水資源空間均衡理論方法及應用研究框架

左其亭，韓春輝，馬軍霞，王 鑫

（1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南鄭州450001；2.鄭州市水資源與水環境重點實驗室，河南鄭州450001）

1 引 言

水資源是推動經濟社會發展的重要基礎性資源與戰略性資源。隨著全球經濟快速發展，區域發展失衡與空間開發無序現象日趨加劇［1］，水資源空間不均衡問題逐漸成為區域發展的重要制約因素。加之全球氣候變化和人類活動的影響，水問題愈發嚴重，如何破解水危機已成為世界各國共同面臨的重大問題。針對當前越發嚴重的水問題，我國政府給予高度重視，提出了“節水優先，空間均衡，系統治理，兩手發力”的治水思路，成為解決當前水資源難題、支撐區域可持續發展的指導性原則。從理論和實際出發開展水資源空間均衡理論方法及應用研究，是國家發展的重大需求，但目前的研究還遠遠不夠。

關于水資源的空間管理問題早已有人研究，如鄧偉等［2］于2003年對水空間管理與水資源可持續的關系進行了研究。水資源空間不均衡問題一直是我國水資源管理的潛在問題，最近幾年逐漸被重視并上升到了國家層面。但是到目前為止，針對水資源空間均衡的研究成果并不多，且多為對水資源空間均衡的認識或對空間均衡的作用與意義等方面的論述，如王浩等［3］從戰略層面分析了引漢濟渭與南水北調中線工程對于實現我國水資源空間均衡所發揮的作用，并以水資源荷載平衡為目標，提出要開展負荷均衡、空間均衡、代際均衡的國家水資源配置格局和流域區域配置方案研究［4］；左其亭等［5-6］從支撐供給側結構性改革的角度，對如何做好水資源空間均衡提出了具體建議，并提出了水資源空間分布均衡計算方法，以河南省為例進行了應用研究；方子杰等［7］提出了空間均衡原則的個人理解和實施辦法，并以浙江省為例，圍繞“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產”的“四水四定”措施進行了全面解讀和闡述。從當前的研究現狀來看，水資源空間均衡僅被作為一種治水新理念、思想、原則或約束，其研究也多停留在對宏觀政策的解讀上，很少深入挖掘其內在原理及具體應用途徑，到底什么是水資源空間均衡，它的理論方法有哪些，應用前景如何等問題仍不十分清晰，從而限制了其發展方向和研究深度。通過檢索發現，其他專業和領域圍繞空間均衡也開展了相關研究，特別是在理論方法方面的一些研究思路可供參考和借鑒，如具有經濟學意義的水資源配置模型［8］、應用于土地利用空間分析中的均衡度量化方法［9］等。

基于上述背景，本文吸納相關領域對空間均衡的理解和認識，從水資源的角度出發，結合國家的政策導向，明確水資源空間均衡的概念，提出水資源空間均衡理論體系框架，并對其主要研究內容進行論述，以期為水資源空間均衡的進一步研究和應用提供參考。

2 對空間均衡的認識與水資源空間均衡概念的界定

2.1 對空間均衡的認識與研究綜述

“均衡”（equilibrium）最早是物理學中的一個詞匯，指的是大小相等、作用相反的兩個力作用于物體所處的一種相對靜止的狀態［10］。在被引入到社會生活當中后，“均衡”被賦予了主體行為選擇自由的哲學意義，并被應用于多個領域的均衡分析研究當中［11］。各個領域對均衡的理解不同造成了均衡具有不同的表述，如《薩繆爾森辭典》［12］認為經濟學中的均衡指的是各種對立變化的經濟力量處于一種均衡靜止、不再變化的狀態；Morrison［13］認為在廠商研究中，均衡指沒有動力調整產出水平的狀態；吳漢東［14］認為均衡指維持共同意愿的一種恒定的交互方式；劉雍潛等［15］認為教育發展中的均衡是實現供需平衡并滿足個性化需要；張峰［16］認為在博弈論的表述中均衡即指平衡，而經濟學的表述中則指有關要素保持恒定值；竺煒等［17］認為彈性網的受力均衡是指彈性系數較大的支路應承擔較大的力。從上述解釋中可以發現，雖然字面意思有些許出入，但主體意思非常接近，都表達“一種相對穩定的平衡狀態”，多數人認為“均衡”的核心要義即為“平衡”。在21世紀大英漢詞典和牛津詞典中，對單詞“equilibrium”的解釋既可指“均衡”也可指“平衡”。當然，也有不同的理解，有些文獻專門對二者的區別進行分析，但差異較小。筆者曾對“平衡”進行過論述［18］，但本文無意于區分“平衡”與“均衡”之間的差異，而傾向于二者是一致的。因此，文獻［18］基于對“均衡”一詞的分析和理解，特別是考慮到研究的需要，給出如下定義：“均衡”是指“一種相對穩定的平衡狀態”，比如經濟學中“供求均衡”指商品供需的量與價格使買賣雙方均滿意的一種平衡狀態，水資源學中“供用水均衡”指供水量與用水量、供水價格與用水價格使供用水雙方均認可的一種平衡狀態，生態學中“食物鏈均衡”指生物數量滿足各環節需求的一種平衡狀態。

