2010—2019年南盤江流域水資源空間均衡狀況分析

曾祥云，莫介環

(水利部珠江水利委員會技術咨詢(廣州)有限公司，廣東 廣州 510611)

關鍵字：空間均衡；基尼系數；三角系統模型；南盤江流域

中國歷來重視水資源問題，現階段重點明確了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的新時代治水思路，將水資源作為最大的剛性約束。中國用全世界約6%的可更新水資源，潤澤9%的耕地，支撐了22%的世界人口的小康和區域的經濟發展[1]。中國正朝著新時代水利高質量發展大步前進，解決水資源的空間均衡問題更是新時代國家高質量發展的重要保障。

水資源空間均衡問題吸引了眾多的國內外學者的深入研究。金菊良等[2]首先對水資源空間均衡的概念、內涵及評價方法等研究內容進行分析總結；酈建強等[3]、左其亭等[4]對水資源空間均衡的理論方法、應用研究框架及對策措施進行了深入研究分析；部分學者對空間均衡度評價方法進行了深入研究，如馬睿等[5]基于多指標綜合評價法開展黃河流域空間均衡狀態分析；楊亞鋒等[6]基于可變集原理及偏聯系數方法構建一種新的水資源空間均衡評估模型對全國31各省份進行了空間均衡狀態分析；夏帆等[7]應用空間均衡系數對全國水資源空間均衡情況進行分析。多種評價方法被應用到具體區域評價上，其中有相當部分學者引用不平等關系的原理對區域水資源空間均衡性進行了分析研究，如 Gunasekara等[8]應用基尼系數對國際水資源分配不平衡的情況做了分析；黃鋒華等[9]利用泰爾指數對粵港澳大灣區水資源空間均衡性進行了研究，魏壽煜等[10]以洛倫茲曲線模型分析了重慶市水資源空間均衡性;李倩文等[11]通過采用空間均衡度計算方法，計算了2004—2017年新疆各地州各指標的空間均衡系數及水資源開發利用的總體空間均衡度。目前對空間均衡的概念、評價方法和應用及對策措施等具有很多很好的成果，對中國水資源的空間均衡分析有很好的指導作用，但是目前成果對水資源空間均衡系統的穩定性及其空間失衡的量化分析卻鮮有報道。

水資源空間均衡是一種當地水資源開發利用、地區天然水資源稟賦條件與社會經濟活動在區域空間上相協調，是一種可以持續發展的狀態。本文選擇中國石漠化連片區及西部貧困程度較深的南盤江流域為例，收集了南盤江流域的社會經濟指標和水資源稟賦及開發利用數據，采用表征水資源稟賦與社會經濟發展關系的水資源負載指數和水土資源匹配系數以及表征水資源開發利用與社會經濟發展關系的用水效益等3個方面和及其基尼系數綜合考慮水資源空間均衡狀況；建立南盤江流域水資源稟賦-開發利用-社會經濟三角系統模型分析其空間均衡系統的穩定性，定量展示南盤江流域水資源系統在水資源稟賦-開發利用-社會經濟系統中的架構，直觀描述流域內水資源系統的發展分布狀態，分析區域發展長短板，以期為南盤江流域水資源管理和區域高質量發展的政策制定提供參考。

1 區域、方法及數據來源

1.1 區域概況

南盤江為珠江流域西江上游的干流河段，1985年被確定為“珠江源”河段(圖1)。流域屬滇東高原盆地區，海拔1 500～2 500 m，全區為淺到深切割的中山至高中山地高原地形，總體地勢西北高、東南低。流域涉及云南、貴州、廣西3個省(區)，總面積56 381 km2。流域多年平均水資源總量為229.6億m3，地表徑流由降水形成，但徑流年際變化較大，年內分配不均，地區空間分布差異大，如南盤江流域多年平均徑流深為405.6 mm，但在滇東南地區的蒙自、開遠及上游曲靖市，平均年徑流深僅50～150 mm。南盤江流域內大部分地區人高水低、巖溶地貌強烈發育。2019年，南盤江流域內常住人口為1 147萬人，國內生產總值(GDP)達6 088億元(當年價)。南盤江流域的水資源作為中國西南地區鞏固脫貧攻堅成果和發展鄉村振興的基礎性資源，目前對其空間均衡性尚未有系統性研究成果，分析南盤江流域空間均衡真實狀態對于準確把握流域自然規律和經濟規律，因地制宜制定科學合理的水資源管控措施具有重要意義。本文研究范圍為整個南盤江流域，涉及到的地級市均為流域套地級市范圍。

圖1 南盤江流域

1.2 分析方法

1.2.1水資源負載指數

水資源負載指數是一種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，可對水資源時空分布及開發利用的均衡性進行評價分析的計算方法。計算公式見式(1)、(2)：

