北京市水與社會經濟空間均衡分析

李慶圓，張 航，張 琪

(1.北京市水科學技術研究院，北京 100048；2.河海大學，南京 210024；3.天津城建大學，天津 300384)

1 概述

我國水資源量豐富，居世界前列，但水資源時空分布不均、人均擁有量低，加上水資源低效利用、過度開發，水資源問題已經成為制約我國經濟發展的主要因素之一[1]。北京市作為特大型缺水城市，隨著社會經濟的快速發展，水資源短缺的問題日益凸顯，水資源對其經濟發展的影響更為嚴重，對水資源進行合理的開發、利用及管理尤為緊迫[2]。水資源在開發利用的過程中與人口、社會經濟等要素均產生了密切的聯系，它們相互之間的匹配性(或協調性)，影響著社會經濟能否穩定可持續向前發展[3]。

目前，我國關于水資源分布和配置的相關研究較多，且涉及很多領域，但是關于用水時空均衡性方面的研究起步較晚。水資源空間分布不均導致區域社會經濟難以均衡發展的問題逐漸引起國內學者重視，為提出有效的解決方案，金菊良[4]等、酈建強[5]等、左其亭[6]等系統梳理了水資源空間均衡研究現狀及理論方法，并對應用研究及對策措施進行了深入的分析。定量評價均衡程度的常用方法有洛倫茲曲線的基尼系數法、泰爾指數、不平衡指數等[7]，黃鋒華[8]等利用泰爾指數對粵港澳大灣區的水資源空間均衡狀態進行了研究分析；魏壽煜[9]等采用經濟學中的洛倫茲曲線模型研究分析了重慶市水資源空間均衡性；張吉輝[10]等利用基尼系數，對我國水資源分布、配置與經濟發展要素匹配關系的時間演變規律進行研究，并提出了相應的解決方案。

本文選擇北京市2016—2022年用水數據及人口、GDP、人均可支配收入、第二產業產值、服務業產值、耕地面積等社會經濟數據，考慮空間均衡，通過采用經濟學中的洛倫茲曲線、基尼系數及不均衡指數對北京市整體及各功能區水資源與社會經濟要素的時空匹配情況進行了定性和定量評估，以期為“空間均衡”治水方針的落實提供支撐。

2 研究區概況及數據來源

北京市地處中國北部、華北平原北部，處于東經 115°20′～117°30′，北緯 39°28′～41°05′之間，屬溫帶大陸性季風氣候[11]。2022年末，北京市常住人口為2 184.3萬人。地區生產總值為41 610.9億元，其中，第二產業增加值為6 605.1億元。由于各區的經濟要素及功能定位等因素的不同，2022年，全市總用水量為27.9億m3。

本文用水數據來源于2016—2022年北京市水務統計年鑒，年末常住人口數、人均可支配收入、GDP、耕地面積、第二產業產值及服務業產值數據來源于2016—2022年北京市統計年鑒。

3 研究方法

3.1 洛倫曲線和基尼系數

3.1.1洛倫茨曲線

洛倫茨曲線是由美國經濟統計學家洛倫茨在1905年提出用來描述社會財富分配是否公平的一種分析手段。洛倫茨曲線的數學表達式如下[12]：

(1)

式中：

F(x)——有序個體的累積分布函數；

μ——一個均值。

圖1是洛倫茨曲線的示意圖，在水資源空間均衡評價中，橫坐標x代表按經濟因子由低到高分組得到的累積社會經濟要素(人口、GDP、人均可支配收入、耕地面積、第二產業產值及服務業產值)百分比，縱坐標y代表累積用水量百分比。y=f(x)曲線是一條向內凹的曲線，其彎曲程度直觀反映了用水量與社會經濟因子的不匹配程度。y=x線為絕對匹配線，當y=f(x)曲線距y=x絕對匹配線越近，表明地區用水量與社會經濟因子匹配程度越高；反之，則表示地區間用水與社會經濟因子匹配程度越低。

圖1 洛倫茲曲線示意

3.1.2基尼系數計算

基尼系數是一個用于定量測定收入分配差異程度的統計指標，其值在0～1之間[13]。可以通過洛倫茨曲線圖中絕對均勻線與洛倫茨曲線間的面積和絕對均勻線與橫坐標圍成的三角形面積之比求得，用G來表示，具體計算如公式如下：

(2)

