基于區位熵和基尼系數的長江下游典型城市用水結構分析

吳澤雄 張海明 孟令鵬 樊 靜 張藝銘

（1.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局 泰州 225300 2.江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局 宿遷 223800）

泰州市位于江蘇省中部，區域內河網分布較為密集，雖然過境水資源相對豐富，但受地理位置、人口等因素影響，仍屬于資源型缺水城市。研究泰州市水資源利用的空間分布特征和用水結構的演變對進一步提高用水效率、優化用水結構、改善地區生態環境具有重要的意義。本文以洛倫茲曲線、區位熵和基尼系數理論為基礎，通過對泰州市水資源利用結構整體性趨勢及時空分布均衡性進行分析研究，為協調長江中下游城市區域用水結構和產業結構規劃提供了科學依據，對優化水資源配置，實現用水效益最大化等具有重要意義。

1 研究方法

1.1 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線數學表達式如下：

式中：L(y)為洛倫茲曲線方程式；F(x)為有序個體的累積分布函數；μ 為一個均值。

不同研究對象的累積曲線y=f(x)和絕對平均線y=x 距離的大小表示研究對象空間分配的均衡程度，即距離絕對平均線y=x 越遠，研究對象的空間分配差距越大，相反空間分配越均衡。

1.2 區位熵

計算出各區域某種用水的區位熵，是繪制洛倫茲曲線的前提條件。本文中區位熵為各研究區域各類用水累積百分比與總用水累積百分比的比值，即洛倫茲曲線中的斜率大小，區位熵表達式如下：

式中：LQ 為區位熵；Qin為i 區域第n 種類型產業的用水量；Qn為泰州市第n 種類型產業的總用水量；Qi為i 區域總用水量；Q 為泰州市總用水量。

1.3 基尼系數

區域用水空間均衡分布情況雖然可以通過洛倫茲曲線來直觀地表示，但是洛倫茲曲線并不能滿足區域用水空間均衡分布定量分析的需要。在洛倫茲曲線的基礎上，通過計算基尼系數，可定量描述各行業用水的區域空間分布情況。水資源在自然界中的分布存在著非常明顯的不平衡性特征，利用基尼系數能夠較好地描述水資源的匹配程度。其數學計算公式為：

式中：G 為基尼系數；f（x）為洛倫茲方程式。G 越小，表示要素越均衡，G 越大，表示要素越不均衡。本次評價分析采用國際公認的評價區間劃分標準，基尼系數評價結果如表1 所示。

表1 基尼系數評價結果表

2 泰州市用水結構分析

2.1 泰州市用水結構的演變

以泰州市2012—2019年水資源公報為基礎資料進行分析，2012—2019年泰州市總用水量整體呈下降趨勢。農田灌溉和林牧漁畜用水量逐年下降，占總用水量的比例也逐年下降。生活用水總量不斷增加，占總用水量的比例也不斷增加。工業用水量并無明顯增加，但由于總用水量逐年下降，工業用水量在用水總量中的占比呈上升趨勢。

2012年起泰州市秉承大水利理念打造泰州生態之城，生態環境用水量2019年比2012年增加近一倍，在用水總量中的占比也增加了一倍，雖然生態環境用水量的增幅較大，但總量依然很低。

2.2 用水結構整體趨勢性

泰州市2014—2019年各類用水洛倫茲曲線如圖1 所示，2014—2019年工業用水的空間分布情況有較明顯的增長，農田灌溉用水基尼系數波動較小，而其他類型用水的空間分布狀況則均呈一定的下降趨勢。工業用水在向部分地區集中，地區間差異程度呈擴大趨勢；生活用水的空間分布差異性降低；生態環境用水的空間分布更加均衡。

圖1 泰州市不同類型用水的洛倫茲曲線構成圖

表2 對泰州市2014—2019年各類用水的基尼系數進行了計算匯總，統計結果顯示，泰州市工業用水空間分布差異程度呈現出逐年擴大趨勢，生態環境、林牧漁畜和生活用水空間分布差異程度呈現出縮小趨勢。

