基于洛倫茲曲線和基尼系數的淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市用水結構分析

姜驍驊，于彥博

（淮河水利委員會水利水電工程技術研究中心，安徽 蚌埠 233001）

1 區域概況

淮河干流（蚌埠閘以上段）西起南陽市桐柏縣，東至蚌埠市蚌埠閘，流經南陽市、信陽市、駐馬店市、阜陽市、六安市、淮南市和蚌埠市7 個城市，位于華中和華東地區交界處，區域總國土面積約9.79 萬km2。根據2021 年安徽省、河南省統計年鑒和水資源公報數據，區域常住總人口為4176.3 萬，生產總值為18931.02 億元，用水總量為126.01 億m3。為保證數據統計的完整性，選取河南省和安徽省淮河干流流經的7 個市為單元開展研究。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文基礎數據來源于2017—2021 年的河南省、安徽省水資源公報和統計年鑒。參考以往用水結構分析方法，將用水量分為農業用水、工業用水、生活用水和生態用水四類進行統計分析，綜合評價淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市用水結構現狀、空間分布和時空變化等情況，為淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市優化用水結構提供數據支撐。

2.2 研究方法

2.2.1 洛倫茲曲線

美國統計學家M.O.洛倫茲于1905 年提出了著名的洛倫茲曲線，主要用于研究國民收入在國民之間的分配問題，現多應用于用水結構分析、土地利用結構分析和產值結構分析[1]等方面。洛倫茲曲線的數學表達式：

式中：F（x）為累計分布函數；μ 為序列均值。

繪制淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市各類型用水洛倫茲曲線，首先要計算各市各類型用水的區位熵（LQ，又稱專門化率，用于衡量某一區域要素的空間分布情況），區位熵計算方法如公式（2）所示；再根據各市區位熵的大小從小到大進行排序，依次計算出各市各類型用水量百分比、總用水量百分比、各類型用水量累計百分比和總用水量累計百分比；最后根據數據繪制出淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市各類型用水的洛倫茲曲線并進行均衡度分析。

式中：Aik為i 市第k 種類型的用水量，為淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市第k 種類型的用水總量，Ai為i 市用水總量，A 為淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市總用水量。

圖1 即為洛倫茲曲線，橫坐標為總用水量累計百分比，縱坐標為不同用水類型的累計百分比。洛倫茲曲線y=f(x)為凹型曲線，y=x 為絕對均勻線。當y=f(x)距離y=x 較近時,表明該區域某種用水結構的空間分布情況較為均衡;當y=f(x)距離y=x 較遠時,表明某種用水結構的空間分布情況較為集中，均衡度較低。

圖1 洛倫茲曲線圖

2.2.2 基尼系數

基尼系數最早由意大利經濟學家基尼在20 世紀初提出，是用于衡量一個國家或地區居民收入差距的常用指標之一，如今多用于水資源配置和土地利用等多個領域[2]。洛倫茲曲線的優點是可以清晰地表現出不同類型用水結構的均衡程度，而在洛倫茲曲線極為接近，無法用肉眼識別差距時，利用基尼系數可以直觀地對其差距進行量化分析比較，有效地彌補了洛倫茲曲線無法進行定量化描述的缺陷。基尼系數通常用G 表示，取值介于0 到1 之間[3]，計算公式如下所示；

式中：G 為基尼系數；Mi為某市用水總量占淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市總用水量的累計百分比；Pi為淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市中某市的某一類型用水累計百分比。

本文研究對象為淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市中包含的7個市，故n取7。根據聯合國有關規定，基尼系數評價標準如表1 所示。

表1 基尼系數評價標準表

3 用水結構分析

3.1 用水結構現狀分析

如圖2 所示，2017—2021 年間，淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市用水總量在126.01 億～131.211億m3之間呈小幅波動態勢。2020 年用水總量為5年間峰值131.211 億m3，2021 年用水總量為5 年間谷值126.01 億m3。2021 年 總 用水量較17 年下降2.35 億m3，降幅為1.8%。總體用水量變化態勢為2017—2020 年呈緩慢增長態勢，2020—2021 年開始呈大幅下降態勢。

