水資源空間均衡系數計算方法及其應用

夏 帆,陳 瑩，竇 明，韓宇平

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

“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”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容，是水利工作必須遵循的根本原則。當前和今后一段時期，我國新老水問題交織，水資源短缺、水生態損害、水環境污染形勢越來越嚴峻，許多地區人口經濟規模與水資源環境條件不匹配，水資源開發利用過度突破了水資源水環境的承載能力[1]，經濟社會發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區域水資源管理和水生態保護具有重要意義。

研究水資源空間均衡首先要計算水資源空間均衡系數，空間均衡系數的計算有多種方法，很多研究成果以不平等關系的計算方法來分析研究對象的空間均衡性。Padilla等[3]利用泰爾指數提出了關于CO2排放不平等關系的計算方法；Gunasekara等[4]應用基尼系數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構建水資源空間匹配模型，對重慶市水資源進行了評價分析；束慧等[6]將收入分配基尼系數拓展為環境基尼系數，用以度量環境排放的空間均衡性，分析了工業、制造業經濟和生態的空間均衡性；空間均衡不能單方面研究經濟發展的均衡，應當和生態、環境、資源等相匹配。空間均衡狀態評估多以供給能力和需求強度來判斷[7]。程鈺等[8]從人地協調視角界定空間均衡的內涵，評估了黃河三角洲生態區開發強度空間均衡狀態；孫才志等[9]采用基尼系數的計算方法，在對灰水足跡的區域均衡和結構均衡的研究中發現兩者均表現為不均衡狀態。水資源空間均衡系數計算的研究以基尼系數為基礎展開[10-14]；王亞迪等[15]構建了水土資源匹配基尼系數，研究了河南省2000—2014年水土資源匹配均衡性；左其亭等[16]認為水資源空間均衡系數表示水資源在任意空間點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、開發利用及支撐經濟發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為基礎的水資源空間均衡系數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，本文采用基尼系數與協調發展度的方法，基于水資源負載指數、水土資源匹配系數和用水效益計算水資源空間均衡系數，并以省級行政區為計算單元計算了全國水資源空間均衡系數，可為我國水資源管理政策制定提供參考。

1 計算方法

水資源空間均衡應當從水資源壓力、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濟發展中的價值體現。水資源壓力越小、水土資源匹配度越高、用水效益越大，越能體現水資源的可持續利用與經濟社會的協調發展，因此，本文采用水資源負載指數、水土資源匹配系數、用水效益作為水資源空間均衡系數計算指標。

1.1 水資源負載指數

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

(1)

式中：C為水資源負載指數；K為降水系數；R為人口，萬人；Z為國內生產總值，億元；W為水資源總量，億m3。

C越大說明水資源開發利用程度越高，水資源開發越困難，越需要通過調水來解決人水矛盾。K是與降水量有關的系數，不同降水量對應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利用的狀況，對計算結果進行調整，將水資源負載指數劃分為5個等級，如表1所示。

表1 水資源負載指數分級

1.2 水土資源匹配系數

水土資源匹配關系用水土匹配系數來表征，指區域內平均每公頃耕地占有的水資源量，反映區域內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]。水土匹配系數越大，說明能夠用于該區域的水資源就越豐富，對區域內耕地的滿足程度越高，越有利于農業生產活動；系數越小，能夠用于該區域的水資源量就越匱乏，越不利于農業生產活動。水資源作為農業生產的基礎支撐條件和約束性條件，是農業健康發展的關鍵所在，了解區域水土資源匹配程度，對分析區域種植結構有重要作用。水土資源匹配系數計算公式為

(3)

式中：δ為水土資源匹配系數，萬m3/hm2；S為耕地面積，hm2。

1.3 用水效益

單方水GDP產值與經濟發展有很強的相關關系，反映了社會發展用水效益的高低。經濟發展水平越高，用水效益就越高，單方水GDP產值越大，越有利于水資源可持續利用。提高用水技術和節水意識，實現低耗水高產出的用水模式，才能做到水資源的可持續利用。以單方水GDP產值來表示用水效益，計算公式為

(4)

式中：Zw為單方水GDP產值，元/m3；Ws為用水量或供水量，億m3。

1.4 基尼系數

基尼系數是1943年美國經濟學家阿爾伯特·赫希曼根據洛倫茲曲線所定義的判斷收入分配公平程度的指標。該指數能夠非常方便地反映出總體收入差距的狀況，客觀、準確地評價居民收入的差距。通常把0.4作為基尼系數的警戒值，超過0.4，說明收入差距較大。

很多學者應用基尼系數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]推導的一種簡潔的基尼公式對水資源負載指數、水土資源匹配系數和用水效益的基尼系數進行計算：

(5)

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

1.5 水資源空間均衡系數

水資源空間均衡系數計算引入協調發展度的概念[21]來反映系統內部各要素之間、系統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載指數基尼系數、水土資源匹配基尼系數、用水效益基尼系數進行協調發展度計算，得到水資源空間均衡系數表達公式如下：

(6)

其中

式中：D為水資源空間均衡系數；X為系統多要素的協調度；Y為系統多要素的綜合評價指標；Ij為系統第j個要素指標，本文主要指標為水資源負載指數基尼系數、水土資源匹配基尼系數、用水效益基尼系數；αj為第j個要素指標的權重，滿足∑αj=1；m為系統要素指標的個數，本文m=3。

根據計算結果，將水資源空間均衡系數劃分為若干等級，如表2所示。

表2 水資源空間均衡系數等級劃分

2 實例分析

選取全國31個省級行政區(以下簡稱“省”，因港澳臺地區資料暫缺，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計算方法計算2017年各省的水資源空間均衡系數。

