基于GINI系數(shù)的新疆水資源承載力演化的灰色分析
----以天山北坡經(jīng)濟帶為例

趙向豪，姚 娟，馬 靜

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟與貿(mào)易學(xué)院，烏魯木齊 830052)

水作為基礎(chǔ)自然資源，是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的控制因素，又是戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，其富余程度對一地區(qū)的發(fā)展起著重要作用[1]。如何科學(xué)合理配置區(qū)域內(nèi)的水資源，是新疆亟需解決的難題。

“承載力”一詞源于生態(tài)學(xué)，即在某一特定環(huán)境條件下，某種資源存在的最大數(shù)量。目前，水資源承載力作為國內(nèi)水資源領(lǐng)域研究的熱點涌現(xiàn)了較多的成果。關(guān)于水資源承載力的評價研究，劉佳駿等采用水資源承載力綜合評價模型，研究水資源與中國經(jīng)濟、社會生態(tài)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系，綜合分析評價了中國水資源的承載能力，研究表明中國水資源的分布與人口和經(jīng)濟布局不匹配[2]；魏光輝等通過正態(tài)云模型，對浙江省水資源承載力進行評價，研究發(fā)現(xiàn)浙江省水資源承載力處于一般水平，但有增加的趨勢，甚至個別評價指標(biāo)處于危險狀態(tài)，有待進一步提高[3]；張偉等通過因子分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合評價法等方法對區(qū)域水資源承載力進行系統(tǒng)評價，研究均指出了影響區(qū)域水資源承載力的具體因素，并提出了相應(yīng)的對策與建議[4-9]；就新疆水資源承載力評價研究，段新光等采用模糊綜合評判模型、FAHP、熵權(quán)法和物元模型等方法綜合評價了新疆水資源承載力，研究認為，新疆應(yīng)處理好水資源與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系[10-13]。關(guān)于水資源承載力的預(yù)測分析研究，朱一中等采用模糊綜合評判模型對西北地區(qū)的水資源承載力進行預(yù)測分析，研究發(fā)現(xiàn)，通過改善生態(tài)環(huán)境，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，未來西北地區(qū)的水資源承載力狀況將明顯改善[14]。

本研究在以上研究的基礎(chǔ)上，擬采用GINI系數(shù)分析新疆天山北坡經(jīng)濟帶水資源的時空演化特征，同時采用灰分統(tǒng)計方法研究生產(chǎn)活動、居民生活活動和生態(tài)環(huán)境對水資源承載力演化的貢獻程度。

1 理論基礎(chǔ)

目前，洛倫茲曲線和GINI系數(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。洛倫茲曲線由美國統(tǒng)計學(xué)家洛倫茲(Max Otto Lorenz)提出，最初是用來研究經(jīng)濟學(xué)中收入不均的問題，后來被應(yīng)用到非經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域中，見圖1。GINI系數(shù)是意大利經(jīng)濟學(xué)家基尼(Corrado Gini)根據(jù)洛倫茲曲線提出來的，其定義是將一國或地區(qū)總?cè)丝诎词杖霃牡偷礁吲判颍嬎闶杖胱畹腿我獍俜直日既丝谒嫉氖杖氚俜直葋肀硎救丝诶塾嫲俜直群褪杖肜塾嫲俜直戎g的對應(yīng)關(guān)系曲線。曲線彎曲程度具有重要意義，反映收入分配的不平等程度，與收入分配不平等程度成正比關(guān)系。

圖1 洛倫茲曲線

根據(jù)圖1，GINI系數(shù)的計算公式表示為：

G=A/(A+B)

(1)

式中：若A=0，則G=0，表示完全平等；若B=0，則G=1，表示完全不平等。

2 水資源區(qū)域GINI系數(shù)的構(gòu)建與計算

本研究基于新疆水資源的需求結(jié)構(gòu)，把天山北坡經(jīng)濟帶的水資源分為生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)用水3類。再從水資源需求的空間特征來看，生產(chǎn)用水與GDP、生活用水與人口分布、生態(tài)用水與防護林分布密切相關(guān)。本研究中新疆天山北坡經(jīng)濟帶各地區(qū)的水資源量、GDP、人口和防護林面積等數(shù)據(jù)均來自2004-2013年《新疆統(tǒng)計年鑒》。

2.1 水資源區(qū)域GINI系數(shù)構(gòu)建

(1)以天山北坡經(jīng)濟帶各地區(qū)為基本元，選取水資源用水量作為匹配原象，以GDP、人口和防護林分布作為匹配對象。

(2)分別計算單位水資源所服務(wù)的GDP、人口和防護林分布，按從小到大的升序次序?qū)μ焐奖逼陆?jīng)濟帶的各個地區(qū)進行排序，并分別測算出各指標(biāo)的累計百分比，公式如下：

