廣州市用水結構空間均衡差異性分析

范嘉煒，黃錦林，袁明道，張旭輝，譚 彩

(1.廣東省水利水電科學研究院大壩安全技術管理中心，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東 廣州 510635；3.廣東省粵港澳大灣區水安全保障工程技術研究中心，廣東 廣州 510635)

隨著社會經濟的快速發展，合理利用水資源，實現水資源優化配置已變得刻不容緩[1-2]，“節水優先，空間均衡，系統治理，兩手發力”十六字治水方針[3]表明，在新型產業化進程中，正確把控水資源和人口經濟的關系是實現人與自然和諧共生的重要原則。目前，水資源空間分布不均導致區域經濟無法均衡發展的問題逐漸引起國內眾多水利學者的重視，為提出有效的解決方案，一些學者嘗試將洛倫茲曲線、基尼系數等本屬于經濟學的概念應用于水資源的空間分配中，如魏壽煜等[4]以基尼系數理論為基礎，建立了重慶市水資源與耕地、人口的空間匹配模型；劉歡等[5]利用洛倫茲曲線對鄭州市不同類型用水的空間分布和變化特點做了分析探討；馮穎等[6]以陜西省為研究對象，利用基尼系數理論對陜西省各市各類型用水的時空分布進行了分析；張洪波等[7]利用洛倫茲曲線和基尼系數模型分析了榆林市農業、工業、生活三類用水的空間分布情況；吳昊等[8]以南京市為例，分析了區域用水結構演變特征以及用水結構變化的驅動力因素；章恒全等[9]利用基尼系數分析了湖北省各市(區、州)的總用水量與水資源量的分布狀況。

廣州市過境水資源雖相對豐富，但本地水資源較少，加上社會經濟發展迅速，導致廣州市工農業等產業用水問題日益凸顯，水資源總量不足、空間均衡性不足的問題已成為廣州市社會經濟進一步發展的阻礙[10]。為此，本文選取廣州市2007—2017年各類用水數據對廣州市用水結構的時空分布均衡性進行分析，以期為廣州市各產業結構的水資源合理配置和有效利用提供參考。

1 研究方法

1.1 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線由美國經濟學家Lorrenz于20世紀初提出[11]，用來表征不同區域間收入和財富分配的不均勻性。隨著社會經濟不斷發展和學科之間交叉融合，目前在多個研究領域得到了有效利用[7-11]。在洛倫茲曲線圖中，縱、橫坐標均為累積百分比，百分比含義由研究對象決定。不同研究對象的累積曲線y=f(x)與絕對平均線y=x距離的遠近表明了研究對象空間分配的均衡程度，即距離y=x越近，研究對象的空間分配越均衡，越遠空間分配差距越大。

1.2 區位熵

計算各區域的區位熵是得出洛倫茲曲線的關鍵步驟[12]。區位熵為各研究區域類用水累積百分比與總用水累積百分比的比值，即洛倫茲曲線中的斜率大小，可用以下公式表示：

(1)

式中：Lij為區位熵；Qij為i分區第j類用水量，m3；Qj為整個區域的第j類用水總量，m3；Qi為i分區各類用水總量，m3；Q為整個區域的各類用水總量，即總用水量，m3。

由式(1)可計算出各分區的區位熵，按區位熵從小到大分別列出各分區第j類用水量和各分區該年的總用水量，求出類用水和總用水的累積百分比，用兩組累積百分比數據就可繪制成洛倫茲曲線。按Lij由小到大的順序進行排列，每一個分區在洛倫茲曲線圖中均概化為一點，將各點用平滑的曲線依次相連，斜率(即Lij)由小變大，自(0,0)始，至(1,1)終，形成凹型曲線。

1.3 基尼系數

洛倫茲曲線雖然可以直觀地表現區域用水的空間均衡程度，卻不能用于定量描述，尤其是當圖中涉及多類用水時，面對多條凹型曲線，無法得出孰優孰劣的準確結論，因此引入基尼系數這一概念。基尼系數表示的是絕對平均線y=x與實際凹型曲線所圍面積和絕對平均線下直角三角形面積的比值，它由意大利科學家基尼在1922年提出，并用于分析收入分配的均衡程度，如今基尼系數已廣泛應用于城建、資源配置、土地利用等多個學科領域[13-17]，其計算公式為

