趙向豪，姚 娟，馬 靜

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟與貿(mào)易學(xué)院，烏魯木齊 830052)

水作為基礎(chǔ)自然資源，是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的控制因素，又是戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，其富余程度對一地區(qū)的發(fā)展起著重要作用[1]。如何科學(xué)合理配置區(qū)域內(nèi)的水資源，是新疆亟需解決的難題。

“承載力”一詞源于生態(tài)學(xué)，即在某一特定環(huán)境條件下，某種資源存在的最大數(shù)量。目前，水資源承載力作為國內(nèi)水資源領(lǐng)域研究的熱點涌現(xiàn)了較多的成果。關(guān)于水資源承載力的評價研究，劉佳駿等采用水資源承載力綜合評價模型，研究水資源與中國經(jīng)濟、社會生態(tài)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系，綜合分析評價了中國水資源的承載能力，研究表明中國水資源的分布與人口和經(jīng)濟布局不匹配[2]；魏光輝等通過正態(tài)云模型，對浙江省水資源承載力進行評價，研究發(fā)現(xiàn)浙江省水資源承載力處于一般水平，但有增加的趨勢，甚至個別評價指標(biāo)處于危險狀態(tài)，有待進一步提高[3]；張偉等通過因子分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合評價法等方法對區(qū)域水資源承載力進行系統(tǒng)評價，研究均指出了影響區(qū)域水資源承載力的具體因素，并提出了相應(yīng)的對策與建議[4-9]；就新疆水資源承載力評價研究，段新光等采用模糊綜合評判模型、FAHP、熵權(quán)法和物元模型等方法綜合評價了新疆水資源承載力，研究認為，新疆應(yīng)處理好水資源與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系[10-13]。關(guān)于水資源承載力的預(yù)測分析研究，朱一中等采用模糊綜合評判模型對西北地區(qū)的水資源承載力進行預(yù)測分析，研究發(fā)現(xiàn)，通過改善生態(tài)環(huán)境，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，未來西北地區(qū)的水資源承載力狀況將明顯改善[14]。

本研究在以上研究的基礎(chǔ)上，擬采用GINI系數(shù)分析新疆天山北坡經(jīng)濟帶水資源的時空演化特征，同時采用灰分統(tǒng)計方法研究生產(chǎn)活動、居民生活活動和生態(tài)環(huán)境對水資源承載力演化的貢獻程度。

1 理論基礎(chǔ)

目前，洛倫茲曲線和GINI系數(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。洛倫茲曲線由美國統(tǒng)計學(xué)家洛倫茲(Max Otto Lorenz)提出，最初是用來研究經(jīng)濟學(xué)中收入不均的問題，后來被應(yīng)用到非經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域中，見圖1。GINI系數(shù)是意大利經(jīng)濟學(xué)家基尼(Corrado Gini)根據(jù)洛倫茲曲線提出來的，其定義是將一國或地區(qū)總?cè)丝诎词杖霃牡偷礁吲判?，計算收入最低任意百分比占人口所占的收入百分比來表示人口累計百分比和收入累計百分比之間的對應(yīng)關(guān)系曲線。曲線彎曲程度具有重要意義，反映收入分配的不平等程度，與收入分配不平等程度成正比關(guān)系。

圖1 洛倫茲曲線

根據(jù)圖1，GINI系數(shù)的計算公式表示為：

G=A/(A+B)

(1)

式中：若A=0，則G=0，表示完全平等；若B=0，則G=1，表示完全不平等。

2 水資源區(qū)域GINI系數(shù)的構(gòu)建與計算

本研究基于新疆水資源的需求結(jié)構(gòu)，把天山北坡經(jīng)濟帶的水資源分為生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)用水3類。再從水資源需求的空間特征來看，生產(chǎn)用水與GDP、生活用水與人口分布、生態(tài)用水與防護林分布密切相關(guān)。本研究中新疆天山北坡經(jīng)濟帶各地區(qū)的水資源量、GDP、人口和防護林面積等數(shù)據(jù)均來自2004-2013年《新疆統(tǒng)計年鑒》。

2.1 水資源區(qū)域GINI系數(shù)構(gòu)建

(1)以天山北坡經(jīng)濟帶各地區(qū)為基本元，選取水資源用水量作為匹配原象，以GDP、人口和防護林分布作為匹配對象。

(2)分別計算單位水資源所服務(wù)的GDP、人口和防護林分布，按從小到大的升序次序?qū)μ焐奖逼陆?jīng)濟帶的各個地區(qū)進行排序，并分別測算出各指標(biāo)的累計百分比，公式如下：

