河南省引黃受水區(qū)水資源空間均衡分析

張修宇，康惠澤，王貽森，杜雪芳

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.河南省人民勝利渠保障中心，河南 新鄉(xiāng) 453003）

1 引 言

水不僅是人類賴以生存和發(fā)展的珍貴資源，而且是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件。 隨著城市化的快速發(fā)展和人口數(shù)量的不斷上升，人類正在用極快的速度和龐大的規(guī)模開(kāi)發(fā)利用有限的水資源［1］。 多年來(lái)，盡管水資源總量變化不大，但氣候變化導(dǎo)致其空間分布更加不均。 我國(guó)水資源地域分布差異較大，氣候變化和人類活動(dòng)加劇了流域水文過(guò)程和水資源時(shí)空分布格局的改變，伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和人口數(shù)量的不斷上升，我國(guó)水資源空間分配不均的問(wèn)題日益凸顯。研究水資源空間均衡分布有利于合理配置水資源，在資源利用最大化的基礎(chǔ)上促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)更快發(fā)展［2］。 目前水資源均衡研究已經(jīng)取得一些成果，但是仍處于起步階段。 左其亭等［3］通過(guò)對(duì)現(xiàn)有水資源空間均衡研究進(jìn)行梳理，提出了水資源空間均衡的定義以及理論體系框架。 金菊良等［4］在分析歸納相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域空間均衡現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，梳理了水資源空間均衡分析的研究方向以及研究趨勢(shì)。 潘陽(yáng)［5］采用基尼系數(shù)對(duì)河南省的水資源均衡分配情況進(jìn)行研究，得出河南省水資源空間均衡處于一般失衡等級(jí)的結(jié)論。 基尼系數(shù)常被用來(lái)研究某一空間的資源均衡情況，但其只能描述整體的資源均衡情況，并不能反映各個(gè)子區(qū)域的資源均衡情況或評(píng)判子區(qū)域?qū)φw均衡情況的影響。 本文采用基于基尼系數(shù)和聯(lián)系數(shù)的水資源空間均衡評(píng)價(jià)模型［6］，對(duì)河南省引黃受水區(qū)的水資源空間分布狀況進(jìn)行分析，以期為河南省引黃受水區(qū)水資源合理分配提供參考。

2 基于基尼系數(shù)與聯(lián)系數(shù)的水資源空間均衡評(píng)價(jià)方法

2.1 基尼系數(shù)的計(jì)算

基尼系數(shù)最早被用于研究收入差異問(wèn)題［7］，鑒于水資源分布具有地區(qū)差異性，因而也可用其研究地區(qū)水資源空間差異。 從水資源供需關(guān)系來(lái)看，某個(gè)地區(qū)水資源的供需量與該地區(qū)的人口數(shù)量和農(nóng)業(yè)用水情況關(guān)聯(lián)緊密，故本文選取水資源對(duì)人口數(shù)量以及耕地面積進(jìn)行匹配。 將研究區(qū)域分為若干子區(qū)域，選取水資源為匹配原象、人口數(shù)量和耕地面積為匹配對(duì)象，以人口數(shù)量或耕地面積的百分比累計(jì)量為X軸，以水資源的百分比累計(jì)量為Y軸，繪制洛倫茲曲線，并對(duì)洛倫茲曲線進(jìn)行擬合。

基尼系數(shù)計(jì)算公式為

式中：G為基尼系數(shù)；x為人口數(shù)量或耕地面積的百分比累計(jì)量；f（x）為擬合后的洛倫茲曲線函數(shù)。

采用國(guó)際上公認(rèn)的基尼系數(shù)評(píng)價(jià)水資源均衡程度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)［8］：0＜G＜0.2 為均衡；0.2≤G＜0.3 為較均衡；0.3≤G＜0.4 為臨界均衡；0.4≤G＜0.5 為較不均衡；0.5≤G＜1 為不均衡。

2.2 基于聯(lián)系數(shù)的水資源分布模型構(gòu)建

集對(duì)分析是我國(guó)學(xué)者趙克勤［9］提出的一種系統(tǒng)分析理論，不僅為某個(gè)不確定系統(tǒng)提供了有效的評(píng)價(jià)思路，而且彌補(bǔ)了基尼系數(shù)法的不足。 金菊良等［10］提出了集對(duì)勢(shì)函數(shù)，作為聯(lián)系數(shù)的伴隨函數(shù)，它描述的是聯(lián)系數(shù)所表達(dá)的研究對(duì)象在當(dāng)前期望層次上所處的相對(duì)發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.1 樣本值的計(jì)算

為了更好地對(duì)每個(gè)子區(qū)域空間均衡匹配情況進(jìn)行有效識(shí)別，用兩條臨界直線將研究區(qū)域劃分為均衡區(qū)、臨界均衡區(qū)以及不均衡區(qū)（見(jiàn)圖1）：臨界均衡區(qū)為兩條臨界直線之間的區(qū)域，均衡區(qū)為上臨界直線以上的區(qū)域，不均衡區(qū)為下臨界直線以下的區(qū)域。 將y＝x作為水資源均衡分析的絕對(duì)均衡線，則每個(gè)樣本點(diǎn)到絕對(duì)平衡線的垂向距離為樣本值xi。

