青海省用水结构分析

马 蕊

（青海省水文水资源测报中心，西宁 810001）

0 引 言

水资源是可持续发展最为重要的基础性自然资源，随着社会、经济的快速发展，水资源能否高效利用，有效保护和合理配置，关系到我国经济发展，社会进步的大局。为推动经济社会发展与水资源水环境承载能力相适应，国务院发布实行最严格水资源管理制度，确立了水资源管理“三条红线”［1］。

国内众多学者运用多种方法对水资源量变化趋势及用水结构进行分析研究。燕华云等通过线性倾向估计法及秩次相关法对青海省黄河流域水资源变化趋势进行了分析［2］；刘小园等通过M-K 突变检验及小波分析对青海湖近60年径流特征及演变规律进行了研究［3］；陈良等运用洛伦兹曲线对甘肃省用水结构进行分析［4］；冯颖等运用基尼系数和洛伦兹曲线对陕西省用水结构态势进行了分析［5］，但对于青海省用水量及用水结构的研究较少。为保障青海省水资源可持续利用，本文通过对青海省用水量修正以来近13年用水变化趋势及实行最严格水资源管理制度以来近7年的用水结构时空分布均衡性进行分析，为今后青海省强化管控用水，提高用水效率，优化调整用水结构提供参考依据。

1 研究区概况、数据来源及方法

1.1 研究区概况

青海省被誉为“三江之源”、“中华水塔”，是中国著名河流长江、黄河、澜沧江和黑河的发源地，位于青藏高原东北部，是我国重要生态功能区，同时也是我国乃至东南亚重要的生态安全屏障，在全球生态系统中具有独特和不可替代的生态地位。区域水资源量丰富，2019年青海省水资源总量为919.3 亿m3，而用水量为26.18 亿m3，水资源开发利用率较低，仅占水资源总量的2.8%。

1.2 数据来源及分析方法

本文采用数据资料均来自《青海省水资源公报》，数据可靠。用水量数据采用2007-2019年近13年数据，用水结构数据选用2013-2019年近7年数据，总用水量中分项用水量包括农业、工业、生活、生态环境用水量四部分。运用线性趋势分析法、R/S分析法对青海省近13年来用水量变化趋势进行分析；运用洛伦兹曲线分析法、基尼系数及洛伦兹不对称系数对青海省近7年来用水结构进行分析。洛伦兹曲线、基尼系数原本是用于经济学与社会学，反映地区财富均匀性现象的研究方法，如今该方法被广泛用于水资源利用、土地利用、城市建设等领域的研究［4］。本文引用该方法分析青海省8个市（州）用水结构的空间分布规律，并采用洛伦兹不对称系数［6］，研究各区域用水结构不均匀性的原因。

1.2.1 洛伦兹曲线

洛伦兹曲线由美国统计学家Max Otto Lorenz 提出，为研究国民收入在国民之间的分配问题［5］，后来有学者逐渐将之运用于水资源研究领域，用以研究水资源空间分布均衡性［4］。如图1，在水资源领域研究中，洛伦兹曲线y=f（x）为一条凹型曲线，图中x轴表示总用水量累计百分比（%），y轴表示不同用水类型用水量累计百分比（%），当图中y=f（x）曲线离y=x曲线（即绝对均匀线）越近，则表示该用水类型用水量在研究区域的空间分布越均衡，反之则越不均衡。

图1 洛伦兹曲线Fig.1 Diagram of Lorentz curve

在引入洛伦兹曲线时，首先要计算每个研究区域的不同用水类型累计百分比与总用水量累计百分比比值，即区位熵［5］，用以反应洛伦兹曲线的斜率，区位熵表达式为：

式中：Aij为研究区区位熵；qij表示第i区域第j种类型用水量，亿m3；qj表示青海省第j种类型用水量，亿m3；qi表示第i区域总用水量，亿m3；q表示青海省总用水量，亿m3。

将计算出来的不同研究区区位熵从小到大排序，在该排序下，将对应的不同类型的用水量及总用水量百分比累积相加，以总用水累积百分比为横坐标，分项用水累计百分比为纵坐标，绘制洛伦兹曲线。

1.2.2 基尼系数

基尼系数最早由意大利统计与社会学家Corrado Gini 在1912年提出，是在洛伦兹曲线的基础上分析不均匀性强弱的数值［5］。表达式为：

式中：f(x)为洛伦兹曲线方程。

基尼系数有多种计算方式，通常有几何法、矩阵法和基尼平均法等［4］，本文采用三角形面积法来估算基尼系数，估算表达式为：

式中：G为基尼系数，取值范围［0，1］；Qi、Qi+1表示第i、i+1 研究区的总用水量累积百分比；qi、qi+1表示第i、i+1 研究区q类分项用水量的累积百分比；n为研究区总个数，青海省共8 个市（州），文中n取值为8。国际上普遍采用的基尼系数评价结果见表1，将0.4定为警戒线［4］。

表1 基尼系数评价划分标准Tab.1 Gini coefficient evaluation standard

1.2.3 洛伦兹不对称系数

洛伦兹不对称系数S［6］是在基尼系数的基础上，进一步分析不均匀性原因的指标，该系数由丹麦植物学家Christian Damgard 以及Jacob Weiner 于2000年提出，以分析造成总体不均匀性的指标贡献大小［6］。对于构成洛伦兹曲线的序列A1≤A2≤… ≤Ai≤… ≤An，洛伦兹不对称系数S值计算表达式为：

如图2，S值有3 个划分区间，分别为S＞1、S＜1、S=1，分别表示图中洛伦兹曲线与绝对均匀线斜率相同的点位于对称轴上方、对称轴下方及对称轴上，同时分别说明曲线代表的该种用水类型用水量的高值、低值及高低值共同作用为造成其用水类型不均匀性的原因。

图2 洛伦兹曲线不同S值示例图Fig.2 Different S-values of Lorentz curve

2 用水结构分析

2.1 用水量变化分析

2.1.1 线性趋势分析

由图3 可知，青海省总用水量2007-2019年总体呈现下降趋势，变率为-0.51亿m3/a。分项用水中农业用水量总体呈现下降趋势，变率为-0.40 亿m3/a；工业用水量呈下降趋势，变率为-0.25 亿m3/a；生活及生态环境用水量近13年来总体呈上升趋势，变率均为0.07亿m3/a。

图3 青海省用水变化趋势Fig.3 Trend of water use in Qinghai Province

2.1.2 R/S分析

由图4 可知总用水、农业用水、工业用水、生活用水及生态环境用水的Hurst指数分别为1.07、0.99、0.85、0.86、0.81，指数均大于0.5，表明用水总量及各分项用水量的变化趋势将持续原状态。因此，未来青海省用水总量、农业用水量及工业用水量将持续减小，生活用水量及生态环境用水量将持续增加。

图4 R/S分析曲线Fig.4 Curve of R/S analysis

2.1.3 比重分析

由表2 可知，近13年来青海省水资源开发利用程度在2.71%～4.80%之间，与普遍认为的40%水资源开发利用警戒线比较［8］，属于水资源开发利用较低的地区，且青海省水资源开发利用程度在减小。分项用水占比中，农业用水占比最大，占青海省总用水量的69.01%～82.03%，其次为工业用水及生活用水，占比分别为9.08%～23.04%、7.16%～12.04%，生态环境用水占比最小，为0.60%～5.33%。

表2 青海省近13年不同用水类型占比 %Tab.2 Proportion of different water types in recent 13 years of Qinghai Province

