青海省用水結構分析

馬 蕊

（青海省水文水資源測報中心，西寧 810001）

0 引 言

水資源是可持續發展最為重要的基礎性自然資源，隨著社會、經濟的快速發展，水資源能否高效利用，有效保護和合理配置，關系到我國經濟發展，社會進步的大局。為推動經濟社會發展與水資源水環境承載能力相適應，國務院發布實行最嚴格水資源管理制度，確立了水資源管理“三條紅線”［1］。

國內眾多學者運用多種方法對水資源量變化趨勢及用水結構進行分析研究。燕華云等通過線性傾向估計法及秩次相關法對青海省黃河流域水資源變化趨勢進行了分析［2］；劉小園等通過M-K 突變檢驗及小波分析對青海湖近60年徑流特征及演變規律進行了研究［3］；陳良等運用洛倫茲曲線對甘肅省用水結構進行分析［4］；馮穎等運用基尼系數和洛倫茲曲線對陜西省用水結構態勢進行了分析［5］，但對于青海省用水量及用水結構的研究較少。為保障青海省水資源可持續利用，本文通過對青海省用水量修正以來近13年用水變化趨勢及實行最嚴格水資源管理制度以來近7年的用水結構時空分布均衡性進行分析，為今后青海省強化管控用水，提高用水效率，優化調整用水結構提供參考依據。

1 研究區概況、數據來源及方法

1.1 研究區概況

青海省被譽為“三江之源”、“中華水塔”，是中國著名河流長江、黃河、瀾滄江和黑河的發源地，位于青藏高原東北部，是我國重要生態功能區，同時也是我國乃至東南亞重要的生態安全屏障，在全球生態系統中具有獨特和不可替代的生態地位。區域水資源量豐富，2019年青海省水資源總量為919.3 億m3，而用水量為26.18 億m3，水資源開發利用率較低，僅占水資源總量的2.8%。

1.2 數據來源及分析方法

本文采用數據資料均來自《青海省水資源公報》，數據可靠。用水量數據采用2007-2019年近13年數據，用水結構數據選用2013-2019年近7年數據，總用水量中分項用水量包括農業、工業、生活、生態環境用水量四部分。運用線性趨勢分析法、R/S分析法對青海省近13年來用水量變化趨勢進行分析；運用洛倫茲曲線分析法、基尼系數及洛倫茲不對稱系數對青海省近7年來用水結構進行分析。洛倫茲曲線、基尼系數原本是用于經濟學與社會學，反映地區財富均勻性現象的研究方法，如今該方法被廣泛用于水資源利用、土地利用、城市建設等領域的研究［4］。本文引用該方法分析青海省8個市（州）用水結構的空間分布規律，并采用洛倫茲不對稱系數［6］，研究各區域用水結構不均勻性的原因。

1.2.1 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線由美國統計學家Max Otto Lorenz 提出，為研究國民收入在國民之間的分配問題［5］，后來有學者逐漸將之運用于水資源研究領域，用以研究水資源空間分布均衡性［4］。如圖1，在水資源領域研究中，洛倫茲曲線y=f（x）為一條凹型曲線，圖中x軸表示總用水量累計百分比（%），y軸表示不同用水類型用水量累計百分比（%），當圖中y=f（x）曲線離y=x曲線（即絕對均勻線）越近，則表示該用水類型用水量在研究區域的空間分布越均衡，反之則越不均衡。

圖1 洛倫茲曲線Fig.1 Diagram of Lorentz curve

在引入洛倫茲曲線時，首先要計算每個研究區域的不同用水類型累計百分比與總用水量累計百分比比值，即區位熵［5］，用以反應洛倫茲曲線的斜率，區位熵表達式為：

式中：Aij為研究區區位熵；qij表示第i區域第j種類型用水量，億m3；qj表示青海省第j種類型用水量，億m3；qi表示第i區域總用水量，億m3；q表示青海省總用水量，億m3。

