基于水资源价值的水价分摊系数研究

臧 正,郑德凤,李红英

(1.辽宁师范大学城市与环境学院,辽宁 大连 116029; 2.辽宁省水文水资源勘测局,辽宁 沈阳 110003)

水是人类赖以生存的宝贵资源,尤其在我国北方干旱、半干旱地区,水资源匮乏已成为区域国民经济和社会发展的瓶颈,将水资源与经济社会、生态环境作为一个有机整体,进行水资源价值及水资源可持续发展研究成为有关学科领域的研究热点之一。由于水资源系统中存在大量不确定性因素,使其成为动态、非线性的复杂系统,使水资源综合效益评价成为难点问题。当前,国外多基于社会福利尺度、应用现代经济学理论对水资源开发利用与协调社会进步、生态效益及环境保护价值等进行量化评价[1-3]。我国学者侧重于从边际效益角度对水资源产品及服务数量等进行评价[4-6]。

水价是微观层次上配置水资源的经济杠杆和重要手段,完善合理的水价体系是水资源管理的重要保障机制。按照价值论观点,水价是水资源价值的外部表现,在市场经济条件下,水资源作为一种商品其价格是由市场供求关系决定的。发达国家水价多由资源水价、工程水价及环境水价组成,政府通过完善的市场价格机制对水资源进行优化配置以达到水资源的合理、高效利用[7-9]。当前我国施行由政府主导的低水价政策,忽略了水资源的商品属性,水价的经济调控作用没有得到有效发挥。同时,不完善的水价形成机制落后于市场经济的发展脚步,一方面导致近年来严重的资源浪费、生态退化以及环境污染事件时有发生,另一方面由于水资源相对匮乏,也导致各地水资源不合理开发现象屡禁不止。

笔者基于效用价值论及水资源的商品价值属性考虑,着眼于水资源价值的形成、转移、交换以及增值过程,以水资源极其匮乏的辽河平原部分行政区划为例,对水资源在与区域社会经济、自然环境相互促进或约束的循环联系中产生的综合效益进行评价,据此提出水价分摊系数模型并给予验证分析,旨在全面、准确地对流域水资源综合效益做出科学评价。

1 理论和方法

通常情况下,水资源水质条件越好则其价值越高、水资源越稀缺则其价值越高;然而某些特殊情况下并非水越多越好,比如洪水对社会的危害。水资源与自然环境之间动态的紧密联系,使其成为具有高阶次、多回路、多重反馈特征的复杂巨系统,因此对其综合效益进行简单叠加的静态评价是不准确、不科学的。鉴于此,笔者引入多准则、多目标系统评价与决策研究中常用的突变理论,结合层次分析法与熵值法展开该次研究。

1.1 突变理论及突变模型

突变理论是由法国数学家Thom基于奇点理论和稳定性理论提出的、用于研究非线性运动现象的模糊数学理论,通过建立微分方程与函数之间联系的方法对梯度系统中的奇点进行分类,较之传统微积分理论能够给予复杂系统状态变化更科学的评价和预测。考虑到水资源价值的动态性、随机性以及不可简单叠加的非线性、相互联系的复杂性,引入突变理论对其进行分析、评价是适用的。

1.1.1 原始数据标准化

突变模型基于突变理论、依据评价目的对待评目标进行多层次分解,构建递阶结构的评价指标体系,原始数据只需知道底层指标值。为使负向指标与正向指标具有可比性,原始指标值需要利用越大越优型或越小越优型隶属度函数进行无量纲标准化,公式如下:

(1)

(2)

式中：U为经归一化的指标值;X为指标实测值;a1，a2为指标的阈值,一般参照实测值取一适当范围,如将最大值和最小值分别增、减其本身的10%作为该定量指标的上下界。

1.1.2 突变模型的选择

按照突变理论,系统受到干扰后从一种稳定组态跃变到另一种组态的不连续过程可由某种特定形状的几何图形表示,常用突变系统模型及相关公式见表1。

表1 常用突变模型的相关公式

表1中,F(x)为系统势函数,不同类型系统对应不同的势函数,根据势函数对系统的临界点进行分类,然后对分歧集进行归一化处理,最终得到指标的突变模糊隶属度,从而实现对临界点附近的非连续性变化特征进行分析和评价。x为系统状态变量；a，b，c，d为系统控制变量,需根据其在系统中的地位差异确定相对重要性。评价过程中,需根据实际情况确定决策原则。如果各指标之间不存在明显联系、需要按照“大中取小”的非互补性原则决策,如果彼此存在联系、具有相互制约或促进关系,则需按互补性原则(取平均值代替)决策,最后对总指标隶属度由大到小地排序分析。

1.2 层次分析法及熵值法

层次分析法是一种主观赋权方法,熵值法则是一种比较客观的赋权方法,两者均为辅助决策工具。实践中多将两者结合应用,通过加权求均值的方法确定指标的综合权重,可以尽量避免主观赋权法导致的偏差以及客观赋权法的绝对化。

1.2.1 层次分析法

层次分析法将专家意见与决策者的主观判断有效结合,首先基于评价目标构建递阶层次结构,然后按指标重要性排序构建判断矩阵，并利用一定数学方法计算各层次权重,最后对判断矩阵进行一致性检验并据此对定性指标进行定量分析。由于其具有简便、灵活的特点而被广泛应用于多准则方案决策,并且可以借助有关统计分析软件实现复杂计算。

1.2.2 熵值法应用步骤

熵值法根据各指标的变异程度,利用信息熵计算各指标的权重。设有n个待评样本、m项评价指标构成的评价目标集,其指标特征值矩阵为X=(xij)m×n(i=1, 2,…,m,j=1, 2,…,n)。首先对正向指标特征值利用式(1)、负向指标特征值利用式(2)进行无量纲化和同趋势化处理,得标准化矩阵R=(rij)m×n。然后利用rij分别计算pij，ei和wi。

(3)

(4)

(5)

式中：pij为第j个样本第i项评价指标的比重；ei为第i项指标的信息熵值；wi为权重。

2 辽河平原水资源价值评价

辽河平原位于东北中南部,是我国主要商品粮基地和重工业基地之一,也是水资源比较匮乏的区域之一,以往由于缺少流域综合规划,水利部门难以就水资源利用以及生态、环境保护问题等提出权威意见,导致部分区域水资源无序开发,水资源可持续发展形势堪忧[10-11]。2013年初,酝酿已久的《辽河流域综合规划(2012—2030)》获国务院批复,这为地方政府实施最严格的水资源管理制度提供了重要依据。笔者基于水资源系统的动态性和复杂、开放性特征考虑,引入突变理论结合层次分析法和熵值法对沈阳等9个行政分区的水资源价值进行评价,旨在为有关部门进行水资源规划管理工作等提供理论依据。

表2 辽河平原水资源价值评价指标体系

表4 辽河平原水资源价值评价结果

2.1 评价指标体系及等级划分标准

为了科学准确地反映研究区水资源综合效益,在全面衡量区域自然条件及经济社会发展现实情况的基础上,遵循差异性、动态性的原则选取评价指标,构建辽河平原水资源价值评价指标体系,各指标所表征的含义、量化单位等如表2所示。

为了全面体现水资源价值,确定该次评价研究按互补性原则决策。同时,参考应用不同理论方法、不同流域水资源价值评价研究采用的等级划分标准,确定该次研究的评价标准如表3所示[12-13]。

表3 辽河平原水资源价值评价标准

2.2 数据来源及计算过程

依据2011年辽宁年鉴、辽宁省统计年鉴等提供的数据得出辽河平原部分行政分区的水资源价值评价指标原始值[14-16],分别利用式(1)、式(2)进行无量纲和标准化处理,利用层次分析法计算出准则层指标B1～B4的权向量为[0.500 0,0.166 7,0.166 7,0.166 7]T,指标层C1～C16的权向量为[0.318 0,0.148 0,0.066 0,0.031 0,0.148 0,0.069 0,0.031 0,0.014 0,0.066 0,0.031 0,0.014 0,0.006 0,0.031 0,0.014 0,0.006 0,0.003 0]T;利用式(1)～(5)计算得出C1～C16的熵权向量为[0.060 4,0.061 9,0.061 8,0.058 5,0.064 3,0.069 3,0.062 0,0.060 6,0.066 2,0.059 8,0.065 7,0.059 5,0.064 3,0.063 1,0.059 0,0.063 6]T,B1～B4的熵权向量为[0.256 2,0.242 6,0.251 2,0.249 8]T。以上述两项权重平均值为各层指标综合权重,据此得出准则层指标重要性由大到小的顺序依次为:B1>B2>B3>B4,底层指标重要性顺序依次为C1>C2>C3>C4,C5>C6>C7>C8,C9>C10>C11>C12,C13>C14>C16>C15。利用蝴蝶型突变模型及互补性决策原则,计算得出准则层指标和总指标的隶属度如表4所示(以沈阳为例:XB1=0.570 91/2=0.755 6,XB2=0.750 51/3=0.908 8,XB3=0.728 21/4=0.923 8,XB4=0.876 01/5=0.973 9,UA=(0.755 6+0.908 8+0.923 8+0.973 9)/4=0.890 5,其他依此类推)。

