區(qū)域補水狀態(tài)識別的三次平衡度量方法

區(qū)域補水狀態(tài)識別的三次平衡度量方法

隨著社會發(fā)展和人口的急劇增加，社會需求水也在前所未有地增加。許多地區(qū)和城市的水資源短缺是不可否認的現(xiàn)實，也是一些地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸之一。但由于不同地區(qū)區(qū)域水資源短缺表象的各異性,加之目前國際和國內(nèi)尚未建立一套系統(tǒng)公認的缺水狀態(tài)判別指標體系,使得人們對于區(qū)域缺水狀態(tài)的識別存在著一定困難,其后果是一方面引發(fā)了大量紛爭,另一方面也在一定程度上影響管理部門的宏觀決策和調(diào)控行為。因此,精確識別區(qū)域缺水狀態(tài),并依據(jù)識別結(jié)果進行多維調(diào)控具有理論和實踐雙重意義。1區(qū)域缺水狀態(tài)的識別1.1北京水資源概況缺水是一個貌似簡單但又存在許多異議的概念。目前,國際上比較通用的判別標準是以人均水資源量進行缺水程度劃分(表1)。但這單一的劃分標準下面隱藏著多方面的問題。例如我國青海省水資源總量為627.48×108m3,人均水資源占有量13205m3,居全國第二位,但是區(qū)域內(nèi)荒漠戈壁廣部,生態(tài)環(huán)境惡劣,水資源開發(fā)利用難度極大,缺水表象非常明顯。還有的劃分是依據(jù)區(qū)域徑流深劃分,但這種劃分標準的應用性也較差,例如北京年徑流深達242.9mm,遠遠高于150mm的生態(tài)缺水上限,但另一方面,如果加上常住的流動人口人均水資源量僅為260m3,已經(jīng)低于世界最缺水國家以色列的水平,從這一方面來看北京屬于嚴重缺水地區(qū)。長期以來國內(nèi)形成了比較統(tǒng)一的意見,在缺水識別過程中按照區(qū)域缺水形成和產(chǎn)生的原因,將缺水類型劃分為資源型缺水、工程性缺水和污染型缺水。近期有關學者提出了管理型缺水和低效型缺水等概念1)。由此可以看出,由于缺水狀態(tài)表象和原因的多樣性,對于缺水狀態(tài)的識別采用單一的標準或指標是很難概括的。1.2水資源更新的歷史溯源實際上,短缺的概念是一個相對的狀態(tài),具體對于區(qū)域水資源短缺來說,它所描述的是一定經(jīng)濟技術條件下,區(qū)域可供水資源量和質(zhì)的時空分布不能滿足現(xiàn)實標準下的區(qū)域內(nèi)人口、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等系統(tǒng)對水資源需求時的狀態(tài)。因此在區(qū)域缺水狀態(tài)的識別過程中,其識別的范圍應當從單一的水資源系統(tǒng)狀態(tài)描述、成因區(qū)分拓展到系統(tǒng)承載的主客體兩方面同時考察。人類社會是一部開發(fā)利用水資源的歷史,從最早的逐水而居到如今的資源水利和水資源的可持續(xù)利用等理性思索的過程可以看出,水資源系統(tǒng)的外延不斷被拓寬,內(nèi)涵也不斷被豐富。發(fā)展到今天,人們對水資源開發(fā)利用的范圍已由最初單一的地表水系統(tǒng)拓寬到地下水、大氣水、海水、劣質(zhì)水(包括污水、微咸水和咸水)等多個系統(tǒng),水資源系統(tǒng)承載主體多元化特征日益突出。水資源系統(tǒng)承載的客體是隨著社會的發(fā)展而更替改變,在無人類活動干擾作用下,天然水資源系統(tǒng)在其循環(huán)過程中滋養(yǎng)了豐富多樣的天然生態(tài)系統(tǒng)。天然生態(tài)系統(tǒng)在包括水循環(huán)在內(nèi)的自然驅(qū)動力作用下,不斷實現(xiàn)生物群落與自然環(huán)境的動態(tài)平衡,最終達到一個符合區(qū)域水文情勢的自維持狀態(tài),其中地帶性植被主要依靠降雨中不形成徑流的水資源來維持,而非地帶性植被的維持除需要當?shù)亟邓酝膺€需要徑流等的支撐。自從人類社會行為作用于水資源系統(tǒng)伊始,水資源系統(tǒng)承載的客體的純自然屬性便開始發(fā)生改變,水循環(huán)系統(tǒng)的社會驅(qū)動力持續(xù)加大,農(nóng)業(yè)和工業(yè)經(jīng)濟系統(tǒng)的需水量和取水量不斷上升,水資源系統(tǒng)承載的客體逐漸演繹成生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng),其社會經(jīng)濟服務功能得到充分體現(xiàn)。由于水資源系統(tǒng)承載客體的多元化,水資源利用過程中就存在著競爭與分配的問題。