2010—2019年南盘江流域水资源空间均衡状况分析

曾祥云，莫介环

(水利部珠江水利委员会技术咨询(广州)有限公司，广东 广州 510611)

关键字：空间均衡；基尼系数；三角系统模型；南盘江流域

中国历来重视水资源问题，现阶段重点明确了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时代治水思路，将水资源作为最大的刚性约束。中国用全世界约6%的可更新水资源，润泽9%的耕地，支撑了22%的世界人口的小康和区域的经济发展[1]。中国正朝着新时代水利高质量发展大步前进，解决水资源的空间均衡问题更是新时代国家高质量发展的重要保障。

水资源空间均衡问题吸引了众多的国内外学者的深入研究。金菊良等[2]首先对水资源空间均衡的概念、内涵及评价方法等研究内容进行分析总结；郦建强等[3]、左其亭等[4]对水资源空间均衡的理论方法、应用研究框架及对策措施进行了深入研究分析；部分学者对空间均衡度评价方法进行了深入研究，如马睿等[5]基于多指标综合评价法开展黄河流域空间均衡状态分析；杨亚锋等[6]基于可变集原理及偏联系数方法构建一种新的水资源空间均衡评估模型对全国31各省份进行了空间均衡状态分析；夏帆等[7]应用空间均衡系数对全国水资源空间均衡情况进行分析。多种评价方法被应用到具体区域评价上，其中有相当部分学者引用不平等关系的原理对区域水资源空间均衡性进行了分析研究，如 Gunasekara等[8]应用基尼系数对国际水资源分配不平衡的情况做了分析；黄锋华等[9]利用泰尔指数对粤港澳大湾区水资源空间均衡性进行了研究，魏寿煜等[10]以洛伦兹曲线模型分析了重庆市水资源空间均衡性;李倩文等[11]通过采用空间均衡度计算方法，计算了2004—2017年新疆各地州各指标的空间均衡系数及水资源开发利用的总体空间均衡度。目前对空间均衡的概念、评价方法和应用及对策措施等具有很多很好的成果，对中国水资源的空间均衡分析有很好的指导作用，但是目前成果对水资源空间均衡系统的稳定性及其空间失衡的量化分析却鲜有报道。

水资源空间均衡是一种当地水资源开发利用、地区天然水资源禀赋条件与社会经济活动在区域空间上相协调，是一种可以持续发展的状态。本文选择中国石漠化连片区及西部贫困程度较深的南盘江流域为例，收集了南盘江流域的社会经济指标和水资源禀赋及开发利用数据，采用表征水资源禀赋与社会经济发展关系的水资源负载指数和水土资源匹配系数以及表征水资源开发利用与社会经济发展关系的用水效益等3个方面和及其基尼系数综合考虑水资源空间均衡状况；建立南盘江流域水资源禀赋-开发利用-社会经济三角系统模型分析其空间均衡系统的稳定性，定量展示南盘江流域水资源系统在水资源禀赋-开发利用-社会经济系统中的架构，直观描述流域内水资源系统的发展分布状态，分析区域发展长短板，以期为南盘江流域水资源管理和区域高质量发展的政策制定提供参考。

1 区域、方法及数据来源

1.1 区域概况

南盘江为珠江流域西江上游的干流河段，1985年被确定为“珠江源”河段(图1)。流域属滇东高原盆地区，海拔1 500～2 500 m，全区为浅到深切割的中山至高中山地高原地形，总体地势西北高、东南低。流域涉及云南、贵州、广西3个省(区)，总面积56 381 km2。流域多年平均水资源总量为229.6亿m3，地表径流由降水形成，但径流年际变化较大，年内分配不均，地区空间分布差异大，如南盘江流域多年平均径流深为405.6 mm，但在滇东南地区的蒙自、开远及上游曲靖市，平均年径流深仅50～150 mm。南盘江流域内大部分地区人高水低、岩溶地貌强烈发育。2019年，南盘江流域内常住人口为1 147万人，国内生产总值(GDP)达6 088亿元(当年价)。南盘江流域的水资源作为中国西南地区巩固脱贫攻坚成果和发展乡村振兴的基础性资源，目前对其空间均衡性尚未有系统性研究成果，分析南盘江流域空间均衡真实状态对于准确把握流域自然规律和经济规律，因地制宜制定科学合理的水资源管控措施具有重要意义。本文研究范围为整个南盘江流域，涉及到的地级市均为流域套地级市范围。

