水资源空间均衡理论方法及应用研究框架

左其亭，韩春辉，马军霞，王 鑫

（1.郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州450001；2.郑州市水资源与水环境重点实验室，河南郑州450001）

1 引 言

水资源是推动经济社会发展的重要基础性资源与战略性资源。随着全球经济快速发展，区域发展失衡与空间开发无序现象日趋加剧［1］，水资源空间不均衡问题逐渐成为区域发展的重要制约因素。加之全球气候变化和人类活动的影响，水问题愈发严重，如何破解水危机已成为世界各国共同面临的重大问题。针对当前越发严重的水问题，我国政府给予高度重视，提出了“节水优先，空间均衡，系统治理，两手发力”的治水思路，成为解决当前水资源难题、支撑区域可持续发展的指导性原则。从理论和实际出发开展水资源空间均衡理论方法及应用研究，是国家发展的重大需求，但目前的研究还远远不够。

关于水资源的空间管理问题早已有人研究，如邓伟等［2］于2003年对水空间管理与水资源可持续的关系进行了研究。水资源空间不均衡问题一直是我国水资源管理的潜在问题，最近几年逐渐被重视并上升到了国家层面。但是到目前为止，针对水资源空间均衡的研究成果并不多，且多为对水资源空间均衡的认识或对空间均衡的作用与意义等方面的论述，如王浩等［3］从战略层面分析了引汉济渭与南水北调中线工程对于实现我国水资源空间均衡所发挥的作用，并以水资源荷载平衡为目标，提出要开展负荷均衡、空间均衡、代际均衡的国家水资源配置格局和流域区域配置方案研究［4］；左其亭等［5-6］从支撑供给侧结构性改革的角度，对如何做好水资源空间均衡提出了具体建议，并提出了水资源空间分布均衡计算方法，以河南省为例进行了应用研究；方子杰等［7］提出了空间均衡原则的个人理解和实施办法，并以浙江省为例，围绕“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的“四水四定”措施进行了全面解读和阐述。从当前的研究现状来看，水资源空间均衡仅被作为一种治水新理念、思想、原则或约束，其研究也多停留在对宏观政策的解读上，很少深入挖掘其内在原理及具体应用途径，到底什么是水资源空间均衡，它的理论方法有哪些，应用前景如何等问题仍不十分清晰，从而限制了其发展方向和研究深度。通过检索发现，其他专业和领域围绕空间均衡也开展了相关研究，特别是在理论方法方面的一些研究思路可供参考和借鉴，如具有经济学意义的水资源配置模型［8］、应用于土地利用空间分析中的均衡度量化方法［9］等。

基于上述背景，本文吸纳相关领域对空间均衡的理解和认识，从水资源的角度出发，结合国家的政策导向，明确水资源空间均衡的概念，提出水资源空间均衡理论体系框架，并对其主要研究内容进行论述，以期为水资源空间均衡的进一步研究和应用提供参考。

2 对空间均衡的认识与水资源空间均衡概念的界定

2.1 对空间均衡的认识与研究综述

“均衡”（equilibrium）最早是物理学中的一个词汇，指的是大小相等、作用相反的两个力作用于物体所处的一种相对静止的状态［10］。在被引入到社会生活当中后，“均衡”被赋予了主体行为选择自由的哲学意义，并被应用于多个领域的均衡分析研究当中［11］。各个领域对均衡的理解不同造成了均衡具有不同的表述，如《萨缪尔森辞典》［12］认为经济学中的均衡指的是各种对立变化的经济力量处于一种均衡静止、不再变化的状态；Morrison［13］认为在厂商研究中，均衡指没有动力调整产出水平的状态；吴汉东［14］认为均衡指维持共同意愿的一种恒定的交互方式；刘雍潜等［15］认为教育发展中的均衡是实现供需平衡并满足个性化需要；张峰［16］认为在博弈论的表述中均衡即指平衡，而经济学的表述中则指有关要素保持恒定值；竺炜等［17］认为弹性网的受力均衡是指弹性系数较大的支路应承担较大的力。从上述解释中可以发现，虽然字面意思有些许出入，但主体意思非常接近，都表达“一种相对稳定的平衡状态”，多数人认为“均衡”的核心要义即为“平衡”。在21世纪大英汉词典和牛津词典中，对单词“equilibrium”的解释既可指“均衡”也可指“平衡”。当然，也有不同的理解，有些文献专门对二者的区别进行分析，但差异较小。笔者曾对“平衡”进行过论述［18］，但本文无意于区分“平衡”与“均衡”之间的差异，而倾向于二者是一致的。因此，文献［18］基于对“均衡”一词的分析和理解，特别是考虑到研究的需要，给出如下定义：“均衡”是指“一种相对稳定的平衡状态”，比如经济学中“供求均衡”指商品供需的量与价格使买卖双方均满意的一种平衡状态，水资源学中“供用水均衡”指供水量与用水量、供水价格与用水价格使供用水双方均认可的一种平衡状态，生态学中“食物链均衡”指生物数量满足各环节需求的一种平衡状态。

