廣州市用水結(jié)構(gòu)空間均衡差異性分析

范嘉煒，黃錦林，袁明道，張旭輝，譚 彩

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院大壩安全技術(shù)管理中心，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635；3.廣東省粵港澳大灣區(qū)水安全保障工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，合理利用水資源，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置已變得刻不容緩[1-2]，“節(jié)水優(yōu)先，空間均衡，系統(tǒng)治理，兩手發(fā)力”十六字治水方針[3]表明，在新型產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，正確把控水資源和人口經(jīng)濟(jì)的關(guān)系是實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的重要原則。目前，水資源空間分布不均導(dǎo)致區(qū)域經(jīng)濟(jì)無(wú)法均衡發(fā)展的問題逐漸引起國(guó)內(nèi)眾多水利學(xué)者的重視，為提出有效的解決方案，一些學(xué)者嘗試將洛倫茲曲線、基尼系數(shù)等本屬于經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念應(yīng)用于水資源的空間分配中，如魏壽煜等[4]以基尼系數(shù)理論為基礎(chǔ)，建立了重慶市水資源與耕地、人口的空間匹配模型；劉歡等[5]利用洛倫茲曲線對(duì)鄭州市不同類型用水的空間分布和變化特點(diǎn)做了分析探討；馮穎等[6]以陜西省為研究對(duì)象，利用基尼系數(shù)理論對(duì)陜西省各市各類型用水的時(shí)空分布進(jìn)行了分析；張洪波等[7]利用洛倫茲曲線和基尼系數(shù)模型分析了榆林市農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活三類用水的空間分布情況；吳昊等[8]以南京市為例，分析了區(qū)域用水結(jié)構(gòu)演變特征以及用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)力因素；章恒全等[9]利用基尼系數(shù)分析了湖北省各市(區(qū)、州)的總用水量與水資源量的分布狀況。

廣州市過境水資源雖相對(duì)豐富，但本地水資源較少，加上社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，導(dǎo)致廣州市工農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)用水問題日益凸顯，水資源總量不足、空間均衡性不足的問題已成為廣州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的阻礙[10]。為此，本文選取廣州市2007—2017年各類用水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)廣州市用水結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布均衡性進(jìn)行分析，以期為廣州市各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的水資源合理配置和有效利用提供參考。

1 研究方法

1.1 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線由美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Lorrenz于20世紀(jì)初提出[11]，用來(lái)表征不同區(qū)域間收入和財(cái)富分配的不均勻性。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和學(xué)科之間交叉融合，目前在多個(gè)研究領(lǐng)域得到了有效利用[7-11]。在洛倫茲曲線圖中，縱、橫坐標(biāo)均為累積百分比，百分比含義由研究對(duì)象決定。不同研究對(duì)象的累積曲線y=f(x)與絕對(duì)平均線y=x距離的遠(yuǎn)近表明了研究對(duì)象空間分配的均衡程度，即距離y=x越近，研究對(duì)象的空間分配越均衡，越遠(yuǎn)空間分配差距越大。

1.2 區(qū)位熵

計(jì)算各區(qū)域的區(qū)位熵是得出洛倫茲曲線的關(guān)鍵步驟[12]。區(qū)位熵為各研究區(qū)域類用水累積百分比與總用水累積百分比的比值，即洛倫茲曲線中的斜率大小，可用以下公式表示：

(1)

式中：Lij為區(qū)位熵；Qij為i分區(qū)第j類用水量，m3；Qj為整個(gè)區(qū)域的第j類用水總量，m3；Qi為i分區(qū)各類用水總量，m3；Q為整個(gè)區(qū)域的各類用水總量，即總用水量，m3。

