基于基尼系数的洱海灌区水资源配置均衡性研究

高泽坤，韦彦玲，赵 众，顾世祥

(1.云南农业大学水利学院，云南 昆明 650051；2.云南省农业机械安全监理总站，云南 昆明 650051；3.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650051)

为测定收入分配的不均匀程度，在洛伦兹曲线的基础上，基尼系数弥补了洛伦兹曲线在反应收入分配均等程度方面不能定量化的缺陷[1]。洛伦兹曲线与基尼系数在分析水资源空间匹配均衡性时也有广泛的适用性：国内学者利用洛伦兹曲线、基尼系数对青海省水资源、石羊河流域用水、图们江干流径流分布、南水北调受水区水资源配置和中国水资源等的空间不均匀性做出了评价分析[2- 7]。还有学者将基尼系数与协调发展度、纳什效率系数、联系数、泰尔指数、信息熵、适配度[8- 15]等结合起来建立水资源空间均衡评价模型来进行差异性分析。Sueyoshi等利用基尼系数提出了一个解决存在技术差距的减少环境技术进步对解决各种环境问题的新框架[16]。Dai.C等将水文模型、水量平衡模型、基尼系数和机会约束规划(CCP)集成到一个通用的多目标优化建模框架中，建立了基于基尼系数的随机优化(GBSO)模型，反映水资源分配中相互冲突的公平和效益目标[17]。Hu.Z等以保证最低生态需水量为约束条件，建立了一个多目标规划模型，用基尼系数衡量了该模型最大水资源分配的公平性[18]。笔者结合云南省洱海流域供需水预测及配置规划成果，尝试将洛伦兹曲线和基尼系数应用于灌区水资源配置领域来评估配置方案和均衡性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洱海灌区是洱海流域内耕地集中连片、土地肥沃、灌溉条件较好的区域，灌区土地总面积550.2km2。洱海灌区现状年灌溉面积340km2，其中洱源县184km2，大理市156km2；2035水平年灌溉面积348km2，其中洱源县178.6km2，大理市169.4km2。灌区供水水源由蓄、引、提、调水工程及湖泊、河流、水库构成。灌溉分区规划按照自然条件、经济发展要求、作物组成结构以及供水水源等将洱海灌区划分三营、凤羽、右所、上关、喜洲、下关、凤仪、挖色、海东、洱海东岸面山绿化等10个单元。

1.2 数据来源

研究数据主要来源于以下资料：①国家气候中心(中国气象科学数据共享服务http://cdc.cma.gov.cn/)整编的大理气象站1952—2020年降水资料；②《大理市、洱源县国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》；③《大理滇西中心城市建设总体规划》；④《大理市城市总体规划(2010—2025年)》；⑤大理市、洱源县土地利用现状调查报告、土地利用总体规划报告。

1.3 研究方法

洛伦兹曲线绘制，首先要计算出各分区某需水因子(城市生活、工业、农村生活、农业灌溉)、供水因子(蓄水、引提水、外调水、农业退水综合利用、洱海提水)的区位熵；再把区位熵从小到大排序；最后以各区总供需水累计百分比和某供需因子累计百分比绘制洛伦兹曲线并计算基尼系数[19- 20]。

1.4 典型年选择

根据大理气象站的1952—2020年降水量系列进行经验频率计算，选择P=5%、20%、50%、80%、95%等的特丰、丰、平、枯、特枯等典型年份为:1952、1999、1969、2010、1982年。

2 洱海灌区水资源配置方法模型及主要结果

2.1 水资源配置模拟模型

采用公平性最优与缺水率最小作为水资源优化配置模拟的目标函数，把水资源、湖泊、湿地、湖泊水位、供用水量平衡等作为约束条件。以MIKE SHE模拟计算弥苴河等断面径流为输入，ArcGIS地理信息系统为支持，应用MIKE BASIN、WAS等平台[21- 24]，遵循用水户与水源工程之间的逻辑关系构建节点网络模型，作为水资源规划配置的支撑，对1952—2020年长系列模拟计算，提出了基于节水生态的洱海灌区“二元水循环”水资源配置方案，构建了高原-湖泊-流域系统健康水循环调控模式，并经过“三次供需平衡”得到洱海流域各水平年的生产、生活、生态[25]用水统一配置成果，进行不同水平年正常发展、深度节水生态等多情景的灌区水资源供需平衡分析及配置方案模拟，得出灌区农业节水减排工程规划布局[26- 27]。