表2 泰州市2014—2019年不同類型用水基尼系數及評價結果統計表

2.3 用水結構空間均衡性

以《泰州市水資源公報（2019）》等為基礎資料，對2019年泰州市7個行政區進行用水結構均衡分析，對5 類用水空間均衡分布情況進行統計，并繪制泰州市2019年不同類型用水洛倫茲曲線圖，結果如圖2 所示。

通過分析圖2 中的洛倫茲曲線可知，不同類型用水空間分布存在著差異。借助洛倫茲曲線可以對不同類型用水空間分布情況有直觀地了解，缺點是無法滿足定量分析的需求。

2.4 均衡差異程度

泰州市區域用水需求量比較大，其中需求量較高的主要是工業用水、生活用水以及生態環境用水。為了進一步了解泰州市各行政區用水量空間分布均衡程度差異的原因，將各種類型用水量的區位熵按行政區進行計算，2019年泰州市不同類型用水區位熵數值統計表如表3 所示。

表3 2019年泰州市不同類型用水區位熵數值統計表

農田灌溉用水在不同用水類型中表現最為均衡，除興化市、姜堰區、泰興市外，泰州市其他行政區的區位熵均小于1.0，建議興化市、姜堰區、泰興市進一步調整農作物種植結構、繼續推廣節水灌溉，以減少灌溉用水需求，提高農業用水效率。

林牧漁畜用水方面，海陵區的林牧漁畜用水區位熵最高為1.88，這是海陵區積極推進林牧漁畜產業快速發展的體現。

工業用水方面，醫藥高新區區位熵最高為4.52，遠高于其他行政區，建議醫藥高新區進一步提高工業節水水平，同時優化產業結構。

生活用水方面，海陵區、高新區生活用水比例較高，生活用水區位熵分別為2.39 和2.72，遠超出其他區域，建議海陵區、高新區積極倡導科學節水，大力推廣生活節水器具，進一步提高生活用水效率。

生態環境用水方面，高新區生態環境用水區位熵最高為2.73，是生態環境用水區位熵最低值姜堰區0.38 的2.63 倍。建議各行政區切實加強對生態環境保護的意識，采取更為有效的環境整治措施，以期實現各行政區生態環境、社會和經濟的均衡發展。

通過對泰州市2019年用水結構的空間分布均衡程度和專門化程度的研究，能夠直觀地了解泰州市不同類型用水現狀年下的空間分布情況。相應部門在做產業結構布局和水資源優化配置時，應進一步加強用水管理監督，充分考慮各行政區的用水情況，提高水資源利用效率，優化用水結構，更加重視生態用水，以實現泰州市水資源利用效益最大化。

3 結論

（1）泰州市總用水量整體呈下降趨勢，主要原因是農田灌溉和林牧漁畜用水量逐年下降。

（2）泰州市用水結構比例相對穩定，農田灌溉用水空間分布較為均衡，隨著時間變化，林牧漁畜、生活和生態環境用水空間差異程度呈現出縮小態勢，工業用水空間差異程度呈現出逐步擴大態勢。

（3）泰州市用水結構比例分配存在一定差異，但各類用水空間分布較為均衡。

（4）泰州市各行政區均衡差異性表明，各行政區在水資源條件、水資源利用特點、功能規劃、社會經濟情況及產業結構等方面均存在差異性，各行業用水側重點也不同。

（5）通過計算所得區位熵、基尼系數及所繪制的洛倫茲曲線，本文較為清晰地揭示了泰州市2014—2019年各類型用水空間分布變化特點，提出了進一步優化水資源配置和提高用水效益的建議，有助于泰州市在落實最嚴格水資源管理制度和保持社會經濟發展的過程中，因地制宜調整產業結構，實現水資源的可持續利用■