由式(1)可計(jì)算出各分區(qū)的區(qū)位熵，按區(qū)位熵從小到大分別列出各分區(qū)第j類用水量和各分區(qū)該年的總用水量，求出類用水和總用水的累積百分比，用兩組累積百分比數(shù)據(jù)就可繪制成洛倫茲曲線。按Lij由小到大的順序進(jìn)行排列，每一個(gè)分區(qū)在洛倫茲曲線圖中均概化為一點(diǎn)，將各點(diǎn)用平滑的曲線依次相連，斜率(即Lij)由小變大，自(0,0)始，至(1,1)終，形成凹型曲線。

1.3 基尼系數(shù)

洛倫茲曲線雖然可以直觀地表現(xiàn)區(qū)域用水的空間均衡程度，卻不能用于定量描述，尤其是當(dāng)圖中涉及多類用水時(shí)，面對(duì)多條凹型曲線，無(wú)法得出孰優(yōu)孰劣的準(zhǔn)確結(jié)論，因此引入基尼系數(shù)這一概念?；嵯禂?shù)表示的是絕對(duì)平均線y=x與實(shí)際凹型曲線所圍面積和絕對(duì)平均線下直角三角形面積的比值，它由意大利科學(xué)家基尼在1922年提出，并用于分析收入分配的均衡程度，如今基尼系數(shù)已廣泛應(yīng)用于城建、資源配置、土地利用等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域[13-17]，其計(jì)算公式為

(2)

式中：I為基尼系數(shù)；f(x)為洛倫茲曲線。本文x為總用水累積百分比，f(x)為類用水累積百分比。

然而實(shí)際洛倫茲曲線方程f(x)很難用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，通常采取近似估算法估算。本文采用三角形面積法進(jìn)行基尼系數(shù)估算：

(3)

式中：Mi、Mi+1分別為i、i+1分區(qū)總用水累積百分比；Pi、Pi+1分別為i、i+1分區(qū)類用水累積百分比；n為分區(qū)總數(shù)，本文整體趨勢(shì)分析中n=7，即包括中心區(qū)、番禺區(qū)、南沙區(qū)、增城區(qū)、從化區(qū)、花都區(qū)、蘿崗區(qū)7個(gè)區(qū)，均衡性及差異性分析考慮到新的行政區(qū)劃問題，n=11，即荔灣區(qū)、越秀區(qū)、海珠區(qū)、天河區(qū)、白云區(qū)、番禺區(qū)、花都區(qū)、南沙區(qū)、黃埔區(qū)、增城區(qū)、從化區(qū)共11區(qū)。

本次評(píng)價(jià)分析采用國(guó)際上公認(rèn)的評(píng)價(jià)區(qū)間劃分標(biāo)準(zhǔn)[18-19]，即0

2 用水結(jié)構(gòu)分析

(a) 農(nóng)業(yè)用水

(b) 工業(yè)用水

(c) 居民生活用水

(d) 城鎮(zhèn)公共用水

(e) 生態(tài)環(huán)境用水

表1 廣州市典型年各類用水基尼系數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 整體趨勢(shì)性

圖1為廣州市典型年各類用水洛倫茲曲線，可以看出，2007—2017年農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)并無(wú)明顯變化，其余4類用水的空間分布情況均有較明顯的增長(zhǎng)。表1對(duì)廣州市典型年各類用水的基尼系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算匯總，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，增長(zhǎng)幅度以2007—2013年最為顯著：工業(yè)用水基尼系數(shù)從2007年的0.09增長(zhǎng)至2013年的0.27；居民生活用水基尼系數(shù)從2011年的0.29增長(zhǎng)至2013年的0.53；城鎮(zhèn)公共用水基尼系數(shù)從2011年的0.30增長(zhǎng)至2013年的0.58；生態(tài)環(huán)境用水基尼系數(shù)從2007年的0.23增長(zhǎng)至2013年的0.60。巨大的基尼系數(shù)增幅使得評(píng)價(jià)結(jié)論直接從“相對(duì)合理”變?yōu)椤安罹鄳沂狻?，可見?007年起，廣州市用水結(jié)構(gòu)差異程度呈現(xiàn)出逐步擴(kuò)大態(tài)勢(shì)。

