黃河流域水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素時(shí)空匹配度分析

王猛飛，高傳昌，張晉華，高志鍇，黃 丹，胡亞州

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450011)

水資源具有自然資源和經(jīng)濟(jì)資源的雙重特性，是維持生態(tài)健康和影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的決定性因素之一，水資源的合理開發(fā)利用對(duì)區(qū)域發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。我國(guó)水資源總量十分豐富，占全球可利用水資源總量的6%左右，對(duì)于擁有13億人口的中國(guó)，人均水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1/4，其中黃河流域流域面積占全國(guó)土地面積的8%，而河川徑流量?jī)H占全國(guó)水資源總量的2%。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化步伐的加快，黃河流域水資源供需矛盾逐步凸顯出來(lái)。作為我國(guó)糧棉、能源重化工基地，黃河流域的水資源合理開發(fā)利用就顯得尤為重要。

我國(guó)學(xué)者圍繞水資源的合理開發(fā)利用這一問(wèn)題，從不同側(cè)面展開了研究。陳霽巍[1]、趙秉棟[2]等通過(guò)論述黃河水資源的特點(diǎn)，對(duì)黃河治理和水資源開發(fā)利用的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究，并提出了實(shí)現(xiàn)黃河流域水資源可持續(xù)利用的若干對(duì)策；柴成果，姚黨生[3]等從水環(huán)境的角度分析了實(shí)現(xiàn)黃河流域水資源可持續(xù)利用的有效途徑；張曉濤[4]等利用基尼系數(shù)法從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)入手分析了黃河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源匹配狀況。宋先松[5]等分析了我國(guó)南部地區(qū)和北部地區(qū)水資源與人口、耕地、GDP分布組合特點(diǎn)，并針對(duì)存在的水資源分布不均和水污染問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決途徑和措施；高學(xué)平[6]等結(jié)合生態(tài)水利的觀點(diǎn)，為生態(tài)城市建設(shè)中水資源合理開發(fā)利用問(wèn)題提出了新的思路。左其亭[7]等利用基于數(shù)列的時(shí)間和空間的匹配度計(jì)算方法，對(duì)水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展匹配程度進(jìn)行了量化計(jì)算，但計(jì)算指標(biāo)較為單一，不能全面反映區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況。

本文借用經(jīng)濟(jì)學(xué)中用來(lái)綜合考察居民收入分配公平性的分析指標(biāo)----基尼系數(shù)，在借鑒國(guó)內(nèi)學(xué)者利用基尼系數(shù)對(duì)區(qū)域水土資源匹配程度分析的基礎(chǔ)上，對(duì)黃河流域水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素時(shí)空匹配度進(jìn)行分析，從而得出黃河流域水資源分布和配置的時(shí)空差異性。對(duì)于進(jìn)一步研究在考慮環(huán)境成本的情況下，以水資源可持續(xù)利用為原則，結(jié)合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的水資源配置方式以及促進(jìn)水資源總體和跨區(qū)域協(xié)調(diào)具有重要意義。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究方法

基尼系數(shù)是基尼(Corrado Gini)于1912年在相對(duì)平均差的基礎(chǔ)上定義的，來(lái)衡量收入等要素分布不均衡程度的主要依據(jù)指標(biāo)。本文基于基尼系數(shù)，構(gòu)建黃河流域水資源、人口、GDP、面積等區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素之間的匹配關(guān)系，采用梯形面積法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下[8]：設(shè)n個(gè)人的收入向量X=(x1,x2,…,xn)，洛倫茲曲線下一系列梯形的面積之和為ST。

(1)

式中：Fi、Li分別表示洛侖茲曲線縱橫坐標(biāo)指標(biāo)的累計(jì)頻率，F(xiàn)0=L0=0。

根據(jù)基尼系數(shù)的幾何意義可知：

G=2SA=1-2ST

(2)

式中：SA表示洛倫茲曲線與對(duì)角線的圍合的面積。

將式(1)帶入式(2)則有基尼系數(shù)計(jì)算公式:

(3)

以Fi表示第i各地市區(qū)的水資源量(或水資源使用量)累計(jì)頻率；Li表示各經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素的累計(jì)頻率；i表示黃河流域地級(jí)行政區(qū)，取值為0，1，2，3,…,68。按照國(guó)際收入分配慣例，基尼系數(shù)0.4為分配貧富差距的“警戒線”，在此也同樣采用該劃分：G≤0.2，表示黃河流域水資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素的“高度匹配”或“絕對(duì)匹配”關(guān)系；0.20.5表示“極不匹配”。

