張真真 李 睿 陳家棟 劉美麗 傅 靖 周 飛

（1.江蘇省水文水資源勘測局南京分局，南京 210024；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引 言

“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”是新時期我國治水興水的重要戰(zhàn)略思想，空間均衡作為其中一項重要內(nèi)容，是水利工作必須遵循的根本原則[1]。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國面臨水資源短缺、水環(huán)境污染等多種水資源問題，水危機愈發(fā)嚴(yán)重，尤其是水資源空間不均衡引起的水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境矛盾問題愈加尖銳，人口經(jīng)濟規(guī)模與水資源環(huán)境條件不匹配，經(jīng)濟社會發(fā)展造成水資源空間極不均衡，研究水資源空間均衡問題顯得十分迫切和必要[2]。目前，國內(nèi)眾多學(xué)者圍繞水資源空間均衡開展了深入研究：金菊良等[3]提出了基于聯(lián)系數(shù)和洛倫茲曲線的水資源空間均衡評價方法，應(yīng)用于安徽省水資源空間均衡狀況評價；酈建強等[4]提出水資源配置中的開發(fā)、需求和供需平衡系統(tǒng)是水資源空間均衡評價的核心；繆昭旺等[5]提出了水資源空間均衡耦合評價模型，對導(dǎo)致區(qū)域水資源空間均衡程度變化的影響因素及其變化趨勢進行了診斷分析；范嘉煒等[6]利用洛倫茲曲線、基尼系數(shù)的方法，對廣州市用水結(jié)構(gòu)整體趨勢及空間均衡差異性進行了分析。目前，基尼系數(shù)法是度量整個區(qū)域均衡程度的重要方法[7]，在經(jīng)濟、社會、資源等分配均衡程度研究方面具有較強的適用性[8]。集對分析聯(lián)系數(shù)能夠從同、異、反3 方面定量處理兩集合符合某種關(guān)系程度的不確定性問題，對子區(qū)域進行區(qū)域系統(tǒng)綜合評價和診斷分析[9]。

本文采用基尼系數(shù)法對南京市水資源整體空間均衡情況進行定量評價，利用各個子區(qū)域樣本點到絕對均衡線的垂向距離構(gòu)建集對分析聯(lián)系數(shù)，通過計算減法集對勢診斷識別各子區(qū)域的水資源空間均衡狀態(tài)。

1 模型構(gòu)建

1.1 基尼系數(shù)法

基尼系數(shù)（GiniCoefficient）是一個經(jīng)濟學(xué)概念，是20 世紀(jì)初期意大利經(jīng)濟學(xué)家基尼（Gini）根據(jù)洛倫茨曲線提出的（圖1），用來分析居民之間收入分配均衡性和差異性程度[10]。

圖1 洛倫茨曲線示意圖

圖1中，假定實際收入分配曲線和絕對平等線之間的面積為A，實際收入分配曲線與坐標(biāo)軸之間的面積為B，A與A+B的比值為基尼系數(shù)[11]。

基尼系數(shù)取值0～1，基尼系數(shù)越小，表示水資源分配越均衡；反之，則表示水資源分配不均衡[12]。國際上基尼系數(shù)代表的均衡評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 基于基尼系數(shù)的水資源空間均衡評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2 南京市水資源空間均衡評價模型構(gòu)建

水資源空間均衡是指水資源在水資源稟賦、空間分布以及用水效益等經(jīng)濟社會層面的協(xié)調(diào)發(fā)展情況[13]。區(qū)域人口和經(jīng)濟對水資源需求量有重要影響，本次研究中，即假定一定數(shù)量的人口和地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）需要相應(yīng)比例的水資源量匹配，利用基尼系數(shù)法分析人口比例和經(jīng)濟發(fā)展程度與水資源分布之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，進而對區(qū)域水資源空間均衡性進行分析評價。

（1）選取匹配原象和匹配對象。將研究區(qū)劃分為幾個子區(qū)域，以區(qū)域水資源總量作為匹配原象，人口數(shù)量、GDP作為匹配對象，計算各子區(qū)域的單位人口數(shù)量、單位GDP所擁有的水資源量，并由低到高排序。

（2）繪制洛倫茲曲線。按照排序?qū)⒏髯訁^(qū)域水資源總量、人口數(shù)量、GDP占整個區(qū)域的比例累計計算，以人口數(shù)量或GDP累計百分比為橫軸，以水資源量累計百分比為縱軸，繪制洛倫茲曲線（圖2）。

圖2 人口數(shù)量或GDP與水資源洛倫茲曲線

（3）計算基尼系數(shù)。本次研究中采用三角形面積法計算基尼系數(shù)[14-15]：

式中：G為基尼系數(shù)；n為子區(qū)域數(shù)量；xi、xi+1分別為第i個、第i+1 個區(qū)域人口或GDP 累計百分比；yi、yi+1為第i個、第i+1個區(qū)域水資源量的累計百分比。