從表1的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看到，雖然用水結(jié)構(gòu)上仍存在著顯著差異，但整體差異性未進(jìn)一步擴(kuò)大，且已有逐漸歸于平穩(wěn)的趨勢(shì)性，其中居民生活、城鎮(zhèn)公共用水基尼系數(shù)已開始逐步回落。這是由于近年來(lái)水資源不足與用水合理性問題日益凸顯，各地區(qū)開始著手對(duì)各類用水實(shí)施統(tǒng)籌規(guī)劃、合理利用和優(yōu)化配置。

2.2 空間均衡性

以2017年為廣州市用水現(xiàn)狀年，進(jìn)一步對(duì)市內(nèi)11個(gè)行政區(qū)進(jìn)行用水結(jié)構(gòu)均衡分析。以《廣州市水資源公報(bào)(2017)》《廣州市統(tǒng)計(jì)年鑒(2017)》等為基礎(chǔ)資料收集數(shù)據(jù)，對(duì)市內(nèi)5類用水空間均衡分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并繪制洛倫茲曲線圖，結(jié)果見表2和圖2。

表2 2017年廣州市用水量統(tǒng)計(jì)

圖2 2017年廣州市各類用水空間均衡分布

由圖2可以看出，在5類用水中，距離絕對(duì)平均線最近的是工業(yè)用水洛倫茲曲線，農(nóng)業(yè)用水洛倫茲曲線也比較接近，居民生活、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境用水洛倫茲曲線距離絕對(duì)平均線較遠(yuǎn)，意味著空間分布差異明顯。雖然洛倫茲曲線圖可以直觀地表現(xiàn)各類用水空間分布的均衡程度，但卻無(wú)法對(duì)它們進(jìn)行定量描述，因此本文借助基尼系數(shù)來(lái)進(jìn)一步描述廣州市各區(qū)不同類型用水的差異性，評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。2017年廣州市各區(qū)工業(yè)用水基尼系數(shù)為0.29，屬于“比較平均”區(qū)間段；農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)為0.49，屬于“差距較大”區(qū)間段；居民生活、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境用水基尼系數(shù)均大于0.5，屬于“差距懸殊”區(qū)間段。

2.3 均衡差異性

廣州市的區(qū)域用水結(jié)構(gòu)比例差異較大，經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)農(nóng)業(yè)用水比例較低，而城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境等用水比例較高；經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度一般的地區(qū)則相反，表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用水比例較高，居民生活、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境用水比例較低。為了進(jìn)一步探究造成廣州市各區(qū)用水量空間均衡程度差異性的原因，將各類用水量的區(qū)位熵按區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，得到用水區(qū)位熵計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 2017年廣州市各類用水區(qū)位熵

由表3可知，工業(yè)用水在5類用水中均衡程度最優(yōu)，除南沙區(qū)、黃埔區(qū)、增城區(qū)外，廣州市其余區(qū)域區(qū)位熵均為1.0以下區(qū)間段，南沙區(qū)的工業(yè)用水區(qū)位熵為1.345，與其他區(qū)域的差距尚不明顯，相比之下，黃埔區(qū)的工業(yè)用水區(qū)位熵高達(dá)1.714，為其余10區(qū)工業(yè)用水區(qū)位熵平均值的2.9倍，可見，廣州工業(yè)用水雖表現(xiàn)為空間分布較為均衡，但實(shí)際上黃埔區(qū)與其他區(qū)域存在顯著的差異，應(yīng)當(dāng)根據(jù)黃埔區(qū)實(shí)際情況，對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)實(shí)施綠色化改造，強(qiáng)化工業(yè)節(jié)水，同時(shí)對(duì)高耗水的企業(yè)開展用水效率評(píng)估，提升用水效率，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、循環(huán)利用。

