金菊良, 孫增金, 崔毅, 王平, 周亮廣, 周戎星, 張禮兵

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所,安徽 合肥 230009; 3.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001)

水資源是影響當(dāng)前社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源之一,是保障一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。我國(guó)水資源空間分布存在著“東多西少,南多北少”的特征[1]。在當(dāng)今日益關(guān)注社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的背景下,做好水資源空間均衡協(xié)調(diào)工作顯得尤為重要。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),人們更加認(rèn)識(shí)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境健康的重要性,類似于以“水資源保護(hù)”為主題的生態(tài)環(huán)境保護(hù)方案不斷被提出,其目的是給水資源的高效供需配置和我國(guó)現(xiàn)代化水網(wǎng)的組成提供有效的理論指導(dǎo)以維持水資源與人類社會(huì)的均衡發(fā)展[2]。受氣候變化和人類活動(dòng)影響,水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不均衡的形勢(shì)趨于嚴(yán)峻,水資源分布與地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平表現(xiàn)出嚴(yán)重的不協(xié)調(diào)性,這嚴(yán)重制約著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。張細(xì)兵[3]運(yùn)用辯證思維和馬克思主義觀點(diǎn)深入分析了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”十六字治水思路,指出水資源空間均衡的內(nèi)涵是以水定需,即根據(jù)各區(qū)域自身水資源情況來(lái)確定社會(huì)發(fā)展規(guī)模。宋先松等[1]對(duì)國(guó)內(nèi)水資源分布與人口、耕地、GDP分布組合研究后,針對(duì)我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用中現(xiàn)有的一系列問(wèn)題,提出了相應(yīng)的解決方案,探討了我國(guó)水資源分布不均衡及水污染問(wèn)題的發(fā)生途徑并且給出了相應(yīng)的措施。姜寧等[4]為進(jìn)一步評(píng)估水資源在空間上的匹配狀況,利用基尼系數(shù)對(duì)黑龍江省的水資源總量與人口、耕地和第二產(chǎn)業(yè)方面的匹配程度做出了分析。楊亞鋒等[5]運(yùn)用可變集對(duì)原理以及偏聯(lián)系數(shù)方法創(chuàng)建了新的水資源空間均衡評(píng)價(jià)體系模型,反映了現(xiàn)有評(píng)估模型對(duì)指標(biāo)模糊性以及信息動(dòng)態(tài)性的思考。酈建強(qiáng)等[6]在“水資源空間均衡”概念解析的基礎(chǔ)上,認(rèn)為均衡是系統(tǒng)整體或內(nèi)部的一種穩(wěn)定狀態(tài),而空間均衡是指空間的經(jīng)濟(jì)供應(yīng)與需求平緩,由它分析空間結(jié)構(gòu)。陳良等[7]利用洛倫茲曲線、基尼系數(shù)等相關(guān)方法,定量分析了甘肅省每個(gè)區(qū)域內(nèi)約10年的用水結(jié)構(gòu)分布特征、均衡性差異、主要用水指標(biāo)。黃鋒華等[8]結(jié)合基尼系數(shù)和協(xié)調(diào)發(fā)展度,對(duì)水資源空間均衡性進(jìn)行量化評(píng)估,提出了水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)等。金菊良等[9]通過(guò)構(gòu)建基于聯(lián)系數(shù)與洛倫茲曲線的空間均衡評(píng)價(jià)模型,彌補(bǔ)了原有方法不能充分表達(dá)出評(píng)價(jià)過(guò)程中各子區(qū)域?qū)φ麄€(gè)區(qū)域的定量影響的缺陷。

總體來(lái)看,水資源空間均衡評(píng)價(jià)通常是從多個(gè)維度進(jìn)行的,多以水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境等維度研究水資源空間均衡性[10]。目前,有關(guān)水資源空間均衡的概念內(nèi)涵、分析識(shí)別方法、評(píng)價(jià)方法等方面的研究非常薄弱[2]。水資源空間均衡研究的關(guān)鍵在于構(gòu)建具備科學(xué)性、合理性、可靠性以及通用性的水資源空間均衡評(píng)價(jià)模型。水資源空間均衡評(píng)價(jià)現(xiàn)有研究中尚缺乏由局部到整體的思想,即在科學(xué)合理評(píng)價(jià)各子區(qū)域的水資源空間均衡性的基礎(chǔ)上,如何進(jìn)一步評(píng)價(jià)區(qū)域整體的空間均衡性。為此,本文在前期研究[9]的基礎(chǔ)上,提出從面積角度進(jìn)一步挖掘和利用洛倫茲曲線所蘊(yùn)含的匹配信息,構(gòu)建基于子區(qū)域基尼匹配系數(shù)與減法集對(duì)勢(shì)的水資源空間均衡模型,以期為區(qū)域水資源空間均衡定量評(píng)價(jià)研究提供新途徑。