（4）計算樣本點到絕對均衡線的距離。研究中，為進一步分析子區(qū)域空間均衡性之間的差異，將研究區(qū)劃分為均衡區(qū)、臨界均衡區(qū)、不均衡區(qū)，分別繪制人口數(shù)量-水資源量、GDP-水資源的空間均衡分區(qū)圖（圖3、圖4）。圖中，上閾值以上部分為均衡區(qū)，上、下閾值之間部分為臨界區(qū)，下閾值以下部分為不均衡區(qū)。以子區(qū)域人口數(shù)量和GDP占整個區(qū)域相應(yīng)總量的百分比和子區(qū)域水資源量占整個區(qū)域水資源總量的百分比作為樣本點，將絕對均衡線和子區(qū)域的樣本點繪制在圖中，并計算子區(qū)域樣本點到絕對均衡線的垂向距離di（即樣本點縱坐標(biāo)值減去絕對均衡線對應(yīng)的縱坐標(biāo)值）。

圖3 人口數(shù)量-水資源量空間均衡分區(qū)圖

圖4 GDP-水資源量空間均衡分區(qū)圖

本次研究中，水資源空間均衡評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)是在分析研究本地水資源、人口數(shù)量、GDP相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)流域和地域特性，咨詢相關(guān)水資源專家意見，借鑒了金菊良等[16]在安徽省水資源空間均衡評價中的研究方法，建立了水資源空間均衡評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 水資源空間均衡評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)計算出的聯(lián)系數(shù)分量，計算得到評價指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)：

式中：ui為評價指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)；vi1為同一度分量；vi2為差異度分量；vi3為對立度分量；I為差異度系數(shù)，取值區(qū)間為[-1，1]，本次研究中取值0.5；J為對立度系數(shù)，取值-1。

把聯(lián)系數(shù)值[-1，1]劃分成5個等級，以0.2作為等級間隔長度，匹配程度劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3[18]。

表3 基于聯(lián)系數(shù)的水資源空間均衡匹配程度劃分標(biāo)準(zhǔn)

采用減法集對勢分析子區(qū)域水資源空間均衡狀態(tài)：

式中：sf(ui)為減法集對勢。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果[19-21]，將減法集對勢的勢級劃分為5個等級，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 水資源空間均衡勢級劃分標(biāo)準(zhǔn)

（5）計算子區(qū)域空間均衡評價聯(lián)系數(shù)。采用集對分析計算各匹配關(guān)系樣本點到絕對均衡線之間的垂直距離di與等級標(biāo)準(zhǔn)（1、2、3）之間的三元聯(lián)系數(shù)[17]，計算方法見式（2）至式（4）。

將相對隸屬度歸一化得到評價指標(biāo)聯(lián)系數(shù)分量：

2 結(jié)果分析

選取南京市2015-2020 年各行政區(qū)水資源總量作為匹配原象，選取人口數(shù)量、GDP作為匹配對象，對南京市人口數(shù)量-水資源總量、GDP-水資源總量匹配關(guān)系進行空間均衡評價。本次研究數(shù)據(jù)主要來源于2015-2020年南京市水資源公報、各行政區(qū)水資源公報和南京市統(tǒng)計年鑒。

（1）南京市水資源空間均衡評價結(jié)果。利用公式（1）計算人口數(shù)量-水資源、GDP-水資源的基尼系數(shù)，根據(jù)評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)得到評價結(jié)果（表5）。

由表5 可知，2015-2020 年，南京市人口數(shù)量匹配水資源基尼系數(shù)均大于0.4，處于不均衡狀態(tài)，其中，2015年、2017年、2018年表現(xiàn)為比較不均衡，其余各年表現(xiàn)為不均衡；GDP匹配水資源的基尼系數(shù)均大于0.4（國際警戒線），處于不均衡的狀態(tài)，其中，2015 年、2017 年表現(xiàn)為較不均衡，其余各年表現(xiàn)為不均衡。結(jié)果表明，人口數(shù)量-水資源、GDP-水資源匹配度都處于不均衡狀態(tài)，且基尼系數(shù)整體上呈增加的趨勢，表明不均衡程度愈加強烈，需引起重視。

表5 南京市2015-2020年水資源空間均衡評價結(jié)果

（2）各行政區(qū)水資源空間均衡評價結(jié)果。為分析南京市各行政區(qū)水資源空間均衡狀況，以及造成區(qū)域水資源均衡性不高的主要子區(qū)域，通過計算子區(qū)域樣本點到絕對均衡線的垂直距離，按照水資源空間均衡評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，判斷子區(qū)域空間均衡性，通過式（2）至式（7）計算出評價指標(biāo)聯(lián)系數(shù)，通過式（8）計算出的減法集對勢并進行勢級劃分，分析導(dǎo)致南京市各子區(qū)域水資源空間均衡狀況。本次研究中，以2020年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對照水資源空間均衡勢級劃分標(biāo)準(zhǔn)，分析子區(qū)域水資源空間均衡性及態(tài)勢，評價結(jié)果見表6、表7。