有關“空間均衡”（spatial equilibrium）的研究很早就已經開始，但大多是從經濟學的角度來開展的，主要研究經濟空間的發展及制約因素等［19］，研究思想大致經歷了3個層次的發展［20-21］，各個層次的側重點表現在：①區位分工，通過要素空間優勢互換實現整體最大效益［22-25］；②區位選擇，從靜態空間的視角（理想狀態）審視要素間相互作用關系，通過經濟主體對空間區位的選擇實現空間均衡［19］；③新經濟地理條件，考慮空間稟賦的差異及動態性，以區內供需匹配和區間協調互補來形成空間均衡格局［26-27］。除此之外，有少量研究從其他視角對空間均衡進行了分析，如陳麗等［28］從農業視角研究糧食空間均衡狀態，焦華富等［29］研究城市居民職住空間均衡狀態，楊偉民等［30］研究人口、經濟、資源環境三者空間均衡狀態，樊杰等［31-32］認為空間均衡具有兩面性（局部和整體）。總而言之，當前研究對于空間均衡的理解基本是從某一個領域或角度進行解讀，研究對象和理解的差異造成空間均衡沒有一個相對統一的概念。

基于上述分析和認識，筆者對空間均衡的理解是：在一定的空間單元上，為了實現一定的空間均衡目標或達到一定的空間均衡狀態，均衡參與者按照一定的約束條件或規則，在空間上所維持的一種相對穩定的平衡狀態。因此，筆者認為空間均衡的一般定義為“在空間上的一種相對穩定的平衡狀態”。

2.2 水資源空間均衡提出背景及概念界定

我國經濟快速發展給水資源帶來更大壓力，水資源空間不均衡問題凸顯且銳化，逐漸成為水安全保障的嚴重威脅，主要表現在：①水資源自然分布兩極分化嚴重，地區水多的太多，水少的太少，時空差異明顯，對地區發展布局造成極大限制；②區域發展核心聚集（人口、產業等），用水矛盾加劇，用水和排水集中化，造成取調配水愈發困難，環境問題集中呈現；③空間上水資源、人口、經濟等不均衡趨勢加劇，地區之間矛盾升級，不利于國家發展的長治久安。面對上述問題，國家適時提出“空間均衡”原則來指導新時期治水工作，改善水資源空間不均衡現狀，促進區域空間均衡發展。

綜上，本文給出水資源空間均衡的定義：指在空間上水資源開發、利用與保護的一種相對穩定的平衡狀態。該平衡狀態是在一定的經濟社會和生態環境空間條件下所形成的，這種空間上的平衡狀態可能是和諧的、可持續的，也可能是不和諧的、不可持續的，其原理如圖1所示。因此，實現水資源空間均衡只是一個階段目標，不是一個終極目標，實現人水和諧、可持續發展才是終極目標。

3 理論體系框架及主要研究內容

3.1 理論體系框架

作為現代水資源管理的一種理念和手段，水資源空間均衡有必要單獨形成一個理論體系來指導區域水資源的空間布局與規劃。從水資源空間均衡的概念可知，水資源空間均衡理論是研究水資源空間均衡作用機制、形成過程及優化布局的理論方法體系，它考慮水資源-經濟社會-生態環境系統中單一要素的實際行為及其可能發生的改變，并研究它們達到最優空間平衡狀態的策略。