1 研究方法

1.1 基尼系數(shù)法

基尼系數(shù)(Gini coefficient)是意大利統(tǒng)計(jì)學(xué)家基尼(Gini)于20世紀(jì)初在洛倫茲曲線的基礎(chǔ)之上提出的計(jì)算收入分配平等程度的量化指標(biāo)[11-13]。洛倫茲曲線如圖1所示。根據(jù)基尼系數(shù)的定義,若用SA、SB分別表示絕對(duì)平均分配曲線L與表示實(shí)際分配的洛倫茲曲線I之間圍成的面積、曲線I與橫軸之間圍成的面積,則有基尼系數(shù)G=SA/(SA+SB)[11-15]。G計(jì)算結(jié)果的范圍為[0,1],其值越接近0表示收入分配越平均,其值越接近1則說(shuō)明收入分配越不平均[11]。目前學(xué)術(shù)界公認(rèn)的基尼系數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)是:當(dāng)基尼系數(shù)值在[0.0,0.2)、[0.2,0.3)、[0.3,0.4)、[0.4,0.5)和[0.5,1.0]時(shí),分別表示該區(qū)域人口收入分配“絕對(duì)平均”“較為平均”“相對(duì)合理”“差距較大”和“極不均勻”[14]。

圖1 洛倫茲曲線示意圖

目前主要有如下3種基尼系數(shù)計(jì)算方法[4,15-16]:

1)G為基尼系數(shù),Wi為某計(jì)算指標(biāo)自第1組累加到第i組的值占總量的比例,n為組數(shù),則G的計(jì)算公式如下[15]:

(1)

通常,把0.4作為衡量分配不平衡的“臨界線”,當(dāng)G≥0.4時(shí),表示收入差距較大。

2)三角面積法?；嵯禂?shù)G的計(jì)算公式如下[16]:

(2)

式中:xi為橫軸指標(biāo)累計(jì)比;yi為縱軸指標(biāo)累計(jì)比;n為計(jì)算組數(shù);(x0,y0)視為原點(diǎn)(0,0)。

3)積分計(jì)算法。該方法是利用數(shù)學(xué)積分函數(shù),根據(jù)已有的數(shù)據(jù)點(diǎn)在坐標(biāo)軸內(nèi)擬合一條接近實(shí)際分配情況的曲線(洛倫茲曲線),式(3)中f(x)即為曲線函數(shù),然后利用積分求值公式進(jìn)行求解[4]。

(3)

1.2 聯(lián)系數(shù)方法

集對(duì)分析理論是將某一研究過(guò)程中具有某種關(guān)系的兩個(gè)集合A和B相關(guān)聯(lián),構(gòu)建一個(gè)確定性及不確定性系統(tǒng)H,對(duì)集對(duì)系統(tǒng)的模糊關(guān)系從同、異、反3個(gè)方面做出定量分析,綜合處理不確定性問(wèn)題[17-20]。聯(lián)系數(shù)是集對(duì)分析的數(shù)學(xué)表達(dá)形式[17]:

u=a+bI+cJ。

(4)

式中:u為聯(lián)系數(shù);a、b、c分別為同一度、差異度和對(duì)立度,且a+b+c=1;J為對(duì)立度系數(shù),一般取J=-1;I為差異度系數(shù),參考J而定,依據(jù)正負(fù)對(duì)立關(guān)系一般在[-1,1]取值。

2 水資源空間均衡評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

洛倫茲曲線和基尼系數(shù)在經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域常被用來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域收入分配的均衡程度,是一種比較成熟的均衡評(píng)價(jià)方法,已在許多學(xué)科領(lǐng)域得到應(yīng)用。近些年來(lái),聯(lián)系數(shù)方法在水資源評(píng)價(jià)、水資源承載力評(píng)價(jià)、旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)等方面應(yīng)用廣泛并逐漸發(fā)展成為重要方法。本文在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上,通過(guò)改進(jìn)洛倫茲曲線方法來(lái)計(jì)算聯(lián)系數(shù),用于構(gòu)建水資源空間均衡評(píng)價(jià)模型。

