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

趙向豪，姚 娟，馬 靜

(新疆農業大學經濟與貿易學院，烏魯木齊 830052)

水作為基礎自然資源，是生態環境建設的控制因素，又是戰略性經濟資源，其富余程度對一地區的發展起著重要作用[1]。如何科學合理配置區域內的水資源，是新疆亟需解決的難題。

“承載力”一詞源于生態學，即在某一特定環境條件下，某種資源存在的最大數量。目前，水資源承載力作為國內水資源領域研究的熱點涌現了較多的成果。關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濟、社會生態之間的協調發展關系，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濟布局不匹配[2]；魏光輝等通過正態云模型，對浙江省水資源承載力進行評價，研究發現浙江省水資源承載力處于一般水平，但有增加的趨勢，甚至個別評價指標處于危險狀態，有待進一步提高[3]；張偉等通過因子分析法、灰色關聯分析法和模糊綜合評價法等方法對區域水資源承載力進行系統評價，研究均指出了影響區域水資源承載力的具體因素，并提出了相應的對策與建議[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，新疆應處理好水資源與經濟發展之間的關系[10-13]。關于水資源承載力的預測分析研究，朱一中等采用模糊綜合評判模型對西北地區的水資源承載力進行預測分析，研究發現，通過改善生態環境，調整產業結構，未來西北地區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上，擬采用GINI系數分析新疆天山北坡經濟帶水資源的時空演化特征，同時采用灰分統計方法研究生產活動、居民生活活動和生態環境對水資源承載力演化的貢獻程度。

1 理論基礎

目前，洛倫茲曲線和GINI系數已經廣泛應用于各個領域。洛倫茲曲線由美國統計學家洛倫茲(Max Otto Lorenz)提出，最初是用來研究經濟學中收入不均的問題，后來被應用到非經濟學領域中，見圖1。GINI系數是意大利經濟學家基尼(Corrado Gini)根據洛倫茲曲線提出來的，其定義是將一國或地區總人口按收入從低到高排序，計算收入最低任意百分比占人口所占的收入百分比來表示人口累計百分比和收入累計百分比之間的對應關系曲線。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系。

圖1 洛倫茲曲線

根據圖1，GINI系數的計算公式表示為：

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 水資源區域GINI系數的構建與計算

本研究基于新疆水資源的需求結構，把天山北坡經濟帶的水資源分為生產用水、生活用水和生態用水3類。再從水資源需求的空間特征來看，生產用水與GDP、生活用水與人口分布、生態用水與防護林分布密切相關。本研究中新疆天山北坡經濟帶各地區的水資源量、GDP、人口和防護林面積等數據均來自2004-2013年《新疆統計年鑒》。

2.1 水資源區域GINI系數構建

(1)以天山北坡經濟帶各地區為基本元，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的GDP、人口和防護林分布，按從小到大的升序次序對天山北坡經濟帶的各個地區進行排序，并分別測算出各指標的累計百分比，公式如下：

單位水資源服務的GDP=水資源量/GDP

(2)

單位水資源服務的人口=水資源量/人口

(3)

單位水資源服務的防護林面積=水資源量/防護林面積

(4)

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

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

(5)

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

水資源區域GINI系數匹配程度等級劃分見表1。

表1 GINI系數的國際劃分標準

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

根據區域實際用水結構，確定對水資源區域GINI系數G1、G2、G3產生影響的權重α、β、γ，按各自權重對G1、G2、G3進行加權求和求得水資源整體區域GINI系數G，即：

G=αG1+βG2+γG3

(6)

式中：α、β和γ為區域結構用水系數，即生產、生活和生態用水比重。

2.2 水資源區域GINI系數計算

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

圖2 天山北坡經濟帶水資源分項區域 GINI系數變化趨勢(2004-2013年)

圖3 天山北坡經濟帶水資源區域 GINI系數變化趨勢(2004-2013年)

3 水資源承載力演化的灰色分析

3.1 設計評估系統，構造樣本矩陣

鑒于本研究對象的動態特征，本文利用2004-2013年水資源與GDP、人口和防護林匹配的區域GINI系數構造評估樣本矩陣，確定評估指標為3，評估規模為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：

計算其數字特征：均值a=0.777 8，標準差s=0.177 6。

3.3 確定灰類，建立白化權函數

確定灰類k=3，然后按灰類確定各指標的白化權函數。參考等測度矩陣的數字特征中的均值和標準差，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，對于各指標分別建立各自的白化權函數。

高類型：

(7)

中類型：

(8)

低類型：

(9)

3.4 計算類別權系數

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

各指標高類權系數矩陣F1表示為：

各指標高類權系數矩陣F2表示為：

各指標高類權系數矩陣F3表示為：

3.5 計算各評估指標的綜合權系數

將每一灰類進行算術平均，得到灰色評估的綜合權系數矩陣G：

由此得到天山北坡經濟帶1998-2013年水資源區域的GINI系數綜合灰色分類，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 新疆天山北坡經濟帶水資源區域GINI系數綜合灰色分類貢獻度(1998-2013年)

