馬 蕊

（青海省水文水資源測報(bào)中心，西寧 810001）

0 引 言

水資源是可持續(xù)發(fā)展最為重要的基礎(chǔ)性自然資源，隨著社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源能否高效利用，有效保護(hù)和合理配置，關(guān)系到我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會進(jìn)步的大局。為推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與水資源水環(huán)境承載能力相適應(yīng)，國務(wù)院發(fā)布實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，確立了水資源管理“三條紅線”［1］。

國內(nèi)眾多學(xué)者運(yùn)用多種方法對水資源量變化趨勢及用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。燕華云等通過線性傾向估計(jì)法及秩次相關(guān)法對青海省黃河流域水資源變化趨勢進(jìn)行了分析［2］；劉小園等通過M-K 突變檢驗(yàn)及小波分析對青海湖近60年徑流特征及演變規(guī)律進(jìn)行了研究［3］；陳良等運(yùn)用洛倫茲曲線對甘肅省用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析［4］；馮穎等運(yùn)用基尼系數(shù)和洛倫茲曲線對陜西省用水結(jié)構(gòu)態(tài)勢進(jìn)行了分析［5］，但對于青海省用水量及用水結(jié)構(gòu)的研究較少。為保障青海省水資源可持續(xù)利用，本文通過對青海省用水量修正以來近13年用水變化趨勢及實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度以來近7年的用水結(jié)構(gòu)時(shí)空分布均衡性進(jìn)行分析，為今后青海省強(qiáng)化管控用水，提高用水效率，優(yōu)化調(diào)整用水結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源及方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省被譽(yù)為“三江之源”、“中華水塔”，是中國著名河流長江、黃河、瀾滄江和黑河的發(fā)源地，位于青藏高原東北部，是我國重要生態(tài)功能區(qū)，同時(shí)也是我國乃至東南亞重要的生態(tài)安全屏障，在全球生態(tài)系統(tǒng)中具有獨(dú)特和不可替代的生態(tài)地位。區(qū)域水資源量豐富，2019年青海省水資源總量為919.3 億m3，而用水量為26.18 億m3，水資源開發(fā)利用率較低，僅占水資源總量的2.8%。

1.2 數(shù)據(jù)來源及分析方法

本文采用數(shù)據(jù)資料均來自《青海省水資源公報(bào)》，數(shù)據(jù)可靠。用水量數(shù)據(jù)采用2007-2019年近13年數(shù)據(jù)，用水結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)選用2013-2019年近7年數(shù)據(jù)，總用水量中分項(xiàng)用水量包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境用水量四部分。運(yùn)用線性趨勢分析法、R/S分析法對青海省近13年來用水量變化趨勢進(jìn)行分析；運(yùn)用洛倫茲曲線分析法、基尼系數(shù)及洛倫茲不對稱系數(shù)對青海省近7年來用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。洛倫茲曲線、基尼系數(shù)原本是用于經(jīng)濟(jì)學(xué)與社會學(xué)，反映地區(qū)財(cái)富均勻性現(xiàn)象的研究方法，如今該方法被廣泛用于水資源利用、土地利用、城市建設(shè)等領(lǐng)域的研究［4］。本文引用該方法分析青海省8個(gè)市（州）用水結(jié)構(gòu)的空間分布規(guī)律，并采用洛倫茲不對稱系數(shù)［6］，研究各區(qū)域用水結(jié)構(gòu)不均勻性的原因。

1.2.1 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線由美國統(tǒng)計(jì)學(xué)家Max Otto Lorenz 提出，為研究國民收入在國民之間的分配問題［5］，后來有學(xué)者逐漸將之運(yùn)用于水資源研究領(lǐng)域，用以研究水資源空間分布均衡性［4］。如圖1，在水資源領(lǐng)域研究中，洛倫茲曲線y=f（x）為一條凹型曲線，圖中x軸表示總用水量累計(jì)百分比（%），y軸表示不同用水類型用水量累計(jì)百分比（%），當(dāng)圖中y=f（x）曲線離y=x曲線（即絕對均勻線）越近，則表示該用水類型用水量在研究區(qū)域的空間分布越均衡，反之則越不均衡。