2.1 基尼系數(shù)構(gòu)建與計(jì)算

由基尼系數(shù)的定義構(gòu)建X指標(biāo)與Y指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的匹配關(guān)系,基于此關(guān)系建立多對(duì)匹配組來(lái)考查每組兩個(gè)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中Y指標(biāo)為匹配原象,X指標(biāo)為匹配對(duì)象[7,9,11-14]。本文在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,選取水資源總量指標(biāo)作為匹配原象,選取人口數(shù)量指標(biāo)、耕地面積指標(biāo)、第二產(chǎn)業(yè)GDP指標(biāo)作為匹配對(duì)象。模型的構(gòu)建過(guò)程包括如下5個(gè)步驟[9,11-14]:

步驟1將所研究的區(qū)域按一定規(guī)則(例如行政劃分)劃分為若干子區(qū)域,統(tǒng)計(jì)所有子區(qū)域內(nèi)的水資源總量(Y)、人口數(shù)量(X1)、耕地面積(X2)以及第二產(chǎn)業(yè)GDP(X3)。

步驟2計(jì)算單個(gè)子區(qū)域內(nèi)單位人口(耕地、第二產(chǎn)業(yè)GDP)所分配到的水資源量,并分別對(duì)3組匹配關(guān)系得到的結(jié)果進(jìn)行從小到大的升序排列。

步驟3分別按步驟2中計(jì)算結(jié)果升序排列的順序?qū)?yīng)子區(qū)域內(nèi)3組匹配關(guān)系。

步驟4按上述所得結(jié)果的順序分別計(jì)算各子區(qū)域內(nèi)3組匹配關(guān)系占整個(gè)區(qū)域的百分比,并計(jì)算逐步累加值。

步驟5計(jì)算各子區(qū)域匹配對(duì)象的逐步累加值,并將其作為x軸坐標(biāo)值,將其與之對(duì)應(yīng)的各子區(qū)域匹配原象水資源總量的逐步累加值作為y軸坐標(biāo)值,依據(jù)(x,y)繪制如圖2所示的擬合曲線,并根據(jù)式(3)[4]計(jì)算對(duì)應(yīng)的基尼系數(shù)。在采用積分法計(jì)算基尼系數(shù)時(shí),通過(guò)軟件繪制相匹配的洛倫茲曲線并計(jì)算相對(duì)應(yīng)區(qū)域的面積。

圖2 水資源空間均衡評(píng)價(jià)模型示意圖

2.2 聯(lián)系數(shù)空間均衡評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

模型的構(gòu)建過(guò)程包括如下5個(gè)步驟:

步驟1依據(jù)2.1節(jié)中的計(jì)算步驟構(gòu)建所需的3組匹配關(guān)系模型。

步驟2方法比較研究。文獻(xiàn)[9]中方法:如圖2所示,dij為洛倫茲曲線上某一樣本點(diǎn)與同一x軸坐標(biāo)值下絕對(duì)平均線上點(diǎn)的縱向距離,并將x軸上坐標(biāo)點(diǎn)與絕對(duì)平均線上點(diǎn)之間連接的線段五等分,自上而下分別對(duì)應(yīng)等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ[9]。

dij=xij-yij。

(5)

式中:xij為匹配關(guān)系中匹配對(duì)象累計(jì)值;yij為匹配原象累計(jì)值;i為匹配原象的序號(hào),i=1、2、3;j為子區(qū)域的序號(hào),j=1、2、…、n。后續(xù)步驟同2.1節(jié)。

本文改進(jìn)方法的思路是:子區(qū)域j匹配關(guān)系i的樣本值bij的計(jì)算如圖2和式(6)所示;過(guò)某子區(qū)域相應(yīng)匹配對(duì)象在x軸上對(duì)應(yīng)區(qū)段作垂線交于實(shí)際洛倫茲曲線和絕對(duì)平均線上,其中洛倫茲曲線段和垂線段及x軸圍成的面積sij1與絕對(duì)平均線和垂線段及x軸圍成面積sij2的比值即為樣本值bij。對(duì)應(yīng)區(qū)段的長(zhǎng)度值為該子區(qū)域相應(yīng)匹配對(duì)象占整個(gè)區(qū)域的比重。如此依次計(jì)算位于x軸上各個(gè)區(qū)段匹配關(guān)系樣本值:

(6)

步驟3等級(jí)劃分。參考基尼系數(shù)的思想,當(dāng)洛倫茲曲線越接近絕對(duì)平均線時(shí)表示匹配越均衡,反映在面積上就是sij1越接近sij2,即水資源在樣本之間匹配越均衡;反之,表示水資源匹配越不均衡。這種均衡關(guān)系通過(guò)比值的形式表示,即為:bij值越接近于1,水資源匹配越均衡;bij值越接近于0,水資源匹配越不均衡。故可在[0,1]內(nèi)變化的bij值均分為5個(gè)級(jí)別:[0.0,0.2)為Ⅴ級(jí),[0.2,0.4)為Ⅳ級(jí),[0.4,0.6)為Ⅲ級(jí),[0.6,0.8)為Ⅱ級(jí),[0.8,1.0]為Ⅰ級(jí)。

