基于区位熵和基尼系数的长江下游典型城市用水结构分析

吴泽雄 张海明 孟令鹏 樊 静 张艺铭

（1.江苏省水文水资源勘测局泰州分局 泰州 225300 2.江苏省水文水资源勘测局宿迁分局 宿迁 223800）

泰州市位于江苏省中部，区域内河网分布较为密集，虽然过境水资源相对丰富，但受地理位置、人口等因素影响，仍属于资源型缺水城市。研究泰州市水资源利用的空间分布特征和用水结构的演变对进一步提高用水效率、优化用水结构、改善地区生态环境具有重要的意义。本文以洛伦兹曲线、区位熵和基尼系数理论为基础，通过对泰州市水资源利用结构整体性趋势及时空分布均衡性进行分析研究，为协调长江中下游城市区域用水结构和产业结构规划提供了科学依据，对优化水资源配置，实现用水效益最大化等具有重要意义。

1 研究方法

1.1 洛伦兹曲线

洛伦兹曲线数学表达式如下：

式中：L(y)为洛伦兹曲线方程式；F(x)为有序个体的累积分布函数；μ 为一个均值。

不同研究对象的累积曲线y=f(x)和绝对平均线y=x 距离的大小表示研究对象空间分配的均衡程度，即距离绝对平均线y=x 越远，研究对象的空间分配差距越大，相反空间分配越均衡。

1.2 区位熵

计算出各区域某种用水的区位熵，是绘制洛伦兹曲线的前提条件。本文中区位熵为各研究区域各类用水累积百分比与总用水累积百分比的比值，即洛伦兹曲线中的斜率大小，区位熵表达式如下：

式中：LQ 为区位熵；Qin为i 区域第n 种类型产业的用水量；Qn为泰州市第n 种类型产业的总用水量；Qi为i 区域总用水量；Q 为泰州市总用水量。

1.3 基尼系数

区域用水空间均衡分布情况虽然可以通过洛伦兹曲线来直观地表示，但是洛伦兹曲线并不能满足区域用水空间均衡分布定量分析的需要。在洛伦兹曲线的基础上，通过计算基尼系数，可定量描述各行业用水的区域空间分布情况。水资源在自然界中的分布存在着非常明显的不平衡性特征，利用基尼系数能够较好地描述水资源的匹配程度。其数学计算公式为：

式中：G 为基尼系数；f（x）为洛伦兹方程式。G 越小，表示要素越均衡，G 越大，表示要素越不均衡。本次评价分析采用国际公认的评价区间划分标准，基尼系数评价结果如表1 所示。

表1 基尼系数评价结果表

2 泰州市用水结构分析

2.1 泰州市用水结构的演变

以泰州市2012—2019年水资源公报为基础资料进行分析，2012—2019年泰州市总用水量整体呈下降趋势。农田灌溉和林牧渔畜用水量逐年下降，占总用水量的比例也逐年下降。生活用水总量不断增加，占总用水量的比例也不断增加。工业用水量并无明显增加，但由于总用水量逐年下降，工业用水量在用水总量中的占比呈上升趋势。

2012年起泰州市秉承大水利理念打造泰州生态之城，生态环境用水量2019年比2012年增加近一倍，在用水总量中的占比也增加了一倍，虽然生态环境用水量的增幅较大，但总量依然很低。

2.2 用水结构整体趋势性

泰州市2014—2019年各类用水洛伦兹曲线如图1 所示，2014—2019年工业用水的空间分布情况有较明显的增长，农田灌溉用水基尼系数波动较小，而其他类型用水的空间分布状况则均呈一定的下降趋势。工业用水在向部分地区集中，地区间差异程度呈扩大趋势；生活用水的空间分布差异性降低；生态环境用水的空间分布更加均衡。

