本溪地區(qū)水資源空間均衡系數(shù)計算方法及其應(yīng)用分析

張 峰

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

我國今后的治水思路中重要的內(nèi)容即為水資源的空間均衡[1]，也是當前水利工作需要遵循的基本準則。目前許多地區(qū)水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模不匹配，水資源開發(fā)過度使得區(qū)域水環(huán)境及水資源的承載能力受到不同程度影響[2]。用水和極不平衡的水資源空間受社會經(jīng)濟發(fā)展影響程度不斷增大[3]。因此指導區(qū)域水資源管理和水生態(tài)保護，開展水資源空間均衡分析具有十分重要的意義[4]。當前，水資源空間均衡研究逐步得到國內(nèi)外許多學者的關(guān)注和研究，Padilla等[5]基于泰爾指數(shù)對水資源不平等的關(guān)系進行計算。Gunasekara[6]對國際水資源采用基尼系數(shù)進行水資源分配不平衡進行研究。酈建強[7]在國內(nèi)外水資源空間均衡研究的基礎(chǔ)上，對水資源空間均衡的內(nèi)涵、基本特征進行了深入剖析，并對水資源空間評價度以及評價方向進行了系統(tǒng)闡述，為國內(nèi)開展水資源空間均衡研究指明了研究方向。潘陽[8]基于基尼系數(shù)對河南省水資源空間均衡系數(shù)進行了分析，分析表明河南省從2005—2018年水資源空間總體處于一般失衡狀態(tài)。陳晨[9]采用水資源負載系數(shù)對滇池流域水資源空間均衡度進行測算，結(jié)果表明滇池流域水資源承載數(shù)和取水效益的不足是其空間均衡有所失衡的主要原因。韓春輝[10]對水資源空間均衡的理論和計算方法進行了系統(tǒng)研究，認為水資源空間均衡的分析與水資源和社會經(jīng)濟及人口發(fā)展是密不可分的。夏帆[11]對全國31個行政分區(qū)的水資源空間均衡系數(shù)進行計算，并提出了空間均衡系數(shù)計算各指標的相對權(quán)重。左其亭[12]對水資源空間均衡的理論和量化方法進行了系統(tǒng)探討。金菊良[13]對水資源空間均衡研究進展進行了系統(tǒng)歸納和總結(jié)，并對國內(nèi)開展水資源空間均衡研究提供了思路和方向。酈建強等[14]對水資源空間均衡的理論方法與對策進行了研究，對水資源空間均衡評價方法進行闡述，并對其影響不利因素進行了識別。亢曉龍[15]采用不平衡指數(shù)對鄭州以及洛陽地區(qū)的水資源空間均衡度進行分析，研究表明經(jīng)濟指數(shù)是空間均衡需要考慮的因素之一。以上研究方法在北方地區(qū)應(yīng)用研究還較少，為此本文以遼寧本溪為例，基于水資源負載、水土資源匹配以及取水效益構(gòu)建水資源空間均衡系數(shù)，對本溪地區(qū)水資源空間均衡進行測算，研究成果對于指導區(qū)域水資源規(guī)劃具有重要參考價值。

1 水資源空間均衡計算方法

基于酈建強等專家研究成果，見參考文獻[7]，進行水資源空間均衡系數(shù)的計算，從水資源壓力、水土匹配程度以及用水效益等構(gòu)建水資源空間均衡系數(shù)，水資源壓力采用水資源承載指數(shù)進行測算，該指數(shù)主要是表示水資源空間分布以及開發(fā)利用程度的均衡指數(shù)，計算方程為：

(1)

式中，C—水資源承載指數(shù)；K—降水指數(shù)；R—人口指數(shù)；Z—生產(chǎn)總值，億元；W—總水資源量，億m3。

不同量級降水量對應(yīng)的K值計算范圍為：

(2)

式中，P—降水量，mm。

在水資源承載指數(shù)計算基礎(chǔ)上，分析水土資源匹配度，該指數(shù)主要反映區(qū)域耕地資源和水資源組合情況以及水資源對耕地用水需求的滿足度，該指數(shù)越大表明區(qū)域水資源越充沛，則水資源承載指數(shù)越高，其計算方程為：

(3)

式中，δ—水土匹配度，萬m3/hm2；S—耕地面積，hm2。

在水土資源匹配度計算的基礎(chǔ)上，對取用水效益指數(shù)進行計算，單方用水的經(jīng)濟產(chǎn)出越高，用水效益指數(shù)越大，其值越高，區(qū)域水土匹配度越低，其計算方程為：

(4)