(1)

式中C——水資源負載指數，值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，水資源負載指數分級見表1；H——人口，萬人；T——國內生產總值，億元;W——水資源總量，億m3。

表1 水資源負載指數分級評價

(2)

式中K——降水系數，與降水量有關；P——區域面降雨量，mm。

1.2.2水土資源匹配系數

水土匹配系數是指區域內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匹配狀況以及水對耕地的滿足程度[8]。水土匹配系數越大，說明該區域的可利用水資源就越豐富，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。水土資源匹配系數計算公式見式(3)：

(3)

式中δ——水土資源匹配系數，萬m3/hm2；W——區域水資源量，億m3；α——地區農業用水占該地區用水總量的百分比；L——耕地面積，hm2。

1.2.3用水效益

每方水產生的GDP與區域經濟發展有很強的相關關系，能夠直觀反映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，每方水產生的GDP值越大，越有利于水資源可持續利用。用水效益(Z)計算公式見式(4)：

(4)

式中Z——單方水GDP產值，元/m3；Wy——區域用水總量，億m3。

1.2.4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。本文引用張建華[12]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見式(5)：

(5)

式中G——基尼系數；γi——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——組數。

1.2.5三角系統模型

根據三角形的穩定性原理和系統的定義，假設三角形的三邊為某一系統的組成元素，三角形的3個頂點為3個組成元素的兩兩聯結點，那么就可以認為這三條邊和3個頂點所構成的三角形，是具有確定形狀、面積和周長、重心、外心、內心的幾何有機體，也就是一個具有確定功能的有機體。目前三角模型被廣泛應用到土地利用系統[13-14]、區域農業可持續發展系統研究[15-16]以及城市發展空間均衡性[17]，對評價系統的穩定性及可持續發展性有較直觀的表述。

本文從水資源系統內社會經濟-開發利用-自然稟賦3個層面的各項相互關聯的指標出發，考慮數據可比較性和可獲得性的原則，構建水資源系統的指標體系，定量地計算出南盤江流域套8個地級市的城市社會經濟發展水平指數、水資源開發利用指數和水資源稟賦條件指數，根據三角系統模型和空間均衡的理論，量化分析南盤江流域以及各個地級市的空間均衡與穩定程度。

提示區域水資源綜合空間分布狀態的目標層(D)主要包括社會經濟發展水平(B1)、水資源開發利用程度(B2)和水資源稟賦條件(B3)3個一般性指標，其中B層指標由因子層(A)來衡量和評價。根據數據的選取原則，共選取9項因子層指標。本文各級指標的權重基于重要程度相當原則確定。指標體系和權重見表2。

表2 空間均衡分析指標體系及其權重

本文將原始總量數據轉化為每平方千米的水平數據，并且對轉化后的數據進行標準化計算處理，把所有因子數據統一到[0,1]區間上來，再以社會經濟發展水平(B1)、水資源開發利用(B2)和水資源稟賦(B3)指標根據表1所示的加權求和后得到南盤江流域水資源綜合空間分布狀態D，并以3個各地方的指標層的指數總和，即∑B1、∑B2、∑B3為三角形的3條邊，建立南盤江流域的反映水資源空間分布狀態的三角系統模型(圖3)。系統的存在與消失，取決于是否可以構成三角形和它的動態變化。按幾何定量，三角形存在的充要條件是三角形兩邊之和大于第三邊，三角形兩邊之差小于第三邊。系統的平穩與否關系到系統的存在，系統是否能健康發展與系統的平穩程度息息相關。系統的平穩度與系統部分結構、大小以及系統的“三心”位置、外部環境對系統的干擾因素有關。物理學研究表明，“三心”在物體之外的系統的平衡度遠低于在物體之內的系統[15]。

圖3 昆明、曲靖、紅河、文山三角系統模型

1.3 數據來源

本文研究數據主要來源于《珠江片水資源公報》(2010—2019 年)，云南省的《云南省昆明市統計年鑒》(2010—2020年)、《云南省曲靖市統計年鑒》(2010—2020年)、《云南省紅河州統計年鑒》(2010—2020年)、《云南省文山州統計年鑒》(2010—2020年)，以及貴州省《貴州省六盤水市統計年鑒》(2010—2020年)、《貴州省黔西南州統計年鑒》(2010—2020年)和廣西區的《廣西區百色市統計年鑒》(2010—2020年)。

2 結果與討論

2.1 水資源負載程度

水資源負載指數(C)模型和基尼系數(GC)計算結果見表3。由表3可以看出，南盤江流域2010—2019年水資源負載指數平均值為10.32，南盤江流域水資源負載指數級別為Ⅰ級，表明水資源利用程度很高及開發潛力很小，指示今后水資源開發條件艱巨、有條件時需要外流域調水。這主要是因為南盤江流域降雨年內分布不均，特別是在2010年發生的百年一遇的大干旱后，流域大興水利工程，本地水資源開發利用幾近飽和。

