張 峰

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

我國(guó)今后的治水思路中重要的內(nèi)容即為水資源的空間均衡[1]，也是當(dāng)前水利工作需要遵循的基本準(zhǔn)則。目前許多地區(qū)水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模不匹配，水資源開(kāi)發(fā)過(guò)度使得區(qū)域水環(huán)境及水資源的承載能力受到不同程度影響[2]。用水和極不平衡的水資源空間受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響程度不斷增大[3]。因此指導(dǎo)區(qū)域水資源管理和水生態(tài)保護(hù)，開(kāi)展水資源空間均衡分析具有十分重要的意義[4]。當(dāng)前，水資源空間均衡研究逐步得到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注和研究，Padilla等[5]基于泰爾指數(shù)對(duì)水資源不平等的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。Gunasekara[6]對(duì)國(guó)際水資源采用基尼系數(shù)進(jìn)行水資源分配不平衡進(jìn)行研究。酈建強(qiáng)[7]在國(guó)內(nèi)外水資源空間均衡研究的基礎(chǔ)上，對(duì)水資源空間均衡的內(nèi)涵、基本特征進(jìn)行了深入剖析，并對(duì)水資源空間評(píng)價(jià)度以及評(píng)價(jià)方向進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，為國(guó)內(nèi)開(kāi)展水資源空間均衡研究指明了研究方向。潘陽(yáng)[8]基于基尼系數(shù)對(duì)河南省水資源空間均衡系數(shù)進(jìn)行了分析，分析表明河南省從2005—2018年水資源空間總體處于一般失衡狀態(tài)。陳晨[9]采用水資源負(fù)載系數(shù)對(duì)滇池流域水資源空間均衡度進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果表明滇池流域水資源承載數(shù)和取水效益的不足是其空間均衡有所失衡的主要原因。韓春輝[10]對(duì)水資源空間均衡的理論和計(jì)算方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為水資源空間均衡的分析與水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人口發(fā)展是密不可分的。夏帆[11]對(duì)全國(guó)31個(gè)行政分區(qū)的水資源空間均衡系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并提出了空間均衡系數(shù)計(jì)算各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。左其亭[12]對(duì)水資源空間均衡的理論和量化方法進(jìn)行了系統(tǒng)探討。金菊良[13]對(duì)水資源空間均衡研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)歸納和總結(jié)，并對(duì)國(guó)內(nèi)開(kāi)展水資源空間均衡研究提供了思路和方向。酈建強(qiáng)等[14]對(duì)水資源空間均衡的理論方法與對(duì)策進(jìn)行了研究，對(duì)水資源空間均衡評(píng)價(jià)方法進(jìn)行闡述，并對(duì)其影響不利因素進(jìn)行了識(shí)別?？簳札圼15]采用不平衡指數(shù)對(duì)鄭州以及洛陽(yáng)地區(qū)的水資源空間均衡度進(jìn)行分析，研究表明經(jīng)濟(jì)指數(shù)是空間均衡需要考慮的因素之一。以上研究方法在北方地區(qū)應(yīng)用研究還較少，為此本文以遼寧本溪為例，基于水資源負(fù)載、水土資源匹配以及取水效益構(gòu)建水資源空間均衡系數(shù)，對(duì)本溪地區(qū)水資源空間均衡進(jìn)行測(cè)算，研究成果對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域水資源規(guī)劃具有重要參考價(jià)值。

1 水資源空間均衡計(jì)算方法

基于酈建強(qiáng)等專(zhuān)家研究成果，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]，進(jìn)行水資源空間均衡系數(shù)的計(jì)算，從水資源壓力、水土匹配程度以及用水效益等構(gòu)建水資源空間均衡系數(shù)，水資源壓力采用水資源承載指數(shù)進(jìn)行測(cè)算，該指數(shù)主要是表示水資源空間分布以及開(kāi)發(fā)利用程度的均衡指數(shù)，計(jì)算方程為：

(1)

式中，C—水資源承載指數(shù)；K—降水指數(shù)；R—人口指數(shù)；Z—生產(chǎn)總值，億元；W—總水資源量，億m3。

不同量級(jí)降水量對(duì)應(yīng)的K值計(jì)算范圍為：

(2)

式中，P—降水量，mm。

在水資源承載指數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)上，分析水土資源匹配度，該指數(shù)主要反映區(qū)域耕地資源和水資源組合情況以及水資源對(duì)耕地用水需求的滿(mǎn)足度，該指數(shù)越大表明區(qū)域水資源越充沛，則水資源承載指數(shù)越高，其計(jì)算方程為：

(3)

式中，δ—水土匹配度，萬(wàn)m3/hm2；S—耕地面積，hm2。

在水土資源匹配度計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)取用水效益指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，單方用水的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出越高，用水效益指數(shù)越大，其值越高，區(qū)域水土匹配度越低，其計(jì)算方程為：

(4)

式中，ZW—單方水產(chǎn)生的GDP總值，元/m3；WS—供水總量或用水總量，億m3。

考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源影響度，采用基尼系數(shù)對(duì)以上三種水資源指數(shù)基尼值進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算方程為：