有关“空间均衡”（spatial equilibrium）的研究很早就已经开始，但大多是从经济学的角度来开展的，主要研究经济空间的发展及制约因素等［19］，研究思想大致经历了3个层次的发展［20-21］，各个层次的侧重点表现在：①区位分工，通过要素空间优势互换实现整体最大效益［22-25］；②区位选择，从静态空间的视角（理想状态）审视要素间相互作用关系，通过经济主体对空间区位的选择实现空间均衡［19］；③新经济地理条件，考虑空间禀赋的差异及动态性，以区内供需匹配和区间协调互补来形成空间均衡格局［26-27］。除此之外，有少量研究从其他视角对空间均衡进行了分析，如陈丽等［28］从农业视角研究粮食空间均衡状态，焦华富等［29］研究城市居民职住空间均衡状态，杨伟民等［30］研究人口、经济、资源环境三者空间均衡状态，樊杰等［31-32］认为空间均衡具有两面性（局部和整体）。总而言之，当前研究对于空间均衡的理解基本是从某一个领域或角度进行解读，研究对象和理解的差异造成空间均衡没有一个相对统一的概念。

基于上述分析和认识，笔者对空间均衡的理解是：在一定的空间单元上，为了实现一定的空间均衡目标或达到一定的空间均衡状态，均衡参与者按照一定的约束条件或规则，在空间上所维持的一种相对稳定的平衡状态。因此，笔者认为空间均衡的一般定义为“在空间上的一种相对稳定的平衡状态”。

2.2 水资源空间均衡提出背景及概念界定

我国经济快速发展给水资源带来更大压力，水资源空间不均衡问题凸显且锐化，逐渐成为水安全保障的严重威胁，主要表现在：①水资源自然分布两极分化严重，地区水多的太多，水少的太少，时空差异明显，对地区发展布局造成极大限制；②区域发展核心聚集（人口、产业等），用水矛盾加剧，用水和排水集中化，造成取调配水愈发困难，环境问题集中呈现；③空间上水资源、人口、经济等不均衡趋势加剧，地区之间矛盾升级，不利于国家发展的长治久安。面对上述问题，国家适时提出“空间均衡”原则来指导新时期治水工作，改善水资源空间不均衡现状，促进区域空间均衡发展。

综上，本文给出水资源空间均衡的定义：指在空间上水资源开发、利用与保护的一种相对稳定的平衡状态。该平衡状态是在一定的经济社会和生态环境空间条件下所形成的，这种空间上的平衡状态可能是和谐的、可持续的，也可能是不和谐的、不可持续的，其原理如图1所示。因此，实现水资源空间均衡只是一个阶段目标，不是一个终极目标，实现人水和谐、可持续发展才是终极目标。

3 理论体系框架及主要研究内容

3.1 理论体系框架

作为现代水资源管理的一种理念和手段，水资源空间均衡有必要单独形成一个理论体系来指导区域水资源的空间布局与规划。从水资源空间均衡的概念可知，水资源空间均衡理论是研究水资源空间均衡作用机制、形成过程及优化布局的理论方法体系，它考虑水资源-经济社会-生态环境系统中单一要素的实际行为及其可能发生的改变，并研究它们达到最优空间平衡状态的策略。

