Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2012, 1, 293-298 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2012.15044 Published Online October 2012 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Study on Efficiency of Rainfall and Flood Water Resources Utilization in Coastal Area* Xianfeng Huang 1#, Y ingqin Chen2, Guohua Fang1, Lixiang Zhu3 1College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 2Department of Civil Engineering, Hohai University Wentian College, Ma’anshan 3Lianyungang Bureau Water Conservancy, Lianyungang Email: #hxfhuang2005@163.com Received: Jul. 11th, 2012; revised: Aug. 1st, 2012; accepted: Aug. 17th, 2012 Abstract: Due to the rich resources of urban rainwater and transit flood in coastal areas, rational utilization of rainfall and flood water resources can improve the sustain able utilization of water resources in coastal ar- eas, to better serve the coastal development. In this paper, the available quantity of water rainfall and flood water resources in coastal are distributed to domestic water, industrial water, agricultural water and ecologic environmental water. Water price method is used to calculate domestic water efficiency. Energy synthesis is used to calculate the industrial and agricultural water-use efficiency. Ecologic environmental water-use effi- ciency-sharing coefficient method is used to calculate the ecologic environmental water-use efficiency. Fi- nally, taking Lianyungang City, a Jiangsu coastal city as an example to analyze the rainfall and flood water resources utilization efficiency. The resu lts provide a reference to the research for China’s plain area rainfall and flood water resources benefit analysis. Keywords: Rainfall and Flood Water Resources; Efficiency; Emery Analyzing Method; Coastal Area 沿海地区城市雨洪资源利用效益研究* 黄显峰 1#,陈颖钦 2,方国华 1,朱丽向 3 1河海大学水利水电学院,南京 2河海大学文天学院,土木工程系,马鞍山 3连云港市水利局,连云港 Email: #hxfhuang2005@163.com 收稿日期:2012 年7月11 日;修回日期:2012 年8月1日;录用日期:2012 年8月17 日 摘 要:沿海地区城市雨水和过境洪水资源丰富,对雨洪资源进行合理利用,可以提高沿海地区水资 源可持续利用程度,更好服务于沿海地区发展。