1.3區(qū)域嚴重排水系統(tǒng)缺水地致水資源短缺地區(qū)的識別準則基于以上水資源系統(tǒng)承載的主客體分析,可以得出區(qū)域缺水狀態(tài)識別的若干準則:準則之一:區(qū)域水資源支撐的原生生態(tài)系統(tǒng)低于其原生演替的頂級狀態(tài)。區(qū)域原生生態(tài)系統(tǒng)的等級主要受地帶性(包括緯度地帶性和垂直地帶性)規(guī)律和局部非地帶性因素的控制,無論是在地帶性因素還是非地帶性因素當中,水分都是其中最主要的影響因子之一,因此對于區(qū)域缺水狀態(tài)識別的最基本衡量標準就是區(qū)域水資源系統(tǒng)所支撐的原生生態(tài)系統(tǒng)的等級。在具體識別操作過程中,對比區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)在無水資源脅迫條件下進行原生演替的頂級狀態(tài)和現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài),從而判斷區(qū)域水資源條件對生態(tài)系統(tǒng)約束力的大小,進而識別區(qū)域缺水狀態(tài)和缺水程度。事實上,這條準則的實質(zhì)就是通過考察天然狀態(tài)下區(qū)域水資源系統(tǒng)承載的客體外觀表象來評價區(qū)域水資源本底條件,這對于人類活動干擾影響較小的地區(qū)比較適用,如我國西北干旱—半干旱地區(qū)(表2),從景觀上看,難利用土地面積占總面積的一半,遠高于全國平均水平,雖然草地面積所占比重較高,但大部分屬于荒漠地帶的稀疏草地,植被群落處于早期演替階段,依據(jù)準則判斷出我國西北地區(qū)屬于嚴重缺水地區(qū)。準則之二:生態(tài)環(huán)境用水被社會經(jīng)濟用水擠占,生態(tài)環(huán)境退化。由于區(qū)域水資源系統(tǒng)承載客體的多元性,當區(qū)域水資源供需出現(xiàn)矛盾時,承載客體用水就產(chǎn)生了相互競爭。在沒有充分意識到生態(tài)環(huán)境價值時,受直觀經(jīng)濟利益的驅(qū)使,人類會通過各種方式對水資源在社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的分配進行干預,于是生態(tài)環(huán)境用水不斷被擠占,造成生態(tài)環(huán)境不斷遭受破壞。由于經(jīng)濟規(guī)律是社會行為的主要協(xié)調(diào)規(guī)律之一,因此可以用生態(tài)環(huán)境用水是否被社會經(jīng)濟用水擠占來初步識別人類活動干擾程度較高區(qū)域缺水狀態(tài)的識別準則。運用這一準則,可以清晰識別我國黃、淮、海等流域水資源短缺的狀態(tài),如黃河斷流就是流域生態(tài)用水被經(jīng)濟用水大量擠占引起的后果,河北省20世紀90年代的區(qū)域水資源開發(fā)程度達89%(表3),這些現(xiàn)象都充分暴露區(qū)域缺水態(tài)勢。準則之三:區(qū)域用水效率高于其他地區(qū)。在水資源情勢約束下,由于主觀能動作用,人類會自覺協(xié)調(diào)其水事活動行為,在缺水地區(qū)或流域,突出表現(xiàn)為用水效率的提高,包括區(qū)域供水效率和用水效率都高于同類平均水平。基于對這種脅迫反饋行為的認識,區(qū)域水資源利用效率成為識別區(qū)域缺水狀態(tài)第三層次準則,具體考察指標包括農(nóng)業(yè)灌溉定額、工業(yè)用水循環(huán)率、生活用水定額、蓄水工程效率、輸水工程效率和提水工程效率等。如我國最為缺水的城市之一天津市,其中工業(yè)產(chǎn)值用水定額達29m3/萬元,已經(jīng)遠遠高于全國其他城市地區(qū)。準則之四:區(qū)域內(nèi)水資源的開源與節(jié)流邊際成本基本相等。在水資源短缺地區(qū),人們從采取一系列增加供給和抑制需求的措施,以實現(xiàn)區(qū)域水資源供需平衡,這些措施可以廣義地概括為開源和節(jié)流。在進行開源和節(jié)流行為選擇時,行為措施的邊際成本成為決策者最主要參考指標之一。在決策和行為的實施過程中,決策者會努力尋求邊際成本較低的解決途徑,經(jīng)過一段時間調(diào)整,最終區(qū)域內(nèi)水資源的開源與節(jié)流邊際成本將達基本相等。因此區(qū)域內(nèi)水資源開源與節(jié)流的邊際成本大致相當與否成為區(qū)域缺水狀態(tài)識別的第四層次準則,如果二者邊際成本有較大差距,則邊際成本較低的措施仍有較大挖掘空間。