区域用水结构及公平性演变分析

谷芳莹 龚亮 贾冬梅

摘 要：借鉴政治经济学中基尼系数的基本概念，构建了一套区域用水结构及公平性的量化分析方法。以河南省2007—2016年用水情况为例，分析了农业、工业、生活与环境综合用水结构变化，并从经济、人口、资源、环境4方面提出了综合用水公平性评价方法。结果表明：研究时段内各地市用水结构变化趋于均衡，将有利于粮食安全保障、经济协同发展、人居环境改善;综合用水公平系数从2012年以来呈现出逐渐增大趋势，已接近差异性较大区间，应当引起重视。分析结果与河南省实际情况基本相符，表明提出的区域用水结构及公平性量化分析方法是切实可行的。

关键词：综合基尼系数;熵权;用水结构;用水公平性;河南省

中图分类号：TV213.4   文献标志码：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

水是生态演化、环境维持的基础物质载体，也是社会发展、经济增长的重要资源约束，人类生活水平的提高、生产能力的发展、生态环境的改善都离不开对水资源的开发、利用与保护。继水短缺、水污染、水安全[1-3]等研究热点之后，用水结构及均衡性研究[4-5]逐渐成为破解水资源短缺与落实绿色发展的新方向。合理调整区域内生产、生活、生态的用水结构，充分协调经济、社会、资源、环境与用水间的均衡关系，是实现水资源合理配置、解决区域用水矛盾的重要措施，而深入分析用水结构及其均衡性的空间分布和演变规律则是其中重要的基础性工作。

目前相关研究主要涉及基于产业发展预测的用水结构分析[6]、用水结构变化趨势及驱动力分析[7]、水量配置区间的空间均衡博弈分析[8]、城市未来用水结构的变化趋势分析[9-10]、区域用水差异性变化分析[11-12]、基于水足迹的用水结构优化调整[13]等，研究方法涉及神经网络、主成分分析、灰色关联分析、博弈论、信息熵、基尼系数、虚拟水分析计算等。笔者构建基于基尼系数的区域用水结构及均衡性演变量化分析模型，对河南省各地市近10 a农业、工业、生活与环境综合用水结构及社会、经济、资源、环境的用水公平性时空演变进行分析计算，以期为协调区域产业结构和用水均衡布局、区域水资源合理配置及高效利用等提供参考。

2 理论模型与方法

2.1 洛伦兹曲线与基尼系数

美国经济统计学家洛伦兹提出的洛伦兹曲线是一条向横轴凸出的曲线（见图1），反映收入分配的不平等程度。洛伦兹曲线y=f（x）距绝对平等线y=x越近，表明地区间收入差距越小、财富分配越平等，反之则表示地区间收入差距越大、财富分配越不平等。

2.4 研究思路与数据来源

从农业用水、工业用水、生活与环境综合用水3个方面分析河南省2007—2016年用水结构的空间分布及变化，从社会、经济、资源、生态环境角度构建综合基尼系数，评价河南省18个地市的用水均衡性演变趋势。研究所用的水资源量、农业用水量、工业用水量、生活与环境综合用水量（城镇及乡村生活、环境用水量之和）等数据来源于2007—2016年河南省水资源公报，人口数量、国内生产总值（GDP）、污水排放量等数据来源于2007—2016年河南省统计年鉴。

3 研究区概况及结果分析

3.1 研究区概况

河南省地跨黄河、淮河、海河、长江四大流域，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候区，多年平均水资源总量为403.5亿m3，人均水资源量为383 m3（仅为全国的20%）。2016年全省各类水利工程总供水量为227.6亿m3，其中：地表水源供水量105.0亿m3（占46.13%），地下水源供水量119.8亿m3（占52.64%），集雨及其他非常规水源供水量2.8亿m3（占1.23%）。随着區域经济快速发展及城镇化水平不断提高，水资源供需矛盾日益突出，同时产生了地面沉降、水质恶化等一系列生态环境问题，严重制约经济社会的可持续发展。