從研究對象、理論基礎、研究方法以及應用實踐4個方面，構建水資源空間均衡理論體系框架，如圖2所示。

針對該理論體系的關鍵點說明如下。

（1）水資源空間均衡理論的研究對象為水資源-經濟社會-生態環境系統。水資源兼具資源、環境和生態等多種功能，基于水循環的紐帶關系［33］，水資源、經濟社會、生態環境被緊密地連接在一起，共同構成了一個復雜的巨系統。一方面，人類對水資源開發強度和廣度、對水資源利用方式和結構、對水資源保護力度和措施的不同，造成不同地區的水資源空間分布、經濟社會空間布局、生態環境空間功能之間存在差異；另一方面，水資源空間分布、經濟社會空間布局、生態環境空間功能之間以水循環為紐帶彼此相互影響和制約。水資源空間均衡理論是研究該系統以實現水資源開發、利用和保護空間均衡目標的一個知識體系。

（2）水資源空間均衡理論的內涵。目前對水資源空間均衡內涵的討論較多，但由于認識的差異加之水資源-經濟社會-生態環境系統的復雜性，因此目前仍沒有形成一個統一而準確的定義和認識。筆者對水資源空間均衡的主要觀點：①水資源空間均衡是從空間的視角來審視水資源開發、利用和保護的均衡問題，從而使水資源、經濟社會和生態環境的關系在空間上科學合理；②水資源空間均衡是滿足空間均衡發展要求的水資源開發、利用和保護行為的集合，該集合中所有行為都要滿足空間均衡的要求；③水資源空間均衡具有相對性，是針對某一特定空間區域而言的；④由于不同空間上水資源、經濟社會、生態環境的稟賦不同，因此水資源空間均衡存在空間異質性；⑤水資源空間均衡并不始終存在，在某一階段或狀態下，可能沒有形成水資源空間均衡；⑥水資源空間均衡具有動態性，是在特定時間和條件下所形成的，系統要素的改變可能使空間均衡狀態轉移，最優水資源空間均衡是一種特例；⑦理性看待水資源空間均衡狀態的轉移，水資源空間均衡可能是和諧的、可持續的，也可能是不和諧的、不可持續的，因此需要人為進行科學調控［18］。

（3）水資源空間均衡理論的世界觀。水資源空間均衡既要尊重自然的一般規律，又要滿足經濟社會的發展需求，二者在空間上要相協調。堅持“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產”的新時期治水思路，堅持全面、協調、可持續的科學發展觀，堅持系統與組成要素及環境辯證統一的辯證唯物主義自然觀。

（4）水資源空間均衡理論的理論基礎。包括系統論、空間均衡理論、水循環原理、和諧平衡理論、水資源空間均衡判別準則等，是水資源空間均衡理論體系的重要基礎與支撐。

（5）水資源空間均衡理論的研究方法。包括：①水資源空間均衡模擬與辨識方法，水資源空間均衡的狀態是由水資源-經濟社會-生態環境耦合系統的相互作用形成的，受外部環境發生的變化（如環境變化、政策變化等）而變化，因此需要對水資源空間均衡的內在作用機制進行分析，并采用空間均衡辨識方法識別關鍵影響因子；②水資源空間均衡度度量方法，水資源空間均衡是水資源開發、利用和保護在空間上的一種相對穩定的平衡狀態，這種狀態如何衡量與表達，需要進一步通過水資源空間均衡評價方法來實現，包括水資源空間均衡度的度量方法（如空間均衡度方法、綜合評價方法等）、水資源空間均衡度繪制方法（如空間均衡等值線及重心繪制方法等）；③水資源空間均衡調控方法，水資源空間不均衡則需要進行調控，調控的方法為空間均衡優化調控模型。

（6）水資源空間均衡理論的應用實踐。包括：水資源空間均衡演變分析、水資源空間均衡評價、水資源空間均衡系統優化與調控，水資源空間均衡安全保障與決策等，可廣泛應用于區域的水資源規劃與管理、水資源論證、水戰略制定與布局等實踐中。

