劉佳旭，李九一，李麗娟，王志勇，陳素景

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101； 2.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049)

昆明市水資源短缺空間格局綜合分析

劉佳旭1，2，李九一1，李麗娟1，王志勇1，2，陳素景1，2

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101； 2.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049)

水資源短缺是影響昆明市區(qū)域經(jīng)濟高速、穩(wěn)定發(fā)展的核心問題之一。依據(jù)2001—2012年《昆明市水資源公報》數(shù)據(jù)，采用基尼系數(shù)、人均水資源量、水資源開發(fā)利用率、水資源負(fù)載指數(shù)等方法分別對昆明市的水資源變化趨勢、時空分布特征、匹配性、短缺格局進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明:昆明市人均水資源量不及云南省及全國平均水平，且內(nèi)部差異明顯，多年平均人均水資源量極值比高達(dá)10.78，最少的地區(qū)為主城四區(qū)(299 m3/人)；水資源量與GDP、人口匹配性較差，與耕地匹配性相對較好；昆明市水資源主要呈現(xiàn)出“南缺北豐”格局，且缺水地區(qū)數(shù)量不斷增多，多數(shù)地區(qū)缺水等級逐漸加重。雨洪利用、多方面節(jié)水、跨區(qū)域調(diào)水、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等是緩解昆明市水資源短缺的有效措施。

水資源匹配；水資源短缺；基尼系數(shù)；分布格局；昆明市

1 研究背景

水資源短缺問題已成為許多國家和地區(qū)發(fā)展的限制性因素[1-2]。中國的人均水資源量只占世界平均水平的1/4，在社會經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，我國水資源短缺與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾已十分突出[3]。水土資源作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心要素，其在時空上的匹配程度對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[4-6]。目前，針對水資源短缺風(fēng)險、水資源安全評價的研究較多，但是對水資源短缺格局識別的方法研究相對較少。

楊樹灘等[7]利用模糊數(shù)學(xué)方法建立了一種水資源緊缺程度評價的指標(biāo)體系。劉樹芬等[8]通過人均供水量、人均水資源量、單位面積土地水資源量和萬元GDP水資源量4個指標(biāo)分別對我國、特別是云南省的水資源情況進(jìn)行了地域性差異研究。李九一等[9]構(gòu)建了水資源支撐指數(shù)(WSPI)，探討了我國210個水資源三級區(qū)以及省、縣兩級行政單元的水資源支撐能力空間格局。但是對于縣、區(qū)一級別的較小尺度地區(qū)，尤其受到數(shù)據(jù)、地理條件、發(fā)展水平等方面的限制與差異，上述方法的應(yīng)用尚具有一定的局限性。為對昆明市水資源豐缺程度進(jìn)行判別，結(jié)合實際情況，本文從人均水資源量、開發(fā)率、負(fù)載指數(shù)3個方面進(jìn)行綜合分析，并從可持續(xù)發(fā)展的理念出發(fā)，探討昆明市水資源與人口、耕地、經(jīng)濟發(fā)展水平的適宜性，以期為昆明市未來工農(nóng)業(yè)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)布局、規(guī)劃提供有力支撐。

2 研究區(qū)概況

昆明市(經(jīng)度為102°10′E— 103°40′E， 緯度為24°23′N —26°22′N)為云南省的政治、經(jīng)濟、文化、科技中心，是中國面向東盟的大都市。昆明地區(qū)屬北亞熱帶-高原山地季風(fēng)氣候，由于受印度洋西南暖濕氣流的影響，日照長、霜期短、年平均氣溫15 ℃，年均日照2 200 h左右，無霜期240 d以上。昆明市有11個縣、市(區(qū))；其中經(jīng)濟發(fā)展核心地區(qū)主要有主城四區(qū)(簡稱四區(qū))、安寧市、呈貢區(qū)，該3個地區(qū)人均GDP在昆明市排名前三，GDP之和占據(jù)昆明市總量的81.4%(2012年)，人口占49.4%。經(jīng)濟核心區(qū)域水資源緊缺問題已經(jīng)十分突出，識別其水資源的匹配特性、短缺格局具有重大的實際意義。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的降水量、水資源量及水資源利用數(shù)據(jù)摘錄于2001—2012年《昆明市水資源公報》以及2001—2012年《云南省水資源公報》數(shù)據(jù)；土地、人口數(shù)據(jù)取自2002—2013年《昆明統(tǒng)計年鑒》。

3.2 研究方法

3.2.1 基尼系數(shù)

基尼系數(shù)(Gini Coefficient)是由意大利經(jīng)濟學(xué)家Gini[10]在美國經(jīng)濟統(tǒng)計學(xué)家Lorenz[11]提出的洛倫茨曲線(Lorenz Curve)基礎(chǔ)上，經(jīng)進(jìn)一步深入研究后，提出的用于量化收入分配平均程度的指標(biāo)。近些年，該指標(biāo)被引入到水資源領(lǐng)域[12-13]，主要用于研究水資源與土地、GDP、人口等的匹配程度，計算原理與過程詳見文獻(xiàn)[12-13]。

基尼系數(shù)G的范圍為0～1。當(dāng)G=0時，水資源分配絕對平均，各地區(qū)水資源量沒有差異；當(dāng)G=1時，水資源分布絕對不平均，所有水資源被一個地區(qū)完全占有。具體分級標(biāo)準(zhǔn)參考前人研究成果[14](見表1)。

表1 基尼系數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

表2 昆明市評價指標(biāo)體系和評分標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 人均水資源占有量

人均水資源占有量最早由瑞典水文學(xué)家Falkenmark[15]提出并使用。水利部水資源司根據(jù)我國的具體情況，綜合聯(lián)合國組織和國內(nèi)外專家的意見，確定了我國水資源短缺評價的標(biāo)準(zhǔn)。該指標(biāo)非常簡單，且代表性強，得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2.3 水資源開發(fā)利用率

Alcamo等[16]在Raskin等[17]的基礎(chǔ)上，用年均水資源量代替水資源可利用量，采用水資源開發(fā)利用量占年均水資源量的比例，即水資源開發(fā)利用率指標(biāo)，評價全球尺度的水資源短缺問題，即

(1)

式中：Kai為水資源開發(fā)利用率(%)；W為多年平均水資源量(億m3)；Ru為地表水開采量；Gw為地下水開采量。

這種方法數(shù)據(jù)容易獲取，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[15]。該指標(biāo)直觀地反映了區(qū)域水資源條件與社會經(jīng)濟用水需求之間的矛盾，能夠代表區(qū)域水資源短缺程度。

3.2.4 水資源負(fù)載指數(shù)

水資源負(fù)載指數(shù)是基于水資源承載力的概念，通過分析區(qū)域水資源數(shù)量與人口、經(jīng)濟規(guī)模之間的關(guān)系[18]，表征水資源的開發(fā)強度和承載狀態(tài)，可以顯著區(qū)分研究單元之間的水資源短缺差異[19]。計算公式為

(2)

式中：Z為水資源負(fù)載指數(shù)；P為人口(萬人)；Gw為GDP (億元)；K為與降水有關(guān)的系數(shù)，取值為

(3)

式中R為多年平均降水量。根據(jù)水資源負(fù)載指數(shù)高低，可以將區(qū)域水資源開發(fā)利用潛力進(jìn)行分級。針對昆明市特點，選取人均水資源占有量、水資源開發(fā)利用率、水資源負(fù)載指數(shù)3個指標(biāo)，分別從豐富程度、開發(fā)潛力、承載狀態(tài)3個角度評價各縣、區(qū)水資源短缺狀況，揭示昆明市水資源短缺格局，各指標(biāo)項及打分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

4 昆明市水資源綜合評價

4.1 水資源空間分布特征

從多年平均降水量(1956—2000年)來看，降水量最小的為安寧市(863 mm)，其次為呈貢區(qū)(881 mm)，降水量超過1 000 mm的有尋甸縣(1 110 mm)和東川區(qū)(1 018 mm)，其余7個地區(qū)降水量處于900～1 000 mm 之間(圖1)。

圖1 2012年人口與年均降水量和單位面積耕地水量與人均水量分布Fig.1 Spatial distributions of population in 2012 and average annual precipitation and water resources amount per unit area of cultivated land and water resources amount per capita

從人口分布看(圖1)，2012年人口最少的地區(qū)是富民縣(14.98萬人)，其次為呈貢區(qū)(19.29萬人)，石林縣、安寧市、晉寧縣、嵩明縣等4個地區(qū)人口處于20萬～30萬人之間，東川區(qū)為31.18萬人，宜良縣、祿勸縣、尋甸縣人口處于45萬～60萬人之間，人口最多的為四區(qū)(222.18萬人)；可見，年均降水量與人口分布匹配程度較差。用2001—2012年耕地面積和人口數(shù)量的平均值與多年平均水資源量(1956—2000年)的關(guān)系來反映水資源與耕地、人口之間的關(guān)系。從單位面積耕地水量的角度來分析，最少的為呈貢區(qū)(1.73萬m3/hm2)，[2萬,4萬)m3/hm2的有5個地區(qū)，富民縣為3.55萬m3/hm2，[4萬，5萬)m3/hm2的有2個地區(qū)，超過5萬m3/hm2的有2個地區(qū)，其中東川區(qū)最大(5.83萬m3/hm2)，年均單位耕地面積水資源量極值比為3.37，區(qū)域差異性較大。從多年平均人均水資源量角度來分析，四區(qū)最少(299 m3/人)，[500,1 000)m3/人的有2個地區(qū)，[1 000,1 700)m3/人的有3個地區(qū)，[1 700,3 000)m3/人的有4個地區(qū)，高于3 000 m3/人的僅有尋甸縣，人均水資源量極值比為10.78?？梢?，在昆明市范圍內(nèi)人均水資源量差異十分明顯，人口相對集中，水資源分布無法與人口分布相匹配，導(dǎo)致局部地區(qū)人均水量甚少，可能會限制經(jīng)濟發(fā)展。