準則之五:區(qū)域水資源進一步開發(fā)利用成本高于外調(diào)水成本。當區(qū)域水資源用水效率已經(jīng)達到一個較高水平,而且區(qū)域內(nèi)水資源開源和節(jié)流的邊際成本基本相等,如果區(qū)域水資源進一步開發(fā)利用成本高于外調(diào)水成本的話,人們自然會考慮利用區(qū)域外水資源來解決區(qū)域水資源的供需矛盾。由此區(qū)域水資源進一步開發(fā)利用成本高于外調(diào)水成本就成為了識別區(qū)域缺水狀態(tài)的第五層次準則。當然,這一行為的具體實施還受外調(diào)水源等外部條件的局限。2區(qū)域內(nèi)的供水量和限制2.1次平衡計算與其他區(qū)域排水系統(tǒng)的結(jié)合基于以上幾條準則,基本可以判斷出區(qū)域缺水的狀態(tài)并識別出缺水的層次,但僅僅得出一個地區(qū)是否缺水或是什么類型與層次上的缺水對于實踐來說是遠遠不夠的,因此關于區(qū)域缺水的定量化與缺水風險分析就顯得尤為重要。區(qū)域水資源評價是區(qū)域水資源短缺狀態(tài)度量和評價的前提與基礎?，F(xiàn)代水資源評價從區(qū)域水循環(huán)內(nèi)在機理出發(fā),依據(jù)現(xiàn)代水資源系統(tǒng)具有的自然、社會經(jīng)濟和生態(tài)等多元屬性,確立了水資源的有效性、可控性與可再生性等水資源評價的統(tǒng)一準則,從而界定廣義水資源、狹義水資源、生態(tài)需水量和國民經(jīng)濟可利用量等概念,并衍生出與之相配套計算方法1)。特別需要說明的是,在高度文明的當今社會,可持續(xù)發(fā)展理念已經(jīng)成為社會實踐的主要指導思想,因此區(qū)域缺水度量過程實質(zhì)上是度量一定生態(tài)保護標準下的社會經(jīng)濟缺水狀況,換句話說,就是在區(qū)域水資源總量的分配中,區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護目標下的生態(tài)環(huán)境用水作為剛性用水優(yōu)先予以保障,剩余的那部分水量作為社會經(jīng)濟水資源可利用量,在水資源可利用量當中計算供需間的差額,從而對區(qū)域缺水狀況加以度量。根據(jù)以上分析,區(qū)域缺水度量過程可劃分為以下幾個層次:(1)區(qū)域缺水第一層次度量:基于現(xiàn)狀供水能力的水資源供需一次平衡計算。水資源供需一次平衡分析,是以現(xiàn)狀供水能力去面對用水需求的外延增長,其供需平衡缺口較大,目的在于充分暴露發(fā)展進程中的水資源供需矛盾。在基于現(xiàn)狀供水能力的一次供需平衡計算當中,需水量的計算條件是不考慮供水因子的脅迫作用,而單一考慮區(qū)域用水發(fā)展趨勢,如考慮人口增長,城市化程度提高,生活用水定額增加、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化和各部門經(jīng)濟量的相對變化等,但各部門經(jīng)濟存量的用水效率不變,經(jīng)濟增量的用水效率提高,如農(nóng)業(yè)原有灌溉面積的定額不變,新增灌溉面積的定額有所下降,最終計算未來不同時段社會經(jīng)濟需水總量。在區(qū)域水資源供給方,不增加任何增加供水的水利設施,但考慮水資源演變導致的多年平均水資源量的衰減,包括土地利用格局變化導致的流域產(chǎn)水量變化,人工側(cè)支水循環(huán)形成后導致的水資源時空變化等。對當?shù)氐乇硭?將最小生態(tài)需水量扣除后作為其可利用量。對過境水量,按水資源使用權(quán)的界定量或現(xiàn)狀開發(fā)利用量計算。對地下水可利用量,一是要逐步停止深層地下水的開采,二是在采補平衡的原則下確定淺層地下水的可開采量。并考慮供水工程衰減等負面因子,得到未來不同時段的供水能力。依據(jù)供需雙方的預測,計算不同時段水資源供需平衡的一次差額,作為不同時段區(qū)域缺水第一層次的度量。以現(xiàn)狀供水能力為基礎的第一層次區(qū)域缺水度量,雖然在實踐過程中無太大的實用價值,但它給出了現(xiàn)狀基礎條件支持下,如果仍要實現(xiàn)經(jīng)濟的正常發(fā)展時區(qū)域缺水數(shù)量的上限,這對于正確認識區(qū)域?qū)淼乃Y源形勢,并采取積極的調(diào)控措施有著積極的意義。(2)區(qū)域缺水第二層次度量:基于當?shù)厮Y源承載力的水資源供需二次平衡計算。