(5)

式中，G—基尼系數(shù)值；yi—水資源承載、水土匹配度、取用水效益指數(shù)的組合百分比，%。

將以上三種指數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)度計(jì)算，得到區(qū)域水資源空間均衡系數(shù)，其計(jì)算方程為：

D=XY

(6)

其中：

(7)

(8)

式中，D—水資源空間均衡系數(shù)；X—水資源承載、水土匹配度、取用水效益指數(shù)的綜合協(xié)調(diào)度；Y—各指標(biāo)的綜合值；Ii—第i個(gè)指標(biāo)要素；aj—各指標(biāo)權(quán)重值；m—計(jì)算指標(biāo)個(gè)數(shù)。

水資源空間均衡系數(shù)劃分等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 不同水資源空間均衡等級(jí)對(duì)應(yīng)的空間均衡系數(shù)范圍

2 實(shí)例計(jì)算

2.1 實(shí)例概況

以本溪地區(qū)為計(jì)算實(shí)例，該地區(qū)主要位于遼寧省東部，區(qū)域水資源較為充沛，全區(qū)多年水資源總量均值為32.56億m3，折合成平均水深為389mm，水資源總量空間上總體從東南向西部逐步呈現(xiàn)遞減變化，和降水空間變化具有相似性。全局多年水資源量主要為山丘區(qū)降水入滲以及河川徑流的補(bǔ)給。各行政分區(qū)多年水資源總量分布見(jiàn)表2。本文水資源空間均衡系數(shù)的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于本溪市統(tǒng)計(jì)年鑒和水資源公報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 指標(biāo)計(jì)算及標(biāo)準(zhǔn)化

結(jié)合本溪市統(tǒng)計(jì)年鑒和水資源公報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)本溪地區(qū)各行政分區(qū)的水資源承載指數(shù)、水土資源匹配指數(shù)、取用水效益指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

水資源開(kāi)發(fā)利用程度越高，供需矛盾越大，其水資源承載指數(shù)越高。從本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源承載指數(shù)分布可看出，在空間上總體呈現(xiàn)從東南向西部逐步遞增的變化，這主要是因?yàn)闁|南水資源量相比于西北更為充沛，使得水資源開(kāi)發(fā)利用程度可滿(mǎn)足水資源供需要求，因此水資源承載能力相對(duì)較高；而本溪地區(qū)的明山區(qū)、溪湖區(qū)以及開(kāi)發(fā)區(qū)的水資源總量較少，使得供需矛盾很難得到有效保障，因此水資源承載指數(shù)相對(duì)較高，需要通過(guò)調(diào)水來(lái)解決區(qū)域的用水矛盾。從水資源承載指數(shù)的基尼系數(shù)可看出，水資源承載指數(shù)較低的區(qū)域，其地表和地下水資源的開(kāi)發(fā)潛力較大，因此受基尼系數(shù)影響相對(duì)較小。水土資源匹配主要是農(nóng)業(yè)耕地用水是否可有效得到滿(mǎn)足的重要評(píng)定指標(biāo)，從本溪地區(qū)各行政分區(qū)的水土匹配指數(shù)可看出，桓仁縣和本溪縣是本溪地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)耕種區(qū)域，而由于兩縣水資源總量相比于其他分區(qū)較高，農(nóng)業(yè)用水可得到有效滿(mǎn)足，因此其水土資源的匹配指數(shù)較高，而其他行政區(qū)由于耕地面積較少，因此水土資源匹配指數(shù)較低。本溪地區(qū)水土資源匹配的基尼系數(shù)低于0.50，表明該地區(qū)水土資源匹配度較為不均衡。從取用水效益可看出，本溪地區(qū)取用水效益指數(shù)和水資源總量分布具有相似性，總體從東南向西北逐步遞減。整體取用水效益與全國(guó)平均水平存在一定的差異，需要提高節(jié)水意識(shí)，提高取用水效益指數(shù)。采用層次分析方法對(duì)水資源承載指數(shù)、水土資源匹配指數(shù)、取用水效益指數(shù)的權(quán)重進(jìn)行了分析，分布為0.19、0.71和0.10。

表2 本溪地區(qū)各行政分區(qū)多年水資源量概況

表3 本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源空間均衡指標(biāo)值及標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果

2.3 水資源空間均衡系數(shù)計(jì)算

在進(jìn)行各指標(biāo)基尼系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行分析后，按照基尼系數(shù)劃分等級(jí)，各不同指標(biāo)的優(yōu)選區(qū)間進(jìn)行分析：

(9)

結(jié)合各指標(biāo)的優(yōu)選矩陣以及前面確定的各指標(biāo)的權(quán)重值，可以對(duì)不同水資源空間均衡等級(jí)對(duì)應(yīng)的隸屬矩陣進(jìn)行確定：

(10)