將計算出來的不同研究區區位熵從小到大排序，在該排序下，將對應的不同類型的用水量及總用水量百分比累積相加，以總用水累積百分比為橫坐標，分項用水累計百分比為縱坐標，繪制洛倫茲曲線。

1.2.2 基尼系數

基尼系數最早由意大利統計與社會學家Corrado Gini 在1912年提出，是在洛倫茲曲線的基礎上分析不均勻性強弱的數值［5］。表達式為：

式中：f(x)為洛倫茲曲線方程。

基尼系數有多種計算方式，通常有幾何法、矩陣法和基尼平均法等［4］，本文采用三角形面積法來估算基尼系數，估算表達式為：

式中：G為基尼系數，取值范圍［0，1］；Qi、Qi+1表示第i、i+1 研究區的總用水量累積百分比；qi、qi+1表示第i、i+1 研究區q類分項用水量的累積百分比；n為研究區總個數，青海省共8 個市（州），文中n取值為8。國際上普遍采用的基尼系數評價結果見表1，將0.4定為警戒線［4］。

表1 基尼系數評價劃分標準Tab.1 Gini coefficient evaluation standard

1.2.3 洛倫茲不對稱系數

洛倫茲不對稱系數S［6］是在基尼系數的基礎上，進一步分析不均勻性原因的指標，該系數由丹麥植物學家Christian Damgard 以及Jacob Weiner 于2000年提出，以分析造成總體不均勻性的指標貢獻大小［6］。對于構成洛倫茲曲線的序列A1≤A2≤… ≤Ai≤… ≤An，洛倫茲不對稱系數S值計算表達式為：

如圖2，S值有3 個劃分區間，分別為S＞1、S＜1、S=1，分別表示圖中洛倫茲曲線與絕對均勻線斜率相同的點位于對稱軸上方、對稱軸下方及對稱軸上，同時分別說明曲線代表的該種用水類型用水量的高值、低值及高低值共同作用為造成其用水類型不均勻性的原因。

圖2 洛倫茲曲線不同S值示例圖Fig.2 Different S-values of Lorentz curve

2 用水結構分析

2.1 用水量變化分析

2.1.1 線性趨勢分析

由圖3 可知，青海省總用水量2007-2019年總體呈現下降趨勢，變率為-0.51億m3/a。分項用水中農業用水量總體呈現下降趨勢，變率為-0.40 億m3/a；工業用水量呈下降趨勢，變率為-0.25 億m3/a；生活及生態環境用水量近13年來總體呈上升趨勢，變率均為0.07億m3/a。

圖3 青海省用水變化趨勢Fig.3 Trend of water use in Qinghai Province

2.1.2 R/S分析

由圖4 可知總用水、農業用水、工業用水、生活用水及生態環境用水的Hurst指數分別為1.07、0.99、0.85、0.86、0.81，指數均大于0.5，表明用水總量及各分項用水量的變化趨勢將持續原狀態。因此，未來青海省用水總量、農業用水量及工業用水量將持續減小，生活用水量及生態環境用水量將持續增加。

圖4 R/S分析曲線Fig.4 Curve of R/S analysis

2.1.3 比重分析

由表2 可知，近13年來青海省水資源開發利用程度在2.71%～4.80%之間，與普遍認為的40%水資源開發利用警戒線比較［8］，屬于水資源開發利用較低的地區，且青海省水資源開發利用程度在減小。分項用水占比中，農業用水占比最大，占青海省總用水量的69.01%～82.03%，其次為工業用水及生活用水，占比分別為9.08%～23.04%、7.16%～12.04%，生態環境用水占比最小，為0.60%～5.33%。

表2 青海省近13年不同用水類型占比 %Tab.2 Proportion of different water types in recent 13 years of Qinghai Province