圖1 洛倫茲曲線Fig.1 Diagram of Lorentz curve

在引入洛倫茲曲線時(shí)，首先要計(jì)算每個(gè)研究區(qū)域的不同用水類型累計(jì)百分比與總用水量累計(jì)百分比比值，即區(qū)位熵［5］，用以反應(yīng)洛倫茲曲線的斜率，區(qū)位熵表達(dá)式為：

式中：Aij為研究區(qū)區(qū)位熵；qij表示第i區(qū)域第j種類型用水量，億m3；qj表示青海省第j種類型用水量，億m3；qi表示第i區(qū)域總用水量，億m3；q表示青海省總用水量，億m3。

將計(jì)算出來的不同研究區(qū)區(qū)位熵從小到大排序，在該排序下，將對應(yīng)的不同類型的用水量及總用水量百分比累積相加，以總用水累積百分比為橫坐標(biāo)，分項(xiàng)用水累計(jì)百分比為縱坐標(biāo)，繪制洛倫茲曲線。

1.2.2 基尼系數(shù)

基尼系數(shù)最早由意大利統(tǒng)計(jì)與社會學(xué)家Corrado Gini 在1912年提出，是在洛倫茲曲線的基礎(chǔ)上分析不均勻性強(qiáng)弱的數(shù)值［5］。表達(dá)式為：

式中：f(x)為洛倫茲曲線方程。

基尼系數(shù)有多種計(jì)算方式，通常有幾何法、矩陣法和基尼平均法等［4］，本文采用三角形面積法來估算基尼系數(shù)，估算表達(dá)式為：

式中：G為基尼系數(shù)，取值范圍［0，1］；Qi、Qi+1表示第i、i+1 研究區(qū)的總用水量累積百分比；qi、qi+1表示第i、i+1 研究區(qū)q類分項(xiàng)用水量的累積百分比；n為研究區(qū)總個(gè)數(shù)，青海省共8 個(gè)市（州），文中n取值為8。國際上普遍采用的基尼系數(shù)評價(jià)結(jié)果見表1，將0.4定為警戒線［4］。

表1 基尼系數(shù)評價(jià)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Gini coefficient evaluation standard

1.2.3 洛倫茲不對稱系數(shù)

洛倫茲不對稱系數(shù)S［6］是在基尼系數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析不均勻性原因的指標(biāo)，該系數(shù)由丹麥植物學(xué)家Christian Damgard 以及Jacob Weiner 于2000年提出，以分析造成總體不均勻性的指標(biāo)貢獻(xiàn)大?。?］。對于構(gòu)成洛倫茲曲線的序列A1≤A2≤… ≤Ai≤… ≤An，洛倫茲不對稱系數(shù)S值計(jì)算表達(dá)式為：

如圖2，S值有3 個(gè)劃分區(qū)間，分別為S＞1、S＜1、S=1，分別表示圖中洛倫茲曲線與絕對均勻線斜率相同的點(diǎn)位于對稱軸上方、對稱軸下方及對稱軸上，同時(shí)分別說明曲線代表的該種用水類型用水量的高值、低值及高低值共同作用為造成其用水類型不均勻性的原因。

圖2 洛倫茲曲線不同S值示例圖Fig.2 Different S-values of Lorentz curve

2 用水結(jié)構(gòu)分析

2.1 用水量變化分析

2.1.1 線性趨勢分析

由圖3 可知，青海省總用水量2007-2019年總體呈現(xiàn)下降趨勢，變率為-0.51億m3/a。分項(xiàng)用水中農(nóng)業(yè)用水量總體呈現(xiàn)下降趨勢，變率為-0.40 億m3/a；工業(yè)用水量呈下降趨勢，變率為-0.25 億m3/a；生活及生態(tài)環(huán)境用水量近13年來總體呈上升趨勢，變率均為0.07億m3/a。