2.2 空间差异性分析

2.2.1 洛伦兹曲线分析

绘制青海省2013-2019年不同用水类型洛伦兹曲线图，由图5 可知，近7年来农业用水空间分布情况无明显变化，其次为工业用水和生活用水；生态环境用水变化比较明显，空间分布情况有所减小，说明青海省近年来用水结构空间差异性在逐渐减小。在不同用水类型中，农业用水洛伦兹曲线离绝对均衡线最近，生活用水洛伦兹曲线离绝对均衡线最远，说明青海省农业用水区域利用程度差异性最小，生活用水区域利用程度差异性最大；工业用水与生态环境用水区域利用程度差异性相当。

图5 青海省近7年来不同用水类型洛伦兹曲线Fig.5 Lorentz curve of different water use types in recent 7 years of Qinghai Province

2.2.2 基尼系数分析

为更精确地分析不同用水类型的空间分布均衡程度及多年变化情况，计算2013-2019年不同用水类型基尼系数，由表3可知，农业用水基尼系数最小，说明各地农业用水量占地区用水比例差异性较小，整体处于“绝对平均”状态；工业用水基尼系数2013-2016年减小，2017年增加，随后持续减小，说明各地工业用水量占地区用水比例差异性在逐渐减小，整体由“相对合理”变为“较为平均”状态；生活用水基尼系数2013-2019年持续减小，但各地生活用水量占比差异性较大，整体仍处于“差距较大”状态；生态环境用水基尼系数2013-2015年减小，2016年增加，而后持续减小，说明各地生态用水占比差异性在逐渐减小，整体由“相对合理”状态转变为“较为平均”状态。

表3 青海省近7年来不同用水类型基尼系数Tab.3 Gini coefficient of different water use types in recent 7 years of Qinghai Province

结合近7年来不同用水类型洛伦兹曲线图及基尼系数综合分析，可知，青海省用水结构存在差异，其中农业用水占比差异性最小；生活用水占比差距较大，整体差异性在逐渐减小；工业用水、生态环境用水空间差异性均由相对合理变得较为平均，且差异性在持续减小，其中生态环境用水空间差异性减小较明显。

爷爷没回来，直到1922年我父亲四岁的时候，才有从法国回来的劳工捎信儿说，我爷爷是收到了我奶奶的信，但还没得回信就病死在战壕里……

2.3 现状年用水分析

2.3.1 现状年用水结构

以2019年为现状年，2019年西宁市总用水量占青海省总用水量的22.13%，而生活用水量占青海省生活用水量的49.3%；海南州、海北州、黄南州、玉树州及果洛州总用水量分别占青海省总用水量的9.58%、5.61%、2.15%、1.44%、1.01%，而这些地区的工业用水和生态环境用水占青海省工业用水量和生态环境用水量的比例远远低于该地区总用水占比；海西州总用水占比为38.38%，工业用水量占比高达55.31%，说明青海省各地区生活用水量、工业用水量及生态环境用水量差距较大。由表4可以看出，人均水资源量最高的果洛州和玉树州，人均用水量在全省范围内最低，其余各项用水指标均较低；未来作为重点开发区域的西宁市和海东市，人均水资源占有量最低，人均用水量却偏高，其余各项用水指标均偏高，说明青海省人均水资源占有量差距较大且经济发展较快的地区受水资源约束限制较大。

表4 2019年青海省用水指标Tab.4 Different types of water consumption in 2019 of Qinghai Province

根据2019年不同用水结构的区位熵，分析2019年青海省空间用水专门化程度，由图6 可知，从青海省行政分区来看，玉树州工业用水和生态环境用水比例均为全省最低，生活用水与农业用水比例却不低，果洛州生活用水比例处于全省最高，而生态用水比例却不高，这与两地区经济发展落后、环境保护措施制约有关，但若要全面提高全省经济、生态发展进程，玉树州与果洛州应注意城镇生态环境保护与人民生活质量的提升；海南、海北藏族自治州工业用水、生活用水及生态环境用水比例均不高，而农业用水比例位居第一、第二，说明该地区农牧业较发达，同时应根据地区实际情况，加强农业节水灌溉，提升用水效率；作为省会城市的西宁市，工业、生活用水比例位居全省第二，生态环境用水比例处于第三；作为青海省工业大城市的海西蒙古族藏族自治州，工业用水比例为全省第一，生态环境用水比例同样较高，这与城市化进展加快同时注重环境保护密不可分。