單位水資源服務(wù)的GDP=水資源量/GDP

(2)

單位水資源服務(wù)的人口=水資源量/人口

(3)

單位水資源服務(wù)的防護林面積=水資源量/防護林面積

(4)

(3)基于水資源的需求結(jié)構(gòu)和空間特征，分別構(gòu)建水資源～GDP、水資源～人口、水資源～防護林面積的洛倫茲曲線。

(4)根據(jù)洛倫茲曲線，采用梯形面積法求取水資源的區(qū)域GINI系數(shù)，則公式(1)變換為：

(5)

式中：Gi為水資源分項區(qū)域GINI系數(shù)；Xi(X軸)為水資源的累計百分比；Yi(Y軸)為GDP、人口、防護林分布等指標(biāo)的累計百分比，當(dāng)i=1，(Xi-1,Yi-1)視為(0,0)。

水資源區(qū)域GINI系數(shù)匹配程度等級劃分見表1。

表1 GINI系數(shù)的國際劃分標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)公式(5)，分別計算出水資源量與GDP匹配的區(qū)域GINI系數(shù)G1、水資源與人口匹配的區(qū)域GINI系數(shù)G2、水資源與防護林面積匹配的區(qū)域GINI系數(shù)G3。

根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H用水結(jié)構(gòu)，確定對水資源區(qū)域GINI系數(shù)G1、G2、G3產(chǎn)生影響的權(quán)重α、β、γ，按各自權(quán)重對G1、G2、G3進行加權(quán)求和求得水資源整體區(qū)域GINI系數(shù)G，即：

G=αG1+βG2+γG3

(6)

式中：α、β和γ為區(qū)域結(jié)構(gòu)用水系數(shù)，即生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水比重。

2.2 水資源區(qū)域GINI系數(shù)計算

按照構(gòu)建的區(qū)域GINI系數(shù)，分別計算天山北坡經(jīng)濟帶2004-2013年的水資源分項區(qū)域GINI系數(shù)(見圖2)；然后，計算出2004-2013年區(qū)域結(jié)構(gòu)用水系數(shù)，并計算出天山北坡經(jīng)濟帶10 a的水資源區(qū)域GINI系數(shù)(見圖3)；再計算出10 a平均值G=0.516 0。

圖2 天山北坡經(jīng)濟帶水資源分項區(qū)域 GINI系數(shù)變化趨勢(2004-2013年)

圖3 天山北坡經(jīng)濟帶水資源區(qū)域 GINI系數(shù)變化趨勢(2004-2013年)

3 水資源承載力演化的灰色分析

3.1 設(shè)計評估系統(tǒng)，構(gòu)造樣本矩陣

鑒于本研究對象的動態(tài)特征，本文利用2004-2013年水資源與GDP、人口和防護林匹配的區(qū)域GINI系數(shù)構(gòu)造評估樣本矩陣，確定評估指標(biāo)為3，評估規(guī)模為10個。樣本矩陣D表示為：

3.2 等測度變化測算

對樣本矩陣進行列的等測度變化，采用上限效果測度，找出各列指標(biāo)的最大值，各列最大值分別為0.564 7、0.342 4、0.577 8。然后將樣本矩陣中的每列值除以此列最大值，得到等測度矩陣E，表示如下：

計算其數(shù)字特征：均值a=0.777 8，標(biāo)準(zhǔn)差s=0.177 6。

3.3 確定灰類，建立白化權(quán)函數(shù)

確定灰類k=3，然后按灰類確定各指標(biāo)的白化權(quán)函數(shù)。參考等測度矩陣的數(shù)字特征中的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，確定高類下限H=a+s=0.955 4，中類中限Z=a=0.777 8，低類上限L=a-s=0.600 2，對于各指標(biāo)分別建立各自的白化權(quán)函數(shù)。

高類型：

(7)

中類型：

(8)

低類型：

(9)

3.4 計算類別權(quán)系數(shù)

按上述白化權(quán)函數(shù)按指標(biāo)各樣點權(quán)系數(shù)，即把測度矩陣的每一列測度值分別代入公式(7)、(8)、(9)中，求得指標(biāo)的權(quán)系數(shù)矩陣。

各指標(biāo)高類權(quán)系數(shù)矩陣F1表示為：

各指標(biāo)高類權(quán)系數(shù)矩陣F2表示為：

各指標(biāo)高類權(quán)系數(shù)矩陣F3表示為：

3.5 計算各評估指標(biāo)的綜合權(quán)系數(shù)