2.1 數據來源

計算所需的社會經濟數據來源于各研究單元的統計年鑒，所需的水資源和用水數據主要來源于各研究單元的水資源公報。

2.2 計算結果

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

2.3 水資源負載指數分析

從表3可以看出，全國有2/3的省份水資源負載指數超過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、開發利用與人口、經濟不相匹配。華北地區降水量少，人口多，其中環渤海各省水資源負載指數較大，該地區人口密度大、水資源量少，時空分布極不均勻，工農業發展用水量增長是造成水資源開發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利用量和過境水量大，水資源負載指數高。上海人口密度大，經濟發達，全市總供水量遠大于水資源總量，導致水資源負載指數很大。西南省份水資源具有很大的開發潛力，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，水資源負載指數小。長江中上游省份的水資源負載指數較小，這些省份降水量豐富，水資源開發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潛力。青海、西藏的水資源十分豐富，人均水資源量遠高于全國平均水平，但是因為氣候、地形等原因，開發利用率低，開發潛力巨大，開發難度也特別大。

表3 中國省級行政區水資源空間均衡系數及計算指標

水資源負載指數基尼系數計算結果表明，全國水資源分布、開發利用極不均衡。東北、西北、華中各省水資源負載指數基尼系數超過警戒值0.4，說明水資源的分布和開發利用在這些省份差距很大。在我國糧食主產區，農業用水量大、耗水率高，水資源開發利用率高，并且各省之間的水資源負載指數差距很大，是導致水資源時空分布和開發利用不均衡的主要因素。西藏水資源儲量豐富，開發潛力巨大，但因地形地貌等原因，開發難度較大，現有水資源開發水平能夠滿足該地區正常生活、生產用水，水資源負載指數比較均衡。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載指數差距變化懸殊是造成整體水資源負載指數不均衡的主要原因。

水資源負載指數能夠說明區域水資源開發利用程度及開發難易程度，數值越高，水資源開發利用度就越高，其繼續開發利用的難度也隨之增大，水資源壓力就越大。從計算結果可以看出全國水資源負載指數呈現出的特點是北方高、南方低，這與全國平均降水量分布特點相似。其中天津市水資源負載指數最高，北京、河北、山東、上海以及甘肅、寧夏等地水資源負載指數都超過了100。通過大型調水工程，緩解了區域用水不足，但依然面臨嚴峻的水資源問題，水資源壓力很大。全國大部分省份的水資源負載基尼系數超過了警戒值0.4，說明我國水資源開發利用程度和開發利用極不均衡，主要表現是北方開發利用程度高，開發利用率高，繼續開發潛力低，南方水資源豐富，開發利用率相對較低，繼續開發潛力大。可見，管控水資源開發利用，提高水資源利用效率的任務更重。

2.4 水土資源匹配系數分析

由表3可見，西南和中南省份的水土資源匹配系數高，東北、華北和西北省份的水土資源匹配系數低。西南省份的耕地少，水資源量多，水資源開發利用率很低，中南省份水資源豐富，因而水土資源匹配系數高于其他省份，對農業用水的保證程度高。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較低。從計算結果可以得出大部分北方省份的水土資源匹配系數差別很大。

全國多數省份水土資源匹配基尼系數大于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是沿海省份高、西部省份低。沿海省份單方水GDP產出量明顯高于內陸省份，以第二、三產業為主要經濟構成的省份大于第二、三產業相對薄弱的省份。根據用水效益基尼系數可以得出用水效益高的省份其用水效益基尼系數較低，整體用水效益和現有水資源開發利用水平與經濟社會的發展比較合理，但與發達國家相比，仍然有一定的差距，有很大的提升空間。提高用水技術和節水意識，增加用水效益，對水資源可持續利用十分重要。

用水效益的高低與區域經濟社會的發展有一定關系，但用水效益的均衡性與區域經濟發展的關系不大。東部、中部發展較快，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。中部發展迅速，人口、經濟的增長速度快，對資源的消耗水平高，工農業的快速發展也導致取用水量增加，水資源開發利用率很大，導致水資源空間均衡狀態失衡。華北和東北各省的水資源量和降水量都很少，水資源繼續開發難度極大，須通過外部調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，并且經濟發展結構中農業占比很高，農業用水量高，水資源對耕地的滿足程度也高，但是開發利用率比其他地區要低，水資源空間均衡狀態表現為一般失衡。東部沿海省份經濟發展程度高，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為一般失衡。

甘肅省水資源空間均衡等級為Ⅴ級(嚴重失衡)，農業用水量大，第二、三產業相對薄弱，水資源的分布、開發利用都不均衡；廣東省水資源量豐富，過境水量多，且人口密度大，第二、三產業占比高，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失衡。

3 結 語

基于水資源負載指數、水土資源匹配系數和用水效益提出了水資源空間均衡系數計算方法，并計算了2017年全國水資源空間均衡系數。全國水資源分布狀況呈現出的特點與全國降水量分布特點相似；各省水資源壓力極不均衡，水資源開發利用程度表現為華北與東北高，西南與東南低；水土資源匹配系數低的省份水資源量少，水資源開發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濟社會發展有一定的關系，沿海經濟發展好的省份用水效益明顯高于經濟發展緩慢的省份。水資源在空間分布、開發利用、水土資源匹配以及用水效益等方面表現為失衡狀態。區域資源稟賦的差異和人類活動的影響致使我國經濟社會發展的過程中人水關系存在著諸多不和諧因素，污水排放總量上升，流經城市的河段受到污染問題依然存在，用水結構不合理，水資源浪費問題突出，用水效率低等都是造成水資源壓力增加，導致水資源空間失衡的原因。