滇池流域水資源空間均衡研究

陳 晨，趙 楊，張劉東，李京東，廖 悅，費鑫鑫

(云南農業大學 水利學院, 云南 昆明 650201)

水資源開發與保護是水利事業的重要環節,關系到經濟社會發展、生態環境的保護與可持續發展[1]，水資源空間分布不均對經濟社會發展、生態環境保護等各方面都有極大的影響，分析評價城市的水資源均衡對一個城市的發展至關重要。昆明市是云南省省會，滇中城市群中心城市，屬于北亞熱帶低緯高原山地季風氣候，滇池流域是全云南省乃至全國水資源嚴重緊缺的地區，人均水資源量不足300 m3[2]。因此，研究分析滇池流域水資源空間均衡具有代表性，同時有助于為滇池流域未來發展的用水領域提供展望和依據。因此在滇池流域對水資源空間均衡進行合理分析，協調好水與經濟社會發展與生態環境之間的關系，對昆明市現階段社會的可持續發展意義重大。目前，我國對水資源空間均衡研究的文獻主要還集中在理論方面，例如酈建強等[3]認為水資源空間均衡方法的研究可以解決我國現代治水實踐中的空間不均衡問題。左其亭等[4]對空間均衡研究進行梳理和分析總結歸納出水資源空間均衡理論的研究方法和應用框架。河海大學的朱彩琳等[5]通過將空間均衡的函數和約束添加到傳統的水資源配置模型，于2018年成功地計算出了鹽城市沿海地區2020年75%保證率下的水資源配置結果。亢曉龍等[6]通過對河南鄭州及洛陽的水資源總量、人口數量、以及GDP等指標數據，基于不平衡指數分析出鄭州洛陽兩市水資源空間分布不均衡的現狀。

1 數據來源

本文所用的經濟社會數據來源于《昆明市統計年鑒》(2011—2016) ，水資源數據(萬元GDP用水量)來源于《昆明市水資源公報》(2011—2017)，流域氣象數據(年降水量) (昆明站) 來源于中國氣象數據網，子區域的資料來自于昆明市統計局官網。

2 研究方法

水資源空間均衡，就是指水資源在空間分布、經濟社會空間布局和生態環境空間功能所存在的平衡狀態。研究分析某個地區的水資源空間均衡不能從單一的角度入手，應當綜合考慮該地區的水資源的壓力、水土資源匹配度和用水效益三個方面。力求水資源壓力較小，水土資源匹配度較高，用水效益越大，這樣才有利于達到社會協調發展的目標。

2.1 水資源負載指數

水資源負載指數用于反映水資源的分布和開發的情況。為一個地區水資源的開采利用是否合理提供參考[7]。水資源負載指數的計算公式為：

(1)

式中：C為水資源負載指數；K為降水系數；R為人口，萬人；Z為GDP，億元；W為水資源總量，億m3。

降水系數與降水量有關，具體關系和公式如下：

(2)

式中：P代表全年降雨量，mm。

通過查詢昆明站的降雨量可知，滇池流域近期全年降雨量為1 055.7 mm，由此可以得到K=0.636 075。滇池流域總人口為404.65萬人，GDP為3 799.87億元人民幣，通過查閱水資源公報可知滇池流域水資源總量12.04億m3，因此可以算出C=65.51。由水資源負載指數分級(見表1)[8]可知，滇池流域的水資源負載指數遠大于10，因此水資源已經高度開發，繼續開發潛力很小，需要通過外部調水來緩解用水緊張。同時也可以充分使用發展過程中產生的再生水以實現城市水資源的合理配置，以滿足水資源永續利用和生態平衡的需要[9]。

表1 水資源負載指數分級

2.2 水土資源匹配系數

通常用水土資源匹配系數來表示水土資源的匹配情況，水土資源匹配系數代表了特定區域農業生產所擁有的水資源與耕地資源在時空上的匹配程度[10]，表現形式為每公頃土地占有的水資源量。水土資源匹配系數的大小與區域水資源的豐富程度有關：越大則表示水資源充沛，可以高程度地滿足農業生產活動；越小則表示水資源相對缺乏，不能滿足農業生產生活用水，不利于發展農業。

水土資源匹配系數的計算公式為：

(3)

式中:δ代表水土資源匹配系數，萬m3/hm2；S代表耕地面積，hm2；W代表水資源總量，億m3。

通過查閱相關數據，滇池流域耕地面積為29 296.8 hm2。因此δ=4.11萬 m3/hm2。

2.3 用水效益系數

所謂的用水效益系數直觀反映了社會用水效益的高低，反映了該地區經濟水平的高低。提升節約用水意識，大力發展高效用水技術是實現水資源可持續利用、創造更高經濟價值的必由之路。

通常習慣用單位立方米的用水所創造出的GDP來衡量一個地區的用水效益，其計算公式為：

(4)

式中:Zw表示用水效益，元/m3；Z表示GDP，億元；Ws代表供水量，億m3。

通過查閱昆明市的統計資料可知，滇池流域每產生1萬元GDP將會用水37 m3，因此可以算出，Zw=270.27元/m3。

2.4 基尼系數

基尼系數來源于經濟學，起初是用來衡量居民收入差距的，現在通常用來分析和比較研究對象的總體匹配程度。利用基尼系數分析水資源分配問題也是當今水資源研究的熱點問題之一，如：李建芳等[11]選取區域常住人口、耕地播種面積、生產總值、區域水資源總量等指標分析出惠州市水資源分配的公平性水平。基尼系數通常把0.40作為差距的分界線，高于0.40表示差距過大，低于0.40則表示差距正常。參考其他研究者的簡便計算方法[12]，即：

