范嘉煒，黃錦林，袁明道，張旭輝，譚 彩

(1.廣東省水利水電科學研究院大壩安全技術管理中心，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，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研究中心，廣東 廣州 510635)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，合理利用水資源，實現(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，在新型產業(yè)化進程中，正確把控水資源和人口經(jīng)濟的關系是實現(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致區(qū)域經(jīng)濟無法均衡發(fā)展的問題逐漸引起國內眾多水利學者的重視，為提出有效的解決方案，一些學者嘗試將洛倫茲曲線、基尼系數(shù)等本屬于經(jīng)濟學的概念應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，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]利用洛倫茲曲線對鄭州市不同類型用水的空間分布和變化特點做了分析探討；馮穎等[6]以陜西省為研究對象，利用基尼系數(shù)理論對陜西省各市各類型用水的時空分布進行了分析；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)域用水結構演變特征以及用水結構變化的驅動力因素；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豐富，但本地水資源較少，加上社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，導致廣州市工農業(yè)等產業(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經(jīng)濟進一步發(fā)展的阻礙[10]。為此，本文選取廣州市2007—2017年各類用水數(shù)據(jù)對廣州市用水結構的時空分布均衡性進行分析，以期為廣州市各產業(yè)結構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

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

1.2 區(qū)位熵

計算各區(qū)域的區(qū)位熵是得出洛倫茲曲線的關鍵步驟[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為整個區(qū)域的各類用水總量，即總用水量，m3。

由式(1)可計算出各分區(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由小到大的順序進行排列，每一個分區(qū)在洛倫茲曲線圖中均概化為一點，將各點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，尤其是當圖中涉及多類用水時，面對多條凹型曲線，無法得出孰優(yōu)孰劣的準確結論，因此引入基尼系數(shù)這一概念。基尼系數(shù)表示的是絕對平均線y=x與實際凹型曲線所圍面積和絕對平均線下直角三角形面積的比值，它由意大利科學家基尼在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)已廣泛應用于城建、資源配置、土地利用等多個學科領域[13-17]，其計算公式為

(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。

然而實際洛倫茲曲線方程f(x)很難用精確的數(shù)學表達式表示，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)。

本次評價分析采用國際上公認的評價區(qū)間劃分標準[18-19]，即0

2 用水結構分析

(a) 農業(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)及評價結果

2.1 整體趨勢性

圖1為廣州市典型年各類用水洛倫茲曲線，可以看出，2007—2017年農業(yè)用水基尼系數(shù)并無明顯變化，其余4類用水的空間分布情況均有較明顯的增長。表1對廣州市典型年各類用水的基尼系數(shù)進行了計算匯總，統(tǒng)計結果顯示，增長幅度以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增長至2013年的0.60。巨大的基尼系數(shù)增幅使得評價結論直接從“相對合理”變?yōu)椤安罹鄳沂狻保梢娮?007年起，廣州市用水結構差異程度呈現(xiàn)出逐步擴大態(tài)勢。

從表1的評價結果可以看到，雖然用水結構上仍存在著顯著差異，但整體差異性未進一步擴大，且已有逐漸歸于平穩(wěn)的趨勢性，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)開始著手對各類用水實施統(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，進一步對市內11個行政區(qū)進行用水結構均衡分析。以《廣州市水資源公報(2017)》《廣州市統(tǒng)計年鑒(2017)》等為基礎資料收集數(shù)據(jù)，對市內5類用水空間均衡分布情況進行統(tǒng)計分析，并繪制洛倫茲曲線圖，結果見表2和圖2。

表2 2017年廣州市用水量統(tǒng)計

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，距離絕對平均線最近的是工業(yè)用水洛倫茲曲線，農業(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平均線較遠，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，但卻無法對它們進行定量描述，因此本文借助基尼系數(shù)來進一步描述廣州市各區(qū)不同類型用水的差異性，評價結果見表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)域用水結構比例差異較大，經(jīng)濟相對發(fā)達的地區(qū)農業(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)濟發(fā)展程度一般的地區(qū)則相反，表現(xiàn)為農業(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)域進行計算，得到用水區(qū)位熵計算結果如表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，但實際上黃埔區(qū)與其他區(qū)域存在顯著的差異，應當根據(jù)黃埔區(qū)實際情況，對傳統(tǒng)工業(yè)產業(yè)實施綠色化改造，強化工業(yè)節(jié)水，同時對高耗水的企業(yè)開展用水效率評估，提升用水效率，實現(xiàn)清潔生產、循環(huán)利用。

農業(yè)用水方面，從化、花都、增城、白云區(qū)的農業(yè)用水比例較高，其中從化區(qū)的農業(yè)用水區(qū)位熵高達3.370，遠超出其他區(qū)域，這是由于多年來，從化區(qū)依托優(yōu)越的農業(yè)資源和區(qū)位優(yōu)勢，一直積極推進農業(yè)的快速發(fā)展，農業(yè)已成為區(qū)域建設中的主導產業(yè)，同時也是支撐從化區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎。

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，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)展形勢較好，未來中心區(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，因此為保持區(qū)域水資源的可持續(xù)利用，對于居民生活、城鎮(zhèn)公共用水，應加強節(jié)水理念的宣傳，普及節(jié)水用水器具的應用，推進區(qū)域用水管網(wǎng)的升級改造；對于生態(tài)環(huán)境用水，應著力提高城市公共綠化、景觀等回水利用率，以保障區(qū)域產業(yè)的協(xié)調發(fā)展。

總之，目前廣州市用水結構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，這需要進一步加強用水結構的管理監(jiān)督，以及對廣州市社會經(jīng)濟和產業(yè)布局進行合理引導，實現(xiàn)水資源的利用最大化。

3 結 論

a. 廣州市農業(yè)用水比例較高的區(qū)域為從化、花都、增城、白云區(qū)，其中從化的農業(yè)用水區(qū)位熵明顯高于其他區(qū)域，農業(yè)用水空間分布的逐漸集中將進一步拉動農業(yè)產業(yè)帶的發(fā)展完善，因此需結合實際制定合理的農業(yè)用水、節(jié)水制度，推進農業(yè)水利工程建設，持續(xù)改善農業(yè)用水的基礎設施條件。

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)用水結構與其他區(qū)域差異巨大，將可能會引發(fā)一定的環(huán)境生態(tài)問題。

c. 為營造良好的市區(qū)形象，廣州市加大了對天河、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、農業(yè)用水比例相對較低且內部差異性較小。因此，應結合中心區(qū)域的用水結構特點，積極倡導科學節(jié)水，提高用水效率，保障各區(qū)域、各產業(yè)的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展。

d. 總體來講，廣州市用水結構比例分配存在較大差異，空間分配不夠均衡，絕大部分已超過設定的警戒線值，應當引起足夠重視，以防止對將來社會經(jīng)濟發(fā)展造成不利影響。