區域用水結構及公平性演變分析

谷芳瑩 龔亮 賈冬梅

摘 要：借鑒政治經濟學中基尼系數的基本概念，構建了一套區域用水結構及公平性的量化分析方法。以河南省2007—2016年用水情況為例，分析了農業、工業、生活與環境綜合用水結構變化，并從經濟、人口、資源、環境4方面提出了綜合用水公平性評價方法。結果表明：研究時段內各地市用水結構變化趨于均衡，將有利于糧食安全保障、經濟協同發展、人居環境改善;綜合用水公平系數從2012年以來呈現出逐漸增大趨勢，已接近差異性較大區間，應當引起重視。分析結果與河南省實際情況基本相符，表明提出的區域用水結構及公平性量化分析方法是切實可行的。

關鍵詞：綜合基尼系數;熵權;用水結構;用水公平性;河南省

中圖分類號：TV213.4 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.011

Abstract： Drawing on the basic concept of Gini coefficient in political economy， a quantitative analysis method of regional water structure and fairness was constructed. Taking the water use situation in Henan Province from 2007 to 2016 as an example， the structure changes of agricultural， industrial， living and environmental water use were analyzed. From the economic， population， resources and environment four aspects， an integrated water equity evaluation system was proposed. The results show that the change of water structure between cities in the study period tends to be balanced， which will be conducive to food security， economic coordinated development and living environment improvement. The integrated Gini coefficient has shown a gradual increase since 2012 and it is close to the large difference range which should be paid special attention to. The analysis results are basically consistent with the actual situation in Henan Province， indicating that the proposed regional water structure and fairness quantitative analysis method are feasible.

Key words： integrated Gini coefficient; entropy weight; structure of water use; fairness of water use; Henan Province

1 研究背景

水是生態演化、環境維持的基礎物質載體，也是社會發展、經濟增長的重要資源約束，人類生活水平的提高、生產能力的發展、生態環境的改善都離不開對水資源的開發、利用與保護。繼水短缺、水污染、水安全[1-3]等研究熱點之后，用水結構及均衡性研究[4-5]逐漸成為破解水資源短缺與落實綠色發展的新方向。合理調整區域內生產、生活、生態的用水結構，充分協調經濟、社會、資源、環境與用水間的均衡關系，是實現水資源合理配置、解決區域用水矛盾的重要措施，而深入分析用水結構及其均衡性的空間分布和演變規律則是其中重要的基礎性工作。

目前相關研究主要涉及基于產業發展預測的用水結構分析[6]、用水結構變化趨勢及驅動力分析[7]、水量配置區間的空間均衡博弈分析[8]、城市未來用水結構的變化趨勢分析[9-10]、區域用水差異性變化分析[11-12]、基于水足跡的用水結構優化調整[13]等，研究方法涉及神經網絡、主成分分析、灰色關聯分析、博弈論、信息熵、基尼系數、虛擬水分析計算等。筆者構建基于基尼系數的區域用水結構及均衡性演變量化分析模型，對河南省各地市近10 a農業、工業、生活與環境綜合用水結構及社會、經濟、資源、環境的用水公平性時空演變進行分析計算，以期為協調區域產業結構和用水均衡布局、區域水資源合理配置及高效利用等提供參考。

2 理論模型與方法

2.1 洛倫茲曲線與基尼系數

美國經濟統計學家洛倫茲提出的洛倫茲曲線是一條向橫軸凸出的曲線（見圖1），反映收入分配的不平等程度。洛倫茲曲線y=f（x）距絕對平等線y=x越近，表明地區間收入差距越小、財富分配越平等，反之則表示地區間收入差距越大、財富分配越不平等。

2.4 研究思路與數據來源

從農業用水、工業用水、生活與環境綜合用水3個方面分析河南省2007—2016年用水結構的空間分布及變化，從社會、經濟、資源、生態環境角度構建綜合基尼系數，評價河南省18個地市的用水均衡性演變趨勢。研究所用的水資源量、農業用水量、工業用水量、生活與環境綜合用水量（城鎮及鄉村生活、環境用水量之和）等數據來源于2007—2016年河南省水資源公報，人口數量、國內生產總值（GDP）、污水排放量等數據來源于2007—2016年河南省統計年鑒。

3 研究區概況及結果分析

3.1 研究區概況

河南省地跨黃河、淮河、海河、長江四大流域，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候區，多年平均水資源總量為403.5億m3，人均水資源量為383 m3（僅為全國的20%）。2016年全省各類水利工程總供水量為227.6億m3，其中：地表水源供水量105.0億m3（占46.13%），地下水源供水量119.8億m3（占52.64%），集雨及其他非常規水源供水量2.8億m3（占1.23%）。隨著區域經濟快速發展及城鎮化水平不斷提高，水資源供需矛盾日益突出，同時產生了地面沉降、水質惡化等一系列生態環境問題，嚴重制約經濟社會的可持續發展。