圖3 青海省用水變化趨勢Fig.3 Trend of water use in Qinghai Province

2.1.2 R/S分析

由圖4 可知總用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水及生態(tài)環(huán)境用水的Hurst指數(shù)分別為1.07、0.99、0.85、0.86、0.81，指數(shù)均大于0.5，表明用水總量及各分項(xiàng)用水量的變化趨勢將持續(xù)原狀態(tài)。因此，未來青海省用水總量、農(nóng)業(yè)用水量及工業(yè)用水量將持續(xù)減小，生活用水量及生態(tài)環(huán)境用水量將持續(xù)增加。

圖4 R/S分析曲線Fig.4 Curve of R/S analysis

2.1.3 比重分析

由表2 可知，近13年來青海省水資源開發(fā)利用程度在2.71%～4.80%之間，與普遍認(rèn)為的40%水資源開發(fā)利用警戒線比較［8］，屬于水資源開發(fā)利用較低的地區(qū)，且青海省水資源開發(fā)利用程度在減小。分項(xiàng)用水占比中，農(nóng)業(yè)用水占比最大，占青海省總用水量的69.01%～82.03%，其次為工業(yè)用水及生活用水，占比分別為9.08%～23.04%、7.16%～12.04%，生態(tài)環(huán)境用水占比最小，為0.60%～5.33%。

表2 青海省近13年不同用水類型占比 %Tab.2 Proportion of different water types in recent 13 years of Qinghai Province

2.2 空間差異性分析

2.2.1 洛倫茲曲線分析

繪制青海省2013-2019年不同用水類型洛倫茲曲線圖，由圖5 可知，近7年來農(nóng)業(yè)用水空間分布情況無明顯變化，其次為工業(yè)用水和生活用水；生態(tài)環(huán)境用水變化比較明顯，空間分布情況有所減小，說明青海省近年來用水結(jié)構(gòu)空間差異性在逐漸減小。在不同用水類型中，農(nóng)業(yè)用水洛倫茲曲線離絕對均衡線最近，生活用水洛倫茲曲線離絕對均衡線最遠(yuǎn)，說明青海省農(nóng)業(yè)用水區(qū)域利用程度差異性最小，生活用水區(qū)域利用程度差異性最大；工業(yè)用水與生態(tài)環(huán)境用水區(qū)域利用程度差異性相當(dāng)。

圖5 青海省近7年來不同用水類型洛倫茲曲線Fig.5 Lorentz curve of different water use types in recent 7 years of Qinghai Province

2.2.2 基尼系數(shù)分析

為更精確地分析不同用水類型的空間分布均衡程度及多年變化情況，計(jì)算2013-2019年不同用水類型基尼系數(shù)，由表3可知，農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)最小，說明各地農(nóng)業(yè)用水量占地區(qū)用水比例差異性較小，整體處于“絕對平均”狀態(tài)；工業(yè)用水基尼系數(shù)2013-2016年減小，2017年增加，隨后持續(xù)減小，說明各地工業(yè)用水量占地區(qū)用水比例差異性在逐漸減小，整體由“相對合理”變?yōu)椤拜^為平均”狀態(tài)；生活用水基尼系數(shù)2013-2019年持續(xù)減小，但各地生活用水量占比差異性較大，整體仍處于“差距較大”狀態(tài)；生態(tài)環(huán)境用水基尼系數(shù)2013-2015年減小，2016年增加，而后持續(xù)減小，說明各地生態(tài)用水占比差異性在逐漸減小，整體由“相對合理”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤拜^為平均”狀態(tài)。

表3 青海省近7年來不同用水類型基尼系數(shù)Tab.3 Gini coefficient of different water use types in recent 7 years of Qinghai Province

