滇池流域水資源空間均衡研究

陳 晨，趙 楊，張劉東，李京東，廖 悅，費(fèi)鑫鑫

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 云南 昆明 650201)

水資源開發(fā)與保護(hù)是水利事業(yè)的重要環(huán)節(jié),關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展[1]，水資源空間分布不均對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等各方面都有極大的影響，分析評(píng)價(jià)城市的水資源均衡對(duì)一個(gè)城市的發(fā)展至關(guān)重要。昆明市是云南省省會(huì)，滇中城市群中心城市，屬于北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候，滇池流域是全云南省乃至全國水資源嚴(yán)重緊缺的地區(qū)，人均水資源量不足300 m3[2]。因此，研究分析滇池流域水資源空間均衡具有代表性，同時(shí)有助于為滇池流域未來發(fā)展的用水領(lǐng)域提供展望和依據(jù)。因此在滇池流域?qū)λY源空間均衡進(jìn)行合理分析，協(xié)調(diào)好水與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，對(duì)昆明市現(xiàn)階段社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。目前，我國對(duì)水資源空間均衡研究的文獻(xiàn)主要還集中在理論方面，例如酈建強(qiáng)等[3]認(rèn)為水資源空間均衡方法的研究可以解決我國現(xiàn)代治水實(shí)踐中的空間不均衡問題。左其亭等[4]對(duì)空間均衡研究進(jìn)行梳理和分析總結(jié)歸納出水資源空間均衡理論的研究方法和應(yīng)用框架。河海大學(xué)的朱彩琳等[5]通過將空間均衡的函數(shù)和約束添加到傳統(tǒng)的水資源配置模型，于2018年成功地計(jì)算出了鹽城市沿海地區(qū)2020年75%保證率下的水資源配置結(jié)果?？簳札埖萚6]通過對(duì)河南鄭州及洛陽的水資源總量、人口數(shù)量、以及GDP等指標(biāo)數(shù)據(jù)，基于不平衡指數(shù)分析出鄭州洛陽兩市水資源空間分布不均衡的現(xiàn)狀。

1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)來源于《昆明市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011—2016) ，水資源數(shù)據(jù)(萬元GDP用水量)來源于《昆明市水資源公報(bào)》(2011—2017)，流域氣象數(shù)據(jù)(年降水量) (昆明站) 來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，子區(qū)域的資料來自于昆明市統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)。

2 研究方法

水資源空間均衡，就是指水資源在空間分布、經(jīng)濟(jì)社會(huì)空間布局和生態(tài)環(huán)境空間功能所存在的平衡狀態(tài)。研究分析某個(gè)地區(qū)的水資源空間均衡不能從單一的角度入手，應(yīng)當(dāng)綜合考慮該地區(qū)的水資源的壓力、水土資源匹配度和用水效益三個(gè)方面。力求水資源壓力較小，水土資源匹配度較高，用水效益越大，這樣才有利于達(dá)到社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)。

2.1 水資源負(fù)載指數(shù)

水資源負(fù)載指數(shù)用于反映水資源的分布和開發(fā)的情況。為一個(gè)地區(qū)水資源的開采利用是否合理提供參考[7]。水資源負(fù)載指數(shù)的計(jì)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GDP，億元；W為水資源總量，億m3。

降水系數(shù)與降水量有關(guān)，具體關(guān)系和公式如下：

(2)

式中：P代表全年降雨量，mm。

通過查詢昆明站的降雨量可知，滇池流域近期全年降雨量為1 055.7 mm，由此可以得到K=0.636 075。滇池流域總?cè)丝跒?04.65萬人，GDP為3 799.87億元人民幣，通過查閱水資源公報(bào)可知滇池流域水資源總量12.04億m3，因此可以算出C=65.51。由水資源負(fù)載指數(shù)分級(jí)(見表1)[8]可知，滇池流域的水資源負(fù)載指數(shù)遠(yuǎn)大于10，因此水資源已經(jīng)高度開發(fā)，繼續(xù)開發(fā)潛力很小，需要通過外部調(diào)水來緩解用水緊張。同時(shí)也可以充分使用發(fā)展過程中產(chǎn)生的再生水以實(shí)現(xiàn)城市水資源的合理配置，以滿足水資源永續(xù)利用和生態(tài)平衡的需要[9]。

表1 水資源負(fù)載指數(shù)分級(jí)

2.2 水土資源匹配系數(shù)

通常用水土資源匹配系數(shù)來表示水土資源的匹配情況，水土資源匹配系數(shù)代表了特定區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所擁有的水資源與耕地資源在時(shí)空上的匹配程度[10]，表現(xiàn)形式為每公頃土地占有的水資源量。水土資源匹配系數(shù)的大小與區(qū)域水資源的豐富程度有關(guān)：越大則表示水資源充沛，可以高程度地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)；越小則表示水資源相對(duì)缺乏，不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水，不利于發(fā)展農(nóng)業(yè)。