从研究对象、理论基础、研究方法以及应用实践4个方面，构建水资源空间均衡理论体系框架，如图2所示。

针对该理论体系的关键点说明如下。

（1）水资源空间均衡理论的研究对象为水资源-经济社会-生态环境系统。水资源兼具资源、环境和生态等多种功能，基于水循环的纽带关系［33］，水资源、经济社会、生态环境被紧密地连接在一起，共同构成了一个复杂的巨系统。一方面，人类对水资源开发强度和广度、对水资源利用方式和结构、对水资源保护力度和措施的不同，造成不同地区的水资源空间分布、经济社会空间布局、生态环境空间功能之间存在差异；另一方面，水资源空间分布、经济社会空间布局、生态环境空间功能之间以水循环为纽带彼此相互影响和制约。水资源空间均衡理论是研究该系统以实现水资源开发、利用和保护空间均衡目标的一个知识体系。

（2）水资源空间均衡理论的内涵。目前对水资源空间均衡内涵的讨论较多，但由于认识的差异加之水资源-经济社会-生态环境系统的复杂性，因此目前仍没有形成一个统一而准确的定义和认识。笔者对水资源空间均衡的主要观点：①水资源空间均衡是从空间的视角来审视水资源开发、利用和保护的均衡问题，从而使水资源、经济社会和生态环境的关系在空间上科学合理；②水资源空间均衡是满足空间均衡发展要求的水资源开发、利用和保护行为的集合，该集合中所有行为都要满足空间均衡的要求；③水资源空间均衡具有相对性，是针对某一特定空间区域而言的；④由于不同空间上水资源、经济社会、生态环境的禀赋不同，因此水资源空间均衡存在空间异质性；⑤水资源空间均衡并不始终存在，在某一阶段或状态下，可能没有形成水资源空间均衡；⑥水资源空间均衡具有动态性，是在特定时间和条件下所形成的，系统要素的改变可能使空间均衡状态转移，最优水资源空间均衡是一种特例；⑦理性看待水资源空间均衡状态的转移，水资源空间均衡可能是和谐的、可持续的，也可能是不和谐的、不可持续的，因此需要人为进行科学调控［18］。

（3）水资源空间均衡理论的世界观。水资源空间均衡既要尊重自然的一般规律，又要满足经济社会的发展需求，二者在空间上要相协调。坚持“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的新时期治水思路，坚持全面、协调、可持续的科学发展观，坚持系统与组成要素及环境辩证统一的辩证唯物主义自然观。

（4）水资源空间均衡理论的理论基础。包括系统论、空间均衡理论、水循环原理、和谐平衡理论、水资源空间均衡判别准则等，是水资源空间均衡理论体系的重要基础与支撑。

（5）水资源空间均衡理论的研究方法。包括：①水资源空间均衡模拟与辨识方法，水资源空间均衡的状态是由水资源-经济社会-生态环境耦合系统的相互作用形成的，受外部环境发生的变化（如环境变化、政策变化等）而变化，因此需要对水资源空间均衡的内在作用机制进行分析，并采用空间均衡辨识方法识别关键影响因子；②水资源空间均衡度度量方法，水资源空间均衡是水资源开发、利用和保护在空间上的一种相对稳定的平衡状态，这种状态如何衡量与表达，需要进一步通过水资源空间均衡评价方法来实现，包括水资源空间均衡度的度量方法（如空间均衡度方法、综合评价方法等）、水资源空间均衡度绘制方法（如空间均衡等值线及重心绘制方法等）；③水资源空间均衡调控方法，水资源空间不均衡则需要进行调控，调控的方法为空间均衡优化调控模型。

（6）水资源空间均衡理论的应用实践。包括：水资源空间均衡演变分析、水资源空间均衡评价、水资源空间均衡系统优化与调控，水资源空间均衡安全保障与决策等，可广泛应用于区域的水资源规划与管理、水资源论证、水战略制定与布局等实践中。