在優(yōu)選矩陣和指標(biāo)隸屬矩陣分析的基礎(chǔ)上，對(duì)本溪地區(qū)各行政分區(qū)的不同空間均衡等級(jí)的相對(duì)隸屬度及綜合系數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源空間均衡評(píng)定隸屬矩陣及綜合系數(shù)值

對(duì)本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源空間均衡不同等級(jí)的隸屬度計(jì)算結(jié)果可看出，各行政分區(qū)不同等級(jí)下的隸屬度存在明顯的差異性，對(duì)于桓仁縣而言，其處于非常均衡和相對(duì)均衡的隸屬度較高，這主要是因?yàn)榛溉士h的水資源總量較大，高于本溪地區(qū)其他行政分區(qū)，且桓仁縣的GDP產(chǎn)值較高，使得水資源承載指數(shù)、水土匹配指數(shù)及取用水指數(shù)相對(duì)較大，因此其在等級(jí)1和等級(jí)2的隸屬度均較高，而在等級(jí)3、等級(jí)4以及等級(jí)5的隸屬度總體分布較為均勻，這主要是因?yàn)槭芙┠陙?lái)桓仁縣水資源總量總體呈現(xiàn)遞減變化，使得水資源空間均衡狀態(tài)受到不同程度的影響，通過(guò)綜合評(píng)估其空間均衡系數(shù)為0.66，按照表1劃分的水資源空間均衡等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到相對(duì)均衡的狀態(tài)。而本溪縣和桓仁縣各種指標(biāo)具有相似性，使得水資源空間均衡系數(shù)較為接近，其空間均衡系數(shù)為0.69，處于相對(duì)均衡的狀態(tài)。平山區(qū)、明山區(qū)、溪湖區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)、南芬區(qū)屬于本溪主要城區(qū)，農(nóng)業(yè)耕地面積相對(duì)較少，因此以上分區(qū)的水土匹配指數(shù)相對(duì)較低，而由于水資源總量相對(duì)較少，使得取用水逍效益指數(shù)也相對(duì)較低，平山區(qū)、明山區(qū)、溪湖區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)、南芬區(qū)的水資源空間均衡系數(shù)總體在0.50～0.61之間，總體為一般均衡的狀態(tài)。從各行政分區(qū)的水資源空間均衡系數(shù)空間分布可看出，本溪地區(qū)水資源空間均衡系數(shù)的均值為0.54，為一般均衡，且從東南向西部逐步增加的變化。

2.4 水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢(shì)

結(jié)合建立的水資源空間均衡系數(shù)計(jì)算方法，結(jié)合本溪地區(qū)近20年的水資源及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)本溪地區(qū)各行政分區(qū)的水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢(shì)進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 本溪地區(qū)各行政分區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢(shì)值

從本溪市各行政分區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢(shì)值可看出，除桓仁縣和本溪縣呈現(xiàn)正向演化態(tài)勢(shì)外，本溪地區(qū)主城區(qū)、市區(qū)的水資源空間均衡狀態(tài)演化態(tài)勢(shì)值均呈現(xiàn)負(fù)向演化態(tài)勢(shì)值，南芬區(qū)由于取用水效益指數(shù)較高，使得其負(fù)向演化態(tài)勢(shì)值較低，桓仁縣和本溪縣正向演化態(tài)勢(shì)值有所降低，這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)縣區(qū)地表和地下水資源開(kāi)發(fā)利用程度已較高，開(kāi)發(fā)潛力下降明顯，因此其水資源承載指數(shù)均衡度有所下降，此外隨著農(nóng)業(yè)用水的增加，其水土匹配指數(shù)的空間均衡狀態(tài)也將下降，因此桓仁縣和本溪縣的正向演化態(tài)勢(shì)值將有所下降，但總體變化相對(duì)較為穩(wěn)定。而平山區(qū)、明山區(qū)、溪湖區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)以及市區(qū)的水資源均衡負(fù)向演化態(tài)勢(shì)值將逐步有微弱的惡化趨勢(shì)，需要對(duì)區(qū)域內(nèi)的水資源開(kāi)發(fā)利用度、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、取用水效益進(jìn)行優(yōu)化，從而提高以上分區(qū)的水資源空間均衡程度。

3 結(jié)論

(1)在進(jìn)行水資源空間均衡系數(shù)定量測(cè)算時(shí)，水資源承載指數(shù)、水土資源匹配度、取用水效益指數(shù)的權(quán)重值可分別在[0.18，0.19]、[0.69，0.71]、[0.13，0.14]區(qū)間選取。

(2)建議調(diào)整平山區(qū)、明山區(qū)、溪湖區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)以及市區(qū)的單方水GDP值，實(shí)現(xiàn)低耗水量高產(chǎn)出的用水模式，調(diào)整桓仁縣和本溪縣的耕地面積，大力推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，提高水土匹配指數(shù)。

(3)水資源空間均衡受自然影響較大，但人類(lèi)活動(dòng)影響也不可忽略，在以后的研究中還需要重點(diǎn)探討人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源空間均衡影響比例，從而制定相對(duì)應(yīng)的規(guī)劃措施。