圖1 水資源空間均衡分區(qū)

目前對(duì)水資源空間均衡的研究尚處于起步階段。本文參考金菊良等［6］建立的水資源空間均衡評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合河南省引黃受水區(qū)水資源對(duì)人口數(shù)量、耕地面積的影響，采用水資源匹配人口數(shù)量的臨界線y＝x＋0.02、y＝x-0.04 和水資源匹配耕地面積的臨界線y＝x＋0.02、y＝x-0.02，建立水資源空間均衡等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。

表1 水資源空間均衡等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 計(jì)算各匹配關(guān)系樣本值聯(lián)系數(shù)

采用文獻(xiàn)［11］～文獻(xiàn)［16］的聯(lián)系數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算每個(gè)子區(qū)域的聯(lián)系數(shù)，再進(jìn)行歸一化處理，得到每個(gè)子區(qū)域所對(duì)應(yīng)的樣本值聯(lián)系數(shù)ui：

減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)［2］見(jiàn)表2。 減法集對(duì)勢(shì)趨于同勢(shì)，則說(shuō)明子區(qū)域水資源均衡匹配情況趨于良好，反之則趨于惡劣。

3 實(shí)例應(yīng)用

以河南省引黃受水區(qū)為研究區(qū)，包括鄭州、開(kāi)封、安陽(yáng)、洛陽(yáng)、平頂山、鶴壁、焦作、新鄉(xiāng)、濮陽(yáng)、許昌、三門峽、商丘、周口和濟(jì)源14 個(gè)地級(jí)市。 研究區(qū)位于黃河中下游、河南省北部黃河兩岸，屬中國(guó)“絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶和“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)域，呈承東啟西、連貫?zāi)媳敝畡?shì)，區(qū)位優(yōu)勢(shì)十分明顯。 所用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2010—2020 年《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南省水資源公報(bào)》以及各地市水資源公報(bào)。

首先采用基尼系數(shù)對(duì)引黃受水區(qū)整體進(jìn)行水資源空間均衡分析，在對(duì)每個(gè)子區(qū)域（地級(jí)市）水資源均衡等級(jí)進(jìn)行分析時(shí)，將每個(gè)子區(qū)域樣本點(diǎn)到絕對(duì)平衡線的垂向距離作為樣本值來(lái)計(jì)算聯(lián)系數(shù)，最后采用減法集對(duì)勢(shì)對(duì)脆弱性子區(qū)域進(jìn)行識(shí)別分析。

3.1 基尼系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

利用式（1）計(jì)算2010—2020 年引黃受水區(qū)水資源匹配人口數(shù)量與耕地面積基尼系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知：引黃受水區(qū)水資源匹配人口數(shù)量的基尼系數(shù)除2011 年外均小于0.3，處于均衡或較均衡等級(jí)；水資源匹配耕地面積的基尼系數(shù)除2011 年外也均小于0.3，處于均衡或較均衡等級(jí)。 2011 年洛陽(yáng)、平頂山、三門峽3 個(gè)地級(jí)市降水量增加是造成該年水資源均衡情況較差的直接原因。 可見(jiàn)，引黃受水區(qū)整體水資源空間均衡等級(jí)在2010—2012 年處于由臨界均衡趨向較均衡的等級(jí)，在2013—2020 年處于均衡或較均衡等級(jí)。

表3 水資源基尼系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 聯(lián)系數(shù)及減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

為進(jìn)一步研究引黃受水區(qū)各個(gè)子區(qū)域（地級(jí)市）水資源總量與人口數(shù)量和耕地面積的匹配情況并對(duì)水資源空間均衡脆弱性地區(qū)進(jìn)行識(shí)別，將每個(gè)樣本點(diǎn)到絕對(duì)平衡線的垂向距離作為樣本值xi，計(jì)算每一個(gè)子區(qū)域的聯(lián)系數(shù)和減法集對(duì)勢(shì)。 以2020 年為例，利用式（2）和式（3）分別計(jì)算引黃受水區(qū)各子區(qū)域水資源匹配人口數(shù)量與水資源匹配耕地面積的聯(lián)系數(shù)及其減法集對(duì)勢(shì)，結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5。 引黃受水區(qū)各子區(qū)域水資源均衡分布情況見(jiàn)圖2。

表4 2020 年各子區(qū)域水資源匹配人口數(shù)量評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 2020 年各子區(qū)域水資源匹配耕地面積評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 引黃受水區(qū)水資源均衡分布情況

