基于洛伦兹曲线和基尼系数的喀什地区多年用水结构及趋势分析

苏海波

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

水资源与人类社会、经济发展密不可分。伴随着国内人口激增、经济增长、社会发展，区域水资源问题也逐步显露并逐渐被人们认识和深化[1- 2]。近年来，随着喀什地区经济发展、城镇居民及其他各行业用水需求和供给方面的矛盾逐渐突出，逐年增加的用水成本和水资源短缺的现状已成为影响喀什地区经济、社会发展的最大刚性约束。因此，认清喀什地区水资源问题及矛盾所在迫在眉睫[3]。用水结构作为区域水资源利用、经济社会发展及生态文明建设的综合反映结果，合理的用水结构不仅可以缓解区域用水压力，改善流域生态环境，同时也是实现水资源可持续开发利用的关键所在[4]。

近年来，国内外学者对于用水结构的分析时多采用如洛伦兹曲线、信息熵、基尼系数、生态位及数理统计等方法对区域用水现状、演变分析及用水预测等进行研究[5- 16]。如张洪波等[5]通过应用层次聚类分析法对榆林市用水结构进行分区，紧接着利用生态位及其熵值模型分析了各分区内不同行业用水量随时间的变化趋势，发现研究区水资源供需矛盾较为突出，制定及执行高效的节水措施迫在眉睫。陈园等[6]以惠州市为研究区运用洛伦兹曲线和基尼系数方法分析得出惠州市各区域用水结构的空间均衡度有所下降，用水差异性在逐步扩大。魏榕等[9]在总结了区域用水结构时空演变、驱动因素及预测研究的基础上，提出了当前研究的不足之处和未来用水结构研究的发展趋势，为后续研究提供了参考。程飞[13]在收集了大量资料的基础上应用多种方法相结合对江西省多年的用水结构进行了分析和研究，并建立多种预测模型对研究区未来15年的用水结构进行了预测。

位于干旱、半干旱区的喀什地区水资源贫乏，各行业用水结构空间分布特征不明朗，造成了水资源浪费和管理的不确定性。因此，为满足喀什地区经济社会可持续发展和水资源管理的需要，分析区域用水结构的合理性及进行科学预测是制定流域水资源利用和区域规划发展的前提和基础。基于此，本文在实测及收集资料的基础上，应用洛伦兹曲线、区位熵、基尼系数等方法对喀什地区近年来各行业用水结构及水资源用水水平进行分析，并预测区域各行业用水需求的变化趋势。以期为实现区域水资源合理利用及流域水资源规划奠定基础。

2 材料及研究方法

2.1 研究区概况

喀什地区位于新疆维吾尔自治区西南部，塔里木盆地西缘，属典型的暖温带大陆性干旱气候带，年内温差大，降水稀少，蒸发强烈，年均降水量为68.4mm，蒸发量为2236mm。区内孕育有叶尔羌河流域和喀什噶尔河流域，大小河流近10条，其中叶尔羌河、库山河、盖孜河、提孜那甫河、克孜勒河年径流量较大。区内地下水资源主要形成于山区，平原区为水资源径流、散失消耗区。地下水的总体流向与地形坡降趋势相似，自西向东由山区向平原区径流。

据统计喀什地区2019年总用水量为90.33亿m3，其中农业、生活、工业及生态环境用水分别为86.97亿、2.48亿、0.13亿、0.75亿m3，农业用水占比最大为96.28%。

2.2 数据来源及研究方法

2.2.1数据来源

本文依托项目收集了研究区内各县、市水利局近6年水管资料，近3年喀什地区实行最严格水资源管理制度考核工作自查报告，喀什地区水资源公报(2014—2016年)，2000—2019年喀什地区各县、市按流域实配水量统计表的等有关资料。通过整理、统计、分析得出喀什地区2014—2019年各县市生活、工业、农业及生态环境用水量，见表1。可以看出近年来喀什地区生活及生态环境用水量逐年增加，工业及农业用水量则逐年减少，总用水量总体呈现出逐年减少的趋势。

