基尼系數(shù)法在水環(huán)境容量區(qū)域分配中的應(yīng)用

張磊++鄭潔

摘 要：文章簡要地闡明了水環(huán)境容量的特性與計算方法，闡述了水環(huán)境容量在污染物總量控制中的重要意義。在此基礎(chǔ)上，對國內(nèi)外污染物分配現(xiàn)狀及常用的水環(huán)境容量區(qū)域分配方法的歸納與分析。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境容量；基尼系數(shù)

中圖分類號：X196 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）12-0046-02

1 水環(huán)境容量

1.1 基本概念

水環(huán)境容量是環(huán)境容量在水資源研究領(lǐng)域的演繹。目前對于水環(huán)境容量的定義，國內(nèi)外學(xué)者仍持各種不同的觀點(diǎn)。我國“七五”國家環(huán)境保護(hù)攻關(guān)項目組認(rèn)為：“水環(huán)境容量是水體環(huán)境在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染物量。理論上水環(huán)境容量是環(huán)境的自然規(guī)律參數(shù)在社會效益參數(shù)下的多變量函數(shù)，她反映污染物在水體中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律，同時滿足特定功能條件下水環(huán)境對污染物的承受能力?！?/p>

水環(huán)境容量的性質(zhì)可分為三大屬性、九個方面的特征[1]。從水環(huán)境容量的目標(biāo)性特征來看，環(huán)境容量與環(huán)境質(zhì)量管理目標(biāo)是相關(guān)的，而環(huán)境質(zhì)量管理目標(biāo)是由社會對功能區(qū)的環(huán)境需要確定的，因而環(huán)境容量也必然會因社會需要而表現(xiàn)出基于地域、行業(yè)等方面的差異。從此意義出發(fā)，水環(huán)境容量在實(shí)際工作中可作為水污染物總量控制的重要指標(biāo)。

1.2 計算方法

常規(guī)的水環(huán)境容量計算方法是將河流分為若干段，然后依實(shí)際情況選用適當(dāng)?shù)暮恿鲄?shù)和水質(zhì)模型計算出各段的理論納污量，最后求和得到總?cè)萘?。如戎立[2]在計算石家莊市主要河流的水環(huán)境容量時，首先依照水文資料、水質(zhì)要求與水環(huán)境功能區(qū)劃分原則對石家莊水域進(jìn)行科學(xué)劃分，將一個功能區(qū)設(shè)計為一個計算單元，利用完全混合模型與允許排污量模型分別計算得石家莊地表水的CODCr環(huán)境容量和允許排放CODCr量。但是，常規(guī)的計算方法存在著理論性的問題。如若河段劃分得越多，則環(huán)境容量總和將會越大，這顯然是不合理的。

2 基尼系數(shù)法

2.1 簡 述

基尼系數(shù)是20世紀(jì)初意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家基尼（Gini）根據(jù)洛倫茨曲線提出的用于分析國民收入規(guī)模分配格局的一個概念，常用于衡量居民戶之間收入的平等性程度。

依照人權(quán)平等的思想，每個人應(yīng)當(dāng)具有相同的收入水平，即所得洛倫茲曲線應(yīng)為一條直線，該直線通過O點(diǎn)且平分以橫縱軸為邊長的正方形，記為s；然而在實(shí)際生活中，這種情況是極罕見的，身體狀況、文化程度等因素必然會使人們的收入出現(xiàn)不平均的現(xiàn)象，將實(shí)際統(tǒng)計所得數(shù)據(jù)作得的洛倫茲曲線，記為r。實(shí)際洛倫茲曲線與理想曲線之間有一定的差距，這種差距用二者所圍圖形的面積表示，記為A；將實(shí)際曲線下方的面積記為B。用A/A+B之值來反映收入分配的公平性程度，即為基尼系數(shù)。用公式可表示為：

Gini=■（1）

2.2 計算方法

基尼系數(shù)有多種計算方法，常用的基尼系數(shù)計算方法有梯形面積法、積分法等。其中梯形面積法主要適用于數(shù)據(jù)量不大的一般應(yīng)用情況，而積分法則用于樣本數(shù)據(jù)量大（至少為50[2]）、精度要求高的場合。以此為依據(jù)，本文選用梯形面積法計算基尼系數(shù)。計算公式如下：

Gini=1■（Y■+Y■）（X■-X■）（2）

式中，Xi為人口等指標(biāo)的累計百分比；Yi為污染物的累計百分比；且當(dāng)i=1時，（Xi-1，Yi-1）=（0，0）。

3 基于基尼系數(shù)的水環(huán)境容量區(qū)域分配方法

采用基尼系數(shù)法進(jìn)行水環(huán)境容量的區(qū)域分配時，分配方案的產(chǎn)生必須建立在兼顧公平與效益原則的基礎(chǔ)上，綜合權(quán)衡影響區(qū)域容量利用能力的各方面因素，選取代表性指標(biāo)并計算各指標(biāo)下的基尼系數(shù)，然后以基尼系數(shù)總和最小為優(yōu)化目標(biāo)，在依據(jù)實(shí)際情況制定的約束條件下進(jìn)行規(guī)劃求解，從而得出唯一的、最為公平的分配方案。

