广州市用水结构空间均衡差异性分析

范嘉炜，黄锦林，袁明道，张旭辉，谭 彩

(1.广东省水利水电科学研究院大坝安全技术管理中心，广东 广州 510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635；3.广东省粤港澳大湾区水安全保障工程技术研究中心，广东 广州 510635)

随着社会经济的快速发展，合理利用水资源，实现水资源优化配置已变得刻不容缓[1-2]，“节水优先，空间均衡，系统治理，两手发力”十六字治水方针[3]表明，在新型产业化进程中，正确把控水资源和人口经济的关系是实现人与自然和谐共生的重要原则。目前，水资源空间分布不均导致区域经济无法均衡发展的问题逐渐引起国内众多水利学者的重视，为提出有效的解决方案，一些学者尝试将洛伦兹曲线、基尼系数等本属于经济学的概念应用于水资源的空间分配中，如魏寿煜等[4]以基尼系数理论为基础，建立了重庆市水资源与耕地、人口的空间匹配模型；刘欢等[5]利用洛伦兹曲线对郑州市不同类型用水的空间分布和变化特点做了分析探讨；冯颖等[6]以陕西省为研究对象，利用基尼系数理论对陕西省各市各类型用水的时空分布进行了分析；张洪波等[7]利用洛伦兹曲线和基尼系数模型分析了榆林市农业、工业、生活三类用水的空间分布情况；吴昊等[8]以南京市为例，分析了区域用水结构演变特征以及用水结构变化的驱动力因素；章恒全等[9]利用基尼系数分析了湖北省各市(区、州)的总用水量与水资源量的分布状况。

广州市过境水资源虽相对丰富，但本地水资源较少，加上社会经济发展迅速，导致广州市工农业等产业用水问题日益凸显，水资源总量不足、空间均衡性不足的问题已成为广州市社会经济进一步发展的阻碍[10]。为此，本文选取广州市2007—2017年各类用水数据对广州市用水结构的时空分布均衡性进行分析，以期为广州市各产业结构的水资源合理配置和有效利用提供参考。

1 研究方法

1.1 洛伦兹曲线

洛伦兹曲线由美国经济学家Lorrenz于20世纪初提出[11]，用来表征不同区域间收入和财富分配的不均匀性。随着社会经济不断发展和学科之间交叉融合，目前在多个研究领域得到了有效利用[7-11]。在洛伦兹曲线图中，纵、横坐标均为累积百分比，百分比含义由研究对象决定。不同研究对象的累积曲线y=f(x)与绝对平均线y=x距离的远近表明了研究对象空间分配的均衡程度，即距离y=x越近，研究对象的空间分配越均衡，越远空间分配差距越大。

1.2 区位熵

计算各区域的区位熵是得出洛伦兹曲线的关键步骤[12]。区位熵为各研究区域类用水累积百分比与总用水累积百分比的比值，即洛伦兹曲线中的斜率大小，可用以下公式表示：

(1)

式中：Lij为区位熵；Qij为i分区第j类用水量，m3；Qj为整个区域的第j类用水总量，m3；Qi为i分区各类用水总量，m3；Q为整个区域的各类用水总量，即总用水量，m3。

由式(1)可计算出各分区的区位熵，按区位熵从小到大分别列出各分区第j类用水量和各分区该年的总用水量，求出类用水和总用水的累积百分比，用两组累积百分比数据就可绘制成洛伦兹曲线。按Lij由小到大的顺序进行排列，每一个分区在洛伦兹曲线图中均概化为一点，将各点用平滑的曲线依次相连，斜率(即Lij)由小变大，自(0,0)始，至(1,1)终，形成凹型曲线。