(2)

式中：I為基尼系數；f(x)為洛倫茲曲線。本文x為總用水累積百分比，f(x)為類用水累積百分比。

然而實際洛倫茲曲線方程f(x)很難用精確的數學表達式表示，通常采取近似估算法估算。本文采用三角形面積法進行基尼系數估算：

(3)

式中：Mi、Mi+1分別為i、i+1分區總用水累積百分比；Pi、Pi+1分別為i、i+1分區類用水累積百分比；n為分區總數，本文整體趨勢分析中n=7，即包括中心區、番禺區、南沙區、增城區、從化區、花都區、蘿崗區7個區，均衡性及差異性分析考慮到新的行政區劃問題，n=11，即荔灣區、越秀區、海珠區、天河區、白云區、番禺區、花都區、南沙區、黃埔區、增城區、從化區共11區。

本次評價分析采用國際上公認的評價區間劃分標準[18-19]，即0

2 用水結構分析

(a) 農業用水

(b) 工業用水

(c) 居民生活用水

(d) 城鎮公共用水

(e) 生態環境用水

表1 廣州市典型年各類用水基尼系數及評價結果

2.1 整體趨勢性

圖1為廣州市典型年各類用水洛倫茲曲線，可以看出，2007—2017年農業用水基尼系數并無明顯變化，其余4類用水的空間分布情況均有較明顯的增長。表1對廣州市典型年各類用水的基尼系數進行了計算匯總，統計結果顯示，增長幅度以2007—2013年最為顯著：工業用水基尼系數從2007年的0.09增長至2013年的0.27；居民生活用水基尼系數從2011年的0.29增長至2013年的0.53；城鎮公共用水基尼系數從2011年的0.30增長至2013年的0.58；生態環境用水基尼系數從2007年的0.23增長至2013年的0.60。巨大的基尼系數增幅使得評價結論直接從“相對合理”變為“差距懸殊”，可見自2007年起，廣州市用水結構差異程度呈現出逐步擴大態勢。

從表1的評價結果可以看到，雖然用水結構上仍存在著顯著差異，但整體差異性未進一步擴大，且已有逐漸歸于平穩的趨勢性，其中居民生活、城鎮公共用水基尼系數已開始逐步回落。這是由于近年來水資源不足與用水合理性問題日益凸顯，各地區開始著手對各類用水實施統籌規劃、合理利用和優化配置。

2.2 空間均衡性

以2017年為廣州市用水現狀年，進一步對市內11個行政區進行用水結構均衡分析。以《廣州市水資源公報(2017)》《廣州市統計年鑒(2017)》等為基礎資料收集數據，對市內5類用水空間均衡分布情況進行統計分析，并繪制洛倫茲曲線圖，結果見表2和圖2。

表2 2017年廣州市用水量統計

圖2 2017年廣州市各類用水空間均衡分布

由圖2可以看出，在5類用水中，距離絕對平均線最近的是工業用水洛倫茲曲線，農業用水洛倫茲曲線也比較接近，居民生活、城鎮公共、生態環境用水洛倫茲曲線距離絕對平均線較遠，意味著空間分布差異明顯。雖然洛倫茲曲線圖可以直觀地表現各類用水空間分布的均衡程度，但卻無法對它們進行定量描述，因此本文借助基尼系數來進一步描述廣州市各區不同類型用水的差異性，評價結果見表1。2017年廣州市各區工業用水基尼系數為0.29，屬于“比較平均”區間段；農業用水基尼系數為0.49，屬于“差距較大”區間段；居民生活、城鎮公共、生態環境用水基尼系數均大于0.5，屬于“差距懸殊”區間段。