3.2 主要研究內容

（1）水資源分布空間分析。主要包括：①水資源空間格網化，在對矢量圖和水資源空間相關數據預處理的基礎上，對研究區的矢量數據圖進行格網劃分，并進行賦值和計算；②水資源特征（降水量、徑流量、水資源量等）空間分析，在水資源空間格網化的基礎上，研究相關數據變量的空間分布及空間異質性、不同空間位置上的相關性等，從而掲示其空間分布特征。

（2）水資源空間均衡作用機制與量化準則。主要包括：①水資源空間均衡作用機制研究，分析影響水資源空間分布的主要自然因素（地理位置、氣候、地形地貌等）和主要經濟社會因素（城市化發展水平、耕地灌溉面積、人口、經濟發展規模等）以及水資源空間分布對變化環境的響應，研究變化環境下水資源-經濟社會-生態環境的互饋關系，揭示水資源空間均衡的作用機制；②水資源空間均衡準則量化，從水資源開發-利用-保護3個方面，對水資源-經濟社會-生態環境系統進行準則識別，并對準則進行定量表達。

（3）水資源空間均衡程度度量方法。主要包括：①水資源空間均衡程度度量代表指標確定及計算方法研究，從水資源開發-利用-保護3個方面分別選取代表性指標，提出水資源空間均衡系數計算方法，計算各指標的空間均衡系數，并對這些系數進行綜合計算，得到水資源空間均衡度。根據研究對象和目標選擇的不同，水資源空間均衡度又被賦予不同的具體涵義，比如水資源分布空間均衡度、水資源供需平衡空間均衡度、水資源匹配空間均衡度、水資源調配格局空間均衡度、水資源協調發展空間均衡度等；②水資源空間均衡等值線和重心分布計算繪制方法研究，從空間和時間角度，研究水資源空間均衡系數在空間維度上的作用機理，計算描繪水資源空間均衡等值線和重心分布圖，研究水資源空間均衡系數在時間維度上的作用機理及維持水資源空間均衡的理論變化曲線。

（4）水資源空間均衡調控模型及應用研究。主要包括：①模型構建，以水資源空間均衡理論為指導，識別制約經濟社會發展與水資源空間均衡的關鍵因素，基于筆者提出的和諧論理論方法，以人水和諧度最大為優化目標，以水資源開發-利用-保護多維臨界約束，構建滿足水資源空間均衡需要的多維臨界和諧調控模型；②模型求解方法及效果評價，在模型構建的基礎上，結合遺傳算法、多目標迭代優化等尋優算法，研究水資源空間均衡的最優參數組合，進而確定和諧調控指標的最優值，為制定水資源空間均衡調控方案提供參考；以和諧評估理論為依據，通過對比調控前后反映水資源與經濟社會發展的和諧度大小為基準，對所構建的多維臨界和諧調控模型進行效果評估；③模型應用與檢驗，以某一流域為示范區，構建滿足水資源空間均衡需要的多維臨界和諧調控模型，論證和檢驗模型的適用性。

4 水資源空間均衡研究展望

4.1 水資源空間均衡理論研究

水資源空間均衡理論研究目前尚屬空白，本文提出的水資源空間均衡概念、理論體系、理論觀點等是初步的嘗試性工作，接下來還有很多基礎性工作需要開展。比如對水資源空間均衡的原理僅僅停留在宏觀設想方面，缺乏從定性和定量的角度去揭示水資源空間均衡的本質機理；水資源空間均衡思想具體如何指導新時期治水工作還需要系統和針對性地去開展相關研究。隨著未來工作的開展和對水資源空間均衡的不斷認識，會產生許多新的觀點和見解，從而進一步深化和完善水資源空間均衡理論體系。

4.2 水資源空間均衡方法研究

本文提出的水資源空間均衡研究方法是一個系統的框架，框架中的各個方法都有待去攻克和解決，亟需構建一般性的方法。解決該問題的途徑有3種：一是結合機理分析創新性地提出新方法，這需要從數學和統計學的角度去推導和論證；二是搬用其他已有的方法，但在適用性上需要進行實例驗證；三是對已有方法進行交叉應用或改進，前期可在針對性的問題上開展應用和檢驗。

