tài)系統(tǒng)良好與經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益最佳的水資源利用方式,或者是在達(dá)到區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展目標(biāo)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上,區(qū)域耗用水資源最少的利用方式。廣義水資源高效利用的“廣義”體現(xiàn)四個(gè)方面的含義:一是利用水源是廣義的,不僅包括傳統(tǒng)的狹義性地表地下水資源,還包括降水產(chǎn)生的土壤水在內(nèi)的廣義水資源;二是利用對(duì)象是廣義的,不僅包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水,而且還包括天然生態(tài)用水;三是利用范圍是廣義的,不僅針對(duì)單個(gè)用水部門和用水單元的水資源利用過程研究,而且還從宏觀區(qū)域整體出發(fā),研究整個(gè)區(qū)域的水資源利用狀況;四是利用指標(biāo)是廣義的,不僅進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)、單個(gè)行業(yè)用水效率和效益的評(píng)價(jià),而且還采用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)用水效用。2.3回用公平原則廣義水資源高效利用應(yīng)遵循有效性、公平性和可持續(xù)性原則。有效性是廣義水資源利用的基本原則,水資源的分配和使用過程中,必須獲得經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)和環(huán)境產(chǎn)出效益。公平性主要體現(xiàn)在社會(huì)階層、地區(qū)和部門之間,保障人人享有水資源的權(quán)利,保障流域上下游、左右岸等不同區(qū)域之間水資源利用的權(quán)利,保障不同部門以及部門內(nèi)部水資源利用的權(quán)利?？沙掷m(xù)性是要保證水資源的再生能力,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定的持續(xù)增長(zhǎng),以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)的健康。2.4水資源在利用過程中的作用除了航運(yùn)、發(fā)電等非消耗性水資源利用之外,對(duì)水資源的使用主要是通過水資源的消耗來實(shí)現(xiàn),正是這種無法回收、無法再重復(fù)利用的資源消耗體現(xiàn)了水的資源特性。水資源在其利用消耗過程中表現(xiàn)為兩種途徑:一是被生命體消耗或產(chǎn)品帶走;二是通過蒸散發(fā)的形式參與到經(jīng)濟(jì)和生態(tài)量的產(chǎn)出過程中。因此,廣義水資源利用效率可表征為水資源消耗量與供用水量或廣義水資源利用量的比值,反映的是水在供人類社會(huì)和自然生態(tài)生存和生產(chǎn)中的資源消耗比率。廣義水資源利用效益是指經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)在水資源的利用過程中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)效益,可采用水的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)產(chǎn)出量與相應(yīng)的資源消耗量比值來表征。2.5自然-人工復(fù)合水循環(huán)技術(shù)廣義水資源高效利用研究具有如下特點(diǎn):(1)以廣義水資源可持續(xù)利用為目標(biāo),減少用水過程中的資源損耗,提高單方耗用水的有效產(chǎn)出,并在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境目標(biāo)之間進(jìn)行平衡,實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展;(2)以宏觀區(qū)域水資源-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)為研究對(duì)象,從系統(tǒng)的角度出發(fā)研究各要素之間的相互聯(lián)系、相互作用和相互影響;(3)以水的資源特性為出發(fā)點(diǎn),拓展以往僅針對(duì)取用水過程,研究自然-人工復(fù)合作用下區(qū)域水資源利用與消耗規(guī)律,實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域水資源的利用消耗機(jī)理的科學(xué)認(rèn)知;(4)以自然-人工復(fù)合水循環(huán)模擬為基礎(chǔ),分析自然-人工共同作用下的區(qū)域水循環(huán)轉(zhuǎn)換過程,研究水資源開發(fā)利用對(duì)水循環(huán)和水資源供用耗排變化規(guī)律的影響,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行高效利用和調(diào)控;(5)以廣義水資源合理配置為手段,研究對(duì)象不僅包括傳統(tǒng)的地表、地下水資源,而且需要將降水產(chǎn)生的土壤水納入統(tǒng)一考慮,用水對(duì)象不僅包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活,而且還包括人工和天然生態(tài)系統(tǒng),充分利用降水、合理利用地表水和地下水、科學(xué)調(diào)控制土壤水;(6)以水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)作用為保障,不僅注重經(jīng)濟(jì)利益的獲取,還要保證必需的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,尤其是干旱半干旱地區(qū),需要從水分對(duì)生態(tài)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制出發(fā),維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定;(7)以宏觀與微觀效率與效益評(píng)價(jià)為依據(jù),水資源開發(fā)利用是為了獲取經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)與環(huán)境利益,廣義水資源高效利用評(píng)價(jià)不僅要考慮微觀效率與效益,還要從區(qū)域全局出發(fā),研究廣義水資源的宏觀效率與效益。3計(jì)算和調(diào)整對(duì)大型水資源的有效利用3.1評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法廣義水資源的利用效用反映在利用效率和效益兩個(gè)方面,由于人工系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)廣義水資源利用效率和效益無法公度,難以統(tǒng)一核算衡量,并且行業(yè)、部門和區(qū)域水資源利用效率與效益也存在著顯著的差別,因此必須分別核算。由于用水行為、用水結(jié)構(gòu)、用水方式、用水水平以及受重視程度的不同,生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)水資源利用效率存在著很大差異,因此社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和區(qū)域廣義水資源利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法也不同,生態(tài)系統(tǒng)用水效率采用高效耗水率來表征。效益評(píng)價(jià)分別采用工程內(nèi)部收益率、單方耗水增加值、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和單方耗水GDP指標(biāo)來表征。廣義水資源高效利用核算指標(biāo)如表1所示。3.2廣義水資源高效利用模式廣義水資源高效利用調(diào)控是通過在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)間進(jìn)行水資源的合理配置,模擬不同水資源開發(fā)利用情景下的區(qū)域水循環(huán)轉(zhuǎn)換過程和廣義水資源演變規(guī)律,分析相應(yīng)狀況下的部門及區(qū)域用水效率和效益,尋求資源、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)和諧發(fā)展的廣義水資源利用模式。廣義水資源利用涉及區(qū)域/流域多個(gè)用水部門,單一部門的用水結(jié)構(gòu)和水平發(fā)生變化,勢(shì)必會(huì)對(duì)其他行業(yè)用水產(chǎn)生影響,因此流域或區(qū)域水資源利用必須考慮各方利益相關(guān)者以及各種水資源高效利用措施的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)和生態(tài)可行性,綜合權(quán)衡區(qū)域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用,結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行多方案的廣義水資源措施體系設(shè)置,構(gòu)建廣義水資源高效利用方案集,對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行廣義水資源合理配置分析和自然-人工復(fù)合水循環(huán)過程模擬,研究每個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)后效性響應(yīng)狀況,核算不同層次、不同用戶廣義水資源利用效率和效益,進(jìn)行方案集的優(yōu)化選擇,推薦經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、生態(tài)保障的水資源高效利用方案。廣義水資源高效利用調(diào)控框架如圖1所示。4廣義水資源高效利用算例研究根據(jù)提出的廣義水資源高效利用理論和構(gòu)建的廣義水資源高效利用核算與調(diào)控框架,選取寧夏平原區(qū)作為研究案例,借助開發(fā)的廣義水資源合理配置模型,開展廣義水資源高效利用核算與調(diào)控實(shí)例研究,在現(xiàn)狀水資源利用效率和效益分析的基礎(chǔ)上,核算區(qū)域渠系襯砌產(chǎn)生的廣義水資源利用效率和效益變化,并進(jìn)行區(qū)域水資源高效利用的優(yōu)化調(diào)控。4.1高效利用及水資源利用總體情況現(xiàn)狀寧夏平原區(qū)廣義水資源利用效用評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。整體來看,寧夏平原區(qū)用水效率較低,尤其是占用水總量比重較大的農(nóng)業(yè)用水效率更為低下,現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)水資源利用率僅為37.6%,廣義水資源利用效率為48.2%,在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)消耗水分中,高效利用的比率為46.1%。