4 結果分析

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，灰色分析在分析結果上體現的是關聯序，且關聯序較關聯度相對更重要，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、生活和生態3部門之間的關聯序及變化趨勢。具體分析如下。

(1)據表1可知，從水資源區域GINI系數分析，2004-2013年天山北坡經濟帶水資源的區域GINI系數為0.516 0，屬于極差級，表明水資源的空間匹配程度不好，極化現象嚴重。

(2)由圖2觀察，天山北坡經濟帶水資源各部門分配的區域GINI系數的變化趨勢，進而可以看出水資源承載力的時空演化趨勢：從水資源的分項區域GINI系數分析，天山北坡經濟帶水資源與GDP匹配的GINI系數從2004年的0.564 7下降到2013年的0.480 9，表明水資源的生產活動承載力不斷降低，并呈現出趨于穩定的趨勢，原因可能在于隨著科學發展觀的踐行，生產活動中節水意識不斷增強；水資源與人口分布匹配的GINI系數呈現上升趨勢，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，并呈現出繼續上升的趨勢，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系數在波動中呈現下降趨勢，從2004年的0.395 8上升到2005年的0.577 8，隨后持續走低，2011年之后急速下降，到2013年GINI系數為0.191 5，表明水資源的生態承載力處于大幅波動階段，在2005年和2011年出現2次高值，其承載力較大，極化現象嚴重，但整體上呈現出下降趨勢，伴隨著水資源的擴散作用并趨于合理。

(3)由圖3觀察，天山北坡經濟帶水資源區域GINI系數的變化由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，其他時間段均呈現小幅平穩的變化趨勢。由此表明，2004-2013年，天山北坡經濟帶經過經濟的快速發展，水資源的分配經過原始的均衡階段，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、居民生活和生態3個部門用水GINI系數的灰色分析，得到天山北坡經濟帶水資源區域GINI系數綜合灰色分類表。從表2容易看出，生產、居民生活、生態3部門對水資源區域GINI系數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基本一致。水資源承載力演化的主要因素在于生產活動對水資源的需求，而居民生活活動和生態對水資源的需求相對較小。

天山北坡經濟帶屬于典型的內陸干旱區，水資源相對比較匱乏。隨著絲綢之路經濟帶的發展，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，改善生態環境，調整產業結構，開展節水行動，是解決天山北坡經濟帶水資源短缺的出路。因此，鼓勵工業企業使用節水設備，促進農業節水灌溉技術在農業上的普及，鼓勵居民提高節水意識，是解決水資源緊缺的重要舉措。

[1] 劉 洋,金鳳君,甘 紅.區域水資源匹配分析[J].遼寧工程技術大學報,2005,(5):657-660.

[2] 劉佳駿,董鎖成,李澤紅.中國水資源承載力綜合評價研究[J].自然資源學報,2011,(2):258-269.

[3] 魏光輝,馬 亮.基于正態云模型的區域水資源承載力評價[J].節水灌溉,2015,(1):68-71.

[4] 張 偉.基于因子分析的安徽省水資源承載力評價[J].節水灌溉,2012,(9):11-14.

[5] 邢 軍,孫立波.基于因子分析與模糊綜合評判方法的水資源承載力評價[J].節水灌溉,2014,(4):52-55,59.

[6] 張曉鵬,張 鑫.基于模糊綜合評價法的區域水資源承載力研究[J].中國農村水利水電,2009,(7):18-21.

[7] 沈 燕.模糊綜合評價方法在區域水資源承載力研究中的應用[J].節水灌溉,2009,(9):17-19,23.

[8] 佟長福,史海濱,李和平,等.基于灰色關聯分析的鄂爾多斯市水資源承載力評價[J].節水灌溉,2009,(11):43-45,49.

[9] 康 艷,宋松柏.水資源承載力綜合評價的變權灰色關聯模型[J].節水灌溉,2014,(3):48-53.

[10] 段新光,欒芳芳.基于模糊綜合評判的新疆水資源承載力評價[J].中國人口·資源與環境,2014,(S1):119-122.

[11] 宋丹丹,郭 輝.基于AHP和熵值法的新疆水資源承載力綜合評價研究[J].廣西師范學院學報(自然科學版),2014,(3):57-64.

[12] 王 暄.基于模糊綜合評判法的塔里木河流域水資源承載力評價[J].廣東水利水電,2010,(8):46-48.

[13] 湯亞林,朱帥幫.物元模型在新疆水資源承載力綜合評價中的應用[J].水資源保護,2006,(3):40-42.

[14] 朱一中,夏 軍,談 戈.西北地區水資源承載力分析預測與評價[J].資源科學,2003,(4):43-48.