4.3 水資源空間均衡應用研究

（1）現代治水實踐中水資源空間均衡理論的應用。水資源空間均衡雖然提出時間不長，但是它從空間均衡的視角看待水資源開發、利用和保護的關系問題，為現代治水實踐提供了一個全新的視角，如在實現人水和諧方面，水資源空間均衡注重空間上的平衡發展，理性看待水資源空間均衡的轉移，可通過水資源空間均衡調控方法，提高空間均衡度，實現人水和諧；在最嚴格水資源管理制度中，通過考慮不同地區空間上差異的影響，以空間均衡為目標或約束對“三條紅線”進行分解和配置，實現空間上對水資源的有效管控，而非一刀切；在生態文明建設方面，水資源空間均衡可以作為推進生態文明建設的一項重要舉措，通過水資源空間均衡管控，實現空間上水資源和水環境均可承載，保障空間上生態的良性和綠色可持續發展；在河湖水系連通方面，水資源空間均衡理論可作為重要理論支撐，指導河湖水系連通空間功能與經濟社會、生態環境空間需求相均衡，實現空間載體的重大價值。

（2）大型跨流域調水工程水資源空間均衡可行性論證。大型跨流域調水工程是彌補區域間水資源稟賦差異的重要工程手段。目前，很多國家已經完成了大型跨流域調水工程，如中國的南水北調東線工程和中線工程、美國的加利福尼亞北水南調工程、加拿大的魁北克調水工程等［34］，另外還有很多工程仍然處在論證和討論階段，如南水北調西線工程。大型跨流域調水工程前期論證非常復雜，需要盡可能全面地考慮所有問題。目前對大型跨流域調水工程所做的前期可行性分析主要包括從調水路線、調水工程技術和效益、水資源數量和質量等方面進行論證，很少從空間的視角去審視大型跨流域調水工程對整個工程沿線區域水資源空間均衡的影響。水資源空間上的調度勢必會打破工程沿線地區原有水資源空間均衡的狀態，從而造成原有水資源空間失衡，并在調水后逐漸形成新的空間均衡狀態，這種水資源空間均衡狀態的轉移是否是和諧的、可持續的，水資源空間均衡水平是否得到提升，直接關系到地區空間未來的均衡和可持續發展，因此在大型跨流域調水工程前期可行性論證中加入水資源空間均衡論證是十分必要的。

（3）基于水資源空間均衡理論編制水資源規劃。水資源規劃需要依據不同地區的水資源稟賦，按照經濟社會發展和生態環境保護的需要，在水資源開發、利用和保護各環節進行科學規劃與安排，其目的是實現水資源的合理開發與利用、調度與配置。當前水資源規劃主要是對地區水資源現狀進行評價、對未來發展趨勢與需求進行預測、分析供需關系、水資源和水環境承載力計算、制定規劃策略等，往往只注重從時間維度上分析水資源需求的變化，而忽略了水資源本身在空間上的限制以及水資源需求在空間維度上的變化。因此，在今后的規劃編制中，應根據實際需要，統籌考慮規劃空間范圍內水資源的空間分布、水資源開發利用保護的空間差異性，將空間均衡作為水資源規劃所遵循的原則之一，以水資源為限制對區域的空間發展布局進行合理規劃，助力供給側結構性改革，讓水資源與經濟社會發展、生態環境保護形成一個良性的作用關系，共同促進區域健康和永續發展。

5 結 語

本文在對均衡和空間均衡不同領域觀點梳理和認識的基礎上，結合水資源空間均衡的提出背景，給出了水資源空間均衡的定義，進而構建了水資源空間均衡理論體系框架，并介紹了其主要內容研究框架，對未來的研究前景進行了展望。分析表明，水資源空間均衡是水資源開發、利用和保護在空間上的一種相對穩定的平衡狀態；水資源空間均衡理論是研究水資源空間均衡形成及優化的理論方法，對于現代治水實踐應用、大型跨流域調水工程論證、水資源規劃編制等具有重要的指導作用和廣闊的應用前景。

本文是對水資源空間均衡理論的初步探討與思考，有些僅僅是初步的想法或設想，還很不成熟，在內容上可能有歧義和疏漏之處，有待下一步開展更系統的工作并不斷完善。