(5)

式中：G代表基尼系數；yi表示每個指標從第1組到第i組的總和所占的全部總量的百分比；n表示將數據劃分為n組。

2.5 水資源空間均衡系數

水資源空間均衡系數表示水資源分布的均衡程度，范圍在0～1之間，越大表示越均衡, 越小則表示越不均衡[13]。其計算方法為：

(6)

式中：D表示水資源空間均衡系數；X表示系統協調度；Y表示系統綜合評價指標；Ij主要指水資源承載系數、水土資源匹配系數和用水效益系數的基尼系數；m表示指標個數m=3；αj為各項指標權重，滿足∑αj=1。

基于算出的水資源空間均衡系數，一般可以劃分為5個等級，見表2。

表2 空間均衡指數等級劃分[8]

基于這個等級劃分，即可對地區水資源空間均衡作出相應的評估，對該地區水資源的合理開發利用作出合理的展望。

3 計算結果

計算昆明市滇池流域各子區的水資源負載指數、水土資源匹配指數和用水效益指數，如表3所示。計算水資源空間均衡指數要確定水資源負載指數、水土資源匹配指數和用水效益指數的權重因子[14]，確定權重時結合層次分析法和經驗法[15]，最終將水資源負載指數占據的權重定為0.18，將水土資源匹配指數占據的權重定為0.69，將用水效益指數占據的權重定為0.13。滇池流域以及各子區域的水資源空間均衡指數計算成果見表3。計算結果結合表2，即可對滇池流域及各子區域的水資源均衡作出相應的評估分析。

表3 計算成果表

4 結果分析

從水資源負載指數可以看出昆明市主城區水資源壓力很大，開發利用狀況不與目前的經濟、人口相匹配，空間分布不均衡。主城區中，五華區和官渡區的GDP最高，同時，它們兩個子區域的水資源負載指數也最大，需通過外區域調水來緩解用水緊張。呈貢區作為新城區，GDP和人口居住量增加較快，呈貢區的水資源負載指數為73.14，已經超過了盤龍區和西山區屬于高度開發的范疇，繼續開發難度大，應合理規劃開發。晉寧縣水資源相對豐富，水資源負載指數為9.83，表明該區域的水資源還有一定的開發潛力，但是開發困難。總體來看，滇池流域的水資源負載指數遠大于10，表明水資源已經高度開發。其基尼系數大于0.40，表明滇池流域水資源的空間分布和開采使用的差距較大，并且已經高度開采，只有西南部的晉寧縣還有一些開發的潛力。水資源配置和利用中需注重水資源的管理，進行輸水調水，提高用水效率。

從水土資源匹配系數可以看出昆明市的水土資源匹配系數比較失衡。其中盤龍區、西山區和五華區的耕地相對較少，水資源相對比較豐富，因此水土資源匹配系數高于其他子區域。官渡區降雨量與前幾個區域相差較小，但耕地面積較大，因此水土資源匹配系數要低于盤龍區、西山區和五華區。呈貢新區的耕地面積與官渡區比較接近，但降雨量低于官渡區，水資源量的不足導致水土資源匹配系數偏低。晉寧縣城市化卻明顯低一些，耕地面積多于主城區和呈貢區。整個流域的基尼系數為0.40，表明整個研究區域的水土資源分配情況不合理。從各個子區域的分布情況來看，盤龍區和晉寧縣的基尼系數不低于0.40，屬于水土匹配失衡的地區。五華區、官渡區、西山區和呈貢區的基尼系數是小于警戒線0.40的，屬于比較均衡的地區，匹配度最好的是呈貢區。由于所占的權重較高，流域內水土資源匹配性的好壞是評價該區域水資源均衡的一個很重要的因素。

從用水效益系數可以看出研究區域內用水效益較高。其中，官渡區和五華區是經濟發展最好的兩個區域，單方水產值更高。西山區、盤龍區和呈貢新區單方水GDP產值差別不大。主城區和呈貢區用水效益遠遠大于晉寧縣，表明了以第二、三產業為主要經濟構成的區域大于第二、三產業相對薄弱的區域。用水效益的基尼系數大于警戒線0.40，研究區域昆明城區的用水效益比較失衡，大部分誤差來自第二、三產業相對薄弱的晉寧縣。用水效益和經濟發展有一定聯系，但各區域之間用水效益差距的大小才是影響用水效益均衡的因素。

通過加權后的水資源負載指數、水土資源匹配指數和用水效益指數的基尼系數，得到滇池流域的水資源空間均衡指數為0.45，研究區域的水資源空間均衡指數等級狀態屬于一般失衡狀態。對比國內其它省市水資源空間均衡相關參數，發現研究區的水資源負載壓力已經遠遠超過了西南地區的水資源壓力。因此，滇池流域應當合理開發利用水資源，提前規劃引水調水，提高用水效益。

5 結 論

本文基于滇池流域和各子區域的水資源負載指數、水土資源匹配指數和用水效益指數的計算，分析研究對象水資源空間均衡。結果表明，滇池流域存在著水資源失衡的現狀，造成水資源失衡的主要原因是各個子區域的水資源承載指數和用水效益不夠均衡，昆明市主城區和呈貢新區都出現了水資源高度開發利用的情況，水資源負載指數都遠大于10，基尼系數大于0.40，開發利用的差距較大。研究區流域的水土資源不匹配，基尼系數為0.40，水土資源分配情況不合理。研究區域內用水效益較高，用水效益的基尼系數大于0.40，區域用水效益不夠均衡。研究區域的水資源空間均衡指數等級狀態屬于一般失衡狀態，應當合理開發利用水資源，提高用水效益，推進可持續發展。