3.2 区域用水结构变化分析

分析各地市用水结构的区位熵可准确了解各类用水的空间分布状况，为优化区域产业布局、农业节水改造等提供参考。2016年河南省18个地市各类用水结构区位熵见图2。农业用水区位熵大于1的有新乡、周口、濮阳、商丘、鹤壁、驻马店、焦作、安阳、信阳、开封、南阳11个地市，各地市间相差不大，最大值（新乡）是最小值（郑州）的2.4倍。作为全国的农业大省，区域间的农业用水协调至关重要，为了确保国家粮食安全，必须保障合理的农业用水需求。工业用水区位熵大于1的有平顶山、洛阳、三门峡、漯河、济源、许昌、郑州、南阳、焦作9个地市，各地市差异较大，最大值（平顶山）是最小值（安阳）的4倍。工业用水量较大的仍是传统工业强市，其他城市在工业化进程中应给与充分的用水保障。工、农业作为用水大户，二者的区位熵成反向关系，农业用水区位熵较大的地市其工业用水区位熵较小。生活与环境综合用水区位熵大于1的有郑州、三门峡、洛阳、信阳、开封、漯河、济源、许昌、安阳9个地市，各地市间差异较大，最大值（郑州）是最小值（濮阳）的3.5倍，这与近年来省内中心区域的人口聚集效应、产业发展及生态用水重视程度密切相关。

在各类用水区位熵的基础上，采用基尼系数的计算方法分析2007年及2016年用水结构的演变规律。①农业用水的空间分布更加均衡，但变幅较小。从图3（a）及表1可以看出，2016年的农业用水洛伦兹曲线与绝对平等线更加接近，但与2007年的相差不大。农业用水基尼系数由2007年的0.159减小至2016年的0.138，减幅为13.34%。从各地市的农业用水比例（见表2）来看，减幅较大的有郑州、开封、平顶山、安阳、鹤壁、济源，减幅为10%～20%;增幅较大的有许昌、南阳、商丘，增幅为12%～14%;其余地市变化不大。总体而言，河南省农业用水比例差距不断缩小，基尼系数处于“非常公平”区间。②工业用水空间分布向均衡方向发展。从图3（b）及表1可以看出，2016年的工业用水洛伦兹曲线与绝对平等线明显接近，与2007年的差距拉大。工业用水基尼系数由2007年的0.291减小至2016年的0.237，减幅为18.56%。从各地市的工业用水比例（见表2）来看，减幅较大的有洛阳、许昌、三门峡、南阳，减幅为10%～15%;增幅较大的为平顶山，增幅为18%;其余地市波动不大，变幅在6%以下。总体而言，河南省工业用水比例差距不断缩小，基尼系数处于“相对合理”区间。③生活与环境综合用水的空间分布较为均衡。从图3（c）及表1可以看出，2016年与2007年的生活与环境综合用水洛伦兹曲线非常接近，基尼系数由2007年的0.200减小至2016年的0.198，减幅仅为1%。各地市的生活与环境综合生态用水比例（见表2）均有不同程度的提升，其中增幅较大的有郑州、开封、安阳、鹤壁、三门峡、济源，增幅为10%～15%。总体来看，全省生活与环境综合用水正向着更加均衡的方向发展，用水公平性有所提升。

3.3 区域用水公平性及演变分析

3.3.1 区域用水公平性分析

2016年河南省GDP-用水基尼系数（GINIeco）为0.246（见表3），处于“相对合理”区间，各地市单方水的GDP产出整体差距不大。从GDP-用水区位熵数值分布来看，排名靠前的郑州、三门峡、许昌区位熵较大，分别为2.32、1.70、1.50;而排名靠后的濮阳、信阳、开封区位熵均低于0.63;其他城市为0.63～1.50;通过区位熵数值及图4（a）可以有效辨识2016年河南省各地市的单方水GDP产出的相对差异。

2016年河南省人口-用水基尼系数（GINIpop）为0.140（见表3），处于“非常公平”区间，人均用水量差异不大。从人口-用水区位熵数值分布（图4（b））来看，驻马店、漯河、三门峡区位熵分别为1.76、1.51、1.24，而濮阳、焦作、开封区位熵分别为0.61、0.63、0.70，其他各地市区位熵接近1。总体上来看河南省人口分布与水资源利用之间协调性较高，人均用水量比较接近，公平性较好。