將每一灰類進行算術(shù)平均，得到灰色評估的綜合權(quán)系數(shù)矩陣G：

由此得到天山北坡經(jīng)濟帶1998-2013年水資源區(qū)域的GINI系數(shù)綜合灰色分類，即得到GDP、人口和防護林分布對水資源承載力演化的貢獻度(見表2)。

表2 新疆天山北坡經(jīng)濟帶水資源區(qū)域GINI系數(shù)綜合灰色分類貢獻度(1998-2013年)

4 結(jié)果分析

灰色分析法通過獲取序列間的差異信息，能夠有效計算差異信息的比較測度。相比其他分析方法，灰色分析在分析結(jié)果上體現(xiàn)的是關(guān)聯(lián)序，且關(guān)聯(lián)序較關(guān)聯(lián)度相對更重要，更能反映出年份之間的變化趨勢。本文采用灰色分析能夠有效地分析新疆天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力的演化特征，即更好地反映其水資源承載力與生產(chǎn)、生活和生態(tài)3部門之間的關(guān)聯(lián)序及變化趨勢。具體分析如下。

(1)據(jù)表1可知，從水資源區(qū)域GINI系數(shù)分析，2004-2013年天山北坡經(jīng)濟帶水資源的區(qū)域GINI系數(shù)為0.516 0，屬于極差級，表明水資源的空間匹配程度不好，極化現(xiàn)象嚴重。

(2)由圖2觀察，天山北坡經(jīng)濟帶水資源各部門分配的區(qū)域GINI系數(shù)的變化趨勢，進而可以看出水資源承載力的時空演化趨勢：從水資源的分項區(qū)域GINI系數(shù)分析，天山北坡經(jīng)濟帶水資源與GDP匹配的GINI系數(shù)從2004年的0.564 7下降到2013年的0.480 9，表明水資源的生產(chǎn)活動承載力不斷降低，并呈現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的趨勢，原因可能在于隨著科學(xué)發(fā)展觀的踐行，生產(chǎn)活動中節(jié)水意識不斷增強；水資源與人口分布匹配的GINI系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，由2004年的0.191 5上升到2013年的0.342 4，表明水資源的居民生活活動承載力不斷上升，并呈現(xiàn)出繼續(xù)上升的趨勢，原因可能在于隨著人口的增加及生活水平的不斷提高，居民用水需求不斷增長；水資源與防護林分布匹配的GINI系數(shù)在波動中呈現(xiàn)下降趨勢，從2004年的0.395 8上升到2005年的0.577 8，隨后持續(xù)走低，2011年之后急速下降，到2013年GINI系數(shù)為0.191 5，表明水資源的生態(tài)承載力處于大幅波動階段，在2005年和2011年出現(xiàn)2次高值，其承載力較大，極化現(xiàn)象嚴重，但整體上呈現(xiàn)出下降趨勢，伴隨著水資源的擴散作用并趨于合理。

(3)由圖3觀察，天山北坡經(jīng)濟帶水資源區(qū)域GINI系數(shù)的變化由2004年的0.550 6下降到2013年的0.472 1，其中在2008-2009年下降幅度較大，其他時間段均呈現(xiàn)小幅平穩(wěn)的變化趨勢。由此表明，2004-2013年，天山北坡經(jīng)濟帶經(jīng)過經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源的分配經(jīng)過原始的均衡階段，在2004-2008年其承載力較大，進入相對極化的階段，隨后在2008年之后其承載力下降，極化程度有所緩和。

(4)通過對生產(chǎn)、居民生活和生態(tài)3個部門用水GINI系數(shù)的灰色分析，得到天山北坡經(jīng)濟帶水資源區(qū)域GINI系數(shù)綜合灰色分類表。從表2容易看出，生產(chǎn)、居民生活、生態(tài)3部門對水資源區(qū)域GINI系數(shù)在各灰類的貢獻存在較大差異。需要注意的是，居民生活活動在各灰類上的貢獻與生態(tài)基本一致。水資源承載力演化的主要因素在于生產(chǎn)活動對水資源的需求，而居民生活活動和生態(tài)對水資源的需求相對較小。

天山北坡經(jīng)濟帶屬于典型的內(nèi)陸干旱區(qū)，水資源相對比較匱乏。隨著絲綢之路經(jīng)濟帶的發(fā)展，城市化進程不斷加快，人口不斷向城市集聚，居民生活活動的用水需求將是水資源承載力演化的又一動力。為此，改善生態(tài)環(huán)境，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，開展節(jié)水行動，是解決天山北坡經(jīng)濟帶水資源短缺的出路。因此，鼓勵工業(yè)企業(yè)使用節(jié)水設(shè)備，促進農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的普及，鼓勵居民提高節(jié)水意識，是解決水資源緊缺的重要舉措。

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