在基于當?shù)厮Y源承載力的水資源供需二次平衡計算中,充分考慮區(qū)域水資源供給和需求兩側(cè)因資源短板效應而進行的調(diào)節(jié)行為,如進行蓄水、供水、用水、排水等各個環(huán)節(jié)的基礎設施改造,減少無效的跑冒滴漏。依據(jù)邊際成本替代準則,在需水側(cè)充分考慮生產(chǎn)力布局調(diào)整和區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、政策因素等對水資源需求的調(diào)節(jié),限制大耗水產(chǎn)業(yè)部門的發(fā)展,鼓勵低耗水產(chǎn)業(yè)部門的發(fā)展;考慮分行業(yè)節(jié)水措施對各業(yè)需水的抑制作用,開展生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)方面的器具型節(jié)水,降低用水定額,提高用水效率;考慮水價提高對農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)用水需求的抑制等各方面因素。在供給側(cè)考慮將來不同時段可能的經(jīng)技術發(fā)展水平下的當?shù)爻Ｒ?guī)水源進一步開發(fā)、替代性水資源的開發(fā)利用,統(tǒng)籌安排降水和海水直接或間接利用、洪水和污水資源化、地表水和地下水聯(lián)合利用,增加水資源對區(qū)域發(fā)展的綜合保障功能。如對現(xiàn)有供水設施進行除險加固改造,提高其蓄水、供水、輸水能力;興建小型和微型水利設施,加大對雨水的直接利用程度;在有條件的地方,修建新的蓄、引、提工程加大水資源的開發(fā)利用程度;加大污水集中處理力度和回用程度,形成再生循環(huán)利用;在沿海地區(qū),加大海水的直接利用和淡化利用程度,以替代一部分淡水;在地下水位較高的缺水地區(qū),加大地下水的開發(fā)利用程度,降低地下水位以減少無效蒸發(fā)。以二次水量平衡為依據(jù)的區(qū)域缺水度量是以當?shù)厮Y源承載力為約束條件,以增加供給投入和抑制用水需求為代價,預計采用的手段和方法包括工程、經(jīng)濟、管理等多方面,所計算出來的區(qū)域缺水量可以作為當?shù)厮Y源開發(fā)利用的閾值與需求間的差值,有助于指導今后區(qū)域水資源開發(fā)利用的方向和實踐行為。(3)區(qū)域缺水第三層次度量:基于區(qū)際水資源調(diào)控的供需三次平衡計算。水的特殊物理性質(zhì)使得區(qū)域之間水資源調(diào)控成為可能,跨流域和跨區(qū)域間的調(diào)水成為許多地區(qū)解決水資源短缺的途徑之一,因此以區(qū)際水資源調(diào)配為基礎的供需三次平衡結(jié)果成為區(qū)域缺水的第三層次的度量。在進行基于區(qū)際水資源調(diào)控的供需三次平衡計算過程中,由于存在供需異地問題,水權(quán)和水市場的控制和調(diào)節(jié)作用將貫穿在整個供水過程當中,因此在供水側(cè)不僅要考慮供水的邊際成本問題,還存在調(diào)出區(qū)生態(tài)效益、經(jīng)濟效益與調(diào)入?yún)^(qū)的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益之間的搬家、轉(zhuǎn)化和補償?shù)葐栴}。基于區(qū)際水資源調(diào)控的三次供需平衡計算出的區(qū)域缺水量是區(qū)域缺水區(qū)間的下限,這部分缺水量所帶來的經(jīng)濟損失是無法避免的。在進行了以上三次區(qū)域水資源平衡計算后,可以得到三個層次上的區(qū)域缺水度量結(jié)果。為了能夠?qū)Σ煌瑢用嫔系娜彼鶐淼纳鐣?jīng)濟和生態(tài)環(huán)境影響有一個直觀的量化描述,關于缺水損失計算也就成為了區(qū)域缺水度量過程的必要后續(xù)。在具體計算過程中,可以將不同層次的缺水量按照水資源優(yōu)化配置的方法分別分配到各個需水部門中去,然后分別計算包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境在內(nèi)的部門新增產(chǎn)出,扣除其他因素投入,得到新增水資源量的不同部門凈產(chǎn)出,其數(shù)值上等同于不同部門的缺水經(jīng)濟損失。我們可以計算出不同區(qū)域缺水層次所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失,即不同層次區(qū)域缺水的經(jīng)濟度量。2.2區(qū)域社會經(jīng)濟可用量變化的主要方面在生態(tài)環(huán)境調(diào)控行為中的作用對于區(qū)域缺水狀態(tài)的識別和度量是認識事物的過程,也是實施缺水調(diào)控行為的前提與基礎。