結(jié)合近7年來不同用水類型洛倫茲曲線圖及基尼系數(shù)綜合分析，可知，青海省用水結(jié)構(gòu)存在差異，其中農(nóng)業(yè)用水占比差異性最小；生活用水占比差距較大，整體差異性在逐漸減??；工業(yè)用水、生態(tài)環(huán)境用水空間差異性均由相對合理變得較為平均，且差異性在持續(xù)減小，其中生態(tài)環(huán)境用水空間差異性減小較明顯。

爺爺沒回來，直到1922年我父親四歲的時(shí)候，才有從法國回來的勞工捎信兒說，我爺爺是收到了我奶奶的信，但還沒得回信就病死在戰(zhàn)壕里……

2.3 現(xiàn)狀年用水分析

2.3.1 現(xiàn)狀年用水結(jié)構(gòu)

以2019年為現(xiàn)狀年，2019年西寧市總用水量占青海省總用水量的22.13%，而生活用水量占青海省生活用水量的49.3%；海南州、海北州、黃南州、玉樹州及果洛州總用水量分別占青海省總用水量的9.58%、5.61%、2.15%、1.44%、1.01%，而這些地區(qū)的工業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水占青海省工業(yè)用水量和生態(tài)環(huán)境用水量的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該地區(qū)總用水占比；海西州總用水占比為38.38%，工業(yè)用水量占比高達(dá)55.31%，說明青海省各地區(qū)生活用水量、工業(yè)用水量及生態(tài)環(huán)境用水量差距較大。由表4可以看出，人均水資源量最高的果洛州和玉樹州，人均用水量在全省范圍內(nèi)最低，其余各項(xiàng)用水指標(biāo)均較低；未來作為重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域的西寧市和海東市，人均水資源占有量最低，人均用水量卻偏高，其余各項(xiàng)用水指標(biāo)均偏高，說明青海省人均水資源占有量差距較大且經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的地區(qū)受水資源約束限制較大。

表4 2019年青海省用水指標(biāo)Tab.4 Different types of water consumption in 2019 of Qinghai Province

根據(jù)2019年不同用水結(jié)構(gòu)的區(qū)位熵，分析2019年青海省空間用水專門化程度，由圖6 可知，從青海省行政分區(qū)來看，玉樹州工業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水比例均為全省最低，生活用水與農(nóng)業(yè)用水比例卻不低，果洛州生活用水比例處于全省最高，而生態(tài)用水比例卻不高，這與兩地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后、環(huán)境保護(hù)措施制約有關(guān)，但若要全面提高全省經(jīng)濟(jì)、生態(tài)發(fā)展進(jìn)程，玉樹州與果洛州應(yīng)注意城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與人民生活質(zhì)量的提升；海南、海北藏族自治州工業(yè)用水、生活用水及生態(tài)環(huán)境用水比例均不高，而農(nóng)業(yè)用水比例位居第一、第二，說明該地區(qū)農(nóng)牧業(yè)較發(fā)達(dá)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，提升用水效率；作為省會城市的西寧市，工業(yè)、生活用水比例位居全省第二，生態(tài)環(huán)境用水比例處于第三；作為青海省工業(yè)大城市的海西蒙古族藏族自治州，工業(yè)用水比例為全省第一，生態(tài)環(huán)境用水比例同樣較高，這與城市化進(jìn)展加快同時(shí)注重環(huán)境保護(hù)密不可分。

2.3.2 洛倫茲不對稱系數(shù)

采用洛倫茲不對稱系數(shù)來分析青海省各用水類型空間不均勻性的主導(dǎo)因素。由表5 可知，2019年工業(yè)用水、生態(tài)環(huán)境用水的洛倫茲不對稱系數(shù)小于1，說明工業(yè)用水比例最小及生態(tài)環(huán)境用水比例最小的地區(qū)用水是該兩項(xiàng)用水類型空間不均勻性的主導(dǎo)因素，結(jié)合圖6 可知，青海省2019年工業(yè)用水及生態(tài)環(huán)境用水比例最小的地區(qū)均為玉樹州，說明2019年玉樹州工業(yè)用水、生態(tài)環(huán)境用水是導(dǎo)致青海省該兩項(xiàng)用水空間分布不均勻的主要因素；同理，生活用水的洛倫茲不對稱系數(shù)大于1，結(jié)合圖6 可知，生活用水比例最大的果洛州生活用水是導(dǎo)致青海省生活用水空間分布不均勻的主要因素。

