本溪地区水资源空间均衡系数计算方法及其应用分析

张 峰

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

我国今后的治水思路中重要的内容即为水资源的空间均衡[1]，也是当前水利工作需要遵循的基本准则。目前许多地区水资源与社会经济发展规模不匹配，水资源开发过度使得区域水环境及水资源的承载能力受到不同程度影响[2]。用水和极不平衡的水资源空间受社会经济发展影响程度不断增大[3]。因此指导区域水资源管理和水生态保护，开展水资源空间均衡分析具有十分重要的意义[4]。当前，水资源空间均衡研究逐步得到国内外许多学者的关注和研究，Padilla等[5]基于泰尔指数对水资源不平等的关系进行计算。Gunasekara[6]对国际水资源采用基尼系数进行水资源分配不平衡进行研究。郦建强[7]在国内外水资源空间均衡研究的基础上，对水资源空间均衡的内涵、基本特征进行了深入剖析，并对水资源空间评价度以及评价方向进行了系统阐述，为国内开展水资源空间均衡研究指明了研究方向。潘阳[8]基于基尼系数对河南省水资源空间均衡系数进行了分析，分析表明河南省从2005—2018年水资源空间总体处于一般失衡状态。陈晨[9]采用水资源负载系数对滇池流域水资源空间均衡度进行测算，结果表明滇池流域水资源承载数和取水效益的不足是其空间均衡有所失衡的主要原因。韩春辉[10]对水资源空间均衡的理论和计算方法进行了系统研究，认为水资源空间均衡的分析与水资源和社会经济及人口发展是密不可分的。夏帆[11]对全国31个行政分区的水资源空间均衡系数进行计算，并提出了空间均衡系数计算各指标的相对权重。左其亭[12]对水资源空间均衡的理论和量化方法进行了系统探讨。金菊良[13]对水资源空间均衡研究进展进行了系统归纳和总结，并对国内开展水资源空间均衡研究提供了思路和方向。郦建强等[14]对水资源空间均衡的理论方法与对策进行了研究，对水资源空间均衡评价方法进行阐述，并对其影响不利因素进行了识别。亢晓龙[15]采用不平衡指数对郑州以及洛阳地区的水资源空间均衡度进行分析，研究表明经济指数是空间均衡需要考虑的因素之一。以上研究方法在北方地区应用研究还较少，为此本文以辽宁本溪为例，基于水资源负载、水土资源匹配以及取水效益构建水资源空间均衡系数，对本溪地区水资源空间均衡进行测算，研究成果对于指导区域水资源规划具有重要参考价值。

1 水资源空间均衡计算方法

基于郦建强等专家研究成果，见参考文献[7]，进行水资源空间均衡系数的计算，从水资源压力、水土匹配程度以及用水效益等构建水资源空间均衡系数，水资源压力采用水资源承载指数进行测算，该指数主要是表示水资源空间分布以及开发利用程度的均衡指数，计算方程为：

(1)

式中，C—水资源承载指数；K—降水指数；R—人口指数；Z—生产总值，亿元；W—总水资源量，亿m3。

不同量级降水量对应的K值计算范围为：

(2)

式中，P—降水量，mm。

在水资源承载指数计算基础上，分析水土资源匹配度，该指数主要反映区域耕地资源和水资源组合情况以及水资源对耕地用水需求的满足度，该指数越大表明区域水资源越充沛，则水资源承载指数越高，其计算方程为：

(3)

式中，δ—水土匹配度，万m3/hm2；S—耕地面积，hm2。

在水土资源匹配度计算的基础上，对取用水效益指数进行计算，单方用水的经济产出越高，用水效益指数越大，其值越高，区域水土匹配度越低，其计算方程为：

(4)

式中，ZW—单方水产生的GDP总值，元/m3；WS—供水总量或用水总量，亿m3。

考虑社会经济发展对水资源影响度，采用基尼系数对以上三种水资源指数基尼值进行测算，测算方程为：

(5)

式中，G—基尼系数值；yi—水资源承载、水土匹配度、取用水效益指数的组合百分比，%。

将以上三种指数进行协调度计算，得到区域水资源空间均衡系数，其计算方程为：

D=XY

(6)

其中：

(7)

(8)

式中，D—水资源空间均衡系数；X—水资源承载、水土匹配度、取用水效益指数的综合协调度；Y—各指标的综合值；Ii—第i个指标要素；aj—各指标权重值；m—计算指标个数。

水资源空间均衡系数划分等级见表1。

表1 不同水资源空间均衡等级对应的空间均衡系数范围

2 实例计算

2.1 实例概况

以本溪地区为计算实例，该地区主要位于辽宁省东部，区域水资源较为充沛，全区多年水资源总量均值为32.56亿m3，折合成平均水深为389mm，水资源总量空间上总体从东南向西部逐步呈现递减变化，和降水空间变化具有相似性。全局多年水资源量主要为山丘区降水入渗以及河川径流的补给。各行政分区多年水资源总量分布见表2。本文水资源空间均衡系数的数据主要来源于本溪市统计年鉴和水资源公报相关数据。

2.2 指标计算及标准化

结合本溪市统计年鉴和水资源公报数据，对本溪地区各行政分区的水资源承载指数、水土资源匹配指数、取用水效益指数进行计算，并对各指标的标准化值进行了计算，计算结果见表3。