從整個(gè)區(qū)域?qū)哟紊峡?生態(tài)系統(tǒng)高效消耗水分的比率僅為29.0%,區(qū)域高效耗水率為43.5%,區(qū)域廣義水資源利用率為60.6%。現(xiàn)狀寧夏平原區(qū)水資源利用效益分析表明,寧夏平原區(qū)工業(yè)和農(nóng)業(yè)單方耗水增加值分別為163.40元/m3和1.83元/m3,區(qū)域單方耗水GDP為12.41元/m3,單方耗水經(jīng)濟(jì)效益仍有待于進(jìn)一步提高。寧夏用水結(jié)構(gòu)和用水效率與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平還存在一定的差距,水資源高效利用的潛力空間還很大,未來有必要采取一定措施提高用水效率和效益,尤其是提高農(nóng)業(yè)的用水效率,以實(shí)現(xiàn)用水的高效和可持續(xù)。4.2渠系襯砌措施渠道襯砌是寧夏平原區(qū)灌區(qū)節(jié)水改造最主要的措施之一,在其他因素維持不變的情況下,僅考慮平原區(qū)干支渠襯砌率的改變,且將襯砌節(jié)約的水量向工業(yè)轉(zhuǎn)移,研究渠系襯砌措施實(shí)施對(duì)廣義水資源利用效用的影響?，F(xiàn)狀寧夏平原區(qū)干支渠襯砌率約為20%,研究分析干支渠襯砌率為30%、40%、50%和60%情況下的區(qū)域廣義水資源高效利用效用。襯砌率的提高將使區(qū)域灌溉引水量減少,水循環(huán)通量減弱,區(qū)域內(nèi)各用水戶輸送、消耗、運(yùn)移和排泄水量發(fā)生變化,水資源利用效率和效益也呈現(xiàn)出顯著的變化,農(nóng)業(yè)和區(qū)域水資源利用率和廣義水資源利用率都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。如表2所示。4.3基于廣義水資源高效利用核算與調(diào)控模型的目標(biāo)選擇渠系襯砌、生活和工業(yè)節(jié)水改造、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、水價(jià)改革、生態(tài)格局變化等水資源利用措施都將對(duì)區(qū)域廣義水資源利用效用產(chǎn)生影響,在單因素分析不同措施的廣義水資源高效利用效用變化基礎(chǔ)上,結(jié)合寧夏平原區(qū)現(xiàn)狀和規(guī)劃情況,綜合各單項(xiàng)因素,構(gòu)成水資源高效利用方案集,在遵循單方耗水GDP要高于沒有采取措施的方案、廣義水資源利用效率提高、廣義水資源利用效益提高、生態(tài)服務(wù)價(jià)值不低于臨界閾值等原則,通過多目標(biāo)評(píng)判和專家決策分析,初步選擇相對(duì)合理的8個(gè)方案進(jìn)行水資源利用效用分析。如表3所示。運(yùn)用廣義水資源高效利用核算與調(diào)控模型對(duì)綜合方案的廣義水資源利用效率和效益進(jìn)行多方案分析,結(jié)果如表4所示。廣義水資源高效利用是在保持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的前提下,尋求工程經(jīng)濟(jì)合理、宏觀經(jīng)濟(jì)最高的方案。寧夏由于地理位置的特殊性,區(qū)域耗用水受到嚴(yán)格限制,水資源高效利用的標(biāo)準(zhǔn)為在保證生態(tài)系統(tǒng)良好的基礎(chǔ)上,以有限的水資源消耗獲得最大的宏觀區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益,即區(qū)域單方耗水GDP最大。廣義水資源高效利用方案的選擇不可避免的涉及諸多利益相關(guān)者,各利益相關(guān)者都可能根據(jù)自己的偏好,兼顧技術(shù)能力、群眾意愿、工程條件等其他因素進(jìn)行方案選擇,采用加權(quán)選擇法進(jìn)行利益相關(guān)者決策,8個(gè)候選方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)及指標(biāo)值如表5所示。根據(jù)評(píng)分函數(shù)構(gòu)造方法及利益相關(guān)者意愿要求,得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)值的構(gòu)造評(píng)分函數(shù)值,在評(píng)估目標(biāo)權(quán)重時(shí),根據(jù)寧夏具體情況,選擇若干不同領(lǐng)域的利益相關(guān)者決策人員,包括中央政府官員、地方官員、灌區(qū)管理人員、農(nóng)民、生態(tài)學(xué)專家、水資源學(xué)專家、農(nóng)業(yè)灌溉專家等,各評(píng)判人員根據(jù)自己的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和偏好對(duì)廣義水資源高效利用候選方案進(jìn)行全面了解、認(rèn)識(shí)和綜合評(píng)定,對(duì)每個(gè)方案的目標(biāo)權(quán)重進(jìn)行反復(fù)分析評(píng)估,根據(jù)Delphi專家調(diào)查法進(jìn)行,得到各目標(biāo)的權(quán)重值,確定各方案的決策選擇函數(shù)值。結(jié)果如表6所示,方案6的決策選擇函數(shù)值最大,表明各決策者的綜合決策意見傾向于方案6,因此方案6為寧夏平原區(qū)廣義水資源高效利用的首選方案,次之為方案4。5水