2.2 水资源配置结果

(1)2035水平年洱海流域的农田灌溉面积45.26万hm2，较现状年减少3.8万hm2，发展高效节水灌溉面积34.3万hm2，湿地1.93万hm2，增加洱海东岸面山灌溉面积5万hm2。农业需水量从现状的3.59亿m3减少到2.34亿m3，工业需水提高938万m3，城市生活需水提高0.34亿m3，农村生活需水下降86万m3，灌区总需水量从4.97亿m3降至3.69亿m3。

(2)通过配置方案实施，洱海流域水资源开发利用率由现状56.9%下降到36.2%，净入湖清水量从3.44亿m3增加到6.15亿m3，2035水平年洱海的年均水位较现状提高0～0.72m，平均提高0.15m。

(3)洱海灌区2035水平年P=75%频率需水3.86亿m3，供水量3.86m3，供需已平衡；P=95%频率需水4.13亿m3，供水量3.97亿m3，缺水0.16亿m3，缺水率3.9%，为农业灌溉缺水，多年平均需水3.69亿m3，供水量3.66亿m3，缺水0.03亿m3，缺水率0.7%；洱海灌区各单元城市生活、工业和农村生活供水保证率已达到97%，各片区常规、高效节水农业灌溉供水保证率分别达到75%、90%，供需已平衡，通过水资源的统一配置和农业节水减排等措施，实现了洱海流域的健康水循环。

3 结果分析

3.1 典型年洛伦兹曲线空间变化与基尼系数分析

根据前述方法，绘制各类型的洛伦兹曲线如图1—2所示，计算各图基尼系数见表1—2。

图1 现状年、2035水平年的各需水因子与总需水量的洛伦兹曲线

图2 现状年、2035水平年各供水因子与总供水量的洛伦兹曲线

由图(1)、表(1)知：城市生活现状年需水量的基尼系数全部大于0.5，为高度不平均，原因是城市生活需水较为集中，喜洲、挖色、下关3个单元占据了总城市生活需水的近40%；2035水平年的城市生活需水量的基尼系数下降到0.3～0.4，在合理范围内。工业需水主要集中在喜洲、下关、凤仪、海东，这四个单元的工业需水量占整个灌区工业需水量的近90%。工业需水现状年、2035水平年的基尼系数都大于0.5，为高度不均衡，但2035水平年的基尼系数有所减小。农村生活、农业灌溉需水现状年基尼系数范围分别是0.2～0.3、0～0.2，为较均衡的水平。2035水平年的基尼系数分别为0.3～0.4、0.2～0.3，在合理范围内。尽管农村生活用水提高，但由于一部分原来供水条件好的农村转为城镇，在提高城镇生活需水空间均衡性的同时，加大了农村生活需水的空间差异性。

表1 各用水户需水量基尼系数

表2 各供水工程供水量基尼系数

各典型年多年平均的基尼系数由高到低排序为：工业>城市生活>农村生活>农业灌溉。云南省水资源量与降雨量呈正相关关系，气候与降雨是影响水资源量的关键因素[28]。由表(1)知城市生活与工业需水的基尼系数随着降雨量的下降而上升，农村生活和农业灌溉与之相反。这表明丰水年城市生活和工业需水的均衡程度下降，农村生活需水均衡度提高，农业灌溉用水基尼系数变化规律不明显。对比现状年，2035水平年城市生活和工业需水的基尼系数都有下降，农村生活和农业灌溉需水的基尼系数有所上升，空间用水的不均衡性有所加大。