2.2 空間差異性分析

2.2.1 洛倫茲曲線分析

繪制青海省2013-2019年不同用水類型洛倫茲曲線圖，由圖5 可知，近7年來農業用水空間分布情況無明顯變化，其次為工業用水和生活用水；生態環境用水變化比較明顯，空間分布情況有所減小，說明青海省近年來用水結構空間差異性在逐漸減小。在不同用水類型中，農業用水洛倫茲曲線離絕對均衡線最近，生活用水洛倫茲曲線離絕對均衡線最遠，說明青海省農業用水區域利用程度差異性最小，生活用水區域利用程度差異性最大；工業用水與生態環境用水區域利用程度差異性相當。

圖5 青海省近7年來不同用水類型洛倫茲曲線Fig.5 Lorentz curve of different water use types in recent 7 years of Qinghai Province

2.2.2 基尼系數分析

為更精確地分析不同用水類型的空間分布均衡程度及多年變化情況，計算2013-2019年不同用水類型基尼系數，由表3可知，農業用水基尼系數最小，說明各地農業用水量占地區用水比例差異性較小，整體處于“絕對平均”狀態；工業用水基尼系數2013-2016年減小，2017年增加，隨后持續減小，說明各地工業用水量占地區用水比例差異性在逐漸減小，整體由“相對合理”變為“較為平均”狀態；生活用水基尼系數2013-2019年持續減小，但各地生活用水量占比差異性較大，整體仍處于“差距較大”狀態；生態環境用水基尼系數2013-2015年減小，2016年增加，而后持續減小，說明各地生態用水占比差異性在逐漸減小，整體由“相對合理”狀態轉變為“較為平均”狀態。

表3 青海省近7年來不同用水類型基尼系數Tab.3 Gini coefficient of different water use types in recent 7 years of Qinghai Province

結合近7年來不同用水類型洛倫茲曲線圖及基尼系數綜合分析，可知，青海省用水結構存在差異，其中農業用水占比差異性最小；生活用水占比差距較大，整體差異性在逐漸減小；工業用水、生態環境用水空間差異性均由相對合理變得較為平均，且差異性在持續減小，其中生態環境用水空間差異性減小較明顯。

爺爺沒回來，直到1922年我父親四歲的時候，才有從法國回來的勞工捎信兒說，我爺爺是收到了我奶奶的信，但還沒得回信就病死在戰壕里……

2.3 現狀年用水分析

2.3.1 現狀年用水結構

以2019年為現狀年，2019年西寧市總用水量占青海省總用水量的22.13%，而生活用水量占青海省生活用水量的49.3%；海南州、海北州、黃南州、玉樹州及果洛州總用水量分別占青海省總用水量的9.58%、5.61%、2.15%、1.44%、1.01%，而這些地區的工業用水和生態環境用水占青海省工業用水量和生態環境用水量的比例遠遠低于該地區總用水占比；海西州總用水占比為38.38%，工業用水量占比高達55.31%，說明青海省各地區生活用水量、工業用水量及生態環境用水量差距較大。由表4可以看出，人均水資源量最高的果洛州和玉樹州，人均用水量在全省范圍內最低，其余各項用水指標均較低；未來作為重點開發區域的西寧市和海東市，人均水資源占有量最低，人均用水量卻偏高，其余各項用水指標均偏高，說明青海省人均水資源占有量差距較大且經濟發展較快的地區受水資源約束限制較大。

表4 2019年青海省用水指標Tab.4 Different types of water consumption in 2019 of Qinghai Province

根據2019年不同用水結構的區位熵，分析2019年青海省空間用水專門化程度，由圖6 可知，從青海省行政分區來看，玉樹州工業用水和生態環境用水比例均為全省最低，生活用水與農業用水比例卻不低，果洛州生活用水比例處于全省最高，而生態用水比例卻不高，這與兩地區經濟發展落后、環境保護措施制約有關，但若要全面提高全省經濟、生態發展進程，玉樹州與果洛州應注意城鎮生態環境保護與人民生活質量的提升；海南、海北藏族自治州工業用水、生活用水及生態環境用水比例均不高，而農業用水比例位居第一、第二，說明該地區農牧業較發達，同時應根據地區實際情況，加強農業節水灌溉，提升用水效率；作為省會城市的西寧市，工業、生活用水比例位居全省第二，生態環境用水比例處于第三；作為青海省工業大城市的海西蒙古族藏族自治州，工業用水比例為全省第一，生態環境用水比例同樣較高，這與城市化進展加快同時注重環境保護密不可分。