單位水資源服務(wù)的GDP=水資源量/GDP

(2)

單位水資源服務(wù)的人口=水資源量/人口

(3)

單位水資源服務(wù)的防護林面積=水資源量/防護林面積

(4)

(3)基于水資源的需求結(jié)構(gòu)和空間特征，分別構(gòu)建水資源～GDP、水資源～人口、水資源～防護林面積的洛倫茲曲線。

(4)根據(jù)洛倫茲曲線，采用梯形面積法求取水資源的區(qū)域GINI系數(shù)，則公式(1)變換為：

(5)

式中：Gi為水資源分項區(qū)域GINI系數(shù)；Xi(X軸)為水資源的累計百分比；Yi(Y軸)為GDP、人口、防護林分布等指標(biāo)的累計百分比，當(dāng)i=1，(Xi-1,Yi-1)視為(0,0)。

水資源區(qū)域GINI系數(shù)匹配程度等級劃分見表1。

表1 GINI系數(shù)的國際劃分標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)公式(5)，分別計算出水資源量與GDP匹配的區(qū)域GINI系數(shù)G1、水資源與人口匹配的區(qū)域GINI系數(shù)G2、水資源與防護林面積匹配的區(qū)域GINI系數(shù)G3。

根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H用水結(jié)構(gòu)，確定對水資源區(qū)域GINI系數(shù)G1、G2、G3產(chǎn)生影響的權(quán)重α、β、γ，按各自權(quán)重對G1、G2、G3進行加權(quán)求和求得水資源整體區(qū)域GINI系數(shù)G，即：

G=αG1+βG2+γG3

(6)

式中：α、β和γ為區(qū)域結(jié)構(gòu)用水系數(shù)，即生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水比重。

2.2 水資源區(qū)域GINI系數(shù)計算

按照構(gòu)建的區(qū)域GINI系數(shù)，分別計算天山北坡經(jīng)濟帶2004-2013年的水資源分項區(qū)域GINI系數(shù)(見圖2)；然后，計算出2004-2013年區(qū)域結(jié)構(gòu)用水系數(shù)，并計算出天山北坡經(jīng)濟帶10 a的水資源區(qū)域GINI系數(shù)(見圖3)；再計算出10 a平均值G=0.516 0。

圖2 天山北坡經(jīng)濟帶水資源分項區(qū)域 GINI系數(shù)變化趨勢(2004-2013年)

圖3 天山北坡經(jīng)濟帶水資源區(qū)域 GINI系數(shù)變化趨勢(2004-2013年)

3 水資源承載力演化的灰色分析

3.1 設(shè)計評估系統(tǒng)，構(gòu)造樣本矩陣

鑒于本研究對象的動態(tài)特征，本文利用2004-2013年水資源與GDP、人口和防護林匹配的區(qū)域GINI系數(shù)構(gòu)造評估樣本矩陣，確定評估指標(biāo)為3，評估規(guī)模為10個。樣本矩陣D表示為：

3.2 等測度變化測算

對樣本矩陣進行列的等測度變化，采用上限效果測度，找出各列指標(biāo)的最大值，各列最大值分別為0.564 7、0.342 4、0.577 8。然后將樣本矩陣中的每列值除以此列最大值，得到等測度矩陣E，表示如下：

計算其數(shù)字特征：均值a=0.777 8，標(biāo)準(zhǔn)差s=0.177 6。

3.3 確定灰類，建立白化權(quán)函數(shù)

確定灰類k=3，然后按灰類確定各指標(biāo)的白化權(quán)函數(shù)。參考等測度矩陣的數(shù)字特征中的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，確定高類下限H=a+s=0.955 4，中類中限Z=a=0.777 8，低類上限L=a-s=0.600 2，對于各指標(biāo)分別建立各自的白化權(quán)函數(shù)。

高類型：

(7)

中類型：

(8)

低類型：

(9)

3.4 計算類別權(quán)系數(shù)

按上述白化權(quán)函數(shù)按指標(biāo)各樣點權(quán)系數(shù)，即把測度矩陣的每一列測度值分別代入公式(7)、(8)、(9)中，求得指標(biāo)的權(quán)系數(shù)矩陣。

各指標(biāo)高類權(quán)系數(shù)矩陣F1表示為：

各指標(biāo)高類權(quán)系數(shù)矩陣F2表示為：

各指標(biāo)高類權(quán)系數(shù)矩陣F3表示為：

3.5 計算各評估指標(biāo)的綜合權(quán)系數(shù)