3.1 選取控制指標(biāo)

水環(huán)境容量區(qū)域分配指標(biāo)的選取是分配方案制定的重要環(huán)節(jié)，所選指標(biāo)是否合適直接影響分配方案的科學(xué)性與可行性。以天津市海河流域水環(huán)境容量分配情境為例，借助層次分析法的基本思路，從自然、經(jīng)濟(jì)和社會三方面綜合考慮影響水環(huán)境容量分配的因素。

影響水環(huán)境容量區(qū)域分配的因子幾乎涉及到行政區(qū)的各個主要方面，可以說，水環(huán)境容量區(qū)域分配實(shí)際上是一個由眾多因素構(gòu)成的、相互聯(lián)系的復(fù)雜系統(tǒng)。若僅按照系統(tǒng)對于某一因素的公平性程度來分配水環(huán)境容量，那么在實(shí)際分配時必然會出現(xiàn)“牽一發(fā)而動全身”的現(xiàn)象，即調(diào)整后整個區(qū)域的水環(huán)境容量利用狀況雖然基于某一因子具有較高的公平性程度，但這種容量利用現(xiàn)狀卻難以滿足其他方面對水環(huán)境容量的需求，甚至出現(xiàn)極度不公平的現(xiàn)象。如張晉華同學(xué)在研究黃河流域水資源分配狀況時發(fā)現(xiàn)，黃河流域基于行政區(qū)收入的基尼系數(shù)接近于0，即達(dá)到極度平均的程度，而在土地面積等方面的基尼系數(shù)則顯示水資源的利用處于十分不公平的范圍內(nèi)。而事實(shí)上，現(xiàn)如今黃河流域水資源利用狀況確實(shí)處于不均衡狀態(tài)。結(jié)合上文對基尼系數(shù)衡量平等程度的討論可知，絕對的平均并不意味著公平，公平應(yīng)當(dāng)是建立在系統(tǒng)各方面相互協(xié)調(diào)、互相推進(jìn)的基礎(chǔ)之上而形成的一種狀態(tài)，自然界生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作發(fā)展正是這一觀點(diǎn)的極好例證。

因此，我們需要綜合權(quán)衡多方面因素的影響，選擇可以代表各因素的指標(biāo)并求得各指標(biāo)下的基尼系數(shù)，以基尼系數(shù)之和作為衡量水環(huán)境容量區(qū)域分配公平性的尺度。為兼顧分配方案的科學(xué)性與可行性，本文僅選取影響區(qū)域分配的幾個主要因素作為考察重點(diǎn)，同時控制所選指標(biāo)在5個以內(nèi)以保持模型的可行性與簡明度。

作為水體納污能力的一種表征，水環(huán)境容量必然與自然條件下的水資源量及水體的納污能力等有著十分密切的聯(lián)系。同時，水環(huán)境容量區(qū)域分配也要著重考慮行政區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，考察其所具備的污染治理能力，否則分配方案的可行性會顯著降低，從而影響到整個區(qū)域的環(huán)境保護(hù)工作。

除此之外，區(qū)域分配還受許多社會性因素的影響，如人口數(shù)量和人們的環(huán)保意識等。特別地，生活污水的排放量與當(dāng)?shù)厝丝诰哂锌陀^的、直接的聯(lián)系，應(yīng)當(dāng)作為水環(huán)境容量分配的考察重點(diǎn)，而其他主觀性較強(qiáng)、難以量化的因素則不作為本文區(qū)域分配的重點(diǎn)，而僅在可行性分析時依實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整即可。

基于以上的定性分析，本文主要考慮資源秉賦、經(jīng)濟(jì)及社會客觀因素對水環(huán)境容量分配的影響。因涉及該方面的具體指標(biāo)較多，為滿足模型客觀性與簡潔性的要求，筆者主要選取易采集、可比較、可定量化[3]且具有代表性的指標(biāo)作為區(qū)域分配指標(biāo)。根據(jù)天津市海河流域水環(huán)境容量的分配現(xiàn)狀，本文初步選擇水資源量、土地面積、水環(huán)境容量最大值、GDP和人口作為備選指標(biāo)。然而，各地區(qū)對水資源量的統(tǒng)計存在許多缺陷，特別是對行政區(qū)共有的水資源量無法進(jìn)行科學(xué)的劃分。與此相比，土地面積則不存在上述問題，且能在一定程度上表征各地區(qū)的納污能力。因而，本研究僅用土地面積和水環(huán)境容量最大值作為表征地區(qū)資源秉賦的分配指標(biāo)。

3.2 計算基尼系數(shù)

確定區(qū)域分配指標(biāo)后，利用公式（2）分別計算出各指標(biāo)所對應(yīng)的現(xiàn)狀基尼系數(shù)GO（j）（j=1，2，3，4），并求得各基尼系數(shù)之和，即分配現(xiàn)狀下的總基尼系數(shù)GtO。具體求解步驟如下：

