黃河流域經濟社會用水公平性評價研究

王 煜，武 見，王 婷，明廣輝，鄭小康，周翔南，王威浩

（1. 水利部黃河水利委員會，河南 鄭州 450003； 2. 黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 4500033；3. 天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津 300170； 4. 中國水利水電科學研究院水環境所，北京 100038）

0 引 言

強調公平是資源可持續發展的重要內容，包含代際之間時間上的公平性和代內之間空間上的公平性［1-5］。水作為公共基礎資源，公平性是水權的根本要求，是水資源高效利用和經濟社會高質量發展的重要保障［6， 7］。對于跨界或跨區域河流的用水公平性，由于涉及沿河兩岸的不同區域，存在上下游、左右岸、不同行政區之間的用水公平性問題，流域用水公平性是流域水資源均衡配置的根本保證，也是實現水資源可持續利用的核心［8］。在流域水資源配置中，公平性原則應以滿足不同區域、不同時期、不同經濟發展水平、不同科技水平下的不同社會階層對水資源的需求為目標［9］。

水資源利用的公平性常用缺水率、滿意度、人均耗水量趨近、飲用水得到完全保障等指標進行衡量［7， 10］。當用來比較不同區域或流域的用水公平性時，常用的數學工具是基尼系數?；嵯禂狄话愠Ｓ脕砗饬渴杖敕峙涞牟町悹顩r，其實質是量化分布均勻度的評價工具［11］。因此，基尼系數被引進用于區域或流域用水公平性的評價［12-15］。以往研究常用流域或者區域總用水量與多個經濟、社會、環境因子如GDP、人口、水資源量、排污量等計算綜合基尼系數，不能反映流域內不同行業用水公平性［16］。由于不同行業用水主體、過程和機理的不同，不同省區間用水公平性差別很大。例如，農業用水主要是作物蒸散發過程，受到氣候、土壤、作物種類、管理措施等多種因素的影響［17］，不同地區灌溉定額差異較大，寧蒙灌區的灌溉定額比陜西關中地區高出較多［7］；工業用水主要受到工業產品、生產工藝的影響，火電行業主要是冷卻用水，產品耗水量較少，煤化工等高耗水行業耗水量相對較大，受不同地區的影響較??；生活和城鎮公共用水主要是滿足人的用水需求，剛性用水需求相差不大，主要是不同發展水平地區的彈性需水差異［18-20］。本文考慮不同行業用水主體和用水機理不同，綜合考慮流域不同行業用水公平性，提出流域綜合基尼系數來表達流域用水公平。

黃河流域生態保護和高質量發展成為重大國家戰略，新時期黃河流域水資源安全保障提出了更高要求，亟需結合流域經濟社會發展和用水變化情況，評估流域用水公平狀況，分析用水公平性的主要影響因素，為提高流域水資源集約節約水平和合理配置提供支撐。因此，以黃河流域為例，研究1980～2020年黃河流域省區間不同行業和流域整體用水公平性，分析其影響因素，探究基尼系數的變化規律，提出提升流域用水公平的方向建議。

1 研究范圍和基本數據

1.1 研究范圍

黃河流域是我國水資源問題最為突出的區域之一，流域內水少沙多、水資源總量不足、供需矛盾尖銳、水生態環境問題長期存在。流域人均水資源量為全國的23%，單位面積水資源量不足全國的15%。以占全國2%的水資源量，承擔著全國15%的耕地面積和12%人口的供水任務，同時還向流域外供水約100 億m3。近年來在變化環境的影響下，黃河流域水資源量持續減少、用水需求不斷增長導致供需失衡進一步加劇，尤其是不同省區之間用水的競爭性越來越強烈［21］。黃河流域生態保護和高質量發展成為重大國家戰略，新時期黃河流域水資源安全保障提出了更高要求，亟需提高流域用水公平性。本文以黃河流域為例，以流域內9省區為評價對象，評價黃河流域經濟社會用水公平性。