將每一灰類進行算術(shù)平均，得到灰色評估的綜合權(quán)系數(shù)矩陣G：

由此得到天山北坡經(jīng)濟帶1998-2013年水資源區(qū)域的GINI系數(shù)綜合灰色分類，即得到GDP、人口和防護林分布對水資源承載力演化的貢獻度(見表2)。

表2 新疆天山北坡經(jīng)濟帶水資源區(qū)域GINI系數(shù)綜合灰色分類貢獻度(1998-2013年)

4 結(jié)果分析

灰色分析法通過獲取序列間的差異信息，能夠有效計算差異信息的比較測度。相比其他分析方法，灰色分析在分析結(jié)果上體現(xiàn)的是關(guān)聯(lián)序，且關(guān)聯(lián)序較關(guān)聯(lián)度相對更重要，更能反映出年份之間的變化趨勢。本文采用灰色分析能夠有效地分析新疆天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力的演化特征，即更好地反映其水資源承載力與生產(chǎn)、生活和生態(tài)3部門之間的關(guān)聯(lián)序及變化趨勢。具體分析如下。

(1)據(jù)表1可知，從水資源區(qū)域GINI系數(shù)分析，2004-2013年天山北坡經(jīng)濟帶水資源的區(qū)域GINI系數(shù)為0.516 0，屬于極差級，表明水資源的空間匹配程度不好，極化現(xiàn)象嚴(yán)重。

(2)由圖2觀察，天山北坡經(jīng)濟帶水資源各部門分配的區(qū)域GINI系數(shù)的變化趨勢，進而可以看出水資源承載力的時空演化趨勢：從水資源的分項區(qū)域GINI系數(shù)分析，天山北坡經(jīng)濟帶水資源與GDP匹配的GINI系數(shù)從2004年的0.564 7下降到2013年的0.480 9，表明水資源的生產(chǎn)活動承載力不斷降低，并呈現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的趨勢，原因可能在于隨著科學(xué)發(fā)展觀的踐行，生產(chǎn)活動中節(jié)水意識不斷增強；水資源與人口分布匹配的GINI系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，由2004年的0.191 5上升到2013年的0.342 4，表明水資源的居民生活活動承載力不斷上升，并呈現(xiàn)出繼續(xù)上升的趨勢，原因可能在于隨著人口的增加及生活水平的不斷提高，居民用水需求不斷增長；水資源與防護林分布匹配的GINI系數(shù)在波動中呈現(xiàn)下降趨勢，從2004年的0.395 8上升到2005年的0.577 8，隨后持續(xù)走低，2011年之后急速下降，到2013年GINI系數(shù)為0.191 5，表明水資源的生態(tài)承載力處于大幅波動階段，在2005年和2011年出現(xiàn)2次高值，其承載力較大，極化現(xiàn)象嚴(yán)重，但整體上呈現(xiàn)出下降趨勢，伴隨著水資源的擴散作用并趨于合理。

(3)由圖3觀察，天山北坡經(jīng)濟帶水資源區(qū)域GINI系數(shù)的變化由2004年的0.550 6下降到2013年的0.472 1，其中在2008-2009年下降幅度較大，其他時間段均呈現(xiàn)小幅平穩(wěn)的變化趨勢。由此表明，2004-2013年，天山北坡經(jīng)濟帶經(jīng)過經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源的分配經(jīng)過原始的均衡階段，在2004-2008年其承載力較大，進入相對極化的階段，隨后在2008年之后其承載力下降，極化程度有所緩和。

(4)通過對生產(chǎn)、居民生活和生態(tài)3個部門用水GINI系數(shù)的灰色分析，得到天山北坡經(jīng)濟帶水資源區(qū)域GINI系數(shù)綜合灰色分類表。從表2容易看出，生產(chǎn)、居民生活、生態(tài)3部門對水資源區(qū)域GINI系數(shù)在各灰類的貢獻存在較大差異。需要注意的是，居民生活活動在各灰類上的貢獻與生態(tài)基本一致。水資源承載力演化的主要因素在于生產(chǎn)活動對水資源的需求，而居民生活活動和生態(tài)對水資源的需求相對較小。

天山北坡經(jīng)濟帶屬于典型的內(nèi)陸干旱區(qū)，水資源相對比較匱乏。隨著絲綢之路經(jīng)濟帶的發(fā)展，城市化進程不斷加快，人口不斷向城市集聚，居民生活活動的用水需求將是水資源承載力演化的又一動力。為此，改善生態(tài)環(huán)境，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，開展節(jié)水行動，是解決天山北坡經(jīng)濟帶水資源短缺的出路。因此，鼓勵工業(yè)企業(yè)使用節(jié)水設(shè)備，促進農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的普及，鼓勵居民提高節(jié)水意識，是解決水資源緊缺的重要舉措。

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