基于GINI系数的新疆水资源承载力演化的灰色分析----以天山北坡经济带为例

赵向豪，姚 娟，马 静

(新疆农业大学经济与贸易学院，乌鲁木齐 830052)

水作为基础自然资源，是生态环境建设的控制因素，又是战略性经济资源，其富余程度对一地区的发展起着重要作用[1]。如何科学合理配置区域内的水资源，是新疆亟需解决的难题。

“承载力”一词源于生态学，即在某一特定环境条件下，某种资源存在的最大数量。目前，水资源承载力作为国内水资源领域研究的热点涌现了较多的成果。关于水资源承载力的评价研究，刘佳骏等采用水资源承载力综合评价模型，研究水资源与中国经济、社会生态之间的协调发展关系，综合分析评价了中国水资源的承载能力，研究表明中国水资源的分布与人口和经济布局不匹配[2]；魏光辉等通过正态云模型，对浙江省水资源承载力进行评价，研究发现浙江省水资源承载力处于一般水平，但有增加的趋势，甚至个别评价指标处于危险状态，有待进一步提高[3]；张伟等通过因子分析法、灰色关联分析法和模糊综合评价法等方法对区域水资源承载力进行系统评价，研究均指出了影响区域水资源承载力的具体因素，并提出了相应的对策与建议[4-9]；就新疆水资源承载力评价研究，段新光等采用模糊综合评判模型、FAHP、熵权法和物元模型等方法综合评价了新疆水资源承载力，研究认为，新疆应处理好水资源与经济发展之间的关系[10-13]。关于水资源承载力的预测分析研究，朱一中等采用模糊综合评判模型对西北地区的水资源承载力进行预测分析，研究发现，通过改善生态环境，调整产业结构，未来西北地区的水资源承载力状况将明显改善[14]。

本研究在以上研究的基础上，拟采用GINI系数分析新疆天山北坡经济带水资源的时空演化特征，同时采用灰分统计方法研究生产活动、居民生活活动和生态环境对水资源承载力演化的贡献程度。

1 理论基础

目前，洛伦兹曲线和GINI系数已经广泛应用于各个领域。洛伦兹曲线由美国统计学家洛伦兹(Max Otto Lorenz)提出，最初是用来研究经济学中收入不均的问题，后来被应用到非经济学领域中，见图1。GINI系数是意大利经济学家基尼(Corrado Gini)根据洛伦兹曲线提出来的，其定义是将一国或地区总人口按收入从低到高排序，计算收入最低任意百分比占人口所占的收入百分比来表示人口累计百分比和收入累计百分比之间的对应关系曲线。曲线弯曲程度具有重要意义，反映收入分配的不平等程度，与收入分配不平等程度成正比关系。

图1 洛伦兹曲线

根据图1，GINI系数的计算公式表示为：

G=A/(A+B)

(1)

式中：若A=0，则G=0，表示完全平等；若B=0，则G=1，表示完全不平等。

2 水资源区域GINI系数的构建与计算

本研究基于新疆水资源的需求结构，把天山北坡经济带的水资源分为生产用水、生活用水和生态用水3类。再从水资源需求的空间特征来看，生产用水与GDP、生活用水与人口分布、生态用水与防护林分布密切相关。本研究中新疆天山北坡经济带各地区的水资源量、GDP、人口和防护林面积等数据均来自2004-2013年《新疆统计年鉴》。

2.1 水资源区域GINI系数构建

(1)以天山北坡经济带各地区为基本元，选取水资源用水量作为匹配原象，以GDP、人口和防护林分布作为匹配对象。

(2)分别计算单位水资源所服务的GDP、人口和防护林分布，按从小到大的升序次序对天山北坡经济带的各个地区进行排序，并分别测算出各指标的累计百分比，公式如下：

单位水资源服务的GDP=水资源量/GDP

(2)

单位水资源服务的人口=水资源量/人口

(3)

单位水资源服务的防护林面积=水资源量/防护林面积

(4)

(3)基于水资源的需求结构和空间特征，分别构建水资源～GDP、水资源～人口、水资源～防护林面积的洛伦兹曲线。

(4)根据洛伦兹曲线，采用梯形面积法求取水资源的区域GINI系数，则公式(1)变换为：

(5)

式中：Gi为水资源分项区域GINI系数；Xi(X轴)为水资源的累计百分比；Yi(Y轴)为GDP、人口、防护林分布等指标的累计百分比，当i=1，(Xi-1,Yi-1)视为(0,0)。

水资源区域GINI系数匹配程度等级划分见表1。

表1 GINI系数的国际划分标准

依据公式(5)，分别计算出水资源量与GDP匹配的区域GINI系数G1、水资源与人口匹配的区域GINI系数G2、水资源与防护林面积匹配的区域GINI系数G3。

根据区域实际用水结构，确定对水资源区域GINI系数G1、G2、G3产生影响的权重α、β、γ，按各自权重对G1、G2、G3进行加权求和求得水资源整体区域GINI系数G，即：

G=αG1+βG2+γG3

(6)

式中：α、β和γ为区域结构用水系数，即生产、生活和生态用水比重。

2.2 水资源区域GINI系数计算

按照构建的区域GINI系数，分别计算天山北坡经济带2004-2013年的水资源分项区域GINI系数(见图2)；然后，计算出2004-2013年区域结构用水系数，并计算出天山北坡经济带10 a的水资源区域GINI系数(见图3)；再计算出10 a平均值G=0.516 0。