1.2 基本數據

研究的基本數據包括1980-2020 年流域內不同省區人口、灌溉面積、產業增加值等經濟社會數據和不同行業用水量數據。

1.2.1 流域經濟社會發展

流域社會經濟數據來源于流域各省區及縣域統計年鑒，按照流域范圍進行統計分析。選取每5 年一個節點，對1980-2020年黃河流域人口、工業增加值、建筑業和第三產業增加值、農田有效灌溉面積等經濟社會指標進行分析。如表1 和圖1所示。

表1 黃河流域經濟社會發展指標表Tab.1 Table of economic and social development indicators for Yellow River basin

圖1 1980-2020年黃河流域經濟社會相關指標變化Fig.1 Variations of economic and social indicators value in the Yellow River Basin from 1980 to 2020

總人口。1980 年以來呈直線增長，流域總人口從1980 年8 177 萬人增加到2020 年12 300 萬人，增長了約50%，2000 年以來增長率有所降低。

工業增加值。40 a 來持續增長，從1980 年的152 億元增加到2020年的27 526 億元，增長了180倍，2010-2020年增長速度有所放緩。

建筑業和第三產業增加值。40 a 來呈指數型增加，從1980年的178 億元增加到2020 年的42 157 億元，增長了235 倍，2015年開始超過了工業增加值。

農田有效灌溉面積。整體上呈增加態勢，從1980 年的433萬hm2增加到2020 年的568 萬hm2，增長了31%。2005 年以來增長速度較為緩慢，2020年較2015年有所降低。

1.2.2 流域不同行業用水量

流域不同行業用水量數據來源于《黃河流域水資源公報》。共統計了1980-2020 年每5 年黃河流域9 省區的居民生活、工業、城鎮公共和農田灌溉4個行業的用水量。

生活用水量。整體上呈緩慢增加態勢，從1980 年的17 億m3增加到2020年48 億m3，增長了近2倍。其中，2005年較2000年有所下降。

工業用水量。1980-2010 年持續增加，從27 億m3增長到63 億m3，增長了1.3 倍。2010 年后開始下降，降低到2020 年的51 億m3，降低了20%。

城鎮公共用水量。40 a 來城鎮公共用水量持續增加。從1980年的1.2 億m3增加到13.6 億m3，增長了10倍。

農田灌溉用水量。整體上呈緩慢下降到趨于平穩的態勢，從1980 年的291 億m3下降到2020 年的266 億m3，減少了8%。2010年之后較為平穩。

流域總用水量。整體上呈先上升后趨于平穩的態勢，從1980 年的336 億m3增加到2000 年的396 億m3，增長了18%，又下降到2020年的372 億m3，減少了6%。

隨著經濟社會發展，流域用水結構發生顯著變化（圖2），生活用水比例從1980 年的5.1%增長至13.9%，工業用水比例從7.9%增長至2020 年的11.0%，城鎮公共用水比例從不到1%增長到4%，農業用水比例從1980 年的87.0%降低至2020 年的69.6%。

圖2 1980-2020年黃河流域用水量和用水比例變化Fig.2 Variations of water consumption and water proportion in the Yellow River Basin from 1980 to 2020

2 研究方法

2.1 基尼系數和洛倫茲曲線

為定量評價平等程度，赫希曼構造了一個用于測定收入分配差異程度的統計指標——基尼系數，其值在0～1 之間。基尼系數在0.2以下，表示分配“高度平均”或“絕對平均”；0.2～0.3之間表示“相對平均”；0.3～0.4之間表示“比較合理”；0.4～0.5為“差距偏大”；0.5 以上為“高度不平均”［14］?；嵯禂悼梢酝ㄟ^洛倫茲曲線圖中絕對平等線與洛倫茲曲線之間的陰影面積SA與絕對平等線與橫坐標圍成的三角形面積（SA+SB）之比來表示［11］（圖3）：

