水資源空間均衡系數(shù)計算方法及其應(yīng)用

夏 帆,陳 瑩，竇 明，韓宇平

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.水利部水資源管理中心，北京 100038；3.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”是我國今后治水工作的主要方針，空間均衡是該方針的重要內(nèi)容，是水利工作必須遵循的根本原則。當(dāng)前和今后一段時期，我國新老水問題交織，水資源短缺、水生態(tài)損害、水環(huán)境污染形勢越來越嚴(yán)峻，許多地區(qū)人口經(jīng)濟(jì)規(guī)模與水資源環(huán)境條件不匹配，水資源開發(fā)利用過度突破了水資源水環(huán)境的承載能力[1]，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展引起用水增長和水資源空間極不均衡[2]。因此開展水資源空間均衡研究對于指導(dǎo)區(qū)域水資源管理和水生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

研究水資源空間均衡首先要計算水資源空間均衡系數(shù)，空間均衡系數(shù)的計算有多種方法，很多研究成果以不平等關(guān)系的計算方法來分析研究對象的空間均衡性。Padilla等[3]利用泰爾指數(shù)提出了關(guān)于CO2排放不平等關(guān)系的計算方法；Gunasekara等[4]應(yīng)用基尼系數(shù)對國際水資源分配不平衡的情況做了分析；魏壽煜等[5]以洛倫茲曲線為基礎(chǔ)構(gòu)建水資源空間匹配模型，對重慶市水資源進(jìn)行了評價分析；束慧等[6]將收入分配基尼系數(shù)拓展為環(huán)境基尼系數(shù)，用以度量環(huán)境排放的空間均衡性，分析了工業(yè)、制造業(yè)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的空間均衡性；空間均衡不能單方面研究經(jīng)濟(jì)發(fā)展的均衡，應(yīng)當(dāng)和生態(tài)、環(huán)境、資源等相匹配。空間均衡狀態(tài)評估多以供給能力和需求強(qiáng)度來判斷[7]。程鈺等[8]從人地協(xié)調(diào)視角界定空間均衡的內(nèi)涵，評估了黃河三角洲生態(tài)區(qū)開發(fā)強(qiáng)度空間均衡狀態(tài)；孫才志等[9]采用基尼系數(shù)的計算方法，在對灰水足跡的區(qū)域均衡和結(jié)構(gòu)均衡的研究中發(fā)現(xiàn)兩者均表現(xiàn)為不均衡狀態(tài)。水資源空間均衡系數(shù)計算的研究以基尼系數(shù)為基礎(chǔ)展開[10-14]；王亞迪等[15]構(gòu)建了水土資源匹配基尼系數(shù)，研究了河南省2000—2014年水土資源匹配均衡性；左其亭等[16]認(rèn)為水資源空間均衡系數(shù)表示水資源在任意空間點(diǎn)或空間單元分布的均衡程度，只能反映水資源分布的均衡性。

已有研究成果對降水、水土匹配等方面研究較多，并提出了空間均衡的計算思路，但對水資源在時空分布、開發(fā)利用及支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展作用的均衡程度方面研究鮮見報道。以洛倫茲曲線和基尼系數(shù)為基礎(chǔ)的水資源空間均衡系數(shù)計算方法對水資源均衡程度有很好的描述，但不能很好反映不均衡的原因。為此，本文采用基尼系數(shù)與協(xié)調(diào)發(fā)展度的方法，基于水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)和用水效益計算水資源空間均衡系數(shù)，并以省級行政區(qū)為計算單元計算了全國水資源空間均衡系數(shù)，可為我國水資源管理政策制定提供參考。

1 計算方法

水資源空間均衡應(yīng)當(dāng)從水資源壓力、水土資源匹配程度以及用水效益三方面綜合考慮。水資源量決定了水資源壓力大小和水土資源匹配程度高低，用水效益是水資源在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的價值體現(xiàn)。水資源壓力越小、水土資源匹配度越高、用水效益越大，越能體現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用與經(jīng)濟(jì)社會的協(xié)調(diào)發(fā)展，因此，本文采用水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)、用水效益作為水資源空間均衡系數(shù)計算指標(biāo)。

1.1 水資源負(fù)載指數(shù)

水資源負(fù)載指數(shù)能夠反映水資源的時空分布、利用程度及水資源開發(fā)的難易程度[17]，可對水資源時空分布及開發(fā)利用的均衡性進(jìn)行評價分析，具體計算公式為

(1)

式中：C為水資源負(fù)載指數(shù)；K為降水系數(shù)；R為人口，萬人；Z為國內(nèi)生產(chǎn)總值，億元；W為水資源總量，億m3。

C越大說明水資源開發(fā)利用程度越高，水資源開發(fā)越困難，越需要通過調(diào)水來解決人水矛盾。K是與降水量有關(guān)的系數(shù)，不同降水量對應(yīng)K值具體范圍和計算公式如下：