式中：

f(x)——洛倫茨曲線方程；

G——基尼系數，G越大表示要素間匹配程度越低。

基尼系數可以精確定量反映和觀測地區間各要素的協調程度，彌補了洛倫茨曲線無法定量評價的不足。按照聯合國有關組織規定，基尼系數的大小與其評價結果存在以下關系(見表1)[14]。

表1 基尼系數對應的評價結果關系

3.2 不均衡指數

不均衡指數I一般應用于地區空間和規模分布差異的研究中。由于基尼系數只能反映區域整體的空間均衡狀態，不能定量反映各子區用水協調程度，本文引入了不均衡指數對北京市各功能區的用水與社會經濟要素協調程度進行分析，能夠更直觀地體現用水和社會經濟各項指標之間的空間均衡水平[10]，計算式為：

(3)

(i=1，2，…，n)

(4)

式中：

n——區域數量；

Yi——第i個地區用水量占全市總用水量的百分比；

Xi——第i個地區社會經濟要素占全市該社會經濟要素的百分比；

|di|——di的絕對值，表示點(Xi，Yi)到直線Y=X的垂直距離。

4 結果分析

4.1 北京市水與社會經濟要素空間均衡分析

根據2016—2022年北京市16個區域的用水量累計百分比和各經濟發展要素的累計百分比作出的洛倫茲曲線可知，水與各經濟發展要素的空間匹配度有逐年向好的趨勢發展。以2022年為例進行重點解析(見圖2)，人口與用水量的匹配狀況最好，可能受近年來人口疏解的影響；第二產業產值其次；人均可支配收入、GDP和服務業產值與用水量的匹配程度相對較好；水與耕地面積的空間匹配程度最差，可能與各區功能定位不同有關。

圖2 2022年用水量和各經濟發展要素洛倫茲曲線示意

定量分析2016—2022年北京市水與各社會經濟要素的基尼系數可知(見表2)，除耕地面積外，水與其余各要素的基尼系數呈逐年降低的趨勢，說明隨著時間的變化，水與社會經濟要素空間匹配程度越來越好。從多年平均來看，空間匹配較好的順序依次為人口>第二產業產值>人均可支配收入>GDP>服務業產值>耕地面積。

表2 水與各社會經濟要素的基尼系數

水與人口的基尼系數在0.1～0.2之間，說明北京市人口數量與用水用量高度匹配，主要受近幾年人口疏解政策影響；水與第二產業產值的基尼系數在0.2～0.3之間，屬于比較匹配狀況；除2016年外，水與人均可支配收入的基尼系數均處在0.3～0.4之間，均為相對匹配狀況；水與GDP的基尼系數在2016—2019年處在0.4～0.5之間，超過國際慣例的基尼系數警戒線“0.4”，但在2020—2022年，該系數變為0.3～0.4，即匹配狀態由“較差匹配”轉變為“相對匹配”，匹配狀況變好，說明北京市近些年逐漸重視區域經濟與用水協調發展；水與服務業產值的基尼系數由2016—2018年的0.5～0.6轉變為2019—2022年的0.4～0.5，雖然整體匹配程度較差，但是向好發展趨勢較快，說明北京市服務業產業布局不斷優化；水與耕地面積的基尼系數均大于0.5，且呈起伏變化，說明用水與耕地面積處于“極不匹配”狀態，一方面可能與北京市各區的功能定位不同有關，另一方面可能受“退耕還林”“平原造林”“復耕復墾”等政策影響，農業生產空間不穩定。

4.2 北京市各功能區水與社會經濟要素空間均衡分析

北京市劃分為4個功能區(見表3所示)，利用式(3)、(4)計算各區域不平衡指數(見表4)In(n=1，2，3，4)和di(i=1，2，3，4)，n和i的取值由小到大依次代表首都功能核心區、城市功能拓展區、城市發展新區、生態涵養發展區。

表3 北京市四大功能區

表4 2022年北京市四大功能區不平衡指數In值與di值

從用水量與人口不平衡指數In、di分析可知，首都功能核心區、生態涵養發展區的不平衡指數In均低于北京市平均水平，屬于水與人口分布相對協調地區，而城市功能拓展區和城市發展新區相反，屬于相對不協調地區；城市功能拓展區和生態涵養發展區di均為正值，說明這兩個功能區用水量比重高于人口分布比重，而首都功能核心區和城市發展新區取值則相反(見圖3a)。