圖3 洛倫茲曲線示意圖Fig.3 Schematic diagram of Lorenz curve

基尼系數的求解采用梯形面積法，即把洛倫茲曲線下方的面積近似當作若干梯形進行計算，計算公式為［13，22］：

式中：Xi為分行業用水關鍵影響因子的累計百分比，%；Yi為分行業用水量的累計百分比，%；i為流域不同省區，且當i＝1 時，（Xi-1，Yi-1）視為（0，0）。

2.2 行業用水公平性評價方法

從影響用水量的社會經濟發展、水資源自然稟賦等因素出發，考慮因素的量化和數據的可獲得性，本研究選取人口、工業增加值、建筑業和第三產業增加值、農田有效灌溉面積等作為生活、工業、城鎮公共和農業用水量公平性的評估指標。

2.2.1 生活用水公平性

人口增長對生活用水量的增長具有較大的貢獻［23］。不同區域生活用水量～人口的基尼系數可以反映不同區域人均生活用水量的差異，用來表示不同區域生活用水的公平性。

式中：G1為流域生活用水基尼系數；n為某一時間節點，一般為某一年份；Pi為人口的累計百分比，%；Di為生活用水量的累計百分比，%；i為流域不同省區，且當i＝1 時，（Xi-1，Yi-1）視為（0，0）。

2.2.2 工業用水公平性

不同區域工業用水和工業增加值的基尼系數可以反映不同區域工業用水的差異，可以用來表示工業用水的公平性。

式中：G2為流域工業用水基尼系數；n為某一時間節點，一般為某一年份；IDi為工業增加值的累計百分比，%；MIi為工業用水量的累計百分比，%；i為流域不同省區，且當i＝1 時，（Xi-1，Yi-1）視為（0，0）。

2.2.3 城鎮公共用水公平性

不同區域建筑業和第三產業增加值與城鎮公共用水的基尼系數，可以用來表示不同區域城鎮公共用水的公平性。

式中：G3為流域城鎮公共用水基尼系數；n為某一時間節點，一般為某一年份；CTi為建筑業和第三產業增加值的累計百分比，%；UPi為城鎮公共用水量的累計百分比，%；i為流域不同省區，且當i＝1時，（Xi-1，Yi-1）視為（0，0）。

2.2.4 農業用水公平性

農田灌溉用水占農業用水量一般為70%～80%，本次研究用農田灌溉用水公平性代表農業用水公平性。黃河流域上中下游氣象條件差別大［24］，考慮區域有效降水量對農田灌溉的影響，將農田灌溉用水量加上當地有效降水量作為農田實際用水量，采用農田實際用水量與有效灌溉面積的基尼系數反映不同區域農田實際用水量的差異，用來表示農業用水的公平性。

式中：G4為流域農田灌溉用水基尼系數；n為某一時間節點，一般為某一年份；Ai為農田有效灌溉面積的累計百分比，%；（AG+R）i為農田實際用水量的累計百分比，%，其中AG為農田灌溉用水量，R為有效降雨量；i為流域不同省區，且當i＝1 時，（Xi-1，Yi-1）視為（0，0）。

2.3 流域經濟社會用水公平性綜合評價

通過以上分析，流域省區間不同行業用水具有不同的基尼系數和公平性。為了反映整個流域用水公平性，綜合考慮不同行業指標對用水量公平性影響的重要性，采用多因子綜合基尼系數法，計算公式如下：

式中：G為流域經濟社會用水綜合基尼系數；G1、G2、G3、G4分別為生活、工業、城鎮公共和農業用水的基尼系數；λ1、λ2、λ3、λ4為權重，表示生活、工業、城鎮公共和農業用水分配公平性對流域總用水分配公平性影響的重要程度，分別取各行業用水量占流域經濟社會用水量的比例。