(2)

式中P為全年降水量，mm。

為直觀反映水資源時空分布及開發(fā)利用的狀況，對計算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，將水資源負(fù)載指數(shù)劃分為5個等級，如表1所示。

表1 水資源負(fù)載指數(shù)分級

1.2 水土資源匹配系數(shù)

水土資源匹配關(guān)系用水土匹配系數(shù)來表征，指區(qū)域內(nèi)平均每公頃耕地占有的水資源量，反映區(qū)域內(nèi)水資源和耕地資源的組合狀況以及水對耕地的滿足程度[14]。水土匹配系數(shù)越大，說明能夠用于該區(qū)域的水資源就越豐富，對區(qū)域內(nèi)耕地的滿足程度越高，越有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動；系數(shù)越小，能夠用于該區(qū)域的水資源量就越匱乏，越不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。水資源作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)支撐條件和約束性條件，是農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵所在，了解區(qū)域水土資源匹配程度，對分析區(qū)域種植結(jié)構(gòu)有重要作用。水土資源匹配系數(shù)計算公式為

(3)

式中：δ為水土資源匹配系數(shù)，萬m3/hm2；S為耕地面積，hm2。

1.3 用水效益

單方水GDP產(chǎn)值與經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，反映了社會發(fā)展用水效益的高低。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高，用水效益就越高，單方水GDP產(chǎn)值越大，越有利于水資源可持續(xù)利用。提高用水技術(shù)和節(jié)水意識，實(shí)現(xiàn)低耗水高產(chǎn)出的用水模式，才能做到水資源的可持續(xù)利用。以單方水GDP產(chǎn)值來表示用水效益，計算公式為

(4)

式中：Zw為單方水GDP產(chǎn)值，元/m3；Ws為用水量或供水量，億m3。

1.4 基尼系數(shù)

基尼系數(shù)是1943年美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家阿爾伯特·赫希曼根據(jù)洛倫茲曲線所定義的判斷收入分配公平程度的指標(biāo)。該指數(shù)能夠非常方便地反映出總體收入差距的狀況，客觀、準(zhǔn)確地評價居民收入的差距。通常把0.4作為基尼系數(shù)的警戒值，超過0.4，說明收入差距較大。

很多學(xué)者應(yīng)用基尼系數(shù)來分析和比較研究對象的總體匹配程度[18-19]。本文采用張建華[20]推導(dǎo)的一種簡潔的基尼公式對水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)和用水效益的基尼系數(shù)進(jìn)行計算：

(5)

式中：G為基尼系數(shù)；yi為每個計算指標(biāo)從第1組累計到第i組的總和占全部總量的百分比；n為組數(shù)。

1.5 水資源空間均衡系數(shù)

水資源空間均衡系數(shù)計算引入?yún)f(xié)調(diào)發(fā)展度的概念[21]來反映系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間、系統(tǒng)之間和諧一致的程度，還可以反映整體的均衡水平。將計算得到的水資源負(fù)載指數(shù)基尼系數(shù)、水土資源匹配基尼系數(shù)、用水效益基尼系數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)發(fā)展度計算，得到水資源空間均衡系數(shù)表達(dá)公式如下：

(6)

其中

式中：D為水資源空間均衡系數(shù)；X為系統(tǒng)多要素的協(xié)調(diào)度；Y為系統(tǒng)多要素的綜合評價指標(biāo)；Ij為系統(tǒng)第j個要素指標(biāo)，本文主要指標(biāo)為水資源負(fù)載指數(shù)基尼系數(shù)、水土資源匹配基尼系數(shù)、用水效益基尼系數(shù)；αj為第j個要素指標(biāo)的權(quán)重，滿足∑αj=1；m為系統(tǒng)要素指標(biāo)的個數(shù)，本文m=3。

根據(jù)計算結(jié)果，將水資源空間均衡系數(shù)劃分為若干等級，如表2所示。

表2 水資源空間均衡系數(shù)等級劃分

2 實(shí)例分析

選取全國31個省級行政區(qū)(以下簡稱“省”，因港澳臺地區(qū)資料暫缺，故不做計算)為研究單元，采用本文提出的水資源空間均衡系數(shù)計算方法計算2017年各省的水資源空間均衡系數(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)來源

計算所需的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于各研究單元的統(tǒng)計年鑒，所需的水資源和用水?dāng)?shù)據(jù)主要來源于各研究單元的水資源公報。