由表4、表5、圖2 可知：

（1）2020 年，在河南省引黃受水區(qū)的14 個(gè)地級(jí)市中，以人口數(shù)量作為匹配對(duì)象的水資源空間均衡等級(jí)，處于臨界均衡的有8 個(gè)地級(jí)市，處于均衡的有5 個(gè)地級(jí)市，而處于不均衡的只有鄭州，原因可能與鄭州人口密集和水資源緊缺有關(guān)。 以耕地面積作為匹配對(duì)象的水資源空間均衡等級(jí)，14 個(gè)地級(jí)市中有4 個(gè)處于均衡等級(jí)，有3 個(gè)處于不均衡等級(jí)（主要位于豫北地區(qū)），其余7 個(gè)地級(jí)市處于臨界均衡等級(jí)。 綜上，水資源匹配耕地面積空間均衡等級(jí)南部地區(qū)優(yōu)于北部地區(qū)。 由圖2 可知，基尼系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示引黃受水區(qū)水資源匹配耕地面積整體處于較均衡和均衡等級(jí)，而利用減法集對(duì)勢(shì)，可以準(zhǔn)確識(shí)別出每個(gè)子區(qū)域的均衡等級(jí)。

（2）從引黃受水區(qū)各地級(jí)市水資源匹配人口數(shù)量的減法集對(duì)勢(shì)來(lái)看，2020 年除鄭州處于反勢(shì)等級(jí)外，其他地級(jí)市均處于均勢(shì)或同勢(shì)等級(jí)，說(shuō)明鄭州是人口數(shù)量匹配水資源最差的子區(qū)域，而其他子區(qū)域水資源匹配人口數(shù)量情況呈向好趨勢(shì)，這與地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素有密切關(guān)系。 從各地級(jí)市水資源匹配耕地面積的減法集對(duì)勢(shì)來(lái)看，濮陽(yáng)、新鄉(xiāng)、安陽(yáng)市均處于反勢(shì)等級(jí)，而其他地級(jí)市處于均勢(shì)、同勢(shì)或偏同勢(shì)等級(jí)。

3.3 聯(lián)系數(shù)與減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

2020 年河南省引黃受水區(qū)各地級(jí)市水資源匹配人口數(shù)量和水資源匹配耕地面積的減法集對(duì)勢(shì)和評(píng)價(jià)樣本值對(duì)比見(jiàn)圖3。 由圖3 結(jié)合表4、表5 和圖2 可知：①處于水資源空間不均衡等級(jí)的地級(jí)市的減法集對(duì)勢(shì)等級(jí)均處于反勢(shì)，而處于均衡等級(jí)的地級(jí)市的減法集對(duì)勢(shì)均處于同勢(shì)，說(shuō)明利用樣本點(diǎn)到絕對(duì)均衡線的距離對(duì)水資源空間均衡進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果與利用減法集對(duì)勢(shì)對(duì)空間水資源均衡進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致。②對(duì)焦作、商丘2 個(gè)地級(jí)市水資源匹配耕地面積情況進(jìn)行分析，兩者樣本值均處于均衡等級(jí)，但是其減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果處于臨界均衡等級(jí)，有向不均衡發(fā)展的趨勢(shì)。 可見(jiàn)，處于臨界均衡等級(jí)的子區(qū)域有向不均衡方向發(fā)展的趨勢(shì)，說(shuō)明利用減法集對(duì)勢(shì)可以更直觀地識(shí)別出水資源均衡脆弱性地區(qū)。 ③處于均衡等級(jí)的子區(qū)域減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果可能處于臨界均衡等級(jí)，處于臨界均衡等級(jí)的子區(qū)域也有向不均衡等級(jí)發(fā)展的趨勢(shì)。

圖3 河南省引黃受水區(qū)各地級(jí)市減法集對(duì)勢(shì)和評(píng)價(jià)樣本值

4 結(jié) 論

2010—2020 年，河南省引黃受水區(qū)水資源匹配人口數(shù)量和水資源匹配耕地面積處于較均衡或均衡等級(jí)，且整體水資源空間均衡等級(jí)長(zhǎng)期處于均衡等級(jí)。水資源匹配人口數(shù)量空間均衡等級(jí)嚴(yán)峻情況呈現(xiàn)鄭州向周邊地區(qū)輻射的情形，水資源匹配耕地面積空間均衡等級(jí)南部地區(qū)優(yōu)于北部地區(qū)。 2020 年水資源空間均衡脆弱性地級(jí)市主要有鄭州、濮陽(yáng)、新鄉(xiāng)和安陽(yáng)，這些城市均為水資源分配的主要調(diào)控對(duì)象。

基尼系數(shù)與聯(lián)系數(shù)相結(jié)合的水資源空間均衡評(píng)價(jià)方法可以有效改善單一基尼系數(shù)方法的不足，并可利用減法集對(duì)勢(shì)對(duì)子區(qū)域的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 利用樣本點(diǎn)到絕對(duì)均衡線距離評(píng)價(jià)方法得出的結(jié)果與利用減法集對(duì)勢(shì)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，但利用減法集對(duì)勢(shì)方法可以更直觀地識(shí)別出均衡脆弱性區(qū)域。 目前利用減法集對(duì)勢(shì)方法劃分子區(qū)域水資源空間均衡等級(jí)時(shí)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，未來(lái)需要進(jìn)一步研究完善。