2.3.2 洛伦兹不对称系数

采用洛伦兹不对称系数来分析青海省各用水类型空间不均匀性的主导因素。由表5 可知，2019年工业用水、生态环境用水的洛伦兹不对称系数小于1，说明工业用水比例最小及生态环境用水比例最小的地区用水是该两项用水类型空间不均匀性的主导因素，结合图6 可知，青海省2019年工业用水及生态环境用水比例最小的地区均为玉树州，说明2019年玉树州工业用水、生态环境用水是导致青海省该两项用水空间分布不均匀的主要因素；同理，生活用水的洛伦兹不对称系数大于1，结合图6 可知，生活用水比例最大的果洛州生活用水是导致青海省生活用水空间分布不均匀的主要因素。

表5 2019年青海省不同用水类型洛伦兹不对称系数Tab.5 Different types of Lorentz asymmetry coefficients in 2019 of Qinghai Province

图6 青海省2019年不同用水类型区位熵Fig.6 Location entropy of different types of water consumption in 2019 of Qinghai Province

2.4 用水结构特点分析

对青海省农业用水、工业用水、生活用水及生态环境用水的空间差异性、2019年用水专门化程度及导致用水空间差异性原因进行分析，得出以下用水结构特点：

（2）工业用水在所有用水类型中占比居中，存在空间差异。近年来洛伦兹曲线变化幅度不大，工业用水空间分布情况无明显变化，基尼系数总体减小，工业用水占比空间分布情况由相对合理变得较为平均，由2019年用水洛伦兹不对称系数小于1可知，工业用水比例最小的玉树州工业用水是导致青海省工业用水存在空间差异性的原因。

（3）生活用水在所有用水类型中占比居中，空间分布最不均衡。生活用水洛伦兹曲线离绝对均匀线最远，说明该用水类型空间差异性最大；近年来基尼系数总体减小，各地区用水占比处于差距较大的状态，由2019年用水洛伦兹不对称系数大于1 可知，生活用水比例最大的果洛州生活用水是导致青海省生活用水存在空间差异性的原因。

（4）生态环境用水在所有用水类型中占比最小，空间分布变得较为均衡。近年来洛伦兹曲线变化幅度较大，生态环境用水空间分布由相对合理变得较为平均，由2019年用水洛伦兹不对称系数小于1 可知，生态环境用水比例最小的玉树州生态环境用水是导致青海省生态环境用水存在空间差异性的原因。

3 结 论

（1）青海省虽地处江河之源，受地理环境、经济条件的制约，水资源开发利用程度较低，用水总量总体呈现下降趋势，其中农业用水及工业用水呈现下降趋势，生活用水及生态环境用水呈现增长趋势，且未来用水量变化趋势将保持不变。

（2）从不同区域来看，人均水资源占有量差距悬殊，人均用水量跨度较大。2019年西宁市农业用水比例较低，其余三类用水比例均偏高，海北州与之相反，除农业用水比例较高外，其余各类用水比例都偏低；海东市与海西州除生态环境用水与工业用水比例较高外，其余两类用水比例较低；果洛州除生活用水比例最高外，其余三类用水比例均偏低，玉树州工业用水与生态环境用水含量比例为全省最低，但生活用水与农业用水比例偏高。

（3）从时间变化来看，近7年来，青海省各用水类型空间差异性在逐渐减小，有利于全省经济、生态的全面协调发展与人民生活水平的提高，各地农业用水占比差异性最小，但生活用水占比差异性较大，应优化水资源配置，注重各地用水结构的均衡发展。