本文将沿海地区城市雨洪资源可利用量按生活用水、 工业用水、农业用水和生态环境用水进行分配,分别利用水价法计算生活用水效益,利用能值分析法 计算工业和农业用水效益,利用生态环境用水效益分摊系数法计算生态环境用水效益,最后以江苏沿 海城市连云港市为例进行了雨洪资源利用效益分析。研究成果为我国沿海地区城市雨洪资源利用效益 研究提供了新思路。 关键词:雨洪资源;效益;能值法;沿海地区 *基金项目:武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金资助(2010B068);中央高校基本科 研业务费专项资金 资助 (2009B08414)。 #通讯作者。 作者简介:黄显峰(1980-),男,湖北黄冈人,河海大学副教授,博士,从事水资源系统分析研究。 Copyright © 2012 Hanspub 293 黄显峰,等:沿海地区城市雨洪资源利用效益研究 Copyright © 2012 Hanspub 第1卷 · 第5期 294 i W 1. 引言 我国是一个洪涝灾害频发的国家,洪涝灾害使人 类生命和社会、经济及环境资产蒙受巨大损失。同时, 缺水、水污染问题也日益突出。随着社会经济的快速 发展,各个领域对水资源的需求也越来越大。目前对 地表水、地下水等水资源的开发利用已经不能满足生 产生活的需要,开发新的淡水资源成为迫在眉睫的任 务。雨洪资源就是具有极大开发潜力的淡水资源。沿 海地区位于流域下游,随着沿海开发战略的快速推 进,这些区域对水资源的需求量也持续增加,水资源 供给保障面临严峻考验,利用雨洪资源成为解决水资 源短缺问题的一条出路。 2. 雨洪资源利用效益研究进展 雨洪资源利用效益是指采用各项措施后新增的 水资源量产生的直接和间接效益,如促进工农业生 产、提高居民生活标准、改善生态环境等。 国内外关于雨洪资源利用效益的研究较少。 Yutaka Takahasi(2004)等对日本的河流管理的进程进 行了回顾,从以往的集中在经济效益转变为现在的综 合性管理[1]。Hatibu(2010 )对东非地区雨水利用的效益 进行了分析,得出该区域雨水资源利用的可行性[2]。 国内城市雨洪资源利用效益的研究在近十年比较多。 于琪洋(2002)从实践可持续发展治水思路出发,对城 市雨洪资源利用进行了分析[3];邵东国(2005)洪水资源 利用的潜力进行了分析,提出了缺水损失法、分摊系 数法用来计算工业供水效益[4];鹿新高(2010)根据我国 雨水资源的利用现状,结合我国南北城市降雨特点, 对城市雨水资源开发潜力与效益分析[5]。 总的来说,国内外关于雨洪资源利用的研究大多 将“雨洪资源”视为一个整体概念,强调雨洪资源是 由降雨而来的,侧重于雨水资源利用的研究,对于雨 洪资源利用研究多以城市雨水及流域洪水研究为主, 对雨洪资源利用的理论研究较为深入,但对于雨洪资 源利用效益多以单一的雨水或洪水进行定性分析,缺 乏对雨洪资源利用产生的效益进行统一系统地定量 分析研究。 本文针对上述问题开展研究,将雨洪资源利用量 按生活用水、工业用水、农业用水和生态环境用水进 行分配,利用水价法生活用水效益,利用能值分析法 计算工农业用水效益,利用生态环境用水效益分摊系 数法计算生态环境用水效益。 3. 沿海地区雨洪资源可利用量分配模式 雨洪资源可利用量包括城市雨水和过境洪水两 部分。城市雨水可利用量是利用公共建筑设施的顶 面、路面、绿地等措施能够收集储存的最大城市雨水 资源量。过境洪水可利用量是在可预见时期内,在统 筹考虑生活、生产和生态环境等必要需水量的基础 上,在保障防洪安全的前提下,通过经济合理、技术 可行的措施能够调控利用的最大过境洪水资源量。 将雨洪资源可利用总量进一步按照生活、农业、 工业和生态用水进行分配:先考虑各类雨洪资源利用 工程的供水分区和供水范围,统计各类雨洪资源利用 工程所在区域,将雨洪资源可利用总量按行政区域进 行一级分配;然后考虑生活、农业、工业和生态用水 量、用水优先次序和缺水程度等因素,确定各类用水 的分配系数,在各个区域内,按照生活、农业、工业 和生态用水进行二级分配。 4. 沿海地区雨洪资源利用效益计算方法 本文将分别按生活用水、工业用水、农业用水和 生态环境用水四个方面计算雨洪资源利用效益。 4.1. 生活用水效益计算 生活用水效益分农村生活和城镇生活用水效益, 两者均以水量乘以水价粗略估算,其计算公式为: 11 n i i EP (1) 式中:为生活用水效益,万元; 为各行政区域生 活用水价格,元/m3;为分配给生活用水的水量, 万m3,n为该地区的行政区域个数。 1 Ei P i W 4.2. 工业用水效益计算 本论文提出计算供水分摊系数的一种新方法—— 用生态经济学的能值分析方法计算效益分摊系数,即 将工业生产系统中不同种类、不可比较的物质、能量、 货币转换成同一度量标准的能值来核算工业生产系 统的投入和产出,通过计算供水投入总能值与生产系 统投入总能值的比值得出效益分摊系数,并结合各项 黄显峰,等:沿海地区城市雨洪资源利用效益研究 第1卷 · 第5期 能值指标分析供水效益。