2.2 計算結(jié)果

根據(jù)前述計算公式，可計算得到全國31個省的水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)、用水效益及其基尼系數(shù)如表3所示。在水資源空間均衡系數(shù)計算中，各指標(biāo)的權(quán)重非常重要，需準(zhǔn)確確定權(quán)重或引入權(quán)重因子[22-23]。采用層次分析法與經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合的方法，確定水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)和用水效益的權(quán)重分別為0.18、0.69和0.13，根據(jù)式(6)可計算得到水資源空間均衡系數(shù)如表3所示。

2.3 水資源負(fù)載指數(shù)分析

從表3可以看出，全國有2/3的省份水資源負(fù)載指數(shù)超過10，主要為長江以北的省份和南方沿海省份，說明全國大部分省份水資源壓力都很大，水資源的時空分布、開發(fā)利用與人口、經(jīng)濟(jì)不相匹配。華北地區(qū)降水量少，人口多，其中環(huán)渤海各省水資源負(fù)載指數(shù)較大，該地區(qū)人口密度大、水資源量少，時空分布極不均勻，工農(nóng)業(yè)發(fā)展用水量增長是造成水資源開發(fā)利用率高的主要原因。甘肅和寧夏的水資源總量極少而地下水開發(fā)利用量和過境水量大，水資源負(fù)載指數(shù)高。上海人口密度大，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，全市總供水量遠(yuǎn)大于水資源總量，導(dǎo)致水資源負(fù)載指數(shù)很大。西南省份水資源具有很大的開發(fā)潛力，這些省份水資源豐富，人口密度小，人均水資源占有量高于全國平均水平，水資源負(fù)載指數(shù)小。長江中上游省份的水資源負(fù)載指數(shù)較小，這些省份降水量豐富，水資源開發(fā)利用率比北方要低很多，主要以地表水供水為主，水資源仍具有很大的開發(fā)潛力。青海、西藏的水資源十分豐富，人均水資源量遠(yuǎn)高于全國平均水平，但是因?yàn)闅夂?、地形等原因，開發(fā)利用率低，開發(fā)潛力巨大，開發(fā)難度也特別大。

表3 中國省級行政區(qū)水資源空間均衡系數(shù)及計算指標(biāo)

水資源負(fù)載指數(shù)基尼系數(shù)計算結(jié)果表明，全國水資源分布、開發(fā)利用極不均衡。東北、西北、華中各省水資源負(fù)載指數(shù)基尼系數(shù)超過警戒值0.4，說明水資源的分布和開發(fā)利用在這些省份差距很大。在我國糧食主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)用水量大、耗水率高，水資源開發(fā)利用率高，并且各省之間的水資源負(fù)載指數(shù)差距很大，是導(dǎo)致水資源時空分布和開發(fā)利用不均衡的主要因素。西藏水資源儲量豐富，開發(fā)潛力巨大，但因地形地貌等原因，開發(fā)難度較大，現(xiàn)有水資源開發(fā)水平能夠滿足該地區(qū)正常生活、生產(chǎn)用水，水資源負(fù)載指數(shù)比較均衡。廣東、福建、云南三省盡管水資源總量豐富，但是省情的差異及水資源負(fù)載指數(shù)差距變化懸殊是造成整體水資源負(fù)載指數(shù)不均衡的主要原因。

水資源負(fù)載指數(shù)能夠說明區(qū)域水資源開發(fā)利用程度及開發(fā)難易程度，數(shù)值越高，水資源開發(fā)利用度就越高，其繼續(xù)開發(fā)利用的難度也隨之增大，水資源壓力就越大。從計算結(jié)果可以看出全國水資源負(fù)載指數(shù)呈現(xiàn)出的特點(diǎn)是北方高、南方低，這與全國平均降水量分布特點(diǎn)相似。其中天津市水資源負(fù)載指數(shù)最高，北京、河北、山東、上海以及甘肅、寧夏等地水資源負(fù)載指數(shù)都超過了100。通過大型調(diào)水工程，緩解了區(qū)域用水不足，但依然面臨嚴(yán)峻的水資源問題，水資源壓力很大。全國大部分省份的水資源負(fù)載基尼系數(shù)超過了警戒值0.4，說明我國水資源開發(fā)利用程度和開發(fā)利用極不均衡，主要表現(xiàn)是北方開發(fā)利用程度高，開發(fā)利用率高，繼續(xù)開發(fā)潛力低，南方水資源豐富，開發(fā)利用率相對較低，繼續(xù)開發(fā)潛力大?？梢姡芸厮Y源開發(fā)利用，提高水資源利用效率的任務(wù)更重。