表1 喀什地区多年分行业用水量

2.2.2研究方法

(1)洛伦兹曲线

洛伦兹曲线常被用于经济学领域内进行衡量并分析资源匹配程度。近年来也被广泛应用于区域水资源用水结构分析。其表达式为[17]：

(1)

式中，A(x)—累计分布函数；u—序列均值。

(2)区位熵

在进行洛伦兹曲线绘制及计算前，一般会先进行区位熵的计算。区位熵又称专门化率[18]，在水资源计算中可看作各县、市某行业的用水在该行业的占比与该县、市用水在研究区(喀什地区)总用水量占比的比值，其表达式为：

Z=(a/A)/(b/B)

(2)

式中，a—各县、市某行业的用水；A—行业总用水量；b—各县、市总用水量；B—研究区(喀什地区)的总用水量。

(3)基尼系数

应用洛伦兹曲线虽然可以直观地表示出各行业不同用水结构的不均匀程度，但却缺乏量化比较，故引入基尼系数[19]对研究区各行业不同用水结构进行定量分析，这也将有效地弥补洛伦兹曲线无法进行量化分析的缺点。基尼系数通常用G表示，其数值一般在0～1之间，其表达式可表达为:

(3)

式中，f(x)—洛伦兹曲线方程。

通常情况下计算基尼系数的方法有很多，本文采用梯形面积法计算。其表达式为：

(4)

式中，Ai—各县、市某行业的用水累计占比；Bi—喀什地区某县、市在研究区内的用水占比。

3 结果分析

3.1 用水结构区位熵计算

为分析近年来喀什地区各县、市分行业的用水结构及变化趋势，本次选取喀什地区2016—2019年各县、市分行业用水量进行分析。在绘制喀什地区各行业用水洛伦兹曲线前，需先计算各县、市不同行业用水的区位熵，计算结果如图2所示。

根据图1中数据反映出2016—2019年喀什地区各县、市农业用水区位熵在0.81～1.03之间，各县、市虽有所差异但相差不大，有所差异是因为区内各县、市气象水文、水土资源、作物组成、灌区规模及经济效益有所差异，因此造成了区内部分县、市农业用水的差异。差异不大则是因为农业作为喀什地区的基础产业，各县、市农业用水投入均较大，占比基本一致。另外，虽然农业作为喀什地区经济发展的重要组成保障，但传统的灌溉型农业耗水严重造成了部分水资源的浪费。因此，为确保区内水资源合理利用，可大力发展节水灌溉，提高农业用水水平。研究区近年来工业用水区位熵在0.02～10.03之间变化，其中喀什市均最大，分别为5.75、8.47、10.03、3.71，可以看出喀什市工业用水量与喀什地区工业总用水量的比值远大于喀什市总用水与喀什地区总用水量的比值，从侧面表明喀什市工业用水量占比最大。分析原因是喀什市作为喀什地区工业发展最好的城市，在工业化进程和快速发展中给与了充分的用水保障。同时有研究指出一个地区的工农业用水二者之间的区位熵应成反比关系，农业用水量区位熵较大的区域其工业用水量区位熵则相应较小，基于此，回顾农业用水区位熵会发现2016—2019年喀什市农业用水区位熵分别为0.93、0.92、0.81、0.83均为最小，与上述结果相对应。研究区内生活用水区位熵近年来除2017年外喀什市均为最大，分析是因为近年来随着喀什市城市规模的增加造成了人口聚集，生活用水量逐渐增加，从而使得喀什市区位熵值较大[20]。同时近年来研究区内生态环境用水差异较大，无明显的趋势，但无可争辩的是生态环境用水水量逐年增加，而这与喀什各地区对于生态环境保护及生态用水的重视程度密切相关。