2.3 评价结果分析

从表4可以看出,不同区域水资源的资源价值、经济价值、生态价值及环境价值不同,体现了各个地区资源禀赋、产业结构、经济社会发展水平之间的差别。除沈阳、锦州和阜新等3个区域水资源综合价值为Ⅱ级外,其余6个行政区域水资源价值等级均为Ⅰ级,表明辽河平原的水资源价值整体上处于较高水平。与2011年辽宁省水资源公报给出的各行政分区水资源总量及供水量、各部门用水情况、有关水质评价数据等比较,上述评价结果总体上符合研究区客观实际[17],体现了突变理论在水资源价值评价中的适应性。

3 水价分摊系数模型及其应用

科学的水价体制不仅能够促进节约用水、保障水管单位良性运行,而且能够强化水资源管理、提高水资源利用效率。目前研究区水价由基础水价和污水处理费两部分构成,如表5所示[18]。

表5 辽河平原部分行政分区现行水价构成 元/m3

从表5可以看出,研究区现行水价在一定程度上体现了水资源的稀缺性、水资源的开发利用成本及环境损失成本。然而这一水价体系忽略了水资源的生态效益和社会公益价值,污水处理费收取标准也不尽合理,也不便于实践操作。为全面地体现水资源综合效益,笔者在前述评价结果的基础上,基于水资源与经济社会、生态环境协调发展视角,提出基于水资源价值的水价分摊系数模型。

3.1 水价分摊系数模型

为了便于水资源的经济、生态、环境价值与其资源价值比较,提出基于水资源价值的水价分摊系数模型:即不同区域水资源各单项价值与水资源价值的比值,通过相应价值的隶属度计算:

(6)

式中:bij为第j个区域水价分摊系数(b1j～b4j分别为资源系数、经济系数、生态系数和环境系数);u1j～u4j分别为其突变隶属度。

结合上述定义,按辽宁省现行用水部门分类方案,提出相应水价模型:

P1j=Sjb1j

(7)

P2j=Sj(1+b2j)

(8)

P3j=Sj(1+b2j+b3j)

(9)

P4j=Sj(1+b2j+b3j+b4j)

(10)

式中:P1j～P4j分别为第j区域内的资源水价、经营水价、生态水价和环境水价,分别从水资源价值为各行业、部门提供的边际效益角度考虑:居民生活用水按资源水价执行,工、商业及服务业等经营产业用水按经营水价执行,行政事业、公共绿化等公益事业用水按生态水价执行,高污染特种行业用水按最严格的环境水价执行;Sj为第j区域基准水价,在具体执行过程中,可结合各地、各用水部门的社会承受能力,参照现行居民生活用水单价及单方水的污水处理费等,适时确定科学、合理的执行标准。

3.2 模型验证分析

基于上述定义,结合表4、表5,利用式(7)～(10)计算辽河平原主要行政分区内各用水部门的水价参考标准，见表6(以沈阳为例:Sj=(1.80+0.60)元=2.40元,b1j～b4j分别为1.000 0，2.314 6，3.590 1，5.124 5,P1～P4分别为2.40元，5.56元，8.62元，12.30元，其他依此类推)。

与表5所示各行政分区现行水价比较,表6所示水价体系将污水处理费纳入水价一次性收取,更容易被理解和接受。居民生活用水价格实际上保持不变,工商业和服务业用水价格整体上有所提高,行政事业性用水价格普遍提高1～2倍,特种行业用水价格与原价格整体上基本持平。随着区域经济社会、生态环境的发展变化,如需调整水价,只要通过制定合理、统一的基准水价就可实现全行业的水价调整,体现了公平性，且便于实践操作。

表6 辽河平原主要行政分区各行业用水水价参考标准 元/m3

4 结 语

基于水资源系统的动态性和复杂性考虑,利用突变模型结合层次分析法及熵值法对流域水资源价值进行评价,得出的评价结果全面体现了水的资源价值、经济价值、生态价值以及环境价值等,有利于提高用水单位及个人对水资源整体价值的认识,有利于全社会节约用水意识的加强。

据此提出水价分摊系数模型,既考虑了研究区当前经济发展水平、社会承受能力等现实情况,也在一定程度上提高了现有水价标准。各地政府及各有关部门可以因地制宜地据此制定基准水价,逐步实施城乡一体化的水资源价格政策,不仅能够促进社会公平,也有利于加强全社会的环境保护意识，遏制资源浪费等不良风气的蔓延,也是降低供水企业成本损失和政府财政负担、引导流域水资源合理配置及提高水资源利用效率的有效途径之一。

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