表3 水資源負載指數與基尼系數

從負載指數在各地級市的指標上看，水資源負載能力分布嚴重不均，指數超過10的主要集中在昆明市、玉溪市和紅河州，其余地級市指數在Ⅱ～Ⅲ級之間。結果表明滇中3個地方當地水資源開發潛力已接近極限，水資源已成為限制區域社會經濟發展的因素。這主要是因為該區域是云南省的重要的農業基地和重化工業聚集區，也是云南省工農業較為發達的地區之一，同時也是云南省水資源供需矛盾非常突出的地區之一。因此，為解決滇中地區當地水資源開發潛力有限，國家正在實施滇中引水工程目的解決滇中地區水資源短缺問題，該工程的主要受水區就是昆明、玉溪和紅河州，該區域平均每年受水量超過26億m3。

水資源負載指數的基尼系數的變化規律與水資源負載指數呈現出的規律相互協調。由表3可以看出，全流域從2010—2019年每年基尼系數均大于0.4，基尼系數平均值為0.49，在降水量偏枯的2010和2019年[18]，基尼系數更大，分布規律與南盤江流域地表水徑流深空間分布規律保持一致。此外，考慮到南盤江流域多年平均(1956—2016年)水資源量229.6億m3，流域產水模數僅為40.72萬m3/km2，不足珠江區同期產水模數的一半；流域人均水資源量為2 071 m3，低于珠江區人均水資源量的2 494 m3，也低于全國人均2 200 m3的水平[19]；流域內經濟總量和人口數量均較大的昆明、玉溪、紅河州3個地級市與其當地水資源條件矛盾異常突出，昆明、玉溪、紅河州萬元GDP水資源量僅為345、104、288 m3，與流域萬元GDP水資源量589 m3相差較大。由此表明，南盤江流域水資源總體并不豐富，局部地區水資源量與社會經濟發展用水矛盾逐漸顯現，加上各地城鎮化進程不一致，進一步加大部分地區的水資源承載壓力，水資源逐漸成為制約社會經濟發展的重要因素。

2.2 水土資源匹配系數分析

通過計算南盤江流域的水土資源匹配系數(δ)，得到南盤江流域水土資源匹配系數變化范圍在0.26～2.49，10年平均值為1.0，各地級市2010—2019年δ值見表4。

表4 水土資源匹配系數與基尼系數

由表4可知，南盤江流域水土資源匹配程度不高，這主要是因為南盤江流域自身水資源稟賦能力不足，流域畝均耕地占有水資源量僅為1 054 m3，遠小于珠江區的3 075 m3。從流域內各地方來看，流域各地市分布均衡性較差，尤其以玉溪市、紅河州、昆明和六盤水等四地區更為突出，四地區的水土資源匹配系數均小于1。這是由于該區域是中國重要的烤煙、蔬菜及糧食基地，流域內現有蒙開個、彌瀘、石屏、曲靖、興中、丘北、柴石灘等多個大型灌區和眾多的中小型灌區，均分布在上述4個地區，而且上述地區水資源稟賦先天條件較差。因此，嚴重不匹配的水土資源要求上述區域需大力優化種植結構、積極響應中央節水號召，大力發展高效節水，建設高標準農田，以緩解水土資源不匹配問題。從流域2010—2019年基尼系數來看，每年變化不大，在0.4附近擺動，表明隨著降雨量的豐枯年份變化與當地水資源開發利用現狀的差異，各年份在均衡和不均衡之間擺動。

2.3 用水效益分析

根據用水效益指數測算模型計算結果(表5)，南盤江流域2010—2019年用水效益指數呈現逐年升高的趨勢，指數平均值為92.69，說明流域在國家節約用水的號召下，節水型社會初見成效，但從全國范圍來看，流域用水效益仍然處于較低的水平，流域平均值略高于楊亞鋒等[6]和夏帆等[7]對全國2017年的用水效益研究計算中云南省、廣西區全省(區)的指數成果，低于貴州的用水效益指數。從流域內范圍內的各地市指數分布來看，用水效益指數分布與流域內各地的經濟社會用水結構有關，昆明、曲靖、玉溪和紅河州等第二產業占比較大，用水附加值高；其他地區則第一產業比重較大，經濟相對落后。從用水效益的基尼系數計算結果，近十年均值為0.22，表明區域內各地市用水效益均大同小異，南盤江流域的整體用水效益較低。因此，建議南盤江流域各地市積極優化產業結構，提高水資源利用率。