1.3 基尼系数

洛伦兹曲线虽然可以直观地表现区域用水的空间均衡程度，却不能用于定量描述，尤其是当图中涉及多类用水时，面对多条凹型曲线，无法得出孰优孰劣的准确结论，因此引入基尼系数这一概念。基尼系数表示的是绝对平均线y=x与实际凹型曲线所围面积和绝对平均线下直角三角形面积的比值，它由意大利科学家基尼在1922年提出，并用于分析收入分配的均衡程度，如今基尼系数已广泛应用于城建、资源配置、土地利用等多个学科领域[13-17]，其计算公式为

(2)

式中：I为基尼系数；f(x)为洛伦兹曲线。本文x为总用水累积百分比，f(x)为类用水累积百分比。

然而实际洛伦兹曲线方程f(x)很难用精确的数学表达式表示，通常采取近似估算法估算。本文采用三角形面积法进行基尼系数估算：

(3)

式中：Mi、Mi+1分别为i、i+1分区总用水累积百分比；Pi、Pi+1分别为i、i+1分区类用水累积百分比；n为分区总数，本文整体趋势分析中n=7，即包括中心区、番禺区、南沙区、增城区、从化区、花都区、萝岗区7个区，均衡性及差异性分析考虑到新的行政区划问题，n=11，即荔湾区、越秀区、海珠区、天河区、白云区、番禺区、花都区、南沙区、黄埔区、增城区、从化区共11区。

本次评价分析采用国际上公认的评价区间划分标准[18-19]，即0

2 用水结构分析

(a) 农业用水

(b) 工业用水

(c) 居民生活用水

(d) 城镇公共用水

(e) 生态环境用水

表1 广州市典型年各类用水基尼系数及评价结果

2.1 整体趋势性

图1为广州市典型年各类用水洛伦兹曲线，可以看出，2007—2017年农业用水基尼系数并无明显变化，其余4类用水的空间分布情况均有较明显的增长。表1对广州市典型年各类用水的基尼系数进行了计算汇总，统计结果显示，增长幅度以2007—2013年最为显著：工业用水基尼系数从2007年的0.09增长至2013年的0.27；居民生活用水基尼系数从2011年的0.29增长至2013年的0.53；城镇公共用水基尼系数从2011年的0.30增长至2013年的0.58；生态环境用水基尼系数从2007年的0.23增长至2013年的0.60。巨大的基尼系数增幅使得评价结论直接从“相对合理”变为“差距悬殊”，可见自2007年起，广州市用水结构差异程度呈现出逐步扩大态势。

从表1的评价结果可以看到，虽然用水结构上仍存在着显著差异，但整体差异性未进一步扩大，且已有逐渐归于平稳的趋势性，其中居民生活、城镇公共用水基尼系数已开始逐步回落。这是由于近年来水资源不足与用水合理性问题日益凸显，各地区开始着手对各类用水实施统筹规划、合理利用和优化配置。

2.2 空间均衡性

以2017年为广州市用水现状年，进一步对市内11个行政区进行用水结构均衡分析。以《广州市水资源公报(2017)》《广州市统计年鉴(2017)》等为基础资料收集数据，对市内5类用水空间均衡分布情况进行统计分析，并绘制洛伦兹曲线图，结果见表2和图2。

表2 2017年广州市用水量统计

图2 2017年广州市各类用水空间均衡分布

由图2可以看出，在5类用水中，距离绝对平均线最近的是工业用水洛伦兹曲线，农业用水洛伦兹曲线也比较接近，居民生活、城镇公共、生态环境用水洛伦兹曲线距离绝对平均线较远，意味着空间分布差异明显。虽然洛伦兹曲线图可以直观地表现各类用水空间分布的均衡程度，但却无法对它们进行定量描述，因此本文借助基尼系数来进一步描述广州市各区不同类型用水的差异性，评价结果见表1。2017年广州市各区工业用水基尼系数为0.29，属于“比较平均”区间段；农业用水基尼系数为0.49，属于“差距较大”区间段；居民生活、城镇公共、生态环境用水基尼系数均大于0.5，属于“差距悬殊”区间段。

