基于物元可拓理论的水库初始水权分配研究.doc

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1、基于物元可拓理论的水库初始水权分配研究摘要由于我国北方地区水资源短缺，水库周围区域供需水矛盾越来越严重，给水库的水权分配带来较大困难。为促进区域水资源公平和高效利用，迫切需要探讨合适的涉及多方利益相关者的水库初始水权分配方法。本文以我国北方某水库为例，首先从流域水文条件、区域水资源供需状况、水库工程建设管理、区域经济社会发展等方面，分析影响水库初始水权分配的敏感性因素;然后，从影响因素中选取重要的影响因子，构建水库初始水权分配的指标评价体系;再者，引入物元可拓理论，建立水库初始水权分配物元可拓模型，通过指标熵权关联度的计算确定水库水权的分配权重;其后，根据水库的来水量，采用长系列變动用水时历法

2、，计算水库的可供水量;最后，根据水库的可供水量，利用物元可拓模型对水库的行业和区域的水权进行分配。结果表明，该水库的农业水权为424万m3、工业和生活水权为1 040万m3、生态水权为600万m3，水库分配给A县、B县和C县的水权分别为967万m3、163万m3和334万m3，水库所在河流因涉及跨区域河流生态流量管理，将生态水权归于更高一级行政管理层，不再进行县区分配。该水库的水权分配方案得到了多方利益相关者的认可，该项研究有利于促进市场条件下水库的水权分配，提升水资源决策管理水平。关键词 水库初始水权;水权分配;物元可拓模型 水权管理制度是市场经济条件下优化配置水资源的重要途径，是现代水资源

3、管理制度的重要组成部分。深化水资源管理体制机制创新、开展水权水市场建设，是贯彻落实国家水法律法规的必然要求，是促进水资源合理开发利用和节约保护的重要手段。2011年中央一号文件中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定明确提出：“建立和完善国家水权制度，充分运用市场机制优化配置水资源”。2012年国务院三号文件关于实行最严格水资源管理制度的意见提出：“建立健全水权制度，积极培育水市场，鼓励开展水权交易，运用市场机制合理配置水资源”。2014年1月水利部印发了水利部关于深化水利改革的指导意见，提出要开展水资源使用权确权登记;同年3月，习近平总书记在听取水安全战略汇报时提出要明确水权归属，随后相关

4、工作在7个省区开展不同类型的水权试点，内容包括水资源所有权确权登记、水权交易流转和水权制度建设等。2016年6月，水利部印发了关于加强水资源用途管制的指导意见（水资源2016234号），明确要求各省加强水资源用途管制工作，统筹协调生活、生产、生态用水，将用水总量控制指标进一步细化到生活、农业、工业等主要用水行业，明确社会经济发展各行业的水资源用途，实际上是明确了各行业的初始水权总量。水库作为重要的地表水水源地，在区域生活、工业、农业灌溉和生态用水过程中起到非常关键的作用。尤其是我国北方地区由于水资源短缺，水库周围区域供需水矛盾越来越严重，经常发生水库上下游、左右岸、不同行政区和不同行业的争水、

5、抢水现象。因此，科学分配水库初始水权，对于完善水权管理制度，促进水资源公平、高效利用具有重要现实意义。本文依托基于用水需求的水权分配思路，在统筹考虑多方因素建立水库水权分配指标体系，将可拓理论引入水库初始水权分配中，建立基于物元可拓水权分配模型，并以北方某一座大型水库为实例，开展初始水权分配研究，以期为优化水库供水调度与运行管理提供科学依据。1 文献综述目前，现有水权分配理论框架主要是开展以流域为单元的水权分配机制研究，而对于以水库蓄水工程为主体的初始水权分配研究还处于起步阶段。国内外学者对水权分配方法研究取得了许多成果，概括起来，水权分配方法主要有边际成本法、公共管理法、水市场法、基于用水需