1.2 區(qū)域劃分與要素選擇

本文選取黃河流域9個(gè)省(自治區(qū))為研究對(duì)象，分別采用各區(qū)域水資源量和水資源使用量來(lái)反映各區(qū)域水資源分布和配置與經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素在時(shí)間上的匹配特點(diǎn)，以黃河流域68個(gè)市級(jí)行政單位為研究對(duì)象(見表1)，衡量區(qū)域水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素的空間上的匹配程度。

衡量區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要指標(biāo)是生產(chǎn)總值(GDP),生產(chǎn)總值的獲得是區(qū)域居民利用一定的資源勞動(dòng)所得。另外，農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量的67.96%[9]。因此，選擇區(qū)域人口、生產(chǎn)總值(GDP)、農(nóng)作物播種面積、水資源量4個(gè)主要經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素，來(lái)反映區(qū)域水資源配置的匹配性。

表1 黃河流域行政區(qū)劃Tab.1 Administrative divisions of the Yellow River Basin

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所采用的研究數(shù)據(jù)，來(lái)自于2009-2013年《中國(guó)水資源公報(bào)》[10]，《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》[11]以及各省份統(tǒng)計(jì)年鑒和水資源公報(bào)，部分缺失資料通過(guò)其他指標(biāo)計(jì)算獲得。

2 黃河流域水資源-經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素基尼系數(shù)分析

2.1 水資源-經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素基尼系數(shù)及時(shí)間差異性分析

為了反映黃河流域水資源分布的區(qū)域差異性、水資源配置與經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素的協(xié)調(diào)關(guān)系和時(shí)空分布特點(diǎn)，以黃河流域9各省(自治區(qū))水資源量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(見表2)，通過(guò)人口、GDP、農(nóng)作物播種面積等評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算出了黃河流域水資源-經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素基尼系數(shù)，見表3。

表2 2009-2013年黃河流域各省市水資源分布和配置情況 億m3Tab.2 The distribution and allocation of water resources in the Yellow River River Basin in 2009-2013

表3 2009-2013年黃河流域水資源-經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素基尼系數(shù)Tab.3 Factors of water resources and economic development in the Yellow River basin in 2009-2013

根據(jù)以上劃分方法可知，基尼系數(shù)0.4為分配平衡程度的“警戒線”，由表3可知，在黃河流域人口、GDP、農(nóng)作物播種面積與水資源分布的基尼系數(shù)均超過(guò)了警戒線，且2009-2013年的數(shù)據(jù)均大于0.5，表明黃河流域水資源空間分布顯現(xiàn)出“極不匹配” 的特點(diǎn)，同時(shí)凸顯出黃河流域水資源短缺的基本情況。

(1)從水資源分布與人口的基尼系數(shù)看，基尼系數(shù)均在0.5以上，但有減小的趨勢(shì)，說(shuō)明黃河流域人口與水資源分布“極不匹配”，但是有所緩和；水資源配置-人口基尼系數(shù)均在0.22上下波動(dòng)，處于“相對(duì)匹配”狀態(tài)。相較2004-2009年我國(guó)整體水資源配置-人口基尼系數(shù)平均值0.457有了極大改善，說(shuō)明隨著水資源短缺問(wèn)題的出現(xiàn)，在各區(qū)域?qū)嵤┑乃Y源的合理化利用以及水資源的跨區(qū)域流動(dòng)，取得了良好效果。

(2)從水資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平(GDP)的基尼系數(shù)看，該系數(shù)在0.614上下波動(dòng)，處于“極不匹配”狀態(tài)，說(shuō)明水資源分布與黃河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平極不匹配，黃河流域作為我國(guó)重要的能源重化工基地及糧棉基地為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出極大的貢獻(xiàn)，但近年來(lái)水資源的短缺一直制約著黃河流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。由數(shù)據(jù)可知，山東省創(chuàng)造了占黃河流域34.4%的GDP，而水資源占有量?jī)H有5.8%。水資源配置-GDP基尼系數(shù)波動(dòng)不大，處于0.26～0.29之間，且基尼系數(shù)逐年縮小，說(shuō)明水資源配置相對(duì)于GDP處于“相對(duì)匹配”狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與市場(chǎng)化為主的水資源配置方式，造成的區(qū)域間水資源的差異程度擴(kuò)大的問(wèn)題，隨著區(qū)域間調(diào)水和局部水資源調(diào)配得到緩解和改善，目前，黃河流域各省份水資源配置量能夠滿足當(dāng)?shù)谿DP增長(zhǎng)的需要。