4.2 昆明市水資源匹配性分析

為更好地定量化研究昆明市水資源與GDP、人口、耕地的匹配程度，本研究選擇Gini系數(shù)法對其匹配性進(jìn)行分析。從多年平均角度分析，GDP的Gini系數(shù)為0.766，表明水資源與GDP匹配性屬于差距懸殊等級；人口的Gini系數(shù)為0.452，表明水資源與人口的匹配性屬于差距較大等級；耕地的Gini系數(shù)為0.205，屬于比較平均等級。

圖2 昆明市GDP、人口、耕地的基尼系數(shù)隨時間的變化曲線Fig.2 Variations of Gini coefficients of GDP,population, and cultivated land with time in Kunming City

在經(jīng)濟高速發(fā)展，人口迅速膨脹，耕地面積緩慢減少的背景下，由圖2可以看出，GDP的基尼系數(shù)最大(0.6～0.8)，其次為人口(0.4～0.5)，最小為耕地(0.2附近)；GDP指標(biāo)在2005年發(fā)生跳躍上升后呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的下降趨勢，主要原因是四區(qū)的GDP由2004年的199.16億元增加為2005年的781.13億元，增長率高達(dá)292%，GDP水平與增長率水平均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，所以導(dǎo)致了Gini系數(shù)的跳躍現(xiàn)象；人口和耕地指標(biāo)都比較平穩(wěn)，變化不明顯；人口的Gini系數(shù)趨勢性不明顯；耕地的Gini系數(shù)呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，從2010年開始低于0.2。在2012年，GDP的Gini系數(shù)為0.768，屬于差距懸殊等級；人口的Gini系數(shù)為0.460，屬于差距較大等級；耕地的Gini系數(shù)為0.194，屬于高度平均等級；與多年平均情景下的各指標(biāo)等級分布情況相似。

4.3 昆明市水資源短缺格局分析

4.3.1 單個指標(biāo)評價

在2012年，從圖3(a)可以看出，水資源較豐富水平僅有尋甸縣，中等水平包括3個地區(qū)，較缺乏水平包括4個地區(qū)，缺乏水平包括3個地區(qū)(均為昆明市經(jīng)濟發(fā)展核心區(qū))；從水資源開發(fā)潛力(圖3(b))分析，開發(fā)潛力高的只有尋甸縣，較高的有東川區(qū)和石林縣，中等的有4個地區(qū)，較低的僅有宜良縣，其余3個地區(qū)全部為開發(fā)潛力低；從水資源承載狀態(tài)(圖3(c))分析，承載狀態(tài)為可載的包括北部3個地區(qū)，適度承載包括中部和東南部4個地區(qū)，臨界超載僅有晉寧縣，超載包括南部3個地區(qū)。綜合圖3可知，四區(qū)、安寧市、呈貢區(qū)3個地區(qū)的各指標(biāo)都處于最差等級，而尋甸縣基本都處于較優(yōu)等級，可以初步判定四區(qū)、安寧市、呈貢區(qū)水資源條件較差，短缺比較嚴(yán)重，而尋甸縣水資源條件較優(yōu)。

圖3 2012年昆明市3個指標(biāo)評價結(jié)果Fig.3 Assessment results of 3 indexes in Kunming city in 2012

4.3.2 綜合評價

通過綜合考慮水資源豐富程度、開發(fā)潛力、承載狀態(tài)3個指標(biāo)，采用等權(quán)重法分析昆明市歷年水資源格局變化情況，評判標(biāo)準(zhǔn)見表2，現(xiàn)僅選擇2001年、2007年和2012年的情景來進(jìn)行分析(圖4)。

圖4 昆明市水資源短缺格局變化Fig.4 Variations in spatial distributions of water resources shortage in Kunming city

在2001年，昆明市共有水資源豐富區(qū)3個，偏豐富區(qū)5個，基本平衡區(qū)1個，偏缺水區(qū)2個，尚無缺水區(qū)；在2007年，有豐富區(qū)2個，偏豐富區(qū)4個，基本平衡區(qū)2個，偏缺水區(qū)1個，缺水區(qū)2個；在2012年，有豐富區(qū)1個，偏豐富區(qū)3個，基本平衡區(qū)4個，缺水區(qū)3個；可見，在2001—2012年間，昆明市水資源短缺情況逐年嚴(yán)峻，缺水地區(qū)數(shù)量不斷增多，缺水等級逐漸加重；各地區(qū)中，水資源短缺等級未發(fā)生變化的僅有石林縣和尋甸縣。從空間分布來看，歷年缺水相對嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在昆明市的南部，北部地區(qū)水資源相對豐富，東南部地區(qū)水資源條件相對穩(wěn)定，變化不大。