①求各行政區(qū)單位指標(biāo)下的水環(huán)境容量e（i）；

②按e（i）遞增的順序?qū)⑿姓^(qū)排序，形成一個新的數(shù)據(jù)序列；

③分別求各行政區(qū)相應(yīng)指標(biāo)和水環(huán)境容量占總量的百分比；

④分別求新數(shù)據(jù)序列下各行政區(qū)相應(yīng)指標(biāo)和水環(huán)境容量相應(yīng)的累積百分比；

⑤求B值；

⑥依公式（2）計算基尼系數(shù)。

依照基尼系數(shù)的含義，各指標(biāo)的基尼系數(shù)可較為科學(xué)地反映水環(huán)境容量在該影響因子下的公平性程度。然而引入環(huán)境規(guī)劃領(lǐng)域后，基尼系數(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)勢必會因應(yīng)用情境的改變而改變。因此，本文不再沿用經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)，而僅基于基尼系數(shù)的公平性意義尋求總基尼系數(shù)最小、即最為公平的分配方案。

3.3 優(yōu)化分配方案

水環(huán)境容量的區(qū)域優(yōu)化分配實(shí)質(zhì)上是一個線性規(guī)劃問題。規(guī)劃求解的目標(biāo)函數(shù)是使總基尼系數(shù)最小，而制定合適的規(guī)劃約束條件是優(yōu)化分配的關(guān)鍵。本文制定的約束條件如下：

①基于天津市水環(huán)境容量過度消耗的現(xiàn)狀，本次調(diào)整需在整個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行一定比例的削減，使得削減后各行政區(qū)水環(huán)境容量利用量的總和達(dá)到總體要求。按照國家環(huán)?？偩汁h(huán)境規(guī)劃院的《重點(diǎn)流域水污染防治“十一五”規(guī)劃編制技術(shù)細(xì)則》要求，選定污染物消減總量在5%±0.5%較為適宜。在此后分配工作中可依實(shí)際情況對削減總量作相應(yīng)的改動。

②規(guī)劃求解過程中各指標(biāo)的基尼系數(shù)要小于等于現(xiàn)狀值，即保證行政區(qū)間水環(huán)境容量分配基于各指標(biāo)的公平性狀況不變差，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分配方案的優(yōu)化。

③考慮到各區(qū)縣的客觀條件并同相關(guān)部門商討后確定各行政區(qū)的可行削減比例的上、下限分別為1%和20%，在后續(xù)分配工作中可依實(shí)際情況對其作相應(yīng)的改動。

④優(yōu)化求解時保證各行政區(qū)在洛倫茲曲線中的排序不發(fā)生變化，即使行政區(qū)單位指標(biāo)下水環(huán)境容量的排序與現(xiàn)狀保持一致。因為單位指標(biāo)的水環(huán)境容量值代表了各地區(qū)基于該指標(biāo)的水環(huán)境容量的使用額度，區(qū)域間額度的總體分布態(tài)勢與各地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會對水環(huán)境容量的需求是基本一致的。如若將這種態(tài)勢打亂，那么就意味著某些地區(qū)對應(yīng)指標(biāo)下的水環(huán)境容量利用狀況將發(fā)生劇烈的變化，這樣勢必會引起許多方面的紊亂。因而，分配方案的優(yōu)化必須要在尊重現(xiàn)實(shí)、尊重客觀的基礎(chǔ)上才能得以實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化過程應(yīng)逐次深入、漸進(jìn)式地進(jìn)行。

4 結(jié) 語

本文在深入研究水環(huán)境容量的特性及其區(qū)域分配現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，認(rèn)為現(xiàn)有的水環(huán)境容量區(qū)域分配方法在理論或?qū)嶋H層面上存在著一些欠缺，特別是許多方案的可行性較差，從而未能真正地服務(wù)于實(shí)際的水環(huán)境容量區(qū)域分配工作，導(dǎo)致容量利用的不合理程度日益加劇。為使分配方案兼顧公平與效益原則且具有較強(qiáng)的可行性，筆者引入基尼系數(shù)這一衡量居民收入公平性的經(jīng)濟(jì)學(xué)概念，在綜合考慮各地區(qū)自然、經(jīng)濟(jì)和社會的情況下，以公平為主要目標(biāo)構(gòu)建了一套以多維度的基尼系數(shù)衡量區(qū)域分配公平性的分配優(yōu)化規(guī)則。該方案以整個區(qū)域分配的總基尼系數(shù)最小為目標(biāo)函數(shù)，通過設(shè)定適當(dāng)?shù)募s束條件以體現(xiàn)實(shí)際分配要求，然后進(jìn)行規(guī)劃求解，得到一個最為公平且唯一的區(qū)域分配方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戎立.石家莊市主要河流水環(huán)境容量研究[D].南京：南京理工大學(xué)， 2005.

[2] 林高松，李適宇，江峰.基于公平區(qū)間的污染物允許排放量分配方法[J].水利學(xué)報，2006，（1）.

[3] 林巍，傅國偉，劉春華.基于公理體系的排污總量分配模型[J].環(huán)境科學(xué)，1996，（6）.