由图(2)、表(2)知：现状年各供水工程的多年平均基尼系数由高到低排序为：引提水工程>地下水工程>蓄水工程>洱海提水工程；2035水平年：引提水工程>外调水工程>蓄水工程>洱海提水工程>农业退水综合利用工程。蓄水工程供水主要集中在三营、凤仪等地，现状年、2035水平年的蓄水工程供水量的基尼系数均高于0.5，为高度不平均。这是由灌区范围内的水资源禀赋决定的，洱海灌区现状水资源开发利用率已很高，可开发的水源工程点几乎是唯一性的，不存在灌区内均衡建设的可能。现状年、2035水平年的引提水工程基尼系数都高于0.5，为高度不平均，原因是供水主要集中在右所、凤羽、喜洲等地，全省范围由“引”变“蓄”的供水格局，使引提水工程在区域上的均衡性逐渐变低。现状年的地下水工程供水基尼系数大于0.5，表示高度不平均。主要是因为地下水只作为农村用户的辅助水源，供水主要集中在右所、下关、喜洲等农村地区。2035水平年取消了地下水工程供水。2035水平年新加入规划的滇中引水等外调水工程、农业退水综合供水工程的基尼系数分别达到0.6～0.7、0.2～0.3。洱海灌区已建多座污水处理厂与沿湖沿河村落污水收集处理系统，城市再生水和农业退水得到了综合利用。现状年及2035水平年的洱海提水工程基尼系数都在0.4～0.5之间，表示差距过大。洱海提水工程主要集中在环湖的凤仪、喜洲、下关、海东等地，不向其他较远单元供水。

3.2 各水平年需水区位熵空间变化分析

现状年和2035水平年在各频率的需水因子区位熵如图3—4所示。

图3 现状年需水因子区位熵

图4 2035水平年需水因子区位熵

区位熵既反映该分区单元内某一用水户供需水量在单元总供需水量中的比值，也在一定程度上揭示该单元某用户和总供需水量占整个灌区相应供需水量的比重。图中偏红色为区位熵高值，偏绿色为区位熵低值。由图3(a)知现状年下关、挖色等城市生活需水区位熵值较高，城市生活需水占单元总需水的20.7%～46.5%，低值在右所、凤羽，三营、喜洲等单元，城市生活需水仅占单元总需水的0.8%～7%。在2035水平年(图4(e))，三营、上关、喜洲等单元发展特色旅游，城市生活需水提高较快，由现状年的3%～7.3%提高到9.5%～22%。同样在图3(b)中，现状年工业需水占比较大的单元有下关、凤仪、海东，工业需水占其总需水量比重的27%～68%，区位熵也较高，低值区在凤羽、上关、挖色，三营等单元，比重在0%～5.8%之间。2035水平年(图4(f))各单元工业需水比重较现状年变化不大。图3(c)、图4(g)表示农村生活需水所占分区单元的比重除挖色、上关较高(5%～13.5%)，其余比重都不足5%。在图3(d)中，现状年农业灌溉需水大部分单元区位熵值较高，农业灌溉需水占单元总用水的24.3%～97%，但是在城镇化、工业化高的海东、下关、凤仪等单元，农业灌溉用水比重只有18%～48%。 2035水平年农业灌溉需水比重下降到19.3～88.5%。城市生活、工业、农村生活用水比重在各年月基本一致，在不同丰、枯水平年间差异也不大。农业灌溉需水不仅有显著的季节性变化，尤其在不同丰、枯年份间差异巨大，例如现状年在频率P=5%时农业灌溉需水26922m3，当P=95%时增加到42611万m3，且不同的作物种类，种植结构、田间管理模式、土壤质地及水文地质条件等，也会引起需水量的变化。2035年水平年在洱海东岸规划5万hm2绿化土地，需水全部为农业灌溉需水。

从各行业需水发展趋势看，城市生活需水2035水平年比现状年增长10.5%，随着城市化的发展，城市生活需水有所增加，同时农村生活需水下降；各典型年的工业生产总值虽增长较快但是由于节水与环保要求的提高，工业用水利用率较高，所以工业需水增长较小，2035水平年工业需水占比较现状年提高5%；农业灌溉需水2035水平年较现状年比重下降16.3%，说明通过积极探索水肥综合调控模式、发展智慧农业等措施[29]，使灌溉水利用系数提高，农业灌溉总需水量大幅度下降。经分析，需水结构整体上与国民经济的结构调整和发展要求一致。