表5 用水效益指數與基尼系數

2.4 水資源空間均衡穩定性分析

根據三角系統模型，計算得到南盤江流域及流域套各地級市的區域在2010—2019年的空間均衡指數和穩定度見表6。從社會經濟發展水平(B1)、水資源開發利用(B2)、水資源稟賦(B3)和水資源綜合空間分布狀態(D)的基尼系數可以看出，南盤江流域各地方的社會經濟發展水平(B1)和水資源開發利用程度分布較為協調、分布較為合理，這從側面體現了已批復的《南盤江流域綜合規劃》對流域社會經濟可持續發展提供的水利支撐和保障。水資源稟賦(B3)的基尼系數較大，主要是因為南盤江流域水資源分布不均，與水資源承載能力結論相似。除去水資源開發利用程度(B2)因子，水資源綜合空間分布狀態(D)的空間分布比社會經濟發展水平、水資源稟賦條件都更加均衡，這從另一個方面上體現了空間均衡模型的合理性，即提示任何區域綜合分布狀態的每平方千米水平值是大體相等的。

表6 南盤江流域各地區空間均衡指數及穩定度

利用南盤江流域的社會經濟發展水平(∑B1)、水資源開發利用(∑B2)和水資源稟賦(∑B3)為三邊，構建南盤江流域水資源三角(社會經濟-開發利用-自然稟賦)系統模型見圖2，其三角形中最大的角為63.479°，為銳角三角形。銳角三角形的重心、內心、外心等都位于三角形內部，提示三角形的穩定性較好。由此可知，南盤江流域水資源三角(社會經濟-開發利用-自然稟賦)系統的穩定性也較強，意味著南盤江流域的經濟社會-開發利用-自然稟賦之間整體上是穩定和可持續發展的。

圖2 南盤江流域水資源三角(社會經濟-開發利用-自然稟賦)系統模型

然而，從表5也可以看到，在南盤江流域內套8個地級市區域中，只有一半地方的社會經濟-開發利用-自然稟賦系統能構成穩定的三角形系統，而且這4個地方所構成的三角形系統的最大角均為鈍角(圖3)，根據鈍角三角形性質可知，鈍角三角形的外心分布在三角形的外部，表明該區域受外部環境影響較大，可持續性和穩定性稍差。昆明和紅河州呈現出水資源自然稟賦能力能嚴重不足，而文山州則呈現出社會經濟發展相對落后，曲靖則可以適度提高水資源開發利用程度滿足社會經濟發展的需求。在4個不能構成三角系統的地方中，玉溪市則是由于水資源自然稟賦能力能嚴重不足造成的，后期滇中引水工程建成后可保障玉溪社會經濟的可持續發展，而其余3個地方(尤其是百色市)則呈現出社會經濟發展的不足，因此，在未來的區域綜合開發過程中，建議對以上3個區域的開發投資力度有所傾斜，同時給予政策方面的支持，以提高其經濟和社會發展水平。

3 結論

本文運用水資源系統(社會經濟-開發利用-自然稟賦)3個層次的9項指標在構建水資源負載指數、水土資源匹配系數和用水效益指數評估模型，以基尼系數為評價指數，分析了南盤江流域2010—2019年水資源負載、水土資源匹配、用水效益及空間均衡狀態。構建了三角系統模型，初步探討了南盤江流域水資源空間均衡的穩定性及可持續性。

a)南盤江流域水資源負載等級較高且流域內各地方分布均衡性較差。說明南盤江流域總體上水資源利用程度很高及開發潛力很小，今后水資源開發條件艱巨，需要外流域調水。流域內局部地區水資源量與社會經濟發展用水矛盾逐漸顯現，水資源逐漸成為制約社會經濟發展的重要因素。

b)從水土資源匹配系數、用水效益指數及其基尼系數結果顯示：南盤江流域各地級市的水土資源匹配程度和用水效率均較低。表明了水資源總體并不豐富的南盤江流域，加上用水效率的低下，造成水資源量與社會經濟發展用水矛盾有逐漸加劇趨勢。

c)從三角系統模型來看，南盤江流域水資源空間均衡系統穩定性較強，意味著南盤江流域的經濟社會-開發利用-自然稟賦之間整體上是穩定和可持續發展的。然而從流域局部分布來看，流域水資源空間均衡性較差，有一半的地方水資源系統不能構成三角形系統。

d)南盤江流域內的滇中地區水資源稟賦條件較差，滇中引水工程竣工后可緩解用水壓力，曲靖則可以適度提高水資源開發利用程度滿足社會經濟發展的需求。文山州、百色市、六盤水市和黔西南州等地區呈現出社會經濟發展的不足。在未來的區域綜合開發過程中，建議對該區域的開發投資力度有所傾斜，同時給予政策方面的支持，以提高其經濟和社會發展水平。