6、求的分配方法等1-3，不同水权分配方法在具体应用中存在其优缺点。边际成本法是从水资源边际成本的角度进行水权的再分配，分配成果能够避免水资源的过度使用，不足之处是在实际应用中很难确定边际成本价格，如Jeson Kelmanti1提出了一种基于不同用户水的机会成本的分配模型，探讨了经济法则和线性分配机制。公共管理分配法是从政府管理角度实施水权分配制度，比较常见的有河岸权制度、优先占用权等，优点是能够促进公平，确保水资源不足地区的供水，并满足环境需水要求，不考虑价格因素，缺点是没有考虑资源的稀缺程度，会导致公共资金的巨大投入，造成水资源浪费，如Gopalakrishnan4采用占用优先原则建立水权分

7、配方法。水市场法是以市场水权交易的形式，实现水资源从低效益用户向高效益用户流转，提高用水效率，其优点是通过市场配置资源，优质高效，还可进行水权转让，缺点是水资源分配倾向于经济效益第一，会忽视弱势群体和公共利益，Howe5从水市场的角度提出了一种新的流域水权分配方法，Zhao等6建立了基于代理的水权分配框架，并比较分析管理系统和市场系统视角下用水户行为（水权交易、交易价格、水使用违规处罚等）。基于用水需求的水权分配方法主要是统筹考虑多方利益关系，建立综合分配指标体系7-9，采用数学模型进行水权分配的方法10-13，该方法可以灵活调整供水方式以满足不同区域、部门的用水需求，不足之处是需要构建一个透

8、明的协商分配机制较为困难，需要协调多方利益，如郑剑锋等7采用满意度决策理论进行了玛纳斯河取水权分配研究，陈艳萍等8采用模糊优选和TOPSIS法研究流域初始水权分配模型，王忠静10、吴丹12、王宗志13等也分别建立了不同分层或者分级的水权分配模型。不同水权分配方法对比分析，基于用水需求的水权分配方法应用最为广泛，实用性强，易于操作，但关键是在模型求解过程中，需要采用先进决策方法。可拓理论14是由我国著名学者蔡文首次提出的，广泛应用于控制决策、信息技术和人工智能等领域，尤其在处理多因素复杂系统综合决策方面具有较强优势。目前，将可拓理论引入水库初始水权分配中还没有系统的研究报道，特别是以案例实证方面

9、的研究值得关注。本文在水库调节计算的基础上先进行行业水权分配，然后对不同保证率下的水权采用相应的决策模型在区域间进一步分配。2 北方某水库的基本情况及供用水需求2.1 北方某水库基本概况以山东省某流域的一座大型水库为例（简称“某水库”）。该水库位于流域的中上游段，水库功能以防洪为主，兼顾农业灌溉、工业供水以及下游河道生态用水。水库流域面积687.14 km2，流域上下游有A、B、C三个县，面积分别为343.96 km2、82.04 km2和261.14 km2，A县和C县又根据水库控制流域分界线分为上游区和下游区，B县仅有上游区。水库的死水位116.19 m、死库容831萬m3，兴利水位124

10、.59 m、兴利库容6 125万m3，校核洪水位127.91 m，水库总库容11 280 万m3（10 000年一遇校核）。2.2 某水库取用水现状及需求水库的现状用水户为A县的水库灌区和A县某电厂，其中A县1 444 hm2的灌区农业用水以及某电厂的工业用水370万m3/a均取自该水库的地表水。随着近年来周边区域经济发展对水资源需求量的增大，A县提出了将该水库作为部分生活用水水源，同时增加电厂及其他企业工业供水量的要求;而B县和C县也宣称应该拥有该水库地表水一定比例的取用水权，主要用于城市生活与工业用水;该水库灌区的管理部门和农民用水协会提出，水库可以增加向城市生活和工业供水，但不能影响和损

11、坏农民的灌溉用水权益;水库的下游河道是旅游风景区，下游政府部门也提出，要求保证河道有一定的生态径流和景观流量。由此，水库涉及多方利益相关者，主要包括城市工业企业用户和城乡居民用户、下游农业灌区用水协会、水库管理者、河流生态系统维护的公益代言人以及政府机构等，不同利益相关者代表不同取用水户的利益。3 水库初始水权分配的影响因素及指标体系3.1 某水库初始水权分配的影响因素分析水库是拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，水库初始水权分配实际上是对水库可供水量在不同区域、行业部门、用户之间的用水分配，因而，水权的分配必然受到水库的来水、蓄水、输水、配水过程的影响。结合水库工程状况和区域用水现状和需求，