3.2 區域用水結構變化分析

分析各地市用水結構的區位熵可準確了解各類用水的空間分布狀況，為優化區域產業布局、農業節水改造等提供參考。2016年河南省18個地市各類用水結構區位熵見圖2。農業用水區位熵大于1的有新鄉、周口、濮陽、商丘、鶴壁、駐馬店、焦作、安陽、信陽、開封、南陽11個地市，各地市間相差不大，最大值（新鄉）是最小值（鄭州）的2.4倍。作為全國的農業大省，區域間的農業用水協調至關重要，為了確保國家糧食安全，必須保障合理的農業用水需求。工業用水區位熵大于1的有平頂山、洛陽、三門峽、漯河、濟源、許昌、鄭州、南陽、焦作9個地市，各地市差異較大，最大值（平頂山）是最小值（安陽）的4倍。工業用水量較大的仍是傳統工業強市，其他城市在工業化進程中應給與充分的用水保障。工、農業作為用水大戶，二者的區位熵成反向關系，農業用水區位熵較大的地市其工業用水區位熵較小。生活與環境綜合用水區位熵大于1的有鄭州、三門峽、洛陽、信陽、開封、漯河、濟源、許昌、安陽9個地市，各地市間差異較大，最大值（鄭州）是最小值（濮陽）的3.5倍，這與近年來省內中心區域的人口聚集效應、產業發展及生態用水重視程度密切相關。

在各類用水區位熵的基礎上，采用基尼系數的計算方法分析2007年及2016年用水結構的演變規律。①農業用水的空間分布更加均衡，但變幅較小。從圖3（a）及表1可以看出，2016年的農業用水洛倫茲曲線與絕對平等線更加接近，但與2007年的相差不大。農業用水基尼系數由2007年的0.159減小至2016年的0.138，減幅為13.34%。從各地市的農業用水比例（見表2）來看，減幅較大的有鄭州、開封、平頂山、安陽、鶴壁、濟源，減幅為10%～20%;增幅較大的有許昌、南陽、商丘，增幅為12%～14%;其余地市變化不大?？傮w而言，河南省農業用水比例差距不斷縮小，基尼系數處于“非常公平”區間。②工業用水空間分布向均衡方向發展。從圖3（b）及表1可以看出，2016年的工業用水洛倫茲曲線與絕對平等線明顯接近，與2007年的差距拉大。工業用水基尼系數由2007年的0.291減小至2016年的0.237，減幅為18.56%。從各地市的工業用水比例（見表2）來看，減幅較大的有洛陽、許昌、三門峽、南陽，減幅為10%～15%;增幅較大的為平頂山，增幅為18%;其余地市波動不大，變幅在6%以下?？傮w而言，河南省工業用水比例差距不斷縮小，基尼系數處于“相對合理”區間。③生活與環境綜合用水的空間分布較為均衡。從圖3（c）及表1可以看出，2016年與2007年的生活與環境綜合用水洛倫茲曲線非常接近，基尼系數由2007年的0.200減小至2016年的0.198，減幅僅為1%。各地市的生活與環境綜合生態用水比例（見表2）均有不同程度的提升，其中增幅較大的有鄭州、開封、安陽、鶴壁、三門峽、濟源，增幅為10%～15%。總體來看，全省生活與環境綜合用水正向著更加均衡的方向發展，用水公平性有所提升。

3.3 區域用水公平性及演變分析

3.3.1 區域用水公平性分析

2016年河南省GDP-用水基尼系數（GINIeco）為0.246（見表3），處于“相對合理”區間，各地市單方水的GDP產出整體差距不大。從GDP-用水區位熵數值分布來看，排名靠前的鄭州、三門峽、許昌區位熵較大，分別為2.32、1.70、1.50;而排名靠后的濮陽、信陽、開封區位熵均低于0.63;其他城市為0.63～1.50;通過區位熵數值及圖4（a）可以有效辨識2016年河南省各地市的單方水GDP產出的相對差異。

2016年河南省人口-用水基尼系數（GINIpop）為0.140（見表3），處于“非常公平”區間，人均用水量差異不大。從人口-用水區位熵數值分布（圖4（b））來看，駐馬店、漯河、三門峽區位熵分別為1.76、1.51、1.24，而濮陽、焦作、開封區位熵分別為0.61、0.63、0.70，其他各地市區位熵接近1。總體上來看河南省人口分布與水資源利用之間協調性較高，人均用水量比較接近，公平性較好。