步驟4計(jì)算樣本值聯(lián)系數(shù)。采用集對(duì)分析方法計(jì)算各樣本值bij與評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)cijk之間的五元聯(lián)系數(shù)uij[17,19],其中匹配關(guān)系序號(hào)i=1、2、3,子區(qū)域序號(hào)j=1、2、…、n,等級(jí)k=1、2、3、4、5。

uij=vij1+vij2I1+vij3I2+vij4I3+vij5J。

(7)

式中:vij1為五元聯(lián)系數(shù)的同一度;vij2、vij3、vij4為五元聯(lián)系數(shù)的差異度分量;vij5為五元聯(lián)系數(shù)的對(duì)立度;I1、I2、I3為差異度系數(shù),取值范圍為[-1,1];J為對(duì)立度系數(shù),一般為正負(fù)型對(duì)立關(guān)系,J取-1[9]?？捎萌缦鹿接?jì)算五元聯(lián)系數(shù)[17,20]:

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:cij0—cij5為各樣本值的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)閾值;uijk為子區(qū)域j匹配關(guān)系i的樣本值bij與各評(píng)價(jià)等級(jí)k(k=1、2、…、5)之間的聯(lián)系數(shù)。樣本值bij對(duì)各等級(jí)相對(duì)隸屬度可表示為[21]:

(13)

對(duì)式(13)進(jìn)行歸一化可得各樣本值五元聯(lián)系數(shù)的同一度、差異度、對(duì)立度分量vijk:

(14)

將各樣本值五元聯(lián)系數(shù)的同一度、差異度、對(duì)立度分量代入式(7)可得樣本值聯(lián)系數(shù)uij,最后計(jì)算各集合的相應(yīng)聯(lián)系數(shù)ui:

(15)

式中:i為匹配集合序號(hào);j為相應(yīng)子區(qū)域序號(hào)。

步驟5計(jì)算五元減法集對(duì)勢(shì)值。采用式(16)計(jì)算集對(duì)勢(shì)值sf(u)[22]:

sf(u)=(a-c)(1+b1+b2+b3)+

(I1b1+I2b2+I3b3)(b1+b2+b3)。

(16)

考慮到差異度子項(xiàng)b1、b2、b3對(duì)于聯(lián)系度值的影響以及I1、I2、I3的取值范圍,按照平均情況取I1=0.5,I2=0.0,I3=-0.5[22-23]?；诨嵯禂?shù)方法5個(gè)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(60分及格)的比例,結(jié)合五元減法集對(duì)勢(shì)的取值范圍[-1.0,1.0],將sf(u)分為5個(gè)勢(shì)級(jí)[22]:sf(u)∈[-1.0,0.0],反勢(shì);sf(u)∈(0.0,0.2],弱均勢(shì);sf(u)∈(0.2,0.4],均勢(shì);sf(u)∈(0.4,0.6],偏同勢(shì);sf(u)∈(0.6,1.0],同勢(shì)。建立五元減法集對(duì)勢(shì)水資源空間均衡等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),詳見(jiàn)表1。

表1 基尼系數(shù)與集對(duì)勢(shì)的水資源空間均衡等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 實(shí)例分析

以安徽省16個(gè)地級(jí)市為研究區(qū)域進(jìn)一步探討上述方法的應(yīng)用過(guò)程。安徽省地處華東地區(qū),隸屬東部經(jīng)濟(jì)區(qū);屬于亞熱帶與暖溫帶氣候區(qū),降水年內(nèi)變化大,水資源分布南北差異大,表現(xiàn)為南部山區(qū)降水多、北部降水少的特點(diǎn)[24]。研究數(shù)據(jù)來(lái)源于《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》,選取安徽省各市的水資源總量為匹配原象,人口數(shù)量、第二產(chǎn)業(yè)GDP、耕地面積為匹配對(duì)象。3組匹配關(guān)系集合分別通過(guò)基尼系數(shù)方法和五元減法集對(duì)勢(shì)的空間均衡評(píng)價(jià)方法進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)后續(xù)的表2—4。

表2 安徽省水資源總量與人口數(shù)量空間均衡評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 水資源空間均衡模型的計(jì)算

3.1.1 水資源總量與人口數(shù)量空間均衡評(píng)價(jià)