图1 泰州市不同类型用水的洛伦兹曲线构成图

表2 对泰州市2014—2019年各类用水的基尼系数进行了计算汇总，统计结果显示，泰州市工业用水空间分布差异程度呈现出逐年扩大趋势，生态环境、林牧渔畜和生活用水空间分布差异程度呈现出缩小趋势。

表2 泰州市2014—2019年不同类型用水基尼系数及评价结果统计表

2.3 用水结构空间均衡性

以《泰州市水资源公报（2019）》等为基础资料，对2019年泰州市7个行政区进行用水结构均衡分析，对5 类用水空间均衡分布情况进行统计，并绘制泰州市2019年不同类型用水洛伦兹曲线图，结果如图2 所示。

通过分析图2 中的洛伦兹曲线可知，不同类型用水空间分布存在着差异。借助洛伦兹曲线可以对不同类型用水空间分布情况有直观地了解，缺点是无法满足定量分析的需求。

2.4 均衡差异程度

泰州市区域用水需求量比较大，其中需求量较高的主要是工业用水、生活用水以及生态环境用水。为了进一步了解泰州市各行政区用水量空间分布均衡程度差异的原因，将各种类型用水量的区位熵按行政区进行计算，2019年泰州市不同类型用水区位熵数值统计表如表3 所示。

表3 2019年泰州市不同类型用水区位熵数值统计表

农田灌溉用水在不同用水类型中表现最为均衡，除兴化市、姜堰区、泰兴市外，泰州市其他行政区的区位熵均小于1.0，建议兴化市、姜堰区、泰兴市进一步调整农作物种植结构、继续推广节水灌溉，以减少灌溉用水需求，提高农业用水效率。

林牧渔畜用水方面，海陵区的林牧渔畜用水区位熵最高为1.88，这是海陵区积极推进林牧渔畜产业快速发展的体现。

工业用水方面，医药高新区区位熵最高为4.52，远高于其他行政区，建议医药高新区进一步提高工业节水水平，同时优化产业结构。

生活用水方面，海陵区、高新区生活用水比例较高，生活用水区位熵分别为2.39 和2.72，远超出其他区域，建议海陵区、高新区积极倡导科学节水，大力推广生活节水器具，进一步提高生活用水效率。

生态环境用水方面，高新区生态环境用水区位熵最高为2.73，是生态环境用水区位熵最低值姜堰区0.38 的2.63 倍。建议各行政区切实加强对生态环境保护的意识，采取更为有效的环境整治措施，以期实现各行政区生态环境、社会和经济的均衡发展。

通过对泰州市2019年用水结构的空间分布均衡程度和专门化程度的研究，能够直观地了解泰州市不同类型用水现状年下的空间分布情况。相应部门在做产业结构布局和水资源优化配置时，应进一步加强用水管理监督，充分考虑各行政区的用水情况，提高水资源利用效率，优化用水结构，更加重视生态用水，以实现泰州市水资源利用效益最大化。

3 结论

（1）泰州市总用水量整体呈下降趋势，主要原因是农田灌溉和林牧渔畜用水量逐年下降。

（2）泰州市用水结构比例相对稳定，农田灌溉用水空间分布较为均衡，随着时间变化，林牧渔畜、生活和生态环境用水空间差异程度呈现出缩小态势，工业用水空间差异程度呈现出逐步扩大态势。

（3）泰州市用水结构比例分配存在一定差异，但各类用水空间分布较为均衡。

（4）泰州市各行政区均衡差异性表明，各行政区在水资源条件、水资源利用特点、功能规划、社会经济情况及产业结构等方面均存在差异性，各行业用水侧重点也不同。

（5）通过计算所得区位熵、基尼系数及所绘制的洛伦兹曲线，本文较为清晰地揭示了泰州市2014—2019年各类型用水空间分布变化特点，提出了进一步优化水资源配置和提高用水效益的建议，有助于泰州市在落实最严格水资源管理制度和保持社会经济发展的过程中，因地制宜调整产业结构，实现水资源的可持续利用■