區(qū)域缺水調(diào)控行為是以流域或區(qū)域系統(tǒng)為基本對象,以流域水循環(huán)為內(nèi)在基礎,通過工程和非工程措施,為解決區(qū)域供需間的矛盾而在不同層次采取的協(xié)調(diào)與控制行為。對照區(qū)域缺水狀態(tài)的識別過程,區(qū)域缺水調(diào)控思想和行為主要在以下3個層次展開:(1)第一層次:以區(qū)域水循環(huán)為基礎的調(diào)控思想和行為,主要在自然資本和經(jīng)濟資本之間所開展。資本包括人力資本、自然資本和經(jīng)濟資本。傳統(tǒng)水資源開發(fā)利用行為所引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問題,迫使我們水資源調(diào)控行為的目標不能再僅僅著眼于自然資本向經(jīng)濟資本的單向轉(zhuǎn)換和經(jīng)濟資本間的內(nèi)部轉(zhuǎn)化過程。為維護自然系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性,現(xiàn)代水資源調(diào)控行為的宏觀指導思想必須基于可持續(xù)發(fā)展理念,因此對于區(qū)域缺水的調(diào)控行為首先是在區(qū)域自然資本和經(jīng)濟資本間的調(diào)控。區(qū)域缺水狀態(tài)第一層次的調(diào)控行為的理論基礎是區(qū)域水循環(huán),主要體現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境需水量和社會經(jīng)濟水資源可利用量的分配調(diào)控方面。廣義的生態(tài)環(huán)境用水,是指“維持全球生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水,包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等,都是生態(tài)環(huán)境用水”,狹義的生態(tài)環(huán)境用水是指“為維護生態(tài)環(huán)境不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水資源總量”。而國民經(jīng)濟水資源可利用量特指在自然條件和經(jīng)濟條件允許的情況下,狹義水資源中能夠被工程系統(tǒng)一次性開發(fā)利用的最大潛在量。因此區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水量與社會經(jīng)濟水資源可利用量存在著此消彼漲的關系,于是區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護目標也就成為這一層次上的水資源調(diào)控行為的主要準則。在這一條準則下,區(qū)域社會經(jīng)濟可用水量的增加應當突破傳統(tǒng)狹義水資源的框架,通過減少區(qū)域水資源的無效消耗來實現(xiàn)(如降低地下水位以減少無效蒸發(fā)),而不象先前以侵占生態(tài)環(huán)境用水來獲取。(2)第二層次:在區(qū)域內(nèi)開源、節(jié)流之間,以及開源或節(jié)流內(nèi)部開展的調(diào)控行為,即在區(qū)域內(nèi)部經(jīng)濟資本間進行的調(diào)控。在第一層次調(diào)控思想和行為的框架下,第二層次調(diào)控行為是在社會經(jīng)濟水資源供給和利用內(nèi)部開展的,包括供水調(diào)控和用水調(diào)控行為,即廣義的開源和節(jié)流兩方面。在供水調(diào)控行為上,以第一層次調(diào)控行為所分配的社會經(jīng)濟可利用水資源量為閾值,繼續(xù)增加區(qū)域供水量,包括修建蓄、引、提水工程,提高劣質(zhì)水利用水平等;另外供水調(diào)控行為的一個重要方面表現(xiàn)在供水的時空調(diào)控行為,如加大集中用水期的供水強度,優(yōu)化供水工程的空間布局。在用水調(diào)控方面主要包括用水效率的提高和用水結(jié)構(gòu)的改善,前者主要包括管理、工程、工藝技術等方面,后者包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整等?，F(xiàn)代的開源和節(jié)流措施大多都屬于經(jīng)濟活動的范疇,過程中伴隨著經(jīng)濟資本和人力資本的投入,因