式中，ZW—單方水產(chǎn)生的GDP總值，元/m3；WS—供水總量或用水總量，億m3。

考慮社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源影響度，采用基尼系數(shù)對以上三種水資源指數(shù)基尼值進行測算，測算方程為：

(5)

式中，G—基尼系數(shù)值；yi—水資源承載、水土匹配度、取用水效益指數(shù)的組合百分比，%。

將以上三種指數(shù)進行協(xié)調(diào)度計算，得到區(qū)域水資源空間均衡系數(shù)，其計算方程為：

D=XY

(6)

其中：

(7)

(8)

式中，D—水資源空間均衡系數(shù)；X—水資源承載、水土匹配度、取用水效益指數(shù)的綜合協(xié)調(diào)度；Y—各指標的綜合值；Ii—第i個指標要素；aj—各指標權(quán)重值；m—計算指標個數(shù)。

水資源空間均衡系數(shù)劃分等級見表1。

表1 不同水資源空間均衡等級對應(yīng)的空間均衡系數(shù)范圍

2 實例計算

2.1 實例概況

以本溪地區(qū)為計算實例，該地區(qū)主要位于遼寧省東部，區(qū)域水資源較為充沛，全區(qū)多年水資源總量均值為32.56億m3，折合成平均水深為389mm，水資源總量空間上總體從東南向西部逐步呈現(xiàn)遞減變化，和降水空間變化具有相似性。全局多年水資源量主要為山丘區(qū)降水入滲以及河川徑流的補給。各行政分區(qū)多年水資源總量分布見表2。本文水資源空間均衡系數(shù)的數(shù)據(jù)主要來源于本溪市統(tǒng)計年鑒和水資源公報相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 指標計算及標準化

結(jié)合本溪市統(tǒng)計年鑒和水資源公報數(shù)據(jù)，對本溪地區(qū)各行政分區(qū)的水資源承載指數(shù)、水土資源匹配指數(shù)、取用水效益指數(shù)進行計算，并對各指標的標準化值進行了計算，計算結(jié)果見表3。

水資源開發(fā)利用程度越高，供需矛盾越大，其水資源承載指數(shù)越高。從本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源承載指數(shù)分布可看出，在空間上總體呈現(xiàn)從東南向西部逐步遞增的變化，這主要是因為東南水資源量相比于西北更為充沛，使得水資源開發(fā)利用程度可滿足水資源供需要求，因此水資源承載能力相對較高；而本溪地區(qū)的明山區(qū)、溪湖區(qū)以及開發(fā)區(qū)的水資源總量較少，使得供需矛盾很難得到有效保障，因此水資源承載指數(shù)相對較高，需要通過調(diào)水來解決區(qū)域的用水矛盾。從水資源承載指數(shù)的基尼系數(shù)可看出，水資源承載指數(shù)較低的區(qū)域，其地表和地下水資源的開發(fā)潛力較大，因此受基尼系數(shù)影響相對較小。水土資源匹配主要是農(nóng)業(yè)耕地用水是否可有效得到滿足的重要評定指標，從本溪地區(qū)各行政分區(qū)的水土匹配指數(shù)可看出，桓仁縣和本溪縣是本溪地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)耕種區(qū)域，而由于兩縣水資源總量相比于其他分區(qū)較高，農(nóng)業(yè)用水可得到有效滿足，因此其水土資源的匹配指數(shù)較高，而其他行政區(qū)由于耕地面積較少，因此水土資源匹配指數(shù)較低。本溪地區(qū)水土資源匹配的基尼系數(shù)低于0.50，表明該地區(qū)水土資源匹配度較為不均衡。從取用水效益可看出，本溪地區(qū)取用水效益指數(shù)和水資源總量分布具有相似性，總體從東南向西北逐步遞減。整體取用水效益與全國平均水平存在一定的差異，需要提高節(jié)水意識，提高取用水效益指數(shù)。采用層次分析方法對水資源承載指數(shù)、水土資源匹配指數(shù)、取用水效益指數(shù)的權(quán)重進行了分析，分布為0.19、0.71和0.10。

表2 本溪地區(qū)各行政分區(qū)多年水資源量概況

表3 本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源空間均衡指標值及標準值計算結(jié)果

2.3 水資源空間均衡系數(shù)計算

在進行各指標基尼系數(shù)標準值進行分析后，按照基尼系數(shù)劃分等級，各不同指標的優(yōu)選區(qū)間進行分析：

(9)

結(jié)合各指標的優(yōu)選矩陣以及前面確定的各指標的權(quán)重值，可以對不同水資源空間均衡等級對應(yīng)的隸屬矩陣進行確定：

(10)