農(nóng)業(yè)用水方面，從化、花都、增城、白云區(qū)的農(nóng)業(yè)用水比例較高，其中從化區(qū)的農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵高達(dá)3.370，遠(yuǎn)超出其他區(qū)域，這是由于多年來(lái)，從化區(qū)依托優(yōu)越的農(nóng)業(yè)資源和區(qū)位優(yōu)勢(shì)，一直積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)已成為區(qū)域建設(shè)中的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是支撐從化區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

居民生活、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境3類用水表現(xiàn)為向天河、海珠、越秀、荔灣等中心區(qū)域集中，且用水比例整體較高；而工、農(nóng)業(yè)用水量在中心地區(qū)表現(xiàn)為用水比例偏低，且中心區(qū)域內(nèi)部之間差異性較小。這是由于隨著城市現(xiàn)代化發(fā)展的加快，天河、海珠、越秀區(qū)等逐漸成為廣州市樞紐型的核心區(qū)域；而周邊區(qū)域如南沙、增城等上述類型用水比例增加幅度較小，甚至有減小的趨勢(shì)，由此造成地區(qū)間差異性日益顯著。

考慮到目前中心區(qū)域發(fā)展形勢(shì)較好，未來(lái)中心區(qū)域的居民生活、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境用水將保持逐年增加的態(tài)勢(shì)，因此為保持區(qū)域水資源的可持續(xù)利用，對(duì)于居民生活、城鎮(zhèn)公共用水，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)水理念的宣傳，普及節(jié)水用水器具的應(yīng)用，推進(jìn)區(qū)域用水管網(wǎng)的升級(jí)改造；對(duì)于生態(tài)環(huán)境用水，應(yīng)著力提高城市公共綠化、景觀等回水利用率，以保障區(qū)域產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

總之，目前廣州市用水結(jié)構(gòu)差異性雖然得到了有效控制，空間均衡性趨于平穩(wěn)發(fā)展，但仍有諸多問題亟待解決，這需要進(jìn)一步加強(qiáng)用水結(jié)構(gòu)的管理監(jiān)督，以及對(duì)廣州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)布局進(jìn)行合理引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)水資源的利用最大化。

3 結(jié) 論

a. 廣州市農(nóng)業(yè)用水比例較高的區(qū)域?yàn)閺幕?、花都、增城、白云區(qū)，其中從化的農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵明顯高于其他區(qū)域，農(nóng)業(yè)用水空間分布的逐漸集中將進(jìn)一步拉動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶的發(fā)展完善，因此需結(jié)合實(shí)際制定合理的農(nóng)業(yè)用水、節(jié)水制度，推進(jìn)農(nóng)業(yè)水利工程建設(shè)，持續(xù)改善農(nóng)業(yè)用水的基礎(chǔ)設(shè)施條件。

b. 工業(yè)用水在5類用水中均衡程度最優(yōu)，表現(xiàn)為空間分布較為均衡，但實(shí)際上黃埔區(qū)、南沙區(qū)與其他區(qū)域存在較為顯著的差異，其中黃埔區(qū)工業(yè)用水區(qū)位熵為其他區(qū)域工業(yè)用水平均區(qū)位熵的2.9倍，工業(yè)用水結(jié)構(gòu)與其他區(qū)域差異巨大，將可能會(huì)引發(fā)一定的環(huán)境生態(tài)問題。

c. 為營(yíng)造良好的市區(qū)形象，廣州市加大了對(duì)天河、海珠、越秀、荔灣等中心區(qū)域的環(huán)境整治力度，使得居民生活、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境用水比例整體較高，工、農(nóng)業(yè)用水比例相對(duì)較低且內(nèi)部差異性較小。因此，應(yīng)結(jié)合中心區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，積極倡導(dǎo)科學(xué)節(jié)水，提高用水效率，保障各區(qū)域、各產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

d. 總體來(lái)講，廣州市用水結(jié)構(gòu)比例分配存在較大差異，空間分配不夠均衡，絕大部分已超過設(shè)定的警戒線值，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視，以防止對(duì)將來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成不利影響。