由于供水能值不仅包括水利 工程投资和固定资产,还包括了水资源本身的资产投 入,因此,以此方法计算所得效益分摊系数能较客观、 真实反映生产过程的全部要素,有利于分析评价城市 雨洪资源利用的真实效益。 4.2.1. 能值法原理 能值(Energy)分析理论是美国著名生态学家、系 统能量分析先驱 H.T.Odum为首于 20 世纪 80 年代创 立的。能值分析就是把生态经济系统中不同种类的能 量转换成同一基准的能值,来分析和衡量系统内部的 能量运动特征,为生态系统和生态经济系统的定量分 析研究开拓了新途径。能值分析通过能值转换率将生 态经济系统中不同种类、不可比较的能量转换成同一 度量标准的能值来衡量和分析,从宏观角度将自然环 境生产与人类经济活动进行统一评价,定量分析整个 生态经济系统的结构功能与效益,提供了衡量自然资 源对经济发展真实贡献的标准。 4.2.2. 能值法计算工业用水效益步骤 能值法计算工业供水效益分摊系数是以工业生 产系统能值分析为基础,研究工业系统生产过程投入 以及产出的能值流,将系统中不同种类、不可比较的 能量转换成同一度量标准的能值来衡量,综合分析系 统的能量流、物质流与货币流动态过程及其相互关 系,求得一系列反映生态与经济性能的能值综合指 标,并加以汇总分析[6,7]。具体步骤包括:系统能值图 的绘制、能值分析表的建立、分摊系数的计算。 1) 绘制工业生产系统能值图 工业生产系统的能值图以 Odum“能量系统语言” 即能值符号为基础,通过能值符号,把生态经济系统 的各部分联结起来,并用简便的图解方法描绘整个系 统的结构图,它明确了系统的基本结构、系统内外的 相互关系和主要生态流的方向,表现了工业生产系统 环境与经济主要成分的相互关系与能量流、物质流等 相互作用[8]。主要步骤包括:界定工业生产系统范围 的边界、列出系统的主要能量来源、确定系统内的主 要成分并列出各主要成分的过程和关系、以能值符号 绘制能值图。 2) 建立工业生产系统能值分析表 建立能值分析表是为了将收集到的有关研究对 象的不同度量单位(J、g或m3)的生态流或经济流数据 资料转换为能值单位(sej)统一衡量与分析,以便进行 能值计算。能值计算采用以下公式: EM B (2) 式中:EM 为能值(sej); 为能值转换率(sej/J 或sej/g); B为能量或物质的质量(J或g)。能值分析表一般包括 项目名称、原始数据、太阳能值转换率、太阳能值四 项。其中太阳能值(即原始数据与太阳能值转换率的乘 积),将各类物质统一换算成太阳能值,从而有了分析 比较的基础。能值分析将工业生产系统的能、物流与 价值流在太阳能值基础上有机结合了起来,概念清 晰、方法简便,弥补传统算法的缺陷。 3) 计算效益分摊系数 在能值分析表的基础上汇总工业生产系统的能 值投入和产出,建立农作物生产系统投入产出表,最 后计算工业供水效益分摊系数及供水效益,表达式如 下: 1 g s t En En (3) 21 c EEn (4) 式中: 为工业用水效益,万元; 2 E1 为工业供水效 益分摊系数; g s En 为工业总供水能值,用工业总供水 量乘以相应的能值转换率计算得到; 为工业系统 投入总能值,包括可更新能源和不可更新能源的投入 能值; 为工业系统产出总能值。 t En c En 工业总供水包括了水利工程投资、固定资产及水 资源本身的资产投入;工业系统投入包括了生产所需 的能源、原材料、经营费用、固定资产及劳务的投入; 工业系统产出包括了生产系统的全部产品。 4.3. 农业用水效益计算 本文提出计算灌溉效益分摊系数的一种新方法 ——用生态经济学的能值分析方法计算农业灌溉效益 分摊系数,即将农作物生产系统中不同种类、不可比 较的物质、能量、货币转换成同一度量标准的能值来 核算农业生产系统的投入和产出,通过计算灌溉投入 总能值与农作物生产系统投入总能值的比值得出农 业灌溉效益分摊系数,结合各项能值指标分析农业灌 溉效益[9]。 Copyright © 2012 Hanspub 295 黄显峰,等:沿海地区城市雨洪资源利用效益研究 Copyright © 2012 Hanspub 第1卷 · 第5期 296 SVESR DVESWElrWER (8) 在农作物生产系统能值分析的基础上,计算生产 过程中的农业灌溉总能值投入量和生产过程总能值 投入量,并且定义两者之比为灌溉效益分摊系数,具 体步骤包括:系统能值图的绘制、能值分析表的建立、 分摊系数的计算以及灌溉能值指标体系的建立。在能 值分析表的基础上汇总农作物生产系统的能值投入 和产出,包括农业生产系统投入总能值、农作物能值 等,并建立农作物生产系统投入产出表,最后计算农 业灌溉效益分摊系数及灌溉效益,计算表达式如下: 式中:l、r分别为社会发展阶段系数及资源紧缺度; WE 为生态环境用水量。 