2.4 水土資源匹配系數(shù)分析

由表3可見，西南和中南省份的水土資源匹配系數(shù)高，東北、華北和西北省份的水土資源匹配系數(shù)低。西南省份的耕地少，水資源量多，水資源開發(fā)利用率很低，中南省份水資源豐富，因而水土資源匹配系數(shù)高于其他省份，對農(nóng)業(yè)用水的保證程度高。東北、華北各省的耕地多，水資源量相對較少，造成水土資源匹配系數(shù)較低。從計算結(jié)果可以得出大部分北方省份的水土資源匹配系數(shù)差別很大。

全國多數(shù)省份水土資源匹配基尼系數(shù)大于0.4，只有東部沿海省份和西南省份比較合理，說明水土資源匹配極不均衡，各省水土資源匹配系數(shù)差距大是造成水土資源匹配不均衡的主要原因。

2.5 用水效益分析

從表3可以看出，全國用水效益分布特點(diǎn)是沿海省份高、西部省份低。沿海省份單方水GDP產(chǎn)出量明顯高于內(nèi)陸省份，以第二、三產(chǎn)業(yè)為主要經(jīng)濟(jì)構(gòu)成的省份大于第二、三產(chǎn)業(yè)相對薄弱的省份。根據(jù)用水效益基尼系數(shù)可以得出用水效益高的省份其用水效益基尼系數(shù)較低，整體用水效益和現(xiàn)有水資源開發(fā)利用水平與經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展比較合理，但與發(fā)達(dá)國家相比，仍然有一定的差距，有很大的提升空間。提高用水技術(shù)和節(jié)水意識，增加用水效益，對水資源可持續(xù)利用十分重要。

用水效益的高低與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展有一定關(guān)系，但用水效益的均衡性與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系不大。東部、中部發(fā)展較快，用水效益高，各地之間用水效益差距不大，用水效益就比較均衡；西部發(fā)展緩慢，用水效益不高，但是差距小，用水效益也比較合理。

2.6 水資源空間均衡系數(shù)分析

按照表2等級劃分，由表3可知全國水資源空間均衡狀態(tài)整體失衡。其中，東北、華北和中部大部分省份中度失衡，中東部和西南部省份一般失衡。中部發(fā)展迅速，人口、經(jīng)濟(jì)的增長速度快，對資源的消耗水平高，工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展也導(dǎo)致取用水量增加，水資源開發(fā)利用率很大，導(dǎo)致水資源空間均衡狀態(tài)失衡。華北和東北各省的水資源量和降水量都很少，水資源繼續(xù)開發(fā)難度極大，須通過外部調(diào)水來緩解水資源緊張問題，這些省份的水資源空間均衡狀態(tài)為中度失衡。

西南省份的水資源十分豐富，人口密度低，人均水資源量大，并且經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)中農(nóng)業(yè)占比很高，農(nóng)業(yè)用水量高，水資源對耕地的滿足程度也高，但是開發(fā)利用率比其他地區(qū)要低，水資源空間均衡狀態(tài)表現(xiàn)為一般失衡。東部沿海省份經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高，用水效益高于中西部省份，水資源有效利用率高，但是人口密度大、人均水資源量少，水資源空間均衡狀態(tài)為一般失衡。

甘肅省水資源空間均衡等級為Ⅴ級(嚴(yán)重失衡)，農(nóng)業(yè)用水量大，第二、三產(chǎn)業(yè)相對薄弱，水資源的分布、開發(fā)利用都不均衡；廣東省水資源量豐富，過境水量多，且人口密度大，第二、三產(chǎn)業(yè)占比高，用水量也大，水土資源匹配不均衡，造成水資源空間均衡狀態(tài)失衡。

3 結(jié) 語

基于水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)和用水效益提出了水資源空間均衡系數(shù)計算方法，并計算了2017年全國水資源空間均衡系數(shù)。全國水資源分布狀況呈現(xiàn)出的特點(diǎn)與全國降水量分布特點(diǎn)相似；各省水資源壓力極不均衡，水資源開發(fā)利用程度表現(xiàn)為華北與東北高，西南與東南低；水土資源匹配系數(shù)低的省份水資源量少，水資源開發(fā)利用率及利用效率都較高，全國水土資源匹配差距較大；用水效益的大小與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展有一定的關(guān)系，沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展好的省份用水效益明顯高于經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢的省份。水資源在空間分布、開發(fā)利用、水土資源匹配以及用水效益等方面表現(xiàn)為失衡狀態(tài)。區(qū)域資源稟賦的差異和人類活動的影響致使我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的過程中人水關(guān)系存在著諸多不和諧因素，污水排放總量上升，流經(jīng)城市的河段受到污染問題依然存在，用水結(jié)構(gòu)不合理，水資源浪費(fèi)問題突出，用水效率低等都是造成水資源壓力增加，導(dǎo)致水資源空間失衡的原因。