2016年河南省水資源量-用水基尼系數（GINIres）為0.418（見表3），處于“差異性顯著”區間，說明河南省各地市水資源稟賦條件與用水匹配程度差異很大。從水資源量-用水區位熵數值分布（圖4（c））來看，信陽、駐馬店、三門峽區位熵分別為3.81、2.75、1.62，南陽、濟源略大于1，其他地市均小于0.90（濮陽、鄭州、開封分別為0.29、0.33、0.40，遠低于平均水平）?？傮w而言，對于水資源短缺的城市一方面要采取節水措施、合理調整產業布局，另一方面應積極謀劃外調水源、提高區域用水安全保障程度。

2016年河南省排污量-用水基尼系數（GINIenv）為0.266（見表3），處于“相對合理”區間，說明各地市污水排放水平接近。鄭州、漯河、三門峽、洛陽的均大于1.5，污水相對排放量高于全省平均水平;開封、信陽、濮陽的區位熵分別為0.41、0.54、0.56，污水相對排放量低于全省平均水平;通過該項區位熵數值及圖4（d）可以有效辨識現狀污水相對排放量較高的地區，同時可以根據當地缺水程度有針對性地開展節水減排與再生水回用工作。

3.3.2 區域用水公平性演變

為便于直觀分析2007—2016年河南省人口、GDP、水資源量、排污量4個影響因子及綜合基尼系數的演變趨勢，將表3數據繪制成曲線（見圖5）。GINIeco有微小波動，基本保持穩定，研究時段處于“相對合理”區間，時段初期經濟發達地區用水效率提升較快導致一定的不平衡性，此后欠發達地區用水效率增幅較高引起不平衡性降低，表現出先進節水技術從發達地區向欠發達地區推廣的延遲效應。GINIpop在研究時段內呈減小趨勢，處于“非常公平”區間，原因可能是隨著中原城市群民生水利持續投資，各地供水保障程度不斷提高，地市間人均用水量更加接近。GINIres在研究時段內波動變化，時段末較時段初有所減小，總體來看變化范圍處于“差異性較大”及“差異性顯著”區間，波動原因是該系數受天然來水豐枯變化影響，而差異性較大原因主要是區域之間水資源稟賦條件差異顯著。GINIenv在研究時段內表現出增大趨勢，絕大部分年份處于“相對合理”區間，各地用水排污率差異性有所增大，原因可能是省內經濟條件較好地區工業化、城鎮化進程加速，污染物排放量剛性增長，而后續污水處理、再生水回用措施有所滯后。綜合來看GINIcom（由式（6）得出權重ω1=0.302、ω2=0.239、ω3=0.279、ω4=0.181）在研究時段內呈減小趨勢，區域用水公平性處于“相對合理”區間。

4 結 語

（1）通過將2007年與2016年對比分析，發現河南省農業、工業、生活與環境綜合用水結構的空間分布趨于更加均衡。農業用水比例差異性不斷縮小，基尼系數處于“非常公平”區間;工業、生活與環境綜合用水比例差異性略有減小，基尼系數處于“相對合理”區間。區域內用水結構趨于均衡，將有利于保障糧食安全、經濟協同發展、人居環境改善。

（2）采用構建的區域用水公平性量化模型，分析了2007—2016年河南省經濟、人口、資源、環境與用水量之間的公平性演變趨勢?？傮w而言，在研究期內GINIeco有微小波動，表現出先進節水技術從發達地區向欠發達地區推廣的延遲效應;GINIpop有所下降，說明地市間人均用水量逐漸接近，用水公平性不斷提高;GINIres受天然來水及水資源稟賦條件影響呈現出波動性及較大的地區差異性;GINIenv有所上升可能由污染物排放量剛性增長、后續污水處理及再生水回用措施滯后所導致;綜合系數GINIcom在研究時段內處于“相對合理”區間，地市間用水公平性良性演進。

（3）研究時段內河南省用水結構及用水公平性空間分布態勢良好，但仍存在生態環境用水占比較低、污水排放量較大、水資源量與用水量不協調等問題。隨著今后生態文明的持續推進，各地市必須對生態用水給予足夠的重視，保護和改善水環境，提升污水回用率。同時，未來在規劃工作中應充分考慮區域經濟產業用水特點和水資源稟賦條件，適時推動全省“南北互濟、東西相通”的現代水網構建。

（4）本文僅采用基尼系數的相關方法分析了地市間用水結構及公平性的演變規律，在基尼系數標準劃分、不同年代際間的用水公平性、用水公平性機理等方面都有待于今后進一步研究。

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【責任編輯 張華興】