流域水资源短缺风险调控模型研究（曾国熙,裴源生）

关键词：水资源；缺水风险；调控

中图分类号：TV21 文献标识码：A

我国水资源短缺，特别是北方地区缺水更为严重。受降雨和径流随机性的影响，供水和需水都存在不确定的因素，因此，水资源短缺具有一定的随机性即缺水存在着风险。缺水必然会使国民经济遭受经济损失，由缺水造成的经济损失也就具有风险。

为了避免或减轻缺水损失需要采取一系列工程和非工程避险措施对缺水进行调控，如兴建供水工程、进行水利讴歌能够成的节水改造和推广节水器具、跨流域调水等。这些避险措施均需要资金的投入，而这些投入是确定的。针对确定的避险投入即避险代价和具有风险的经济损失，从国民经济发展整体来考察到底多大规模的投入是经济的、合理的，缺水调控的准则是什么，不同的避免措施的适宜规模是多大，这些就是这一研究要解决的问题。

1 基本理论

1.1 缺水风险研究现状[1]

缺水多发生于持续干旱或极度干旱年，缺水的风险指的是人们对水的需求大于供给的概率。水资源系统风险分析[2]始于60-70年代。研究的主要对象为水文风险。80年代以来水资源系统风险研究得到了进一步发展。但有关缺水风险的研究很少，且主要集中在具体供水工程风险的研究，没有与区域社会经济的可持续发展和水资源的可持续开发利用相联系，无法解决全国或流域规模的水资源开发利用的战略规划和宏观决策问题。

1.2 缺水损失研究现状[3-6]

国外关于缺水风险的研究不是很多。目前国内损失研究重点集中在各种自然灾害如洪灾、旱灾风灾、雪灾等方面，有关缺水损失主要是相近的旱灾的研究，基本没有对缺水损失的直接研究。

1.3 缺水调控准则研究现状

目前在水资源配置和规划中，考虑到水资源、社会和经济等因素，城市供水包括工业用水和生活用水，其保证率一般取为95%；农业用水主要是农田灌溉用水在水资源较为丰富的地区取为75%或者95%，而水资源比较贫乏的北方地区则取为50%或75%。

供水保证程度高，缺水风险就小，缺水量少，损失相对也小，供水保证程度低，缺水风险大，缺水量也大，损失较大。确定供水的保证率或供水的保证程度实际上就是确定缺水调控的准则，因此以往对缺水的调控已经根据水资源配置的需求考虑到了诸多隐私，但仍有一些因素考虑不足，比如缺水风险所产生的缺水是具有风险的，这个因素在水资源规划中如何考虑；又比如缺水调控与区域国民经济发展的关系如何，采用什么措施来进行缺水调控更为经济合理，各种措施的规模多大更为适宜，这些在以往的工作中均未进行深入研究。

2 缺水风险调控研究方法

2.1 缺水风险

水资源短缺受用水需求和供水两个因素影响决定，而受水资源系统径流和降雨随机性的影响，供水和需水都存在不确定性，因此缺水具有风险性，不同概率或风险的产生的缺水量是不同的。这是由于水文现象本身所固有的不确定性引起的风险。

规划年的缺水量是一个不确定量，其概率分布很难求得。缺水经济损失受多种因素的影响，找出其概率分布比缺水量的分布更加困难。鉴于此，本次研究认为国民经济损失的概率分布未知。

由于资料方面的原因，本次避险方案实施时假定面临5种不同的状态：来水保证率分别为5%，25%，50%，75%，95%。一般认为，5%，25%来水保证率属丰水的情况，基本不存在缺水问题，缺水损失等于新增工程的投资额。后3种来水保证率出现时才考虑损失问题，因此可以把损失值出现的可能性等同于3种状态出现的可能性。规划水平年到底出现哪种状态无法得知，在此情况下合理的想法是认为各种状态出现的可能均等，即根据拉普拉斯准则将其视为等概率时间[2、7]。

2.2 缺水损失

本次研究是针对流域整个水资源系统，主要考虑因来水和需水的随机性所产生的风险。从不同来水保证率情况下的缺水量研究入手，进一步分析研究流域的缺水损失风险，主要考虑直接损失的计算，也暂不进行生活缺水经济损失和生态环境缺水损失。