2016年河南省水资源量-用水基尼系数（GINIres）为0.418（见表3），处于“差异性显著”区间，说明河南省各地市水资源禀赋条件与用水匹配程度差异很大。从水资源量-用水区位熵数值分布（图4（c））来看，信阳、驻马店、三门峡区位熵分别为3.81、2.75、1.62，南阳、济源略大于1，其他地市均小于0.90（濮阳、郑州、开封分别为0.29、0.33、0.40，远低于平均水平）。总体而言，对于水资源短缺的城市一方面要采取节水措施、合理调整产业布局，另一方面应积极谋划外调水源、提高区域用水安全保障程度。

2016年河南省排污量-用水基尼系数（GINIenv）为0.266（见表3），处于“相对合理”区间，说明各地市污水排放水平接近。郑州、漯河、三门峡、洛阳的均大于1.5，污水相对排放量高于全省平均水平;开封、信阳、濮阳的区位熵分别为0.41、0.54、0.56，污水相对排放量低于全省平均水平;通过该项区位熵数值及图4（d）可以有效辨识现状污水相对排放量较高的地区，同时可以根据当地缺水程度有针对性地开展节水减排与再生水回用工作。

3.3.2 区域用水公平性演变

为便于直观分析2007—2016年河南省人口、GDP、水资源量、排污量4个影响因子及综合基尼系数的演变趋势，将表3数据绘制成曲线（见图5）。GINIeco有微小波动，基本保持稳定，研究时段处于“相对合理”区间，时段初期经济发达地区用水效率提升较快导致一定的不平衡性，此后欠发达地区用水效率增幅较高引起不平衡性降低，表现出先进节水技术从发达地区向欠发达地区推广的延迟效应。GINIpop在研究时段内呈减小趋势，處于“非常公平”区间，原因可能是随着中原城市群民生水利持续投资，各地供水保障程度不断提高，地市间人均用水量更加接近。GINIres在研究时段内波动变化，时段末较时段初有所减小，总体来看变化范围处于“差异性较大”及“差异性显著”区间，波动原因是该系数受天然来水丰枯变化影响，而差异性较大原因主要是区域之间水资源禀赋条件差异显著。GINIenv在研究时段内表现出增大趋势，绝大部分年份处于“相对合理”区间，各地用水排污率差异性有所增大，原因可能是省内经济条件较好地区工业化、城镇化进程加速，污染物排放量刚性增长，而后续污水处理、再生水回用措施有所滞后。综合来看GINIcom（由式（6）得出权重ω1=0.302、ω2=0.239、ω3=0.279、ω4=0.181）在研究时段内呈减小趋势，区域用水公平性处于“相对合理”区间。

4 结 语

（1）通过将2007年与2016年对比分析，发现河南省农业、工业、生活与环境综合用水结构的空间分布趋于更加均衡。农业用水比例差异性不断缩小，基尼系数处于“非常公平”区间;工业、生活与环境综合用水比例差异性略有减小，基尼系数处于“相对合理”区间。区域内用水结构趋于均衡，将有利于保障粮食安全、经济协同发展、人居环境改善。

（2）采用构建的区域用水公平性量化模型，分析了2007—2016年河南省经济、人口、资源、环境与用水量之间的公平性演变趋势。总体而言，在研究期内GINIeco有微小波动，表现出先进节水技术从发达地区向欠发达地区推广的延迟效应;GINIpop有所下降，说明地市间人均用水量逐渐接近，用水公平性不断提高;GINIres受天然来水及水资源禀赋条件影响呈现出波动性及较大的地区差异性;GINIenv有所上升可能由污染物排放量刚性增长、后续污水处理及再生水回用措施滞后所导致;综合系数GINIcom在研究时段内处于“相对合理”区间，地市间用水公平性良性演进。

（3）研究时段内河南省用水结构及用水公平性空间分布态势良好，但仍存在生态环境用水占比较低、污水排放量较大、水资源量与用水量不协调等问题。随着今后生态文明的持续推进，各地市必须对生态用水给予足够的重视，保护和改善水环境，提升污水回用率。同时，未来在规划工作中应充分考虑区域经济产业用水特点和水资源禀赋条件，适时推动全省“南北互济、东西相通”的现代水网构建。

（4）本文仅采用基尼系数的相关方法分析了地市间用水结构及公平性的演变规律，在基尼系数标准划分、不同年代际间的用水公平性、用水公平性机理等方面都有待于今后进一步研究。

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【责任编辑 张华兴】