(3)水資源分布與農(nóng)作物播種面積的基尼系數(shù)均大于0.5，到2013年該指數(shù)達(dá)到0.606，說(shuō)明黃河流域水資源自然分布與耕地資源處于“極不匹配”的狀態(tài)，且這一現(xiàn)象有擴(kuò)大的趨勢(shì)。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，黃河流域17.73%的水資源需要服務(wù)其81.13%的耕地面積[4]。黃河流域水資源配置與農(nóng)作物播種面積基尼系數(shù)在0.15上下波動(dòng)，小于水資源配置與GDP、人口的基尼系數(shù)，處于“高度匹配”狀態(tài)，且該指數(shù)逐年減少，說(shuō)明近年來(lái)作為我國(guó)糧棉基地的黃河流域各行政區(qū)在注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，在水資源調(diào)配上對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行傾斜，以保證其水資源的正常供給。

(4)水資源配置-分布的基尼系數(shù)在0.48上下波動(dòng)，說(shuō)明黃河流域各區(qū)域水資源配置相對(duì)于其水資源分布一直處于“極不匹配”狀態(tài)，此外，通過(guò)2009-2013年人口、GDP以及農(nóng)作物播種面積與水資源分布和水資源配置的基尼系數(shù)可以看出：黃河流域水資源分布已經(jīng)不是影響水資源配置的最重要的因素，各區(qū)域水資源供需存在較大差異，且跨區(qū)域水資源配置現(xiàn)象較多。由于水資源技術(shù)條件不同，且各區(qū)域水資源總量在時(shí)間跨度上存在波動(dòng)，導(dǎo)致黃河流域總體水資源配置狀況也出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。

2.2 水資源與各要素洛倫茲曲線及空間差異性分析

由于2009-2013年各數(shù)據(jù)變化幅度較小，根據(jù)黃河流域68個(gè)市級(jí)行政區(qū)水資源累計(jì)百分比和各經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素的累計(jì)百分比，以2012年為代表年作出了黃河流域水資源分布和水資源配置對(duì)各經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素的洛倫茲曲線并進(jìn)行對(duì)比，如圖1和圖2所示。

圖1 2012年水資源配置對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素的洛倫茲曲線Fig.1 Lorenz curve of water resources allocation to economic development elements in 2012

圖2 2012年水資源分布對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素的洛倫茲曲線Fig.2 Lorenz curve of water resources distribution to economic development elements in 2012

從圖1可以看出，水資源配置-人口、GDP、農(nóng)作物播種面積的洛倫茲曲線離對(duì)角線均較近，說(shuō)明黃河流域水資源配置量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展在空間上處于較為匹配狀況。各個(gè)點(diǎn)處斜率逐步變化，說(shuō)明各區(qū)域水資源對(duì)于人口、GDP和農(nóng)作物播種面積的差異性是普遍存在的。究其原因，隨著城市化的進(jìn)一步擴(kuò)大，人口不斷向經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的區(qū)域集聚，隨著外來(lái)人口的不斷增加，部分城市就會(huì)出現(xiàn)水資源短缺現(xiàn)象，甚至?xí)蚱片F(xiàn)在水資源配置量與人口的良好匹配狀況；三大產(chǎn)業(yè)在不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)內(nèi)所占比重存在一定的差異，正是這種經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡性導(dǎo)致不同區(qū)域用水量的差異，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，差異會(huì)不斷變化。從數(shù)據(jù)中可以看出，相對(duì)而言陜西、內(nèi)蒙古以及河南的部分市級(jí)行政區(qū)的水資源利用效率更高，利用較少的水資源創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)收入，例如，陜西榆林用1%的水資源創(chuàng)造了黃河流域3%的GDP份額。而甘肅的臨夏州則利用1.4%的水資源配置量?jī)H創(chuàng)造了不到0.2%的GDP份額；此外，因各區(qū)域農(nóng)作物的耕種和灌溉方式的不同，形成不同用水需要。例如內(nèi)蒙古的烏海市以及青海省的海洛州和海西州等市所占的比例相對(duì)較低，而寧夏固原和山西商洛市和延安市等市所占的比例相對(duì)較高。