安徽省2011—2018年水資源總量變化如圖3所示。由圖3可知:2011—2018年,安徽省水資源總量最大值出現(xiàn)在2016年,為1 245.17 億m3;水資源總量最小值出現(xiàn)在2013年,為585.59 億m3;最大值是最小值的2.13倍,可見(jiàn)安徽省水資源總量變化較大。安徽省人口空間分布呈現(xiàn)北多南少、東多西少的格局,且南北差異大于東西差異[25]。人口數(shù)量呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì),但是增速有所放緩,且人口數(shù)量的增長(zhǎng)主要集中在皖中地區(qū)。

圖3 安徽省2011—2018年水資源總量變化

2015年和2018年安徽省各市水資源總量-人口數(shù)量五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。安徽省2015年水資源總量-人口數(shù)量集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果:12個(gè)地市評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí),1個(gè)地市評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ(均勢(shì))級(jí),3個(gè)地市評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ(同勢(shì))級(jí)。2018年評(píng)價(jià)結(jié)果:8個(gè)地市評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí),3個(gè)地市評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ(弱均勢(shì))級(jí),1個(gè)地市評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ(均勢(shì))級(jí),4個(gè)地市評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ(同勢(shì))級(jí)。對(duì)比2015年和2018年的評(píng)價(jià)結(jié)果可知,2018年各地市等級(jí)分布均衡情況好于2015年的。由表2可知,2015年集對(duì)勢(shì)值(-0.323)小于2018年集對(duì)勢(shì)值(0.146),同時(shí)2015年評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí)低于2018年的評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅳ(弱均勢(shì))級(jí),這也印證了上述結(jié)論。在2015年與2018年,宿州、淮北等淮北平原及其周邊城市的評(píng)價(jià)等級(jí)均表現(xiàn)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí),池州、黃山與宣城的評(píng)價(jià)等級(jí)均為Ⅰ(同勢(shì))級(jí)。位于淮北平原的各城市水資源均衡情況最差,長(zhǎng)期處于高度不均衡狀態(tài),這與其水資源稟賦有關(guān),所處區(qū)域無(wú)大型河流流經(jīng)且距離淮河等水源較遠(yuǎn),水資源匱乏。位于皖南丘陵的各城市水資源情況最好,這是由于其地理位置相對(duì)靠南、山區(qū)降水充沛、水資源稟賦良好。皖中地區(qū)各城市的評(píng)價(jià)等級(jí)變化較大,說(shuō)明水資源總量在皖中地區(qū)年際變化較大。

圖4 2015年和2018年安徽省各市水資源總量-人口數(shù)量五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2可知:①2011—2018年,安徽省水資源總量-人口數(shù)量匹配關(guān)系空間均衡基尼系數(shù)評(píng)價(jià)方法的最大值出現(xiàn)在2015年,數(shù)值為0.567,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(高度不匹配)級(jí);最小值出現(xiàn)在2018年,數(shù)值為0.426,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ(比較不均衡)級(jí);均值為0.503,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(高度不匹配)級(jí)。②五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)方法確定的最大值出現(xiàn)在2018年,數(shù)值為0.146,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ(弱均勢(shì))級(jí);最小值出現(xiàn)在2015年,數(shù)值為-0.323,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí);均值為-0.084 2,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí)。

比較水資源總量-人口數(shù)量匹配關(guān)系空間均衡模型的基尼系數(shù)與五元減法集對(duì)勢(shì)的評(píng)價(jià)結(jié)果可發(fā)現(xiàn):基尼系數(shù)與五元減法集對(duì)勢(shì)的最差均衡結(jié)果均出現(xiàn)在2015年,分別對(duì)應(yīng)于五元減法集對(duì)勢(shì)(越小越不均衡)的最小值和基尼系數(shù)(越大越不均衡)的最大值;最佳均衡結(jié)果均出現(xiàn)在2018年,分別對(duì)應(yīng)于五元減法集對(duì)勢(shì)(越大越均衡)的最大值和基尼系數(shù)(越小越均衡)的最小值,但兩者的評(píng)價(jià)結(jié)果均為Ⅳ級(jí)。對(duì)2011年,本文評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅴ(反勢(shì))級(jí),文獻(xiàn)[9]中評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ級(jí),但接近Ⅳ級(jí),其余年份本文研究方法所得結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)均一致。因此可看出,兩種方法在評(píng)價(jià)結(jié)果上有著較高的一致性,都從一定程度上反映了安徽省水資源總量與人口數(shù)量多年來(lái)均處于一種不均衡的狀態(tài)。這種空間分布的不均衡一方面是由地理因素導(dǎo)致的,安徽省處于南北方交界處,省內(nèi)氣候變化大,降雨多集中在皖南山區(qū),皖中、皖北地區(qū)降水相對(duì)偏少;另一方面是由社會(huì)因素導(dǎo)致的,安徽省人口主要集中在皖中和皖北地區(qū),這與降水的空間分布恰好相反,因而導(dǎo)致了水資源總量與人口數(shù)量匹配的差異性[23-25]。