在優(yōu)選矩陣和指標隸屬矩陣分析的基礎(chǔ)上，對本溪地區(qū)各行政分區(qū)的不同空間均衡等級的相對隸屬度及綜合系數(shù)值進行計算，結(jié)果見表4。

表4 本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源空間均衡評定隸屬矩陣及綜合系數(shù)值

對本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源空間均衡不同等級的隸屬度計算結(jié)果可看出，各行政分區(qū)不同等級下的隸屬度存在明顯的差異性，對于桓仁縣而言，其處于非常均衡和相對均衡的隸屬度較高，這主要是因為桓仁縣的水資源總量較大，高于本溪地區(qū)其他行政分區(qū)，且桓仁縣的GDP產(chǎn)值較高，使得水資源承載指數(shù)、水土匹配指數(shù)及取用水指數(shù)相對較大，因此其在等級1和等級2的隸屬度均較高，而在等級3、等級4以及等級5的隸屬度總體分布較為均勻，這主要是因為受近些年來桓仁縣水資源總量總體呈現(xiàn)遞減變化，使得水資源空間均衡狀態(tài)受到不同程度的影響，通過綜合評估其空間均衡系數(shù)為0.66，按照表1劃分的水資源空間均衡等級標準，達到相對均衡的狀態(tài)。而本溪縣和桓仁縣各種指標具有相似性，使得水資源空間均衡系數(shù)較為接近，其空間均衡系數(shù)為0.69，處于相對均衡的狀態(tài)。平山區(qū)、明山區(qū)、溪湖區(qū)、開發(fā)區(qū)、南芬區(qū)屬于本溪主要城區(qū)，農(nóng)業(yè)耕地面積相對較少，因此以上分區(qū)的水土匹配指數(shù)相對較低，而由于水資源總量相對較少，使得取用水逍效益指數(shù)也相對較低，平山區(qū)、明山區(qū)、溪湖區(qū)、開發(fā)區(qū)、南芬區(qū)的水資源空間均衡系數(shù)總體在0.50～0.61之間，總體為一般均衡的狀態(tài)。從各行政分區(qū)的水資源空間均衡系數(shù)空間分布可看出，本溪地區(qū)水資源空間均衡系數(shù)的均值為0.54，為一般均衡，且從東南向西部逐步增加的變化。

2.4 水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢

結(jié)合建立的水資源空間均衡系數(shù)計算方法，結(jié)合本溪地區(qū)近20年的水資源及社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對本溪地區(qū)各行政分區(qū)的水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢進行測算，測算結(jié)果見表5。

表5 本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢值

從本溪市各行政分區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢值可看出，除桓仁縣和本溪縣呈現(xiàn)正向演化態(tài)勢外，本溪地區(qū)主城區(qū)、市區(qū)的水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢值均呈現(xiàn)負向演化態(tài)勢值，南芬區(qū)由于取用水效益指數(shù)較高，使得其負向演化態(tài)勢值較低，桓仁縣和本溪縣正向演化態(tài)勢值有所降低，這主要是因為兩個縣區(qū)地表和地下水資源開發(fā)利用程度已較高，開發(fā)潛力下降明顯，因此其水資源承載指數(shù)均衡度有所下降，此外隨著農(nóng)業(yè)用水的增加，其水土匹配指數(shù)的空間均衡狀態(tài)也將下降，因此桓仁縣和本溪縣的正向演化態(tài)勢值將有所下降，但總體變化相對較為穩(wěn)定。而平山區(qū)、明山區(qū)、溪湖區(qū)、開發(fā)區(qū)以及市區(qū)的水資源均衡負向演化態(tài)勢值將逐步有微弱的惡化趨勢，需要對區(qū)域內(nèi)的水資源開發(fā)利用度、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、取用水效益進行優(yōu)化，從而提高以上分區(qū)的水資源空間均衡程度。

3 結(jié)論

(1)在進行水資源空間均衡系數(shù)定量測算時，水資源承載指數(shù)、水土資源匹配度、取用水效益指數(shù)的權(quán)重值可分別在[0.18，0.19]、[0.69，0.71]、[0.13，0.14]區(qū)間選取。

(2)建議調(diào)整平山區(qū)、明山區(qū)、溪湖區(qū)、開發(fā)區(qū)以及市區(qū)的單方水GDP值，實現(xiàn)低耗水量高產(chǎn)出的用水模式，調(diào)整桓仁縣和本溪縣的耕地面積，大力推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，提高水土匹配指數(shù)。

(3)水資源空間均衡受自然影響較大，但人類活動影響也不可忽略，在以后的研究中還需要重點探討人類活動對水資源空間均衡影響比例，從而制定相對應(yīng)的規(guī)劃措施。