3.2 主要研究内容

（1）水资源分布空间分析。主要包括：①水资源空间格网化，在对矢量图和水资源空间相关数据预处理的基础上，对研究区的矢量数据图进行格网划分，并进行赋值和计算；②水资源特征（降水量、径流量、水资源量等）空间分析，在水资源空间格网化的基础上，研究相关数据变量的空间分布及空间异质性、不同空间位置上的相关性等，从而掲示其空间分布特征。

（2）水资源空间均衡作用机制与量化准则。主要包括：①水资源空间均衡作用机制研究，分析影响水资源空间分布的主要自然因素（地理位置、气候、地形地貌等）和主要经济社会因素（城市化发展水平、耕地灌溉面积、人口、经济发展规模等）以及水资源空间分布对变化环境的响应，研究变化环境下水资源-经济社会-生态环境的互馈关系，揭示水资源空间均衡的作用机制；②水资源空间均衡准则量化，从水资源开发-利用-保护3个方面，对水资源-经济社会-生态环境系统进行准则识别，并对准则进行定量表达。

（3）水资源空间均衡程度度量方法。主要包括：①水资源空间均衡程度度量代表指标确定及计算方法研究，从水资源开发-利用-保护3个方面分别选取代表性指标，提出水资源空间均衡系数计算方法，计算各指标的空间均衡系数，并对这些系数进行综合计算，得到水资源空间均衡度。根据研究对象和目标选择的不同，水资源空间均衡度又被赋予不同的具体涵义，比如水资源分布空间均衡度、水资源供需平衡空间均衡度、水资源匹配空间均衡度、水资源调配格局空间均衡度、水资源协调发展空间均衡度等；②水资源空间均衡等值线和重心分布计算绘制方法研究，从空间和时间角度，研究水资源空间均衡系数在空间维度上的作用机理，计算描绘水资源空间均衡等值线和重心分布图，研究水资源空间均衡系数在时间维度上的作用机理及维持水资源空间均衡的理论变化曲线。

（4）水资源空间均衡调控模型及应用研究。主要包括：①模型构建，以水资源空间均衡理论为指导，识别制约经济社会发展与水资源空间均衡的关键因素，基于笔者提出的和谐论理论方法，以人水和谐度最大为优化目标，以水资源开发-利用-保护多维临界约束，构建满足水资源空间均衡需要的多维临界和谐调控模型；②模型求解方法及效果评价，在模型构建的基础上，结合遗传算法、多目标迭代优化等寻优算法，研究水资源空间均衡的最优参数组合，进而确定和谐调控指标的最优值，为制定水资源空间均衡调控方案提供参考；以和谐评估理论为依据，通过对比调控前后反映水资源与经济社会发展的和谐度大小为基准，对所构建的多维临界和谐调控模型进行效果评估；③模型应用与检验，以某一流域为示范区，构建满足水资源空间均衡需要的多维临界和谐调控模型，论证和检验模型的适用性。

4 水资源空间均衡研究展望

4.1 水资源空间均衡理论研究

水资源空间均衡理论研究目前尚属空白，本文提出的水资源空间均衡概念、理论体系、理论观点等是初步的尝试性工作，接下来还有很多基础性工作需要开展。比如对水资源空间均衡的原理仅仅停留在宏观设想方面，缺乏从定性和定量的角度去揭示水资源空间均衡的本质机理；水资源空间均衡思想具体如何指导新时期治水工作还需要系统和针对性地去开展相关研究。随着未来工作的开展和对水资源空间均衡的不断认识，会产生许多新的观点和见解，从而进一步深化和完善水资源空间均衡理论体系。

4.2 水资源空间均衡方法研究

本文提出的水资源空间均衡研究方法是一个系统的框架，框架中的各个方法都有待去攻克和解决，亟需构建一般性的方法。解决该问题的途径有3种：一是结合机理分析创新性地提出新方法，这需要从数学和统计学的角度去推导和论证；二是搬用其他已有的方法，但在适用性上需要进行实例验证；三是对已有方法进行交叉应用或改进，前期可在针对性的问题上开展应用和检验。