农业干旱缺水直接损失计算，目前尚无成熟的方法，主要有对比法、减产系数法、灾情折算法。计算工业干旱缺水直接损失可采用对比法、缺水损失法、统计方法、线性规划方法。

（1）农业缺水经济损失。农作物有无灌溉，灌多灌少，其产量将不相同。这可由农业水分生产函数，即水分与作物产量之间的函数关系来反映。满足作物需水时的产量与实际灌水情况下的产量之间的差值即减产量为农业缺水经济损失。

式中Ai为缺水的灌溉面积，hm2；△yi为缺水的减产量，kg/hm2；Ci为农作物产品价格，元/kg；n为农作物种类。

（2）工业缺水经济损失。工业缺水经济损失的计算本次研究是按前面提到的“缺水损失法”进行的，即根据工业供水的缺水量和万元产值取水量求得。

在“缺水损失法”基础上用万元工业GDP取水量代替万元产值取水量，这样更为合理。

另外，由于缺水时首先要限制大耗水工业的用水，大耗水工业的缺水要高于一般工业，因此缺水损失按大耗水工业和一般工业分别进行计算，这样更为接近实际。这也大体上反映了各地水的稀缺程度不同造成的缺水损失也不同。

2.3 缺水调控准则

为了解决缺水问题，可采取多种避险措施。各种措施在投入相同的情况下减灾效益却是不同的；任何一种措施在不同规模下单位投入的减灾效益也是不一样的。为了使各种措施与国民经济协调发展，必须使各种措施的总投入和减少的缺水损失效益间保持协调。因为总投入越大，缺水经济损失越小，但如果投资无限增大则会出现总投入远大于所减少的缺水损失的情况，这样显然是不经济的，对整个国民经济发展也是不协调的。

本次研究从水利与国民经济发展相协调的观点出发，将水资源合理配置与风险决策的理论和方法结合起来以确定缺水调控的准则。将避免缺水风险的各种措施的投入视为国民经济发展所付出的代价，也看成一种经济损失，把这一损失与不同缺水风险时的缺水经济损失之和看作国民经济的总损失。设定一系列可能的不同投入方案，求得各方案情况下不同缺水风险时的总损失。进一步应用风险决策方法，求出各投入方案时的期望损失值。这一数值代表了在不同投入方案下，国民经济可能出现的损失。缺水调控的准则就可确定为期望损失值最小。这一准则意味着在考虑缺水存在风险的情况下，使规避缺水损失的国民经济投入最为经济合理，也就是使水利与国民经济发展做到了相互协调。按这一准则所确定的相应方案，经济合理的投入规模，这一投入所对应的工程规模就是经济合理工程规模。

2.4 缺水风险调控基本步骤

本次采用损失期望值法进行风险决策和调控。基本步骤如下：

（1）拟定一定总投入Ci下不同避险措施综合方案。

（2）计算流域的供需平衡，求出不同保证率Pj情况下的缺水量（农业、工业、生活各自的缺水量及总缺水量）及相应缺水经济损失值ELij（农业经济损失值、工业经济损失值）。

（3）建立缺水经济损失值表，见表1，这里缺水经济损失为工业经济损失与农业经济损失之和。

（4）计算不同风险概率下总损失值，这里损失为缺水经济损失与总投入之和，即Lij=ELij+Ci。

（5）根据不同方案，不同概率的损失值计算各方案的损失期望值EOLij=Σ（Lij·p）,p=1/m。计算损失期望值EOLij=Σ（Lij·Pi）时，Pi为损失发生的风险概率，要指出的是它不等同于来水保证率50%，75%，95%。最小的损失期望值min{EOLi}对应的方案则为最理想方案，按这一准则最理想方案确定的总投入和相应的供水、节水、治污、南水北调的投入规模就是最理想的工程投入规模。

按以上原则和方法建立水资源短缺风险控制模型。

3 实例研究

海河流域在我国国民经济发展中占有重要位置，是典型的缺水地区，缺水已阻碍了这一地区经济发展并产生了严重生态环境问题。因此，本文以海河流域为研究重点，建立缺水风险调控分析模型。模型计算主要包括两大部分：流域总投资方案的确定；在流域总投资已确定的基础上，调整不同避险措施的投资比例，确定最佳投资方案。