图1 2016—2019年喀什地区各行业用水区位熵

3.2 用水结构变化特点分析

根据上述区位熵计算结果结合前文研究方法将其按升序排序，紧接着计算出各县、市分行业用水占比、总用水占比，同时分别计算其累计占比。绘制出2016—2019年喀什地区各行业洛伦兹曲线进行对比分析，结果如图2所示。其中横坐标表示总用水量的累计占比，纵坐标表示分行业用水的累计占比，y=x为最优均衡线。一般而言，曲线弯曲度越大，距离最优均衡线越远，表明该行业用水在研究区的空间分布越不均衡[20]。同时计算出研究区各行业基尼系数，结果见表2。

表2 2016—2019年喀什地区各行业基尼系数计算结果

图2 2016—2019年喀什地区各行业用水洛伦兹曲线

总体而言，近年来研究区各行业用水中农业用水的洛伦兹曲线基本与最优均衡线重合，其用水结构最为均衡，生活用水次之。生态环境和工业用水的洛伦兹曲线则相对最优均衡线较远。表明研究区生态环境和工业用水空间分布较为集中，存在着不合理性，各县市的利用程度具有较大差异性，尤其是生态环境用水差异较大。

通过进一步分析发现，喀什地区农业用水结构空间分布最为均衡，2016—2019年区内农业用水量虽逐年减小，但其洛伦兹曲线距离最优均衡线均较近，各年曲线相差甚微，可以看出喀什地区各县市农业用水的空间分布特征变幅都很小，基本无变化。结合基尼系数发现喀什地区农业用水的基尼系数近年来变幅在0.041～0.187之间，变幅较小。根据基尼系数评级标准，其值均小于0.2，表现为高度平均[22]。通过收集到的喀什地区统计年鉴资料表明研究区农作物播种面积2016—2019年分别为1748万、1658万、1623.6万、1545.8万亩，整体呈现逐年下降的趋势，同时通过表1数据也反映出近年来喀什地区各县、市农业用水总量也呈现逐年减小的趋势，但相较于农业用水总量其减少的水量占比较小。

相较于农业用水结构，喀什地区工业用水结构的空间分布则差距较大。从图2中可以看出2016—2018年洛伦兹曲线表现为逐渐远离最优均衡线，2019年相较其余年份则更加接近最优均衡线，表明2016—2018年相比于2019年工业用水存在着更大的不合理性。尤其是疏附、疏勒、英吉沙、泽普、岳普湖、伽师县工业用水空间分布差异性较大，其中喀什市、伽师县、叶城县工业用水空间分布差异性最大。结合基尼系数计算结果表明研究区工业用水除2018年表现为差距悬殊外其余年份均表现为差距较大，分析是由于各县、市工业化建设及发展具有较大差异所致。2019年空间分布的差距减小则是因为近年来喀什地区各县、市经济发展均较快，据统计喀什地区2016—2019年工业增加值分别为70.8亿、85.6亿、84.48亿、97.12亿元，区域工业经济整体上扬，各县、市工业用水量也逐渐增加，其空间分布的差异性也随时间呈现出减小趋势。

从洛伦兹曲线的变化来看生活用水的空间差距相对于农业用水要大，但相对于工业用水及生态环境用水则较小，其洛伦兹曲线距最优均衡线远近趋势一致，各县市逐年变化不大。分析是由于生活用水主要与城市规模及地区人口等有关[23]。结合近年来基尼系数变化为0.059～0.394其值均小于0.4，表现为由高度平均逐渐转化为比较平均及相对合理。据统计结果表明2016—2019年喀什地区总人口分别为451.47万、464.97万、463.38万、462.40万人，可以看出近年来虽然城市规模在逐年增加但人口数量差距不大，结合表1发现喀什地区各县市生活用水总量及占比逐年增加，其空间分布的差异性逐渐增加。