2.3.2 洛倫茲不對稱系數

采用洛倫茲不對稱系數來分析青海省各用水類型空間不均勻性的主導因素。由表5 可知，2019年工業用水、生態環境用水的洛倫茲不對稱系數小于1，說明工業用水比例最小及生態環境用水比例最小的地區用水是該兩項用水類型空間不均勻性的主導因素，結合圖6 可知，青海省2019年工業用水及生態環境用水比例最小的地區均為玉樹州，說明2019年玉樹州工業用水、生態環境用水是導致青海省該兩項用水空間分布不均勻的主要因素；同理，生活用水的洛倫茲不對稱系數大于1，結合圖6 可知，生活用水比例最大的果洛州生活用水是導致青海省生活用水空間分布不均勻的主要因素。

表5 2019年青海省不同用水類型洛倫茲不對稱系數Tab.5 Different types of Lorentz asymmetry coefficients in 2019 of Qinghai Province

圖6 青海省2019年不同用水類型區位熵Fig.6 Location entropy of different types of water consumption in 2019 of Qinghai Province

2.4 用水結構特點分析

對青海省農業用水、工業用水、生活用水及生態環境用水的空間差異性、2019年用水專門化程度及導致用水空間差異性原因進行分析，得出以下用水結構特點：

（2）工業用水在所有用水類型中占比居中，存在空間差異。近年來洛倫茲曲線變化幅度不大，工業用水空間分布情況無明顯變化，基尼系數總體減小，工業用水占比空間分布情況由相對合理變得較為平均，由2019年用水洛倫茲不對稱系數小于1可知，工業用水比例最小的玉樹州工業用水是導致青海省工業用水存在空間差異性的原因。

（3）生活用水在所有用水類型中占比居中，空間分布最不均衡。生活用水洛倫茲曲線離絕對均勻線最遠，說明該用水類型空間差異性最大；近年來基尼系數總體減小，各地區用水占比處于差距較大的狀態，由2019年用水洛倫茲不對稱系數大于1 可知，生活用水比例最大的果洛州生活用水是導致青海省生活用水存在空間差異性的原因。

（4）生態環境用水在所有用水類型中占比最小，空間分布變得較為均衡。近年來洛倫茲曲線變化幅度較大，生態環境用水空間分布由相對合理變得較為平均，由2019年用水洛倫茲不對稱系數小于1 可知，生態環境用水比例最小的玉樹州生態環境用水是導致青海省生態環境用水存在空間差異性的原因。

3 結 論

（1）青海省雖地處江河之源，受地理環境、經濟條件的制約，水資源開發利用程度較低，用水總量總體呈現下降趨勢，其中農業用水及工業用水呈現下降趨勢，生活用水及生態環境用水呈現增長趨勢，且未來用水量變化趨勢將保持不變。

（2）從不同區域來看，人均水資源占有量差距懸殊，人均用水量跨度較大。2019年西寧市農業用水比例較低，其余三類用水比例均偏高，海北州與之相反，除農業用水比例較高外，其余各類用水比例都偏低；海東市與海西州除生態環境用水與工業用水比例較高外，其余兩類用水比例較低；果洛州除生活用水比例最高外，其余三類用水比例均偏低，玉樹州工業用水與生態環境用水含量比例為全省最低，但生活用水與農業用水比例偏高。

（3）從時間變化來看，近7年來，青海省各用水類型空間差異性在逐漸減小，有利于全省經濟、生態的全面協調發展與人民生活水平的提高，各地農業用水占比差異性最小，但生活用水占比差異性較大，應優化水資源配置，注重各地用水結構的均衡發展。