3.1 流域总投资方案的确定

参考《全国水利发展第十个五年计划和2010年规划》确定海河流域最大投资值及不同避险措施的投资比例，并以此基础拟定2010年海河流域的不同投资值及投资比例作为模型计算第一部分的输入。

此次共拟定9个总投资方案，其中第1个方案为零投入方案。该方案对应的损失实际是以现状供水能力为基础的一次供需平衡下流域的最大可能缺水损失。从第2个方案开始投入依次增加，到第9方案时达到流域可能的最大投资值。其中，方案2-5是无南水北调工程的投资方案，方案6-9是有南水北调工程的投资方案；南水北调的投资只考虑了东线和中线。具体各种总投资方案及不同来水保证率下的缺水总损失结果见表2。

从表2可以看出：从平水年、一般干旱年到特枯年，缺水经济损失越来越大；从方案1-9，随着避险措施投资（不包括南水北调）的增大缺水经济损失呈递减趋势；从有无南水北调工程的角度看，有南水北调工程，流域的缺水经济损失要小得多，这说明南水北调工程对缓解海河流域的水资源短缺情况，将起到十分大的作用。

总的来说，从方案1-9总的趋势是随着投资的增加，缺水期望损失值是先减小后增大。其中方案7期望损失最小，总投资是1021.77亿元，其中南水北调投资881.77亿元，其他投资140亿元。分析这一结果可以看出：第一，从水利和国民经济发展协调的角度考虑，南水北调东线和中线工程对海河流域的缺水风险调控有很大的效益，对整个国民经济的发展也是大有益处的。第二，在不考虑南水北调的情况下，其他避险措施的投资增加时，对整个国民经济发展有利；但在考虑南水北调的情况下，其他避险措施的投入应当适度。如果过大虽然仍可减少缺水损失，但从整个国民经济发展的角度考虑并不可取。

3.2 各种避险措施对缺水损失的影响

流域总投资确定后，调整各种避险措施的投资比例，生成新的投资方案作为模型计算第2部分的输入。此次共拟定4个不同投资比例方案，其中第1个方案为原投资比例方案，第2个方案偏重增加节水投资，第3个方案偏重增加挖潜投资，第4个方案偏重增加治污回用投资。各方案的投资和比例见表3。从中优选出方案3，其对应投资比例为最理想投资比例。

3.3 计算结果

3.3.1 缺水调控结果

推荐方案（即最理想方案）对应的不同来水保证率下的缺水量就是按缺水调控准则所确定的缺水量。表1列出了2010年海河流域不同来水保证率情况下的缺水量。

3.3.2 工程规模及投资

推荐方案对应的当地水资源节水、挖潜、治污的投资及南水北调的工程规模就是最理想的投资和工程规模。表5列出了海河流域推荐投资方案。说明海河流域应以节水和治污为主，当地水资源开发潜力已很小。

4 结语

在有关灾害损失和风险理论基础上，本研究拟定了一套综合考虑缺水及其损失的风险以及避险投入，使水利与国民经济发展比较协调的分析计算方法和进行缺水调控和建立流域宏观规划框架的方法和准则。应用这一理论和方法对我国缺水最为严重的海河流域的缺水风险和缺水控制进行了分析和研究，结果表明这一方法是可行的。

研究认为从水利与国民经济协调关系出发，缺水控制并非越小越好，投资并非越大越好，各项解决缺水问题措施的投入应该协调，投资应该适度，缺水控制也要适当。研究认为南水北调东线与中线工程对解决海河流域水资源缺乏效益是显著的，从国民经济的角度考虑也是有益的。除南水北调外，节水和治污回用的投入应该保证，特别是治污回用。

参考文献：

[1]黄崇福.自然灾害风险分析[M].北京：北京师范大学出版社，2001.

[2]王丽萍，傅湘.洪灾风险及经济分析[M].湖北：武汉水利电力大学出版社，1999.6：10，211-214.

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[6]何爱平.灾害经济学[M].西安：西北大学出版社，2000.10.

[7]许新宜，王浩，甘泓等.华北地区宏观经济水资源规划理论与方法[M].郑州：黄河水利出版社，1997.10：74.

作者简介：曾国熙（1977-），男，福建南安人，工程师，硕士，主要从事水文水资源研究工作。

来源：《东北水利水电》2009.03