5 結(jié) 論

(1) 從多年平均水平來看，昆明市核心發(fā)展區(qū)域(四區(qū)、呈貢區(qū)、安寧市)降水較少，人口集中，水資源較為匱乏，北部地區(qū)水資源相對豐富。多數(shù)地區(qū)降水量處于900～1 000 mm 范圍，2012年，四區(qū)人口占據(jù)昆明市總?cè)丝诘?0.9%，多年平均人均水資源量僅為299 m3/人；昆明市總體水資源量不足，且內(nèi)部差異明顯，人均水資源量極值比高達(dá)10.78；多數(shù)地區(qū)人均水資源量低于云南省(3 627 m3/人)及全國(2 100 m3/人)平均水平，人口高度集中是局部地區(qū)水資源短缺的一個重要原因。

(2) 昆明市水資源與GDP、人口匹配性較差，與耕地匹配性較好。從多年平均角度分析，水資源與GDP匹配性屬于差距懸殊等級，與人口的匹配性屬于差距較大等級，與耕地屬于比較平均等級。水資源與GDP的Gini系數(shù)在2005年發(fā)生跳躍上升后呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的下降趨勢，與人口和耕地的Gini系數(shù)都比較平穩(wěn)，變化緩慢。

(3) 昆明市經(jīng)濟核心區(qū)缺水問題嚴(yán)重，昆明市整體呈現(xiàn)“南缺北豐”格局。綜合分析水資源豐富程度、開發(fā)潛力、承載狀態(tài)3個指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)昆明市核心發(fā)展區(qū)均出現(xiàn)缺水問題，并且在2001—2012年間，缺水地區(qū)數(shù)量不斷增多，多數(shù)地區(qū)缺水等級逐漸加重。

(4) 為緩解南部經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)水資源緊缺問題，有必要采取雨水收集、利用技術(shù)，同時也要注重提高水資源利用效率，促進(jìn)節(jié)水灌溉，倡導(dǎo)節(jié)約用水、計劃用水；嘗試從北部水資源豐富地區(qū)(如尋甸縣)進(jìn)行跨區(qū)域調(diào)水；或者重新規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局，適當(dāng)將高耗水、高用水產(chǎn)業(yè)向北部地區(qū)進(jìn)行遷移。以滿足昆明市日益增長的人畜用水需求、維持經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展、保障糧食產(chǎn)量、確保生態(tài)環(huán)境健康等多重目標(biāo)。

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(編輯：占學(xué)軍)

Comprehensive Analysis on Spatial Pattern of WaterResources Shortage in Kunming City

LIU Jia-xu1,2,LI Jiu-yi1,LI Li-juan1,WANG Zhi-yong1,2,CHEN Su-jing1,2

(1.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research under Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2.College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Water resources shortage is one of the core problems affecting the rapid growth and stability of economy in Kunming city. According to statistical data fromKunmingWaterResourceBulletinsfrom 2001 to 2012, the variation

trend, temporal-spatial distributions, matching conditions and patterns of shortage of water resources in Kunming were analyzed by calculating the Gini coefficient, per capita water resources amount, utilization ratio, and load index of water resources. Results revealed that 1) the amount of per capita water resources in Kunming was less than the average values in Yunnan or in China with obvious uneven spatial distribution in the city: the average annual per capita water resources in four main urban areas reached the minimum 299 m3per capita, while the extremes ratio was up to 10.78; 2)water resources matched well with cultivated land rather than GDP and population;3) water resources were rich in northern counties but poor in southern counties of Kunming city,and in addition, the number of regions in water shortage increased, with the shortage level deteriorating gradually;4) rainwater utilization, water conservation measures, interregional water transfer and industrial restructuring are effective countermeasures of water shortage in Kunming city.

matching of water resources; water resources shortage; Gini coefficient; distribution pattern; Kunming city

2016-05-25；

2016-06-30

國家科技重大專項項目(2013ZX07102-006-04)

劉佳旭(1990-)，男，遼寧鐵嶺人，博士研究生，研究方向為水文水資源，(電話)13269174320(電子信箱)liujx.12b@igsnrr.ac.cn。

李麗娟(1961-)，女，吉林吉林人, 研究員，博士，主要從事水文與水資源研究,(電話)010-64889309(電子信箱)lilj@igsnrr.ac.cn。

10.11988/ckyyb.20160518

2017,34(8):6-10,17

K903

A

1001-5485(2017)08-0006-05