水土資源匹配系數(shù)的計(jì)算公式為：

(3)

式中:δ代表水土資源匹配系數(shù)，萬m3/hm2；S代表耕地面積，hm2；W代表水資源總量，億m3。

通過查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，滇池流域耕地面積為29 296.8 hm2。因此δ=4.11萬 m3/hm2。

2.3 用水效益系數(shù)

所謂的用水效益系數(shù)直觀反映了社會(huì)用水效益的高低，反映了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平的高低。提升節(jié)約用水意識(shí)，大力發(fā)展高效用水技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用、創(chuàng)造更高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的必由之路。

通常習(xí)慣用單位立方米的用水所創(chuàng)造出的GDP來衡量一個(gè)地區(qū)的用水效益，其計(jì)算公式為：

(4)

式中:Zw表示用水效益，元/m3；Z表示GDP，億元；Ws代表供水量，億m3。

通過查閱昆明市的統(tǒng)計(jì)資料可知，滇池流域每產(chǎn)生1萬元GDP將會(huì)用水37 m3，因此可以算出，Zw=270.27元/m3。

2.4 基尼系數(shù)

基尼系數(shù)來源于經(jīng)濟(jì)學(xué)，起初是用來衡量居民收入差距的，現(xiàn)在通常用來分析和比較研究對(duì)象的總體匹配程度。利用基尼系數(shù)分析水資源分配問題也是當(dāng)今水資源研究的熱點(diǎn)問題之一，如：李建芳等[11]選取區(qū)域常住人口、耕地播種面積、生產(chǎn)總值、區(qū)域水資源總量等指標(biāo)分析出惠州市水資源分配的公平性水平?；嵯禂?shù)通常把0.40作為差距的分界線，高于0.40表示差距過大，低于0.40則表示差距正常。參考其他研究者的簡便計(jì)算方法[12]，即：

(5)

式中：G代表基尼系數(shù)；yi表示每個(gè)指標(biāo)從第1組到第i組的總和所占的全部總量的百分比；n表示將數(shù)據(jù)劃分為n組。

2.5 水資源空間均衡系數(shù)

水資源空間均衡系數(shù)表示水資源分布的均衡程度，范圍在0～1之間，越大表示越均衡, 越小則表示越不均衡[13]。其計(jì)算方法為：

(6)

式中：D表示水資源空間均衡系數(shù)；X表示系統(tǒng)協(xié)調(diào)度；Y表示系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)；Ij主要指水資源承載系數(shù)、水土資源匹配系數(shù)和用水效益系數(shù)的基尼系數(shù)；m表示指標(biāo)個(gè)數(shù)m=3；αj為各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，滿足∑αj=1。

基于算出的水資源空間均衡系數(shù)，一般可以劃分為5個(gè)等級(jí)，見表2。

表2 空間均衡指數(shù)等級(jí)劃分[8]

基于這個(gè)等級(jí)劃分，即可對(duì)地區(qū)水資源空間均衡作出相應(yīng)的評(píng)估，對(duì)該地區(qū)水資源的合理開發(fā)利用作出合理的展望。

3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算昆明市滇池流域各子區(qū)的水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配指數(shù)和用水效益指數(shù)，如表3所示。計(jì)算水資源空間均衡指數(shù)要確定水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配指數(shù)和用水效益指數(shù)的權(quán)重因子[14]，確定權(quán)重時(shí)結(jié)合層次分析法和經(jīng)驗(yàn)法[15]，最終將水資源負(fù)載指數(shù)占據(jù)的權(quán)重定為0.18，將水土資源匹配指數(shù)占據(jù)的權(quán)重定為0.69，將用水效益指數(shù)占據(jù)的權(quán)重定為0.13。滇池流域以及各子區(qū)域的水資源空間均衡指數(shù)計(jì)算成果見表3。計(jì)算結(jié)果結(jié)合表2，即可對(duì)滇池流域及各子區(qū)域的水資源均衡作出相應(yīng)的評(píng)估分析。

表3 計(jì)算成果表

4 結(jié)果分析

從水資源負(fù)載指數(shù)可以看出昆明市主城區(qū)水資源壓力很大，開發(fā)利用狀況不與目前的經(jīng)濟(jì)、人口相匹配，空間分布不均衡。主城區(qū)中，五華區(qū)和官渡區(qū)的GDP最高，同時(shí)，它們兩個(gè)子區(qū)域的水資源負(fù)載指數(shù)也最大，需通過外區(qū)域調(diào)水來緩解用水緊張。呈貢區(qū)作為新城區(qū)，GDP和人口居住量增加較快，呈貢區(qū)的水資源負(fù)載指數(shù)為73.14，已經(jīng)超過了盤龍區(qū)和西山區(qū)屬于高度開發(fā)的范疇，繼續(xù)開發(fā)難度大，應(yīng)合理規(guī)劃開發(fā)。晉寧縣水資源相對(duì)豐富，水資源負(fù)載指數(shù)為9.83，表明該區(qū)域的水資源還有一定的開發(fā)潛力，但是開發(fā)困難?？傮w來看，滇池流域的水資源負(fù)載指數(shù)遠(yuǎn)大于10，表明水資源已經(jīng)高度開發(fā)。其基尼系數(shù)大于0.40，表明滇池流域水資源的空間分布和開采使用的差距較大，并且已經(jīng)高度開采，只有西南部的晉寧縣還有一些開發(fā)的潛力。水資源配置和利用中需注重水資源的管理，進(jìn)行輸水調(diào)水，提高用水效率。