生态环境用水的生态效益为动态生态价值与生 态效益分摊系数之积: 4 EeDVES (9) 式中: 为生态系统的生态效益;e为生态用水为 WE 时相应生态系统的生态效益系数。 4 E 2 g g nt En En (5) 5. 实例研究 32 nc EEn (6) 江苏省连云港市地处淮河流域沂沭泗河水系的 最下游,流域主要洪水入海通道新沂河、新沭河经连 云港市入海,连云港市承担上游近 8万km2流域面积 的泄洪任务,是著名的“洪水走廊”。过境水量丰沛, 对连云港市雨洪资源合理利用,可以提高连云港市水 资源的可持续利用程度,更好服务于未来社会经济发 展。已知连云港市多年平均雨洪资源可利用量为 6.61 亿m3,将连云港市多年平均雨洪资源可利用总量进一 步按照生活、农业、工业和生态环境用水进行分配, 见表 1。 式中: 为农业用水效益,万元; 3 E2 为农业灌溉效 益分摊系数; g g En 为农业灌溉投入总能值,用农业灌 溉总供水量乘以相应的能值转换率计算得到; 为 农作物生产系统投入总能值; 为农作物生产系统 产出总能值。 nt En nc En 4.4. 生态环境用水效益计算 理论上,生态系统获得配水后,生态系统结构和 功能发生变化,生态系统服务的价值增加,这部分增 加的价值并不完全是生态配水带来的,也即生态系统 的耗水来源于生态配水和有效降雨[10-12],因此生态环 境用水效益分摊系数 e公式为 根据连云港市自来水有限责任公司水价收费标 准,连云港各区县自来水水价和各行政区水量分配比 例,可计算得连云港市生活用水效益见表 2。 0 WER eWER P (7) 生活用水效益为各行政区域效益之和,计算得到 生活用水效益为2.094 亿元。 式中:WER 为实际的不包括降雨的生态耗水(mm); P0为有效降雨量(mm)。 根据连云港市工业生产系统能值流计算结果,计 算供水效益分摊系数,具体计算过程及结果见表 3。 设为静态生态价值,WE 为现状实际的 生态耗水,生态环境用水的动态生态价值 为 SVESR R DVES 由表 3中数据可以看出,连云港市工业供水总效 益为 16.88 亿元。灌溉效益分摊系数计算见表 4。 Table 1. Available resources of rainfall flood in Lianyungang 表1. 连云港市雨洪资源可利用量分配情况 市区 赣榆县 东海县 灌云县 灌南县 用水 类别 分配量 (万m3) 比例 (%) 分配量 (万m3) 比例 (%) 分配量 (万m3) 比例 (%) 分配量 (万m3) 比例 (%) 分配量 (万m3) 比例 (%) 总计 比例 (%) 生活 3929.4 26.9 1797.2 10.9 1281.8 5.6 966.9 8 4.5 6.8 7979.9 12.1 工业 5098.0 34.9 3000.8 18.2 1762.5 7.7 1051.5 8.7 6.4 9.6 10919.2 16.5 农业 5419.3 37.1 11591.1 70.3 19250.5 84.1 9343.0 77.3 52.3 78.4 45656.1 69.0 生态 160.7 1.1 98.9 0.6 595.1 2.6 725.2 6 3.5 5.2 1583.4 2.4 总计 14,607 100 16,488 100 22,890 100 12,087 100 67 100 66,139 100 黄显峰,等:沿海地区城市雨洪资源利用效益研究 第1卷 · 第5期 Table 2. Domestic water efficiency of each counties in Lianyungang 表2. 连云港各区县生活用水效益 行政区 市区 赣榆县 东海县 灌云县 灌南县 水价(元/m3) 2.76 2.50 2.52 1.60 2.50 生活用水效益(亿元) 1.167 0.448 0.322 0.155 0.002 Table 3. Industry water efficiency apportionment coefficient results of Lianyungang 表3. 连云港市工业供水效益分摊系数计算结果 项目 符号或公式 数值 工业供水量(m3) W 1.1 × 108 工业供水能值(sej) EMIW 8.39 × 1020 效益分摊系数(%) ε = EMIW/EMIT 1.45 工业供水总效益(sej) S = ε × EMIY 1.26 × 1021 能值货币比率(sej/元) EMP 7.44 × 1011 工业供水总效益(亿元) M = S/EMP 16.88 单方水供水效益(元/m3) S1 = M/W 15.4 Table 4. Irrigation efficiency apportionment coefficient calculation result 表4. 