近年来生态环境需水的洛伦兹曲线整体看来距离最优均衡线较其它行业用水为最远，但也存在着明显的一个趋势是2016—2019年曲线在逐年靠近最优均衡线，同时基尼系数也从0.599和0.686变为0.495和0.372，从差距悬殊逐渐变为相对合理，分析是因为近年来随着国家及地区政府对于生态环境的重视程度越来越大，地区对于生态治理及生态恢复的投入及用水占比也在逐年增加。根据这个趋势也可以预测未来喀什地区对于生态环境的重视程度将继续增加，其用水占比也将持续增加[24]，而这在表1及图2中均有所体现。

3.3 水资源用水水平分析

通过对2016—2019年喀什地区各行业用水水平进行分析，其评价指标选用农业灌溉亩均用水量、万元GDP用水量、城镇及农村生活人均日用水量等，结果见表3。

表3 喀什地区各行业水资源供需分析计算表 单位：亿m3

喀什地区农业灌溉包括耕地、林果、牧草等，2016—2019年喀什地区农业灌溉用水总量分别为100.57亿、95.20亿、88.53亿、86.97亿m3，地区灌溉面积分别为1748万、1658万、1623.6万、1545.8万亩，农业灌溉亩均用水量分别为575.34、574.18、545.26、562.62m3/亩，据统计2018年喀什地区节灌率为16.4%。相较于2018年全疆农业灌溉亩均用水量为543m3/亩，节灌率59.3%来说，喀什地区农业灌溉亩均用水量偏高，农业灌溉用水水平相对偏低，灌溉节水水平还较低，节水潜力大。2016—2019年喀什地区生产总值分别为759.8亿、848.2亿、890.12亿、1048.3亿元，总用水量分别为103.06亿、98.51亿、92.11亿、90.33亿m3，则研究区2016—2019年万元GDP用水量分别为1356.41、1161.40、1034.68、861.68m3，与全疆万元GDP用水量449.8m3相比，经济发展及工业用水水平较低。喀什地区生活用水主要分为城镇生活综合用水及农村生活用水，其中城镇生活综合用水包括城镇居民生活用水、服务业、建筑业及城镇绿化用水；农村生活用水包括农村居民生活用水及庭院经济用水。2016—2019年喀什地区城镇人口分别为102.24万、106.50万、106.53万、107.48万人，农村人口分别为349.23万、358.47万、356.85万、354.92万人。地区城镇生活人均日用水量分别为151.27、143.80、265.47、231.78L/(人·d)，农村生活人均日用水量分别为70.29、78.49、87.25、102.60L/(人·d)。而2018全疆城镇及农村生活人均日用水量分别为193.1 L/(人·d)、99.6 L/(人·d)，与全疆现状相比，喀什地区2016—2017年人均日用水量小于全疆，但2018—2019年则大于全疆平均水平，农村生活人均日用水量2016—2018年小于全疆，2019年则略微大于全疆平均水平。另外，喀什地区所涉及的有关区域的水资源实际用量已严重超出区域用水总量控制指标，挤占了流域生态水量，由于流域近期水资源处于丰水期，生态环境恶化的趋势并不明显，但如果不改变现状的开发格局与用水规模，流域态环境脆弱性将会逐步增加，生态环境进一步恶化的风险也会日趋加大。因此，在今后的水资源利用时应着重考虑生态环境用水以进一步减少经济发展和生态文明建设存在的争水矛盾。

4 讨论

受历史和社会发展的影响，喀什地区以往、现状及未来，农业用水仍然会成为主要的用水产业。从近年来看研究区农业用水量虽逐年减少，但总量仍占很大比重，农业用水利用程度仍然不高。所以从节约水资源的角度来看应大力发展农业节水措施。如提倡使用节水灌溉措施，大力发展滴灌，杜绝大水漫灌；选用抗旱品种，推广抗旱栽培技术；优化灌溉方案，确定最优灌溉制度及灌溉水量，尤其是春、冬灌水水量；按照实际情况进行旱区分区治理，加大旱区节水力度等措施。