水资源开发利用程度越高，供需矛盾越大，其水资源承载指数越高。从本溪地区各行政分区水资源承载指数分布可看出，在空间上总体呈现从东南向西部逐步递增的变化，这主要是因为东南水资源量相比于西北更为充沛，使得水资源开发利用程度可满足水资源供需要求，因此水资源承载能力相对较高；而本溪地区的明山区、溪湖区以及开发区的水资源总量较少，使得供需矛盾很难得到有效保障，因此水资源承载指数相对较高，需要通过调水来解决区域的用水矛盾。从水资源承载指数的基尼系数可看出，水资源承载指数较低的区域，其地表和地下水资源的开发潜力较大，因此受基尼系数影响相对较小。水土资源匹配主要是农业耕地用水是否可有效得到满足的重要评定指标，从本溪地区各行政分区的水土匹配指数可看出，桓仁县和本溪县是本溪地区重要的农业耕种区域，而由于两县水资源总量相比于其他分区较高，农业用水可得到有效满足，因此其水土资源的匹配指数较高，而其他行政区由于耕地面积较少，因此水土资源匹配指数较低。本溪地区水土资源匹配的基尼系数低于0.50，表明该地区水土资源匹配度较为不均衡。从取用水效益可看出，本溪地区取用水效益指数和水资源总量分布具有相似性，总体从东南向西北逐步递减。整体取用水效益与全国平均水平存在一定的差异，需要提高节水意识，提高取用水效益指数。采用层次分析方法对水资源承载指数、水土资源匹配指数、取用水效益指数的权重进行了分析，分布为0.19、0.71和0.10。

表2 本溪地区各行政分区多年水资源量概况

表3 本溪地区各行政分区水资源空间均衡指标值及标准值计算结果

2.3 水资源空间均衡系数计算

在进行各指标基尼系数标准值进行分析后，按照基尼系数划分等级，各不同指标的优选区间进行分析：

(9)

结合各指标的优选矩阵以及前面确定的各指标的权重值，可以对不同水资源空间均衡等级对应的隶属矩阵进行确定：

(10)

在优选矩阵和指标隶属矩阵分析的基础上，对本溪地区各行政分区的不同空间均衡等级的相对隶属度及综合系数值进行计算，结果见表4。

表4 本溪地区各行政分区水资源空间均衡评定隶属矩阵及综合系数值

对本溪地区各行政分区水资源空间均衡不同等级的隶属度计算结果可看出，各行政分区不同等级下的隶属度存在明显的差异性，对于桓仁县而言，其处于非常均衡和相对均衡的隶属度较高，这主要是因为桓仁县的水资源总量较大，高于本溪地区其他行政分区，且桓仁县的GDP产值较高，使得水资源承载指数、水土匹配指数及取用水指数相对较大，因此其在等级1和等级2的隶属度均较高，而在等级3、等级4以及等级5的隶属度总体分布较为均匀，这主要是因为受近些年来桓仁县水资源总量总体呈现递减变化，使得水资源空间均衡状态受到不同程度的影响，通过综合评估其空间均衡系数为0.66，按照表1划分的水资源空间均衡等级标准，达到相对均衡的状态。而本溪县和桓仁县各种指标具有相似性，使得水资源空间均衡系数较为接近，其空间均衡系数为0.69，处于相对均衡的状态。平山区、明山区、溪湖区、开发区、南芬区属于本溪主要城区，农业耕地面积相对较少，因此以上分区的水土匹配指数相对较低，而由于水资源总量相对较少，使得取用水逍效益指数也相对较低，平山区、明山区、溪湖区、开发区、南芬区的水资源空间均衡系数总体在0.50～0.61之间，总体为一般均衡的状态。从各行政分区的水资源空间均衡系数空间分布可看出，本溪地区水资源空间均衡系数的均值为0.54，为一般均衡，且从东南向西部逐步增加的变化。

2.4 水资源空间均衡状态演化态势

结合建立的水资源空间均衡系数计算方法，结合本溪地区近20年的水资源及社会经济统计数据，对本溪地区各行政分区的水资源空间均衡状态演化态势进行测算，测算结果见表5。

表5 本溪地区各行政分区水资源空间均衡状态演化态势值

从本溪市各行政分区水资源空间均衡状态演化态势值可看出，除桓仁县和本溪县呈现正向演化态势外，本溪地区主城区、市区的水资源空间均衡状态演化态势值均呈现负向演化态势值，南芬区由于取用水效益指数较高，使得其负向演化态势值较低，桓仁县和本溪县正向演化态势值有所降低，这主要是因为两个县区地表和地下水资源开发利用程度已较高，开发潜力下降明显，因此其水资源承载指数均衡度有所下降，此外随着农业用水的增加，其水土匹配指数的空间均衡状态也将下降，因此桓仁县和本溪县的正向演化态势值将有所下降，但总体变化相对较为稳定。而平山区、明山区、溪湖区、开发区以及市区的水资源均衡负向演化态势值将逐步有微弱的恶化趋势，需要对区域内的水资源开发利用度、经济结构、取用水效益进行优化，从而提高以上分区的水资源空间均衡程度。

3 结论

(1)在进行水资源空间均衡系数定量测算时，水资源承载指数、水土资源匹配度、取用水效益指数的权重值可分别在[0.18，0.19]、[0.69，0.71]、[0.13，0.14]区间选取。

(2)建议调整平山区、明山区、溪湖区、开发区以及市区的单方水GDP值，实现低耗水量高产出的用水模式，调整桓仁县和本溪县的耕地面积，大力推广农业节水措施，提高水土匹配指数。

(3)水资源空间均衡受自然影响较大，但人类活动影响也不可忽略，在以后的研究中还需要重点探讨人类活动对水资源空间均衡影响比例，从而制定相对应的规划措施。