從水土資源匹配系數(shù)可以看出昆明市的水土資源匹配系數(shù)比較失衡。其中盤龍區(qū)、西山區(qū)和五華區(qū)的耕地相對(duì)較少，水資源相對(duì)比較豐富，因此水土資源匹配系數(shù)高于其他子區(qū)域。官渡區(qū)降雨量與前幾個(gè)區(qū)域相差較小，但耕地面積較大，因此水土資源匹配系數(shù)要低于盤龍區(qū)、西山區(qū)和五華區(qū)。呈貢新區(qū)的耕地面積與官渡區(qū)比較接近，但降雨量低于官渡區(qū)，水資源量的不足導(dǎo)致水土資源匹配系數(shù)偏低。晉寧縣城市化卻明顯低一些，耕地面積多于主城區(qū)和呈貢區(qū)。整個(gè)流域的基尼系數(shù)為0.40，表明整個(gè)研究區(qū)域的水土資源分配情況不合理。從各個(gè)子區(qū)域的分布情況來看，盤龍區(qū)和晉寧縣的基尼系數(shù)不低于0.40，屬于水土匹配失衡的地區(qū)。五華區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)和呈貢區(qū)的基尼系數(shù)是小于警戒線0.40的，屬于比較均衡的地區(qū)，匹配度最好的是呈貢區(qū)。由于所占的權(quán)重較高，流域內(nèi)水土資源匹配性的好壞是評(píng)價(jià)該區(qū)域水資源均衡的一個(gè)很重要的因素。

從用水效益系數(shù)可以看出研究區(qū)域內(nèi)用水效益較高。其中，官渡區(qū)和五華區(qū)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展最好的兩個(gè)區(qū)域，單方水產(chǎn)值更高。西山區(qū)、盤龍區(qū)和呈貢新區(qū)單方水GDP產(chǎn)值差別不大。主城區(qū)和呈貢區(qū)用水效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晉寧縣，表明了以第二、三產(chǎn)業(yè)為主要經(jīng)濟(jì)構(gòu)成的區(qū)域大于第二、三產(chǎn)業(yè)相對(duì)薄弱的區(qū)域。用水效益的基尼系數(shù)大于警戒線0.40，研究區(qū)域昆明城區(qū)的用水效益比較失衡，大部分誤差來自第二、三產(chǎn)業(yè)相對(duì)薄弱的晉寧縣。用水效益和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定聯(lián)系，但各區(qū)域之間用水效益差距的大小才是影響用水效益均衡的因素。

通過加權(quán)后的水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配指數(shù)和用水效益指數(shù)的基尼系數(shù)，得到滇池流域的水資源空間均衡指數(shù)為0.45，研究區(qū)域的水資源空間均衡指數(shù)等級(jí)狀態(tài)屬于一般失衡狀態(tài)。對(duì)比國內(nèi)其它省市水資源空間均衡相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的水資源負(fù)載壓力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了西南地區(qū)的水資源壓力。因此，滇池流域應(yīng)當(dāng)合理開發(fā)利用水資源，提前規(guī)劃引水調(diào)水，提高用水效益。

5 結(jié) 論

本文基于滇池流域和各子區(qū)域的水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配指數(shù)和用水效益指數(shù)的計(jì)算，分析研究對(duì)象水資源空間均衡。結(jié)果表明，滇池流域存在著水資源失衡的現(xiàn)狀，造成水資源失衡的主要原因是各個(gè)子區(qū)域的水資源承載指數(shù)和用水效益不夠均衡，昆明市主城區(qū)和呈貢新區(qū)都出現(xiàn)了水資源高度開發(fā)利用的情況，水資源負(fù)載指數(shù)都遠(yuǎn)大于10，基尼系數(shù)大于0.40，開發(fā)利用的差距較大。研究區(qū)流域的水土資源不匹配，基尼系數(shù)為0.40，水土資源分配情況不合理。研究區(qū)域內(nèi)用水效益較高，用水效益的基尼系數(shù)大于0.40，區(qū)域用水效益不夠均衡。研究區(qū)域的水資源空間均衡指數(shù)等級(jí)狀態(tài)屬于一般失衡狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)合理開發(fā)利用水資源，提高用水效益，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。