自喀什经济特区成立以来，凭借着优越的地理位置及丰富的能源储存，喀什地区工业发展迅猛，新兴能源产业迅速崛起从而导致了喀什地区的城市发展、经济增长及城镇化水平不断推进，进而使得研究区工业用水和生活用水占比不断增加。但由于区域经济发展的空间差异性，工业及生活用水的空间分布并不均衡。因此应在保持现有的工业及生活用水比例不变的前提下，积极推动及实行节水措施；加大工业及生活用水中水的持续利用；按照各地区经济发展及产能实行区域化管理；在保障居民用水的情况下严格限制及管理高耗水工农业的发展，以低耗水产业为发展导向，积极探索高效节水的用水策略。

喀什地区位于自然环境恶劣的塔克拉玛干沙漠边缘，区域水资源时空分布不均，具有“春旱、夏洪、秋缺、冬枯”的特点，不利于林草地、湿地等生态补水。同时水资源管理使用粗放，浪费严重，地下水位下降，生态补水受阻，土地盐碱化、沙化等障碍因素增多，导致天然林草地生长状况不佳、退化，湿地萎缩，呈现出逆行演替现象，动物栖息地面积锐减，生物多样性遭到破坏；林草、湿地等重要生态功能系统退化，导致沙尘暴、浮尘等风沙灾害天气频发。因此，在今后区域用水结构的调整中，应在充分保障其它行业用水的情况下，尽可能调出部分水量以满足生态环境用水并充分论证各行业发展对区域生态环境建设的影响；水资源布局及开发要符合区域生态环境保护的大局；进行流域水资源规划时应保障下游生态基流量以满足下游生态环境用水。

总而言之，在进行区域水资源分配时应结合区域经济发展潜力和水资源赋存条件，对喀什地区的用水结构按分区进行控制，依据水资源空间分布情况在不同区域，不同条件下精细化制定水资源分配方案，调整用水结构，逐步降低农业用水比重，使农业用水向工业和服务业等高产出产业转移。如大力开展农业节水工作，提高农业用水水平，减少农业用水需求；在做好农业节水的基础上，调整作物种植结构，适度压减农业灌溉规模；增建必要的山区调蓄性工程，替代平原水库，减少平原水库水量损失，有效增强水资源调控能力，控制各用水单位有序合理用水；强化水资源管理能力，加强水资源监管手段和能力，充分发挥水价杠杆作用，提高水资源利用和配置效率。

5 结论

本文运用区位熵、洛伦兹曲线及基尼系数等方法对喀什地区2016—2019年用水结构进行分析，结果表明喀什地区近年来各行业用水存在一定的不合理性，其结果基本与实际相符。该结论可为喀什地区未来产业结构调整、区域水资源合理配置、流域水资源规划提供借鉴意义。主要结论为：

(1)喀什地区受历史和社会发展的影响，农业用水结构的空间分布特征高度平均，但用水占比较大，效率较低，在今后应逐步降低农业用水比重，使农业用水向工业和服务业等高产出产业转移。

(2)近年来由于各县市工业化建设及发展具有较大差异，导致喀什地区工业用水结构空间分布差异较大，但随着区域工业经济整体上扬，各县市工业用水量也逐渐增加，其空间分布的差距也随时间呈现出减小趋势。

(3)随着喀什地区部分县市城市规模的增加及经济的快速发展造成了区域性人口聚集，导致了部分县市生活用水量逐渐增加，生活用水的空间分布特征也表现为由高度平均逐步转化为比较平均、相对合理，其差异性也在逐步增加。

(4)随着国家及地方政府对生态环境保护及生态用水的重视程度越来越大，喀什地区生态环境用水结构的空间分布特征从差距悬殊逐渐变为相对合理，地区对于生态治理及生态恢复的投入及用水占比也在逐年增加，根据这个趋势可以预测未来喀什地区对于生态环境的重视程度及用水占比仍将继续增加。