3.1.2 水資源總量與第二產(chǎn)業(yè)GDP的空間均衡評(píng)價(jià)

第二產(chǎn)業(yè)GDP反映了區(qū)域工業(yè)發(fā)展情況,是衡量一個(gè)地區(qū)工業(yè)發(fā)展水平的直接指標(biāo),并且工業(yè)用水在區(qū)域用水比重中也占據(jù)了相當(dāng)大的一部分。2012年和2018年安徽省各地市水資源總量-第二產(chǎn)業(yè)GDP五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出:安徽省2012年水資源總量-第二產(chǎn)業(yè)GDP集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果中有12個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí),1個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ(弱均勢(shì))級(jí),1個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ(偏同勢(shì))級(jí),2個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ(同勢(shì))級(jí);2018年水資源總量-第二產(chǎn)業(yè)GDP集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果中有10個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí),1個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ(弱均勢(shì))級(jí),1個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ(均勢(shì))級(jí),1個(gè)地市的評(píng)級(jí)等級(jí)為Ⅱ(偏同勢(shì))級(jí),3個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ(同勢(shì))級(jí);對(duì)比2012年和2018年的評(píng)價(jià)結(jié)果可知,2018年的地市等級(jí)分布均衡情況略好于2012年的。由表3可知,2012年集對(duì)勢(shì)值(-0.367)小于2018年集對(duì)勢(shì)值(-0.031)。合肥、蕪湖兩市占據(jù)了安徽省第二產(chǎn)業(yè)GDP的30%左右,而這兩市水資源總量的占比只有約10%。宿州、淮北、亳州等市第二產(chǎn)業(yè)GDP與水資源總量的占比都相對(duì)較低,且水資源總量的占比要遠(yuǎn)小于第二產(chǎn)業(yè)GDP的。池州、黃山等市所擁有的水資源總量能夠滿足本市第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。

表3 安徽省水資源總量與第二產(chǎn)業(yè)GDP空間均衡評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5 2012年和2018年安徽省各地市水資源總量-第二產(chǎn)業(yè)GDP五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3可知:①2011—2018年,安徽省水資源總量-第二產(chǎn)業(yè)GDP匹配關(guān)系空間均衡基尼系數(shù)評(píng)價(jià)方法確定的最大值出現(xiàn)在2012年,數(shù)值為0.614,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(高度不匹配)級(jí);最小值出現(xiàn)在2018年,數(shù)值為0.520,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(高度不匹配)級(jí);均值為0.577,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(高度不匹配)級(jí)。②五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)方法確定的最大值出現(xiàn)在2018年,數(shù)值為-0.031,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí);最小值出現(xiàn)在2012年,其值為-0.367,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí);均值為-0.238,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí)。

比較水資源總量-第二產(chǎn)業(yè)GDP匹配關(guān)系空間均衡模型的基尼系數(shù)與五元減法集對(duì)勢(shì)的評(píng)價(jià)結(jié)果可知:基尼系數(shù)與五元減法集對(duì)勢(shì)的最差結(jié)果均出現(xiàn)在2012年,分別對(duì)應(yīng)集對(duì)勢(shì)的最小值和基尼系數(shù)的最大值;最佳結(jié)果均出現(xiàn)在2018年,分別對(duì)應(yīng)集對(duì)勢(shì)的最大值和基尼系數(shù)的最小值。從整體上看,基尼系數(shù)與五元減法集對(duì)勢(shì)的評(píng)價(jià)結(jié)果高度一致,基尼系數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果均為高度不匹配,五元減法集對(duì)勢(shì)的評(píng)價(jià)結(jié)果均為反勢(shì),而文獻(xiàn)[9]中的評(píng)價(jià)結(jié)果除2018年為Ⅳ級(jí)外,其余年份同樣為Ⅴ級(jí);兩種評(píng)價(jià)結(jié)果都顯示出水資源總量在各地市工業(yè)產(chǎn)值方面的不均衡,反映了地市間工業(yè)發(fā)展水平與水資源稟賦之間的巨大差異。

3.1.3 水資源總量與耕地面積的空間均衡評(píng)價(jià)