图1 南盘江流域

1.2 分析方法

1.2.1水资源负载指数

水资源负载指数是一种反映水资源的时空分布、利用程度及水资源开发的难易程度，可对水资源时空分布及开发利用的均衡性进行评价分析的计算方法。计算公式见式(1)、(2)：

(1)

式中C——水资源负载指数，值越大说明水资源开发利用程度越高，水资源开发越困难，越需要通过调水来解决人水矛盾，水资源负载指数分级见表1；H——人口，万人；T——国内生产总值，亿元;W——水资源总量，亿m3。

表1 水资源负载指数分级评价

(2)

式中K——降水系数，与降水量有关；P——区域面降雨量，mm。

1.2.2水土资源匹配系数

水土匹配系数是指区域内每公顷耕地占有的水资源量，反映区域内水资源和耕地资源的匹配状况以及水对耕地的满足程度[8]。水土匹配系数越大，说明该区域的可利用水资源就越丰富，对区域内耕地的满足程度越高，越有利于农业生产活动；系数越小，能够用于该区域的水资源量就越匮乏，越不利于农业生产活动。水资源作为农业生产的基础支撑条件和约束性条件，是农业健康发展的关键所在。水土资源匹配系数计算公式见式(3)：

(3)

式中δ——水土资源匹配系数，万m3/hm2；W——区域水资源量，亿m3；α——地区农业用水占该地区用水总量的百分比；L——耕地面积，hm2。

1.2.3用水效益

每方水产生的GDP与区域经济发展有很强的相关关系，能够直观反映社会发展用水效益的高低。经济发展水平越高，用水效益就越高，每方水产生的GDP值越大，越有利于水资源可持续利用。用水效益(Z)计算公式见式(4)：

(4)

式中Z——单方水GDP产值，元/m3；Wy——区域用水总量，亿m3。

1.2.4基尼系数

基尼系数是1943年美国经济学家阿尔伯特·赫希曼根据洛伦兹曲线所定义的判断收入分配公平程度的指标。该指数能够非常方便地反映出总体收入差距的状况，客观、准确地评价居民收入的差距。通常把0.4作为基尼系数的警戒值，超过0.4，说明收入差距较大。本文引用张建华[12]推导的一种简洁的基尼公式对水资源负载指数、水土资源匹配系数和用水效益的基尼系数进行计算见式(5)：

(5)

式中G——基尼系数；γi——每个计算指标从第1组累计到第i组的总和占全部总量的百分比；n——组数。

1.2.5三角系统模型

根据三角形的稳定性原理和系统的定义，假设三角形的三边为某一系统的组成元素，三角形的3个顶点为3个组成元素的两两联结点，那么就可以认为这三条边和3个顶点所构成的三角形，是具有确定形状、面积和周长、重心、外心、内心的几何有机体，也就是一个具有确定功能的有机体。目前三角模型被广泛应用到土地利用系统[13-14]、区域农业可持续发展系统研究[15-16]以及城市发展空间均衡性[17]，对评价系统的稳定性及可持续发展性有较直观的表述。

本文从水资源系统内社会经济-开发利用-自然禀赋3个层面的各项相互关联的指标出发，考虑数据可比较性和可获得性的原则，构建水资源系统的指标体系，定量地计算出南盘江流域套8个地级市的城市社会经济发展水平指数、水资源开发利用指数和水资源禀赋条件指数，根据三角系统模型和空间均衡的理论，量化分析南盘江流域以及各个地级市的空间均衡与稳定程度。

提示区域水资源综合空间分布状态的目标层(D)主要包括社会经济发展水平(B1)、水资源开发利用程度(B2)和水资源禀赋条件(B3)3个一般性指标，其中B层指标由因子层(A)来衡量和评价。根据数据的选取原则，共选取9项因子层指标。本文各级指标的权重基于重要程度相当原则确定。指标体系和权重见表2。

表2 空间均衡分析指标体系及其权重

本文将原始总量数据转化为每平方千米的水平数据，并且对转化后的数据进行标准化计算处理，把所有因子数据统一到[0,1]区间上来，再以社会经济发展水平(B1)、水资源开发利用(B2)和水资源禀赋(B3)指标根据表1所示的加权求和后得到南盘江流域水资源综合空间分布状态D，并以3个各地方的指标层的指数总和，即∑B1、∑B2、∑B3为三角形的3条边，建立南盘江流域的反映水资源空间分布状态的三角系统模型(图3)。系统的存在与消失，取决于是否可以构成三角形和它的动态变化。按几何定量，三角形存在的充要条件是三角形两边之和大于第三边，三角形两边之差小于第三边。系统的平稳与否关系到系统的存在，系统是否能健康发展与系统的平稳程度息息相关。系统的平稳度与系统部分结构、大小以及系统的“三心”位置、外部环境对系统的干扰因素有关。物理学研究表明，“三心”在物体之外的系统的平衡度远低于在物体之内的系统[15]。

图3 昆明、曲靖、红河、文山三角系统模型

1.3 数据来源

本文研究数据主要来源于《珠江片水资源公报》(2010—2019 年)，云南省的《云南省昆明市统计年鉴》(2010—2020年)、《云南省曲靖市统计年鉴》(2010—2020年)、《云南省红河州统计年鉴》(2010—2020年)、《云南省文山州统计年鉴》(2010—2020年)，以及贵州省《贵州省六盘水市统计年鉴》(2010—2020年)、《贵州省黔西南州统计年鉴》(2010—2020年)和广西区的《广西区百色市统计年鉴》(2010—2020年)。

2 结果与讨论

2.1 水资源负载程度

水资源负载指数(C)模型和基尼系数(GC)计算结果见表3。由表3可以看出，南盘江流域2010—2019年水资源负载指数平均值为10.32，南盘江流域水资源负载指数级别为Ⅰ级，表明水资源利用程度很高及开发潜力很小，指示今后水资源开发条件艰巨、有条件时需要外流域调水。这主要是因为南盘江流域降雨年内分布不均，特别是在2010年发生的百年一遇的大干旱后，流域大兴水利工程，本地水资源开发利用几近饱和。

表3 水资源负载指数与基尼系数

从负载指数在各地级市的指标上看，水资源负载能力分布严重不均，指数超过10的主要集中在昆明市、玉溪市和红河州，其余地级市指数在Ⅱ～Ⅲ级之间。结果表明滇中3个地方当地水资源开发潜力已接近极限，水资源已成为限制区域社会经济发展的因素。这主要是因为该区域是云南省的重要的农业基地和重化工业聚集区，也是云南省工农业较为发达的地区之一，同时也是云南省水资源供需矛盾非常突出的地区之一。因此，为解决滇中地区当地水资源开发潜力有限，国家正在实施滇中引水工程目的解决滇中地区水资源短缺问题，该工程的主要受水区就是昆明、玉溪和红河州，该区域平均每年受水量超过26亿m3。