從圖2中可以看出，水資源分布對(duì)于人口、GDP以及農(nóng)作物播種面積的洛倫茲曲線彎曲度均較大，距離對(duì)角線較遠(yuǎn)，說(shuō)明黃河流域水資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于不匹配狀態(tài)。斜率的大幅度變化，說(shuō)明了水資源分布的空間上的差異性。對(duì)比水資源配置相對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素的洛倫茲曲線，可知經(jīng)過(guò)配置后，黃河流域各區(qū)域水資源相對(duì)于人口、GDP以及農(nóng)作物播種面積的分布更加趨于合理化，說(shuō)明了不同區(qū)域之間存在著水資源調(diào)動(dòng)。此外水資源分布-水資源配置洛倫茲曲線距離對(duì)角線也較遠(yuǎn)，且各分布點(diǎn)斜率存在著較大差異和波動(dòng)性，充分反映出各地區(qū)水資源分布與用水量之間的差異以及水資源分布在空間上的差異性。

通過(guò)上述分析，了解到黃河流域水資源分布和配置存在較大差異性，因此，采取區(qū)域間水資源配置方式，可有效緩解不同地區(qū)水資源分布的差異性，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。另外，由于城市化步伐的加快、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡以及農(nóng)作物耕作和灌溉方式的差異，導(dǎo)致的水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展匹配度的不穩(wěn)定發(fā)展，還需要對(duì)黃河流域各區(qū)域?qū)λY源合理利用統(tǒng)籌安排。

3 結(jié)論與討論

目前，各區(qū)域都正處于經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的時(shí)期，促進(jìn)水資源的合理開發(fā)利用，統(tǒng)籌水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，對(duì)于各區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文利用基尼系數(shù)分析了黃河流域水資源分布、配置與經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素匹配關(guān)系在時(shí)間上的演變規(guī)律以及在空間上的差異性，為促進(jìn)水資源的總體和跨區(qū)域協(xié)調(diào)，進(jìn)而滿足生態(tài)環(huán)境以及生產(chǎn)生活各個(gè)環(huán)節(jié)的水資源需求，并最終促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供準(zhǔn)備。

2009-2013年水資源分布-經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素基尼系數(shù)表明：黃河流域水資源分布與人口、GDP以及農(nóng)作物播種面積的匹配關(guān)系均處于“極不匹配”狀態(tài)；黃河流域水資源配置與人口和GDP的匹配關(guān)系是“相對(duì)匹配”，與農(nóng)作物播種面積的匹配關(guān)系處于“高度匹配”狀態(tài)。這說(shuō)明水資源分布會(huì)對(duì)人口分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及農(nóng)作物播種面積產(chǎn)生一定的非決定性影響；經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口、水資源分布狀況和農(nóng)業(yè)用水量是影響水資源配置的關(guān)鍵因素；基尼系數(shù)有緩慢減少的趨勢(shì)，說(shuō)明水資源在各區(qū)域間的合理配置起到了良好的效果。從2012年水資源分布-經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素洛倫茲曲線分析，黃河流域水資源分布在空間上存在較大的差異性，水資源主要分布西北部的青海、甘肅兩省，其中青海省占有水資源量719.45億m3，占黃河流域總水資源量的30%，而寧夏回族自治區(qū)水資源占有量?jī)H占黃河流域水資源總量的0.32%；經(jīng)過(guò)水資源配置后，各區(qū)域平衡性總體上有了很大的改變。

實(shí)現(xiàn)水資源和環(huán)境一體化的規(guī)劃和管理，保證水資源配置的適應(yīng)性、穩(wěn)健性和綜合性是未來(lái)水資源開發(fā)利用的合理化愿景[12],促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)健康的發(fā)展，應(yīng)在區(qū)域生態(tài)環(huán)境承受能力范圍之內(nèi)，根據(jù)水資源的分布特點(diǎn)，以滿足區(qū)域社會(huì)生產(chǎn)和人民生活需水為目的，在堅(jiān)持合理公平的原則下，對(duì)水資源進(jìn)行區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間進(jìn)行配置；另外，城市化的今天，自然地面被大量硬化，自然降水無(wú)法直接滲入地表進(jìn)入水文循環(huán)，而且間接造成城市內(nèi)澇等自然災(zāi)害的發(fā)生，海綿城市[13]的建設(shè)是未來(lái)城市發(fā)展的方向，注重雨水的收集和還原自然水文循環(huán)。海綿城市不僅可以解決城市排水的問(wèn)題，還可以緩解城市水資源短缺的現(xiàn)狀。

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