安徽省耕地面積2011—2013年維持在400萬(wàn)hm2以上,2014—2018年維持在600萬(wàn)hm2左右,除2013—2014年出現(xiàn)較大波動(dòng)外,其余年份各地市耕地面積都基本維持在一個(gè)較穩(wěn)定的水平。2015年和2018年安徽省各地市水資源總量-耕地面積五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:安徽省2015年水資源總量-耕地面積減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果中有12個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí),1個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ(弱均勢(shì))級(jí),1個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ(偏同勢(shì))級(jí),2個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ(同勢(shì))級(jí);2018年水資源總量-耕地面積減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果中有7個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí),4個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ(弱均勢(shì))級(jí),1個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ(均勢(shì))級(jí),4個(gè)地市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ(同勢(shì))級(jí);對(duì)比2015年與2018年的評(píng)價(jià)結(jié)果可知,2018年評(píng)價(jià)結(jié)果的地市等級(jí)均衡情況要好于2015年的。由表4可知,2015集對(duì)勢(shì)值(-0.297)小于2018年集對(duì)勢(shì)值(0.279),同時(shí)2015年評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí)低于2018年的評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅲ(均勢(shì))級(jí),進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。宿州、淮北、阜陽(yáng)、亳州、六安、合肥6個(gè)地級(jí)市占據(jù)了全省近2/3的耕地面積,水資源總量卻不足全省的1/3,供需的極度不平衡導(dǎo)致皖北各城市長(zhǎng)期處于不均衡狀態(tài)。黃山、池州、宣城等地市雖占據(jù)更少的耕地面積,但擁有更豐富的水資源總量。

表4 安徽省水資源總量與耕地面積空間均衡評(píng)價(jià)結(jié)果

圖6 2015年和2018年安徽省各地市水資源總量-耕地面積五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可知:①2011—2018年,安徽省水資源總量-耕地面積匹配關(guān)系空間均衡基尼系數(shù)評(píng)價(jià)方法確定的最大值出現(xiàn)在2012年,數(shù)值為0.594,評(píng)級(jí)等級(jí)為Ⅴ(高度不匹配)級(jí);最小值出現(xiàn)在2018年,值為0.418,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ(比較不匹配)級(jí);均值為0.525,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(高度不匹配)級(jí)。②五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)方法確定的最大值出現(xiàn)在2018年,數(shù)值為0.279,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ(均勢(shì))級(jí);最小值出現(xiàn)在2015年,數(shù)值為-0.297,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí);均值為-0.056,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ(反勢(shì))級(jí)。

比較水資源總量-第二產(chǎn)業(yè)GDP匹配關(guān)系空間均衡模型的基尼系數(shù)與五元減法集對(duì)勢(shì)的評(píng)價(jià)結(jié)果可知,除在2018年基尼系數(shù)方法的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ(比較不匹配)級(jí),五元減法集對(duì)勢(shì)的評(píng)價(jià)方法為Ⅲ(均勢(shì))級(jí)、接近弱均勢(shì),其余年份兩種方法的評(píng)價(jià)等級(jí)均表現(xiàn)出高度一致。

3.2 討論與分析

1)由上述五元減法集對(duì)勢(shì)的安徽省水資源空間均衡評(píng)價(jià)結(jié)果可看出,3對(duì)匹配關(guān)系整體上均處于反勢(shì)。五元減法集對(duì)勢(shì)計(jì)算結(jié)果的多年平均值表明這些匹配關(guān)系順序中,水資源總量-耕地面積?水資源總量-人口數(shù)量?水資源總量-第二產(chǎn)業(yè)GDP。

2)在安徽省水資源總量與人口數(shù)量匹配關(guān)系空間均衡模型中,水資源總量作為匹配原象,各年變化幅度大,處于不穩(wěn)定狀態(tài);各地市人口數(shù)量整體穩(wěn)中有增,保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。因此在現(xiàn)狀條件下,改變安徽省水資源總量與人口數(shù)量匹配關(guān)系空間不均衡狀態(tài)的關(guān)鍵,在于實(shí)現(xiàn)由人口數(shù)量少而水資源總量多的區(qū)域向人口數(shù)量多而水資源總量少的區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性的跨區(qū)域調(diào)水。采用南水北調(diào)的調(diào)水思路,以長(zhǎng)江及其支流為依托從皖南地區(qū)逐級(jí)調(diào)水,供給以合肥為代表的皖中地區(qū);以淮河及其支流為依托向宿州等皖北城市進(jìn)行調(diào)水,為實(shí)現(xiàn)效益最大化應(yīng)實(shí)行就近調(diào)水的原則。同時(shí),修建水庫(kù)保障人口飲水安全。為此,水利管理部門應(yīng)制定相關(guān)的水資源調(diào)控規(guī)劃政策,完善水資源配置方案[9]。