水资源负载指数的基尼系数的变化规律与水资源负载指数呈现出的规律相互协调。由表3可以看出，全流域从2010—2019年每年基尼系数均大于0.4，基尼系数平均值为0.49，在降水量偏枯的2010和2019年[18]，基尼系数更大，分布规律与南盘江流域地表水径流深空间分布规律保持一致。此外，考虑到南盘江流域多年平均(1956—2016年)水资源量229.6亿m3，流域产水模数仅为40.72万m3/km2，不足珠江区同期产水模数的一半；流域人均水资源量为2 071 m3，低于珠江区人均水资源量的2 494 m3，也低于全国人均2 200 m3的水平[19]；流域内经济总量和人口数量均较大的昆明、玉溪、红河州3个地级市与其当地水资源条件矛盾异常突出，昆明、玉溪、红河州万元GDP水资源量仅为345、104、288 m3，与流域万元GDP水资源量589 m3相差较大。由此表明，南盘江流域水资源总体并不丰富，局部地区水资源量与社会经济发展用水矛盾逐渐显现，加上各地城镇化进程不一致，进一步加大部分地区的水资源承载压力，水资源逐渐成为制约社会经济发展的重要因素。

2.2 水土资源匹配系数分析

通过计算南盘江流域的水土资源匹配系数(δ)，得到南盘江流域水土资源匹配系数变化范围在0.26～2.49，10年平均值为1.0，各地级市2010—2019年δ值见表4。

表4 水土资源匹配系数与基尼系数

由表4可知，南盘江流域水土资源匹配程度不高，这主要是因为南盘江流域自身水资源禀赋能力不足，流域亩均耕地占有水资源量仅为1 054 m3，远小于珠江区的3 075 m3。从流域内各地方来看，流域各地市分布均衡性较差，尤其以玉溪市、红河州、昆明和六盘水等四地区更为突出，四地区的水土资源匹配系数均小于1。这是由于该区域是中国重要的烤烟、蔬菜及粮食基地，流域内现有蒙开个、弥泸、石屏、曲靖、兴中、丘北、柴石滩等多个大型灌区和众多的中小型灌区，均分布在上述4个地区，而且上述地区水资源禀赋先天条件较差。因此，严重不匹配的水土资源要求上述区域需大力优化种植结构、积极响应中央节水号召，大力发展高效节水，建设高标准农田，以缓解水土资源不匹配问题。从流域2010—2019年基尼系数来看，每年变化不大，在0.4附近摆动，表明随着降雨量的丰枯年份变化与当地水资源开发利用现状的差异，各年份在均衡和不均衡之间摆动。

2.3 用水效益分析

根据用水效益指数测算模型计算结果(表5)，南盘江流域2010—2019年用水效益指数呈现逐年升高的趋势，指数平均值为92.69，说明流域在国家节约用水的号召下，节水型社会初见成效，但从全国范围来看，流域用水效益仍然处于较低的水平，流域平均值略高于杨亚锋等[6]和夏帆等[7]对全国2017年的用水效益研究计算中云南省、广西区全省(区)的指数成果，低于贵州的用水效益指数。从流域内范围内的各地市指数分布来看，用水效益指数分布与流域内各地的经济社会用水结构有关，昆明、曲靖、玉溪和红河州等第二产业占比较大，用水附加值高；其他地区则第一产业比重较大，经济相对落后。从用水效益的基尼系数计算结果，近十年均值为0.22，表明区域内各地市用水效益均大同小异，南盘江流域的整体用水效益较低。因此，建议南盘江流域各地市积极优化产业结构，提高水资源利用率。

表5 用水效益指数与基尼系数

2.4 水资源空间均衡稳定性分析

根据三角系统模型，计算得到南盘江流域及流域套各地级市的区域在2010—2019年的空间均衡指数和稳定度见表6。从社会经济发展水平(B1)、水资源开发利用(B2)、水资源禀赋(B3)和水资源综合空间分布状态(D)的基尼系数可以看出，南盘江流域各地方的社会经济发展水平(B1)和水资源开发利用程度分布较为协调、分布较为合理，这从侧面体现了已批复的《南盘江流域综合规划》对流域社会经济可持续发展提供的水利支撑和保障。水资源禀赋(B3)的基尼系数较大，主要是因为南盘江流域水资源分布不均，与水资源承载能力结论相似。除去水资源开发利用程度(B2)因子，水资源综合空间分布状态(D)的空间分布比社会经济发展水平、水资源禀赋条件都更加均衡，这从另一个方面上体现了空间均衡模型的合理性，即提示任何区域综合分布状态的每平方千米水平值是大体相等的。