4.3 水资源空间均衡应用研究

（1）现代治水实践中水资源空间均衡理论的应用。水资源空间均衡虽然提出时间不长，但是它从空间均衡的视角看待水资源开发、利用和保护的关系问题，为现代治水实践提供了一个全新的视角，如在实现人水和谐方面，水资源空间均衡注重空间上的平衡发展，理性看待水资源空间均衡的转移，可通过水资源空间均衡调控方法，提高空间均衡度，实现人水和谐；在最严格水资源管理制度中，通过考虑不同地区空间上差异的影响，以空间均衡为目标或约束对“三条红线”进行分解和配置，实现空间上对水资源的有效管控，而非一刀切；在生态文明建设方面，水资源空间均衡可以作为推进生态文明建设的一项重要举措，通过水资源空间均衡管控，实现空间上水资源和水环境均可承载，保障空间上生态的良性和绿色可持续发展；在河湖水系连通方面，水资源空间均衡理论可作为重要理论支撑，指导河湖水系连通空间功能与经济社会、生态环境空间需求相均衡，实现空间载体的重大价值。

（2）大型跨流域调水工程水资源空间均衡可行性论证。大型跨流域调水工程是弥补区域间水资源禀赋差异的重要工程手段。目前，很多国家已经完成了大型跨流域调水工程，如中国的南水北调东线工程和中线工程、美国的加利福尼亚北水南调工程、加拿大的魁北克调水工程等［34］，另外还有很多工程仍然处在论证和讨论阶段，如南水北调西线工程。大型跨流域调水工程前期论证非常复杂，需要尽可能全面地考虑所有问题。目前对大型跨流域调水工程所做的前期可行性分析主要包括从调水路线、调水工程技术和效益、水资源数量和质量等方面进行论证，很少从空间的视角去审视大型跨流域调水工程对整个工程沿线区域水资源空间均衡的影响。水资源空间上的调度势必会打破工程沿线地区原有水资源空间均衡的状态，从而造成原有水资源空间失衡，并在调水后逐渐形成新的空间均衡状态，这种水资源空间均衡状态的转移是否是和谐的、可持续的，水资源空间均衡水平是否得到提升，直接关系到地区空间未来的均衡和可持续发展，因此在大型跨流域调水工程前期可行性论证中加入水资源空间均衡论证是十分必要的。

（3）基于水资源空间均衡理论编制水资源规划。水资源规划需要依据不同地区的水资源禀赋，按照经济社会发展和生态环境保护的需要，在水资源开发、利用和保护各环节进行科学规划与安排，其目的是实现水资源的合理开发与利用、调度与配置。当前水资源规划主要是对地区水资源现状进行评价、对未来发展趋势与需求进行预测、分析供需关系、水资源和水环境承载力计算、制定规划策略等，往往只注重从时间维度上分析水资源需求的变化，而忽略了水资源本身在空间上的限制以及水资源需求在空间维度上的变化。因此，在今后的规划编制中，应根据实际需要，统筹考虑规划空间范围内水资源的空间分布、水资源开发利用保护的空间差异性，将空间均衡作为水资源规划所遵循的原则之一，以水资源为限制对区域的空间发展布局进行合理规划，助力供给侧结构性改革，让水资源与经济社会发展、生态环境保护形成一个良性的作用关系，共同促进区域健康和永续发展。

5 结 语

本文在对均衡和空间均衡不同领域观点梳理和认识的基础上，结合水资源空间均衡的提出背景，给出了水资源空间均衡的定义，进而构建了水资源空间均衡理论体系框架，并介绍了其主要内容研究框架，对未来的研究前景进行了展望。分析表明，水资源空间均衡是水资源开发、利用和保护在空间上的一种相对稳定的平衡状态；水资源空间均衡理论是研究水资源空间均衡形成及优化的理论方法，对于现代治水实践应用、大型跨流域调水工程论证、水资源规划编制等具有重要的指导作用和广阔的应用前景。

本文是对水资源空间均衡理论的初步探讨与思考，有些仅仅是初步的想法或设想，还很不成熟，在内容上可能有歧义和疏漏之处，有待下一步开展更系统的工作并不断完善。