2.3 均衡差異性

廣州市的區域用水結構比例差異較大，經濟相對發達的地區農業用水比例較低，而城鎮公共、生態環境等用水比例較高；經濟發展程度一般的地區則相反，表現為農業用水比例較高，居民生活、城鎮公共、生態環境用水比例較低。為了進一步探究造成廣州市各區用水量空間均衡程度差異性的原因，將各類用水量的區位熵按區域進行計算，得到用水區位熵計算結果如表3所示。

表3 2017年廣州市各類用水區位熵

由表3可知，工業用水在5類用水中均衡程度最優，除南沙區、黃埔區、增城區外，廣州市其余區域區位熵均為1.0以下區間段，南沙區的工業用水區位熵為1.345，與其他區域的差距尚不明顯，相比之下，黃埔區的工業用水區位熵高達1.714，為其余10區工業用水區位熵平均值的2.9倍，可見，廣州工業用水雖表現為空間分布較為均衡，但實際上黃埔區與其他區域存在顯著的差異，應當根據黃埔區實際情況，對傳統工業產業實施綠色化改造，強化工業節水，同時對高耗水的企業開展用水效率評估，提升用水效率，實現清潔生產、循環利用。

農業用水方面，從化、花都、增城、白云區的農業用水比例較高，其中從化區的農業用水區位熵高達3.370，遠超出其他區域，這是由于多年來，從化區依托優越的農業資源和區位優勢，一直積極推進農業的快速發展，農業已成為區域建設中的主導產業，同時也是支撐從化區經濟發展的重要基礎。

居民生活、城鎮公共、生態環境3類用水表現為向天河、海珠、越秀、荔灣等中心區域集中，且用水比例整體較高；而工、農業用水量在中心地區表現為用水比例偏低，且中心區域內部之間差異性較小。這是由于隨著城市現代化發展的加快，天河、海珠、越秀區等逐漸成為廣州市樞紐型的核心區域；而周邊區域如南沙、增城等上述類型用水比例增加幅度較小，甚至有減小的趨勢，由此造成地區間差異性日益顯著。

考慮到目前中心區域發展形勢較好，未來中心區域的居民生活、城鎮公共、生態環境用水將保持逐年增加的態勢，因此為保持區域水資源的可持續利用，對于居民生活、城鎮公共用水，應加強節水理念的宣傳，普及節水用水器具的應用，推進區域用水管網的升級改造；對于生態環境用水，應著力提高城市公共綠化、景觀等回水利用率，以保障區域產業的協調發展。

總之，目前廣州市用水結構差異性雖然得到了有效控制，空間均衡性趨于平穩發展，但仍有諸多問題亟待解決，這需要進一步加強用水結構的管理監督，以及對廣州市社會經濟和產業布局進行合理引導，實現水資源的利用最大化。

3 結 論

a. 廣州市農業用水比例較高的區域為從化、花都、增城、白云區，其中從化的農業用水區位熵明顯高于其他區域，農業用水空間分布的逐漸集中將進一步拉動農業產業帶的發展完善，因此需結合實際制定合理的農業用水、節水制度，推進農業水利工程建設，持續改善農業用水的基礎設施條件。

b. 工業用水在5類用水中均衡程度最優，表現為空間分布較為均衡，但實際上黃埔區、南沙區與其他區域存在較為顯著的差異，其中黃埔區工業用水區位熵為其他區域工業用水平均區位熵的2.9倍，工業用水結構與其他區域差異巨大，將可能會引發一定的環境生態問題。

c. 為營造良好的市區形象，廣州市加大了對天河、海珠、越秀、荔灣等中心區域的環境整治力度，使得居民生活、城鎮公共、生態環境用水比例整體較高，工、農業用水比例相對較低且內部差異性較小。因此，應結合中心區域的用水結構特點，積極倡導科學節水，提高用水效率，保障各區域、各產業的協調可持續發展。

d. 總體來講，廣州市用水結構比例分配存在較大差異，空間分配不夠均衡，絕大部分已超過設定的警戒線值，應當引起足夠重視，以防止對將來社會經濟發展造成不利影響。