连云港市农业灌溉效益分摊系数计算结果 项目 符号或公式 数值 农业灌溉用水量(m3) W 4.57 × 108 农业灌溉用水能值 EMAW1 7.51 × 1020 农业灌溉设施投入能值 EMAW2 0.19 × 1020 农业灌溉投入总能值(sej) 小计 EMAW 7.7 × 1020 总投入能值(sej) EMAT 59.89 × 1020 农作物能值 EMAY 14.6 × 1020 灌溉效益分摊系数(%) ε = EMAW/EMAT 12.8 农业灌溉总效益(sej) EMAW = ε × EMAT 1.88 × 1020 能值货币比率(sej/元) EMAP 7.44 × 1011 农业灌溉效益(元) M = EMAM/EMAP 2.52 × 108 单方水效益(元/m3) S1 = M/W 0.55 由表 4中数据可以看出,连云港市农业用水总效 益为 2.52 亿元。 实际的不包括降雨的生态耗水 WER 由资料查得: WER = 444 mm,对应的年均耗水量为 1.31 亿m3,则 e = 0.898。通过计算得到连云港市生态环境用水效益 为1.99 亿元。 由以上结果可得,连云港市雨洪资源利用多年平 均效益以及单方水效益,分别见表5和表 6。 因此,连云港市雨洪资源利用多年平均效益为 23.48 亿元。工业用水多年平均效益为 16.88 亿元。连 云港市工业系统产出中,发电量、食品饮料加工制造 及设备制造这几项能值产出最大,所产生的效益也最 大。农业用水效益较小,为2.52 亿元,相对于工业用 水来说,其能值产出较低,所以农业用水效益较低, 又因其用水投入量较大,从而导致了单方水效益很 小。 6. 结论 本文分析了国内外雨洪资源利用效益研究进展, 针对沿海地区城市雨洪资源利用效益问题,将雨洪资 源可利用总量按照生活、农业、工业和生态用水进行 分配,确定各类用水的分配系数,分别计算各项用水 效益。生活用水效益采用用水水价法计算;工业、农 业用水效益采用能值分析方法计算效益分摊系数, Copyright © 2012 Hanspub 297 黄显峰,等:沿海地区城市雨洪资源利用效益研究 第1卷 · 第5期 Table 5. Multi-year average benefit of Lianyungang rainfall flood resources (Unit: 100 million Yuan) 表5. 连云港市雨洪资源利用多年平均效益 (单位:亿元) 生活用水效益 工业用水效益 农业用水效益 生态环境用水效益 总效益 2.094 16.88 2.52 1.99 23.48 Table 6. Multi-year average benefit of Lianyungang rainfall flood resources (per cubic meter water ) (Unit: Yuan/m3) 表6. 连云港市雨洪资源利用多年平均效益(单方水) (单位:元/m3) 生活用水效益 工业用水效益 农业用水效益 生态环境用水效益 2.62 15.4 0.55 12.52 采用供水分摊系数与工业、农业系统产出总能值计算 效益,生态环境用水效益采用生态环境用水效益分摊 系数法计算,为我国平原地区雨洪资源利用效益分析 研究提供了新思路。当然,本文在计算生活用水效益 时,简单将城市居民用水平均价格与城市居民生活用 水量之积视为生活用水效益,没有考虑水资源的影子 价格等因素,有待进一步研究。 参考文献 (References) [1] TAKAHASI, Y., UITTO, J. I. Evolution of river management in Japan: From focus on economic benefits to a comprehensive view. Global Environmental Change, 2004, 14: 63-70. [2] HATIBU, N., MUTABAZI, K. and SENKONDO, E. M. Eco- nomics of rainwater harvesting for crop enterprises in semi-arid areas of East Africa. Agricultural Water Management, 2006, 80 (1-3): 74-86. [3] 于琪洋. 加强城市雨洪资源利用保障城市可持续发展[J]. 水 利发展研究, 2002, 2(3): 12-14. 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