3)在安徽省水資源總量與第二產(chǎn)業(yè)GDP匹配關(guān)系空間均衡模型中,第二產(chǎn)業(yè)GDP作為匹配對(duì)象,各地市2011—2018年均呈現(xiàn)出逐年穩(wěn)步增加的趨勢(shì),但其在各市GDP中的比例卻逐年下降,這與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展更加注重服務(wù)業(yè)、軟件行業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。在水資源均衡評(píng)價(jià)結(jié)果中,基尼系數(shù)和減法集對(duì)勢(shì)兩種評(píng)價(jià)方法確定的等級(jí)均為最差等級(jí),說(shuō)明區(qū)域工業(yè)發(fā)展水平與水資源分布均衡問(wèn)題矛盾尖銳。安徽省第二產(chǎn)業(yè)主要集中在合肥、蕪湖等地,結(jié)合當(dāng)前第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況,可將部分需水量較大的第二產(chǎn)業(yè)遷移至水資源較為充沛且交通發(fā)達(dá)的地區(qū),淘汰第二產(chǎn)業(yè)中的落后產(chǎn)能,提高諸如化工、造紙、紡織等產(chǎn)業(yè)的用水效率。同時(shí),積極發(fā)展全省的第三產(chǎn)業(yè),降低第二產(chǎn)業(yè)在3種產(chǎn)業(yè)中的比重。政府及有關(guān)部門應(yīng)從水資源供給量以及調(diào)節(jié)工業(yè)用水節(jié)水方面出發(fā),解決當(dāng)前存在的問(wèn)題。

4)在安徽省水資源總量與耕地面積匹配關(guān)系空間均衡模型中,耕地面積作為匹配對(duì)象基本保持穩(wěn)定,水資源總量分布仍是解決空間不均衡問(wèn)題的關(guān)鍵。安徽省耕地主要分布在皖北地區(qū),主要耕地類型為旱地,主要作物以夏玉米和冬小麥為主。因此,應(yīng)在農(nóng)作物播種、生長(zhǎng)等需水量較大且決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵階段有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)水,在引江濟(jì)淮的基礎(chǔ)上,從淮河及其支流利用大溝等天然渠道或開(kāi)鑿人工渠道引水,從而有效解決缺水問(wèn)題。

4 結(jié)論

1)本研究從面積角度進(jìn)一步挖掘、利用洛倫茲曲線所蘊(yùn)含的匹配信息,提出了定量分析各子區(qū)域?qū)φw區(qū)域空間均衡影響程度的評(píng)價(jià)方法,并在水資源空間均衡評(píng)價(jià)模型基礎(chǔ)上,提出了基于洛倫茲曲線的五元減法集對(duì)勢(shì)評(píng)價(jià)方法。

2)分別建立了安徽省水資源總量與人口數(shù)量、第二產(chǎn)業(yè)GDP、耕地面積匹配關(guān)系的空間均衡評(píng)價(jià)模型,據(jù)此評(píng)價(jià)了2011—2018年安徽省水資源空間均衡程度。結(jié)果表明,2011—2018年以上3組匹配關(guān)系的五元減法集對(duì)勢(shì)的計(jì)算結(jié)果平均值均為Ⅴ(反勢(shì))級(jí),為最差等級(jí),水資源空間均衡形勢(shì)不容樂(lè)觀,水資源空間不均衡性問(wèn)題亟須解決。

3)用建立的基于子區(qū)域基尼匹配系數(shù)與減法集對(duì)勢(shì)的水資源空間均衡模型對(duì)安徽省水資源空間均衡狀態(tài)做出了反映實(shí)際情況的評(píng)價(jià)結(jié)果,彌補(bǔ)了多數(shù)研究方法只針對(duì)整個(gè)區(qū)域的均衡情況做出綜合性評(píng)價(jià)以及未能對(duì)所包含的子區(qū)域均衡性進(jìn)行有效判別的不足。并在水資源空間均衡原有評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上提出了利用子區(qū)域面積之比作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),使之與基尼系數(shù)計(jì)算方法的思想結(jié)合更緊密。本方法進(jìn)一步深化了聯(lián)系數(shù)及其伴隨函數(shù)與洛倫茲曲線的結(jié)合,并取得與原有方法及基尼系數(shù)方法基本一致的評(píng)價(jià)結(jié)果。本研究提出的評(píng)價(jià)模型較為合理,提供了一種新的子區(qū)域水資源空間均衡評(píng)價(jià)方法。