流域總用水量W為各行業用水量的和：

則生活、工業、城鎮公共和農業用水占流域總用水量的比例為：

3 結果和討論

3.1 流域用水公平性變化

生活用水公平性。1980-2020 年生活用水基尼系數為0.09～0.17，說明流域生活用水屬于“高度公平”。40 a 間生活用水基尼系數有一定波動，但是總體呈持續下降趨勢，用水公平性得到不斷提高。變化的主要原因是黃河流域各省區生活用水定額差距較小，且40 a來差距進一步縮小。

工業用水公平性。1980-2020 年工業用水基尼系數為0.14～0.27，說明工業用水屬于“相對公平”（僅1980 年為0.14 屬于高度公平）。40 a期間工業用水基尼系數先上升后下降，用水公平性先降低再提高。其中，1980-2005年用水公平性下降，主要是由于流域不同省區工業用水定額差距加大，如寧蒙能源化工產業發展迅速且用水定額較高。2005年以來，工業節水水平提高，工業用水定額差距不斷縮小，用水公平性有所提高。

城鎮公共用水公平性。1980-2020年城鎮公共用水基尼系數為0.10～0.25，前30 a（2010 年之前）基尼系數小于0.2，后10 a（2010 年以后）基尼系數大于0.2，說明城鎮公共用水公平性從“高度公平”轉變為“相對公平”。城鎮公共用水的基尼系數2000年以來持續增加，反映了不同省區第三產業用水定額差異持續加大，這是由于不同省區經濟發展水平尤其是第三產業的發展水平差異較大，省區間第三產業門類多樣，用水定額差別較大，使得城鎮公共用水基尼系數增大，用水公平性下降。

農業用水公平性。1980-2020 年農業用水基尼系數為0.16～0.25，總體上處于下降態勢，用水公平性逐步提高，從“相對公平”向“高度公平”轉變，2020 年用水公平性達到最大。流域農田實際用水基尼系數逐年下降，反映了考慮有效降雨的各省區間農田實際用水定額的差距減小，主要因為農業節水不斷增強，流域農田灌溉水利用效率得到提高，降低了省區灌溉定額的差距。

流域經濟社會用水公平性。1980-2020年流域經濟社會用水綜合基尼系數為0.16～0.24，其中1980 年為0.21、2020 年為0.16，總體上處于下降態勢，說明流域經濟社會用水公平性逐步提高，已經從“相對公平”轉變為“高度公平”。從分行業用水公平性來看，由于流域來水持續減少，剛性用水增加，不同區域和行業用水競爭加劇，工業和城鎮公共用水公平性下降，尤其是城鎮公共用水公平性下降較為明顯。

對比以上4 種用水行業基尼系數40 a 年際變化（圖4）可以看出，整體上工業用水的基尼系數最大，其次為農田灌溉用水、城鎮公共用水和生活用水，反映出生活用水公平性最高，工業用水的公平性最低，農田灌溉和城鎮公共用水公平性居中。不同行業用水量和產業規模之間的基尼系數一定程度上反映了不同省區之間定額的差異。不同省區能源資源稟賦不同、工業產業門類差別較大，黃河流域不同省區間工業用水定額差異較大，用水公平性較低［25］。生活用水定額在不同省區間差異較小，用水公平性最高。隨著流域農業節水水平提高，考慮有效降雨的農田實際用水量差異變小，農田灌溉用水公平性提高。不同省區間第三產業發展水平差距逐漸拉大，城鎮公共用水公平性有所降低。

圖4 1980-2020年黃河流域分行業用水綜合基尼系數變化Fig.4 Variations of water use Gini coefficient in different industries and composite Gini coefficient in the Yellow River Basin from 1980 to 2020

3.2 統一調度前后用水公平性對比

流域水資源管理對于協調省區間的用水矛盾和提高流域用水公平性具有重要作用，自1999 年黃河實行水量統一調度，本次選擇統一調度前的1995 年和統一調度后2005 年兩個典型年份，對生活、工業、城鎮公共和農田灌溉用水的洛倫茲曲線進行對比分析，比較統一調度前后黃河流域不同行業用水基尼系數和公平性。