3.3 各水平年供水区位熵空间变化分析

现状年和2035水平年在各频率的供水因子区位熵如图5—6所示。

图5 现状年供水因子区位熵

图6 2035水平年供水因子区位熵

供水系统可能会受到气候变化导致降雨量减少的影响，从而降低其供应潜力[30]。由图5(a)知现状年蓄水工程供水区位熵值较高的三营、凤仪等单元，供水占单元总供水比重分别在73%、40%以上，丰枯调节能力较好；熵值较低的喜洲、下关、海东等地，占比在8%以下，季节性供水不足现象突出。图6(e)所示2035水平年凤羽、右所的蓄水工程供水比重提高约20%，枯水年农业用水压力得到缓解，其他灌片基本不变。在图5(b)中，现状年引提水工程占供水比重较大的凤羽、右所、上关等区域，区位熵值也较高，这与图5(a)正好相反。2035水平年(图6(f))引提水工程供水比重由现状年24%的占比下降到10.97%，与“由引变蓄”的规划相符合。由图5(c)知地下水工程供水只在现状年进行了供水配置，且供水比重只占总供水的1.1%。在图6(g、h)中，外调水工程与农业退水综合利用工程加入了供水配置。外调水工程只向下关、凤仪、挖色、海东等单元供水，供水比重占总供水的8%左右。农业退水综合利用工程供水比重最高的区域是洱海东岸面山绿化单元，占总供水的40%～66%，熵值也最高，其次是凤羽、右所、上关、喜洲等单元，供水占比在20%左右，原因是这些区域农业灌溉需水量大、对水质要求不高，因此这些单元农业退水综合利用工程供水量占的比重较高。

在供水结构上，可以看出现状年洱海提水比重最高，占到总供水量的45.63%，蓄水工程、引提水工程、地下水工程仅分别占总供水量的29.23%、24%、1.1%，2035水平年随着供水格局的改变、滇中引水工程的建成、农业退水综合利用工程的加入，使引提水工程、洱海提水工程分别下降到10.97%、38.7%，蓄水工程占比保持不变，外调水与农业退水综合利用工程占比分别为8.1%、12.5%。其中下关2035水平年洱海提水占比由现状年的88.35%下降到64.8%，新加入的外调水工程弥补了22.03%的供水量。供水量由于需水量的下降由现状年的4.35亿m3下降到2035水平年的3.66亿m3，又随着新工程的加入使得2035水平年各工程供水压力减小，供水更加合理均衡，生态环境也得到有效改善。即使在要素禀赋匹配性较差的情况下，人类仍然通过资源调配满足了自身发展需求[31]。各供水工程供水量呈由丰水年向枯水年递增的趋势，与需水量增减相符合。未来规划中为缓解供水压力，深入研究自然循环-人工循环特性的水资源二元动态循环过程，实现水资源的三次供需平衡[32]在供给侧协调各项竞争性用水，通过工程措施改变水的天然时空分布来适应生产力布局，实现区域的发展模式与水资源条件相适应，达到可持续发展的目标[33]。

4 结语

本研究采用区位熵、匹配度、洛伦兹曲线、基尼系数等指标揭示了洱海灌区水资源配置成果及供、需水两侧空间的均衡性，主要结论如下：

(1)需水侧各典型年的均衡性差异排序为：工业>城市生活>农村生活>农业灌溉，灌区内工业、城镇建设较为集中，需水均衡度较低；农村生活与农业灌溉用水空间分布比较均衡；2035水平年总需水量下降25.8%，农业灌溉需水比现状年下降16.3%，城市生活、工业需水占比分别提高10.5%、5%，农村生活需水占比保持不变，需水结构整体上与国民经济结构调整和发展要求一致。

(2)供水侧各典型年的均衡性差异排序为：现状年：引提水工程>地下水工程>蓄水工程>洱海提水工程；2035水平年：引提水工程>外调水工程>蓄水工程>洱海提水工程>农业退水综合利用工程。除农业退水综合利用工程供水较均衡外，其余供水工程均衡性较差，这是水资源禀赋与自然地理差异导致的。2035水平年新加入外调水、农业退水综合利用工程，使得引提水工程、洱海提水工程较现状年分别下降13.03%、6.96%，蓄水工程占比保持29.5%不变，外调水与农业退水综合利用工程各占总供水量的8.1%、12.5%。各工程供水压力减小，供水更加合理均衡，生态环境也得到有效改善，供水工程的配置达到最佳的程度。