圖3 北京市各功能區用水量與各社會經濟要素di值示意

從用水量與GDP不平衡指數In、di分析可知，城市功能拓展區的不平衡指數高于北京平均水平，屬于用水與GDP協調程度較差地區；城市發展新區和生態涵養發展區di均為正值，這兩個功能區用水量比重高于GDP分布比重，說明這兩個功能區還具有一定的節水潛力，而首都功能核心區和城市功能拓展區均為負值，說明這兩個功能區用水量比重低于GDP分布比重，這與區域相對較高的水資源利用效率有關(見圖3b)。

從用水量與人均可支配收入不平衡指數In、di分析可知，首都功能核心區、城市功能拓展區不平衡指數In均高于北京平均水，屬于用水與人均可支配收入協調程度較差地區，城市發展新區和生態涵養發展區屬于協調程度較好地區；城市功能拓展區和城市發展新區di均為正值，說明這兩個功能區用水量比重高于人均可支配收入分布比重，而首都功能核心區和生態涵養發展區則相反(見圖3c)。

從用水量與第二產業產值不平衡指數In、di分析可知，城市功能拓展區、城市發展新區的不平衡指數高于全市平均水平，為北京市用水量與第二產業產值發展不協調的主要影響地區；城市功能拓展區和生態涵養發展區di均為正值，說明這兩個功能區工業布局有待進一步優化，需充分挖掘節水潛力，而首都功能核心區和城市發展新區取值均為負值，說明這兩個地區工業產業用水效率相對較高(見圖3d)。

從用水量與耕地面積不平衡指數In、di分析可知，城市功能拓展區的不平衡指數In大于北京市平均水平，說明該功能區是導致北京市用水量與耕地面積匹配程度差的主要地區；首都功能核心區和城市功能拓展區di均為正值，說明這兩個功能區用水量比重高于耕地面積分布比重，而城市發展新區和生態涵養發展區取值均為負值，說明這兩個地區用水量比重低于耕地面積分布比重。這與區域實際情況相吻合：根據第三次國土調查成果，北京市耕地面積為93 547.9hm2，其中城市發展新區耕地面積最大，為71 826.38hm2，占全市耕地面積的76.8%(見圖3e)。

從用水量與服務業產值不平衡指數In、di分析可知，首都功能核心區和城市功能拓展區不平衡指數In高于北京市平均水平，屬于用水量與服務業產值協調程度較差地區；城市發展新區和生態涵養發展區di均為正值，說明這兩個功能區服務業用水效率有待進一步提升，而首都功能核心區和城市功能拓展區取值均為負值，說明這兩個地區用水量比重低于服務業產值分布比重(見圖3f)。

5 結論與建議

本文根據北京市2016—2022年用水數據及人口、GDP、耕地面積等社會經濟數據，考慮空間均衡思想，通過采用洛倫茲曲線、基尼系數及不均衡指數對北京市及各功能區的水資源與社會經濟要素的時空匹配現狀進行了分析，主要結論如下：

1) 基于洛倫茲曲線分析可知，水與各經濟發展要素的空間匹配度有逐年向好的趨勢發展。

2) 基于基尼系數定量評價，水與各經濟發展要素的空間匹配較好的順序依次為：人口>第二產業產值>人均可支配收入>GDP>服務業產值>耕地面積，人口數量與用水量高度匹配；受功能定位“退耕還林”“平原造林”“復耕復墾”等政策影響，農業生產空間不穩定，導致水與耕地面積為“極不匹配”狀態。

3) 從不平衡指數計算結果來看，城市功能拓展區用水量與各社會經濟要素不平衡指數均高于全市平均水平，是導致北京市水與社會經濟要素不平衡的主要影響地區。各功能區仍有不同程度的用水量比重大于經濟要素分布比重的情況出現，說明水資源配置還有優化提升空間。

北京市的水與社會經濟空間均衡程度相對較好，說明北京市在貫徹落實“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產”治水方針，不斷加強計劃用水管理、優化水源結構、完善水資源配置工程等方面取得了較好效果，但各功能區仍有不同程度的用水量比重大于經濟要素分布比重的情況出現，說明北京市水資源配置還有優化提升空間，這方面的工作仍需繼續加強。今后的研究中應細化研究區域并考慮水資源空間均衡的影響因素，為更加全面評估水資源提供科學依據。