1995 年黃河流域生活、農田灌溉、工業和城鎮公共用水的基尼系數分別為0.1、0.23、0.25 和0.1，生活用水和城鎮公共用水為“絕對平均”，農田灌溉、工業用水為“相對平均”，其中，生活用水和城鎮公共用水的公平性最高，工業用水公平性最低，農田灌溉用水公平性居中。

2005 年黃河流域生活、農田灌溉、工業和城鎮公共用水的基尼系數分別為0.13、0.21、0.27 和0.17。生活用水基尼系數為0.13，為“絕對平均”，略高于1995 年數據0.10，說明生活用水公平性有所下降。農田灌溉用水基尼系數為0.21，為“相對平均”，略低于1995年數據0.23，說明農田灌溉用水公平性有所提高。工業用水基尼系數為0.27，為“相對平均”，略高于1995 年數據0.25，說明工業用水公平性有所降低。城鎮公共用水基尼系數為0.17，為“絕對平均”，高于1995 年數據0.10，說明城鎮公共用水公平性有一定程度下降。

1995 年和2005 年對比分析，統一調度之后農業用水基尼系數略有下降，生活、工業和城鎮公共用水基尼系數均有增加，說明統一調度后農業用水公平性升高，但生活、工業和城鎮公共用水的公平性下降。其中，城鎮公共用水基尼系數升高最大，2005 年的城鎮公共用水基尼系數已經超過了生活用水，城鎮公共用水的公平性下降較快。這是因為黃河水量統一調度及管理有效控制了流域用水總量快速增長，按照黃河“八七”分水方案協調了各省用水總量，促進了節水水平和水資源利用效率提高［26，27］。其中作為第一用水大戶的農業用水總量減少，用水效率逐步提高，省區間灌溉定額差距縮小，農業用水基尼系數減少；而生活、工業和城鎮公共用水量大幅增加，在發展過程中各省區生活用水水平、產業發展特征和速度的差異性進一步拉大，各省區之間用水定額差異加大，用水基尼系數增加。

4 展 望

隨著黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略深入推進，流域水資源安全保障和用水公平性也有更高的要求。今后要加快流域各省區經濟社會高質量發展，逐步解決流域內部發展不充分和不平衡問題，加強流域水資源統一調配和水資源集約節約利用。加強工業和城鎮公共用水科學管理，開展用水總量和強度雙控，提升工業和城鎮公共用水利用效率，提高其用水公平性。實施跨流域調水解決黃河流域水資源短缺問題，要重視調入水量分配的公平性研究，統籌用水的公平性和經濟效益開展流域水資源均衡配置，發揮重大調水工程基礎性和公益性功能。

5 結 論

（1）針對流域用水公平性評價對行業用水公平性考慮不足的問題，提出基于不同行業多因子基尼系數的流域用水公平性評價方法，并應用于黃河流域近40 a 來不同行業和流域整體用水公平性的評價。

（2）1980-2020 年流域經濟社會用水綜合基尼系數為0.16～0.25，其中1980 年為0.21、2020 年為0.16，總體上處于下降態勢，說明流域經濟社會用水公平性逐步提高，已經從“相對平均”轉變為“高度平均”。從分行業用水公平性來看，工業和城鎮公共用水公平性下降，尤其是城鎮公共用水公平性下降較為明顯。 “八七” 分水方案以及黃河水資源管理實踐對流域用水公平性的提高起到了重要作用。

（3）流域不同行業用水公平性的差異歸根結底是資源稟賦、用水機理和用水定額的不同。黃河流域用水公平性主要受到農田灌溉用水公平性的影響，隨著流域水資源統一管理和農田灌溉用水效率的提高，黃河流域用水公平性是逐漸提高的。但工業和城鎮公共用水的公平性有所降低，未來需要進一步提高工業、建筑業和第三產業的節水水平，合理降低省區之間定額差異。