表6 南盘江流域各地区空间均衡指数及稳定度

利用南盘江流域的社会经济发展水平(∑B1)、水资源开发利用(∑B2)和水资源禀赋(∑B3)为三边，构建南盘江流域水资源三角(社会经济-开发利用-自然禀赋)系统模型见图2，其三角形中最大的角为63.479°，为锐角三角形。锐角三角形的重心、内心、外心等都位于三角形内部，提示三角形的稳定性较好。由此可知，南盘江流域水资源三角(社会经济-开发利用-自然禀赋)系统的稳定性也较强，意味着南盘江流域的经济社会-开发利用-自然禀赋之间整体上是稳定和可持续发展的。

图2 南盘江流域水资源三角(社会经济-开发利用-自然禀赋)系统模型

然而，从表5也可以看到，在南盘江流域内套8个地级市区域中，只有一半地方的社会经济-开发利用-自然禀赋系统能构成稳定的三角形系统，而且这4个地方所构成的三角形系统的最大角均为钝角(图3)，根据钝角三角形性质可知，钝角三角形的外心分布在三角形的外部，表明该区域受外部环境影响较大，可持续性和稳定性稍差。昆明和红河州呈现出水资源自然禀赋能力能严重不足，而文山州则呈现出社会经济发展相对落后，曲靖则可以适度提高水资源开发利用程度满足社会经济发展的需求。在4个不能构成三角系统的地方中，玉溪市则是由于水资源自然禀赋能力能严重不足造成的，后期滇中引水工程建成后可保障玉溪社会经济的可持续发展，而其余3个地方(尤其是百色市)则呈现出社会经济发展的不足，因此，在未来的区域综合开发过程中，建议对以上3个区域的开发投资力度有所倾斜，同时给予政策方面的支持，以提高其经济和社会发展水平。

3 结论

本文运用水资源系统(社会经济-开发利用-自然禀赋)3个层次的9项指标在构建水资源负载指数、水土资源匹配系数和用水效益指数评估模型，以基尼系数为评价指数，分析了南盘江流域2010—2019年水资源负载、水土资源匹配、用水效益及空间均衡状态。构建了三角系统模型，初步探讨了南盘江流域水资源空间均衡的稳定性及可持续性。

a)南盘江流域水资源负载等级较高且流域内各地方分布均衡性较差。说明南盘江流域总体上水资源利用程度很高及开发潜力很小，今后水资源开发条件艰巨，需要外流域调水。流域内局部地区水资源量与社会经济发展用水矛盾逐渐显现，水资源逐渐成为制约社会经济发展的重要因素。

b)从水土资源匹配系数、用水效益指数及其基尼系数结果显示：南盘江流域各地级市的水土资源匹配程度和用水效率均较低。表明了水资源总体并不丰富的南盘江流域，加上用水效率的低下，造成水资源量与社会经济发展用水矛盾有逐渐加剧趋势。

c)从三角系统模型来看，南盘江流域水资源空间均衡系统稳定性较强，意味着南盘江流域的经济社会-开发利用-自然禀赋之间整体上是稳定和可持续发展的。然而从流域局部分布来看，流域水资源空间均衡性较差，有一半的地方水资源系统不能构成三角形系统。

d)南盘江流域内的滇中地区水资源禀赋条件较差，滇中引水工程竣工后可缓解用水压力，曲靖则可以适度提高水资源开发利用程度满足社会经济发展的需求。文山州、百色市、六盘水市和黔西南州等地区呈现出社会经济发展的不足。在未来的区域综合开发过程中，建议对该区域的开发投资力度有所倾斜，同时给予政策方面的支持，以提高其经济和社会发展水平。