圖2 2017—2021 年淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市用水量變化趨勢圖

分析表2 數據可知，5 年間該區域生活和生態用水量及所占比重呈增長態勢，工業用水量及所占比重呈下降態勢，農業用水量呈小幅波動態勢，其所占比重未發生顯著變化。

表2 2017—2021 年淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市用水結構表（億m3，%）

3.2 用水結構均衡度分析

為分析淮河干流（蚌埠閘以上）7 個城市各類型用水結構的空間均衡程度，保證數據的完整性和準確性，本文選用2021 年四類用水量數據繪制洛倫茲曲線，并計算基尼系數驗證結論，洛倫茲曲線見圖3。

圖3 2021 年淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市各類用水洛倫茲曲線圖

在各類用水中，距離絕對平均線最近的是農業用水曲線，生活用水曲線次之,工業和生態用水曲線距離絕對平均線較遠。洛倫茲曲線的結果表明2021年淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市的空間均衡程度從高到低依次是農業用水、生活用水、工業用水和生態用水，農業用水和生活用水在淮干主要城市中空間分布比較均衡，工業用水和生態用水空間分布比較集中，工業用水主要集中在淮南市，而生態用水主要集中在信陽市和南陽市。

在繪制洛倫茲曲線的基礎上，借助基尼系數定量分析淮干主要城市四類用水空間均衡度的差異性,具體評價結果見表3，基尼系數值更加清晰地驗證了洛倫茨曲線圖所得結論。

表3 2021 年淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市各類用水基尼系數及評價結果表

3.3 用水結構時空變化分析

淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市2017—2021年各類用水洛倫茲曲線如圖4 所示，農業用水空間分布情況無顯著變化；工業和生態用水空間分布情況趨于集中，均衡度有所下降，其中2021 年生態用水均衡度較2019 年有小幅提升，生活用水空間分布均衡度呈小幅上升態勢。

圖4 2017—2021 年淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市不同類型用水的洛倫茲曲線圖

在繪制洛倫茲曲線的基礎上，通過公式（3）計算2017—2021 年淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市基尼系數，計算結果見表4。分析表4 可知：農業用水基尼系數5 年無較大變化，始終處于絕對平均狀態；工業用水基尼系數在0.2～0.3間波動，均位于比較平均的狀態；生活用水基尼系數由2017 年的0.208 大幅下降至2021 年的0.158，均衡度由比較平均升至絕對平均狀態；生態用水基尼系數在2017—2019 年間呈大幅上升趨勢，2019 年達到峰值0.445，超過0.4的警戒線，評價為差距較大，空間分布極不均衡，2019—2021 年間小幅回落，降至0.4 以下，回歸相對合理的狀態。

表4 2017—2021 年淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市基尼系數表

4 結論

本文基于洛倫茲曲線和基尼系數理論，根據河南省、安徽省水資源公報和統計年鑒分析了2017—2021 年淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市用水結構空間均衡度和演變規律，所得結論如下：

淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市2021 年用水結構相對合理，農業和生活用水空間分布較為均衡，工業和生態用水分布相對集中。

對該區域2017—2021 年用水結構變化分析可知，5 年間農業和生活用水空間均衡度大多處于絕對平均狀態，工業用水均則處于比較平均狀態，而2018 年、2019 年生態用水基尼系數高于0.4 的警戒線，空間分布高度集中，其余年份均高于0.3，僅處于相對合理狀態。

建議淮河干流（蚌埠閘以上）主要城市繼續加強用水結構管理，優化水資源配置，大力發展節水技術改造，推進農業節水增效和工業節水減排。充分衡量經濟發展與生態環境間的用水效益，以滿足群眾對美好生活的需要為導向，適當提高生態用水所占比重，提升水資源利用效率和綜合效益，形成社會經濟發展與水資源合理配置的新格局■