12、概括起来说，水权的影响因素主要有四个方面：一是水文因素，主要包括水库的降水量、集流面积、下垫面状况、水库水质状况等，直接影响水库的来水量和水质情况;二是水库的建设与管理因素，主要包括水库特征库容、特征水位、水库建设淹没面积、水库建设投资、水库蓄水工程、输水工程及其配套供水管网建设、水库正常运行、供水和防汛调度管理等，直接影响水库的可供水量及供水、运行和管理成本等;三是供需因素，主要包括水库用于农业灌溉、工业用水、城市生活用水和生态环境用水等的现状用户用水情况及规划供水区的需水情况，供需状况直接影响可供水量的分配比例大小;四是经济社会因素，主要包括水库上下游的经济发展水平、人口规模、供水价格及用

13、水效率等，这决定着水库供水的经济社会效益。如果在水权分配过程中仅考虑单一因素，比如单单考虑水库的汇水面积，则上游分配的水量很大，下游分配的水量很少，而水库的传统用水户大多集中在下游，这对于既要承担供水任务又要承担防洪任务的下游区域非常不利;如果水权分配仅仅考虑经济效益因素，则水库的大部分水量会分配给工业用水，而农业灌溉和生态用水就得不到保证。因此，水权分配需要综合考虑多种因素、需要平衡多个利益相关者的诉求。3.2 某水库初始水权分配指标体系构建水权分配指标体系是进行水库初始水权分配的重要基础，指标体系的构建原则上应满足代表性、系统性、可比性、通用性、简洁性等要求，即指标的选取应具有关键共性、客

14、观全面及可辨识度。目前水库初始水权分配指标体系构建尚未有可直接借鉴的研究成果，本文在水库初始水权分配影响因素分析的基础上，参考流域或区域水权分配指标体系9，12-13，结合研究区实际，从水文因素、供需因素、工程建设与管理、经济社会等方面选取10个敏感性指标，建立某水库初始水权分配的指标体系（见表2）。一旦建立起水权分配指标体系，那么按照每个指标所赋予的权重，就可以对水库的可供水量进行分配。需要说明的是，由于水库的农业灌区全部位于水库的下游A县，其他县对此没有异议，则农业灌溉的用水权可经水库兴利调节计算首先求取，不再参与水权指标体系的构建及分配。4 基于物元可拓理论的水库水权分配模型水权分配的权

15、重大小直接影响着水权分配的比例大小，一般的层次分析法（AHP）具有一定的人为性，主观性较强，同时受专家数据样本限制，样本数量较小时，分析取得的水权分配权重存在误差较大，而物元可拓理论能够利用关联度客观定量的确定水权分配权重，解决了水权分配主观性强的难题。基于该理论的水权分配物元可拓模型14的水权分配思路是，首先通过物元理论确定水权分配的物元三元体和它的经典域和待评物元，然后采用熵权法计算出评价指标的权重，最后通过计算贴近度进而确定水库初始水权区域分配权重。4.1 水权分配的物元给定事物的名称N，它关于特征c的量值为v，以有序的三元组R=（N，c，v）作为描述事物的基本元，简称物元。可以表示为：R=（N，C，V）（1）式中，R为水权分配的物元;N为待分配或可分配水权;C表示影响水权分配的指标;VN关于指标所规定的量值范围。4.2 经典域和待评物元4.2.1 经典域R0=N N1 N2 NmC V1 V2 Vm=N N1 N2 NmC1 a11，b11a12，b12 a1m，b1mC2 a21，b21a22，b22 a2m，b2m Cn an1，bn1an2，bn2 anm，bnm（2）式中，R0m个同征的物元体;Nj（j=1，2，m）所划分的