2.3 均衡差异性

广州市的区域用水结构比例差异较大，经济相对发达的地区农业用水比例较低，而城镇公共、生态环境等用水比例较高；经济发展程度一般的地区则相反，表现为农业用水比例较高，居民生活、城镇公共、生态环境用水比例较低。为了进一步探究造成广州市各区用水量空间均衡程度差异性的原因，将各类用水量的区位熵按区域进行计算，得到用水区位熵计算结果如表3所示。

表3 2017年广州市各类用水区位熵

由表3可知，工业用水在5类用水中均衡程度最优，除南沙区、黄埔区、增城区外，广州市其余区域区位熵均为1.0以下区间段，南沙区的工业用水区位熵为1.345，与其他区域的差距尚不明显，相比之下，黄埔区的工业用水区位熵高达1.714，为其余10区工业用水区位熵平均值的2.9倍，可见，广州工业用水虽表现为空间分布较为均衡，但实际上黄埔区与其他区域存在显著的差异，应当根据黄埔区实际情况，对传统工业产业实施绿色化改造，强化工业节水，同时对高耗水的企业开展用水效率评估，提升用水效率，实现清洁生产、循环利用。

农业用水方面，从化、花都、增城、白云区的农业用水比例较高，其中从化区的农业用水区位熵高达3.370，远超出其他区域，这是由于多年来，从化区依托优越的农业资源和区位优势，一直积极推进农业的快速发展，农业已成为区域建设中的主导产业，同时也是支撑从化区经济发展的重要基础。

居民生活、城镇公共、生态环境3类用水表现为向天河、海珠、越秀、荔湾等中心区域集中，且用水比例整体较高；而工、农业用水量在中心地区表现为用水比例偏低，且中心区域内部之间差异性较小。这是由于随着城市现代化发展的加快，天河、海珠、越秀区等逐渐成为广州市枢纽型的核心区域；而周边区域如南沙、增城等上述类型用水比例增加幅度较小，甚至有减小的趋势，由此造成地区间差异性日益显著。

考虑到目前中心区域发展形势较好，未来中心区域的居民生活、城镇公共、生态环境用水将保持逐年增加的态势，因此为保持区域水资源的可持续利用，对于居民生活、城镇公共用水，应加强节水理念的宣传，普及节水用水器具的应用，推进区域用水管网的升级改造；对于生态环境用水，应着力提高城市公共绿化、景观等回水利用率，以保障区域产业的协调发展。

总之，目前广州市用水结构差异性虽然得到了有效控制，空间均衡性趋于平稳发展，但仍有诸多问题亟待解决，这需要进一步加强用水结构的管理监督，以及对广州市社会经济和产业布局进行合理引导，实现水资源的利用最大化。

3 结 论

a. 广州市农业用水比例较高的区域为从化、花都、增城、白云区，其中从化的农业用水区位熵明显高于其他区域，农业用水空间分布的逐渐集中将进一步拉动农业产业带的发展完善，因此需结合实际制定合理的农业用水、节水制度，推进农业水利工程建设，持续改善农业用水的基础设施条件。

b. 工业用水在5类用水中均衡程度最优，表现为空间分布较为均衡，但实际上黄埔区、南沙区与其他区域存在较为显著的差异，其中黄埔区工业用水区位熵为其他区域工业用水平均区位熵的2.9倍，工业用水结构与其他区域差异巨大，将可能会引发一定的环境生态问题。

c. 为营造良好的市区形象，广州市加大了对天河、海珠、越秀、荔湾等中心区域的环境整治力度，使得居民生活、城镇公共、生态环境用水比例整体较高，工、农业用水比例相对较低且内部差异性较小。因此，应结合中心区域的用水结构特点，积极倡导科学节水，提高用水效率，保障各区域、各产业的协调可持续发展。

d. 总体来讲，广州市用水结构比例分配存在较大差异，空间分配不够均衡，绝大部分已超过设定的警戒线值，应当引起足够重视，以防止对将来社会经济发展造成不利影响。