表5 2019年青海省不同用水類型洛倫茲不對稱系數(shù)Tab.5 Different types of Lorentz asymmetry coefficients in 2019 of Qinghai Province

圖6 青海省2019年不同用水類型區(qū)位熵Fig.6 Location entropy of different types of water consumption in 2019 of Qinghai Province

2.4 用水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

對青海省農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水及生態(tài)環(huán)境用水的空間差異性、2019年用水專門化程度及導(dǎo)致用水空間差異性原因進(jìn)行分析，得出以下用水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

（2）工業(yè)用水在所有用水類型中占比居中，存在空間差異。近年來洛倫茲曲線變化幅度不大，工業(yè)用水空間分布情況無明顯變化，基尼系數(shù)總體減小，工業(yè)用水占比空間分布情況由相對合理變得較為平均，由2019年用水洛倫茲不對稱系數(shù)小于1可知，工業(yè)用水比例最小的玉樹州工業(yè)用水是導(dǎo)致青海省工業(yè)用水存在空間差異性的原因。

（3）生活用水在所有用水類型中占比居中，空間分布最不均衡。生活用水洛倫茲曲線離絕對均勻線最遠(yuǎn)，說明該用水類型空間差異性最大；近年來基尼系數(shù)總體減小，各地區(qū)用水占比處于差距較大的狀態(tài)，由2019年用水洛倫茲不對稱系數(shù)大于1 可知，生活用水比例最大的果洛州生活用水是導(dǎo)致青海省生活用水存在空間差異性的原因。

（4）生態(tài)環(huán)境用水在所有用水類型中占比最小，空間分布變得較為均衡。近年來洛倫茲曲線變化幅度較大，生態(tài)環(huán)境用水空間分布由相對合理變得較為平均，由2019年用水洛倫茲不對稱系數(shù)小于1 可知，生態(tài)環(huán)境用水比例最小的玉樹州生態(tài)環(huán)境用水是導(dǎo)致青海省生態(tài)環(huán)境用水存在空間差異性的原因。

3 結(jié) 論

（1）青海省雖地處江河之源，受地理環(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件的制約，水資源開發(fā)利用程度較低，用水總量總體呈現(xiàn)下降趨勢，其中農(nóng)業(yè)用水及工業(yè)用水呈現(xiàn)下降趨勢，生活用水及生態(tài)環(huán)境用水呈現(xiàn)增長趨勢，且未來用水量變化趨勢將保持不變。

（2）從不同區(qū)域來看，人均水資源占有量差距懸殊，人均用水量跨度較大。2019年西寧市農(nóng)業(yè)用水比例較低，其余三類用水比例均偏高，海北州與之相反，除農(nóng)業(yè)用水比例較高外，其余各類用水比例都偏低；海東市與海西州除生態(tài)環(huán)境用水與工業(yè)用水比例較高外，其余兩類用水比例較低；果洛州除生活用水比例最高外，其余三類用水比例均偏低，玉樹州工業(yè)用水與生態(tài)環(huán)境用水含量比例為全省最低，但生活用水與農(nóng)業(yè)用水比例偏高。

（3）從時(shí)間變化來看，近7年來，青海省各用水類型空間差異性在逐漸減小，有利于全省經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展與人民生活水平的提高，各地農(nóng)業(yè)用水占比差異性最小，但生活用水占比差異性較大，應(yīng)優(yōu)化水資源配置，注重各地用水結(jié)構(gòu)的均衡發(fā)展。