图2 天山北坡经济带水资源分项区域 GINI系数变化趋势(2004-2013年)

图3 天山北坡经济带水资源区域 GINI系数变化趋势(2004-2013年)

3 水资源承载力演化的灰色分析

3.1 设计评估系统，构造样本矩阵

鉴于本研究对象的动态特征，本文利用2004-2013年水资源与GDP、人口和防护林匹配的区域GINI系数构造评估样本矩阵，确定评估指标为3，评估规模为10个。样本矩阵D表示为：

3.2 等测度变化测算

对样本矩阵进行列的等测度变化，采用上限效果测度，找出各列指标的最大值，各列最大值分别为0.564 7、0.342 4、0.577 8。然后将样本矩阵中的每列值除以此列最大值，得到等测度矩阵E，表示如下：

计算其数字特征：均值a=0.777 8，标准差s=0.177 6。

3.3 确定灰类，建立白化权函数

确定灰类k=3，然后按灰类确定各指标的白化权函数。参考等测度矩阵的数字特征中的均值和标准差，确定高类下限H=a+s=0.955 4，中类中限Z=a=0.777 8，低类上限L=a-s=0.600 2，对于各指标分别建立各自的白化权函数。

高类型：

(7)

中类型：

(8)

低类型：

(9)

3.4 计算类别权系数

按上述白化权函数按指标各样点权系数，即把测度矩阵的每一列测度值分别代入公式(7)、(8)、(9)中，求得指标的权系数矩阵。

各指标高类权系数矩阵F1表示为：

各指标高类权系数矩阵F2表示为：

各指标高类权系数矩阵F3表示为：

3.5 计算各评估指标的综合权系数

将每一灰类进行算术平均，得到灰色评估的综合权系数矩阵G：

由此得到天山北坡经济带1998-2013年水资源区域的GINI系数综合灰色分类，即得到GDP、人口和防护林分布对水资源承载力演化的贡献度(见表2)。

表2 新疆天山北坡经济带水资源区域GINI系数综合灰色分类贡献度(1998-2013年)

4 结果分析

灰色分析法通过获取序列间的差异信息，能够有效计算差异信息的比较测度。相比其他分析方法，灰色分析在分析结果上体现的是关联序，且关联序较关联度相对更重要，更能反映出年份之间的变化趋势。本文采用灰色分析能够有效地分析新疆天山北坡经济带水资源承载力的演化特征，即更好地反映其水资源承载力与生产、生活和生态3部门之间的关联序及变化趋势。具体分析如下。

(1)据表1可知，从水资源区域GINI系数分析，2004-2013年天山北坡经济带水资源的区域GINI系数为0.516 0，属于极差级，表明水资源的空间匹配程度不好，极化现象严重。

(2)由图2观察，天山北坡经济带水资源各部门分配的区域GINI系数的变化趋势，进而可以看出水资源承载力的时空演化趋势：从水资源的分项区域GINI系数分析，天山北坡经济带水资源与GDP匹配的GINI系数从2004年的0.564 7下降到2013年的0.480 9，表明水资源的生产活动承载力不断降低，并呈现出趋于稳定的趋势，原因可能在于随着科学发展观的践行，生产活动中节水意识不断增强；水资源与人口分布匹配的GINI系数呈现上升趋势，由2004年的0.191 5上升到2013年的0.342 4，表明水资源的居民生活活动承载力不断上升，并呈现出继续上升的趋势，原因可能在于随着人口的增加及生活水平的不断提高，居民用水需求不断增长；水资源与防护林分布匹配的GINI系数在波动中呈现下降趋势，从2004年的0.395 8上升到2005年的0.577 8，随后持续走低，2011年之后急速下降，到2013年GINI系数为0.191 5，表明水资源的生态承载力处于大幅波动阶段，在2005年和2011年出现2次高值，其承载力较大，极化现象严重，但整体上呈现出下降趋势，伴随着水资源的扩散作用并趋于合理。

(3)由图3观察，天山北坡经济带水资源区域GINI系数的变化由2004年的0.550 6下降到2013年的0.472 1，其中在2008-2009年下降幅度较大，其他时间段均呈现小幅平稳的变化趋势。由此表明，2004-2013年，天山北坡经济带经过经济的快速发展，水资源的分配经过原始的均衡阶段，在2004-2008年其承载力较大，进入相对极化的阶段，随后在2008年之后其承载力下降，极化程度有所缓和。

(4)通过对生产、居民生活和生态3个部门用水GINI系数的灰色分析，得到天山北坡经济带水资源区域GINI系数综合灰色分类表。从表2容易看出，生产、居民生活、生态3部门对水资源区域GINI系数在各灰类的贡献存在较大差异。需要注意的是，居民生活活动在各灰类上的贡献与生态基本一致。水资源承载力演化的主要因素在于生产活动对水资源的需求，而居民生活活动和生态对水资源的需求相对较小。

天山北坡经济带属于典型的内陆干旱区，水资源相对比较匮乏。随着丝绸之路经济带的发展，城市化进程不断加快，人口不断向城市集聚，居民生活活动的用水需求将是水资源承载力演化的又一动力。为此，改善生态环境，调整产业结构，开展节水行动，是解决天山北坡经济带水资源短缺的出路。因此，鼓励工业企业使用节水设备，促进农业节水灌溉技术在农业上的普及，鼓励居民提高节水意识，是解决水资源紧缺的重要举措。

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