由表6可以看出，六合區(qū)、浦口區(qū)、溧水區(qū)、高淳區(qū)4個行政區(qū)的人口數(shù)量與水資源匹配度表現(xiàn)為均衡，江寧區(qū)表現(xiàn)為臨界均衡，江北新區(qū)、鼓樓區(qū)、棲霞區(qū)、玄武區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)、雨花臺區(qū)7個行政區(qū)表現(xiàn)為不均衡。處于均衡狀態(tài)的行政區(qū)，其減法集對勢均為0.7 以上，表現(xiàn)為同勢，處于臨界狀態(tài)的行政區(qū)，其減法集對勢表現(xiàn)為偏同勢，處于不均衡狀態(tài)的行政區(qū)，其減法集對勢均為-0.7 以下，表現(xiàn)為反勢。

表6 南京市各行政區(qū)人口數(shù)量-水資源空間均衡評價結(jié)果

由表7可以看出，六合區(qū)、浦口區(qū)、江寧區(qū)、溧水區(qū)、高淳區(qū)5個行政區(qū)的GDP與水資源匹配度表現(xiàn)為均衡，江北新區(qū)、鼓樓區(qū)、棲霞區(qū)、玄武區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)、雨花臺區(qū)7個行政區(qū)表現(xiàn)為不均衡。處于均衡狀態(tài)的行政區(qū)，其減法集對勢均為0.7以上，表現(xiàn)為同勢，處于不均衡狀態(tài)的行政區(qū)，其減法集對勢均為-0.7以下，表現(xiàn)為反勢。同時，7個行政區(qū)的人均水資源量和單位GDP 水資源量均低于全市平均水平（圖5），與結(jié)論相符。

圖5 南京市各行政區(qū)人口數(shù)量-水資源量、GDP-水資源量統(tǒng)計

表7 南京市各行政區(qū)GDP-水資源空間均衡評價結(jié)果

整體而言，南京市北部和南部表現(xiàn)為水資源空間均衡、減法集對勢為同勢，中部均衡性較差，減法集對勢為反勢。處于反勢狀態(tài)的行政區(qū)是導(dǎo)致水資源空間均衡性較差的主要子區(qū)域，且有向不均衡發(fā)展的趨勢。水資源空間均衡狀況與氣象條件及社會經(jīng)濟活動密切相關(guān)，中部地區(qū)人類活動頻繁、經(jīng)濟生產(chǎn)集中是導(dǎo)致水資源空間均衡較差的主要原因。根據(jù)2020年南京市水資源公報及南京市統(tǒng)計年鑒計算，鼓樓區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)、玄武區(qū)、雨花臺區(qū)、棲霞區(qū)6個行政區(qū)的人口約占全市總?cè)丝诘?6.06%，但水資源量僅全市水資源量的12.2%，人均水資源量較少，遠不及全市平均水平，主城區(qū)人口規(guī)模較大、人口集中是造成水資源空間均衡性較差的重要原因。江寧區(qū)人口數(shù)量-水資源量處于臨界均衡狀態(tài)，需引起重視。6個行政區(qū)的GDP占全市的52.74%，表明區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展匹配水資源的均衡性稍差，水資源承載壓力較大，經(jīng)濟發(fā)展需要更多的水資源量支撐。

3 結(jié) 論

本文利用基尼系數(shù)法，通過計算2015-2020年南京市人口數(shù)量-水資源、GDP-水資源的基尼系數(shù)，分析判斷水資源空間均衡狀態(tài)，并利用聯(lián)系數(shù)和減法集對勢，識別造成全市空間均衡性較差的子區(qū)域，得到主要結(jié)論如下。

（1）南京市2015-2020 年人口數(shù)量-水資源、GDP-水資源的基尼系數(shù)均高于國際警戒線，水資源空間均衡性較差，基尼系數(shù)整體上呈增加的趨勢，表明不均衡程度愈加強烈，需引起重視。

（2）南京市水資源空間均衡性呈南北優(yōu)，中部差的特性，均衡性較好的區(qū)域減法集對勢在0.7以上，均衡性差的區(qū)域減法集對勢在-0.7 以下，中部鼓樓區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)、玄武區(qū)、雨花臺區(qū)、棲霞區(qū)6個行政區(qū)是造成全市水資源空間均衡性較差的主要子區(qū)域，人口規(guī)模較大、經(jīng)濟生產(chǎn)集中是引起平衡性較差的主要原因，經(jīng)濟發(fā)展引發(fā)水資源承載壓力較大。

（3）加強區(qū)域水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)、疏離過度密集人口是確保區(qū)域人口數(shù)量、經(jīng)濟社會發(fā)展與水資源承載力相協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵。