黄河流域经济社会用水公平性评价研究

王 煜，武 见，王 婷，明广辉，郑小康，周翔南，王威浩

（1. 水利部黄河水利委员会，河南 郑州 450003； 2. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 4500033；3. 天津市中水科技咨询有限责任公司，天津 300170； 4. 中国水利水电科学研究院水环境所，北京 100038）

0 引 言

强调公平是资源可持续发展的重要内容，包含代际之间时间上的公平性和代内之间空间上的公平性［1-5］。水作为公共基础资源，公平性是水权的根本要求，是水资源高效利用和经济社会高质量发展的重要保障［6， 7］。对于跨界或跨区域河流的用水公平性，由于涉及沿河两岸的不同区域，存在上下游、左右岸、不同行政区之间的用水公平性问题，流域用水公平性是流域水资源均衡配置的根本保证，也是实现水资源可持续利用的核心［8］。在流域水资源配置中，公平性原则应以满足不同区域、不同时期、不同经济发展水平、不同科技水平下的不同社会阶层对水资源的需求为目标［9］。

水资源利用的公平性常用缺水率、满意度、人均耗水量趋近、饮用水得到完全保障等指标进行衡量［7， 10］。当用来比较不同区域或流域的用水公平性时，常用的数学工具是基尼系数。基尼系数一般常用来衡量收入分配的差异状况，其实质是量化分布均匀度的评价工具［11］。因此，基尼系数被引进用于区域或流域用水公平性的评价［12-15］。以往研究常用流域或者区域总用水量与多个经济、社会、环境因子如GDP、人口、水资源量、排污量等计算综合基尼系数，不能反映流域内不同行业用水公平性［16］。由于不同行业用水主体、过程和机理的不同，不同省区间用水公平性差别很大。例如，农业用水主要是作物蒸散发过程，受到气候、土壤、作物种类、管理措施等多种因素的影响［17］，不同地区灌溉定额差异较大，宁蒙灌区的灌溉定额比陕西关中地区高出较多［7］；工业用水主要受到工业产品、生产工艺的影响，火电行业主要是冷却用水，产品耗水量较少，煤化工等高耗水行业耗水量相对较大，受不同地区的影响较小；生活和城镇公共用水主要是满足人的用水需求，刚性用水需求相差不大，主要是不同发展水平地区的弹性需水差异［18-20］。本文考虑不同行业用水主体和用水机理不同，综合考虑流域不同行业用水公平性，提出流域综合基尼系数来表达流域用水公平。

黄河流域生态保护和高质量发展成为重大国家战略，新时期黄河流域水资源安全保障提出了更高要求，亟需结合流域经济社会发展和用水变化情况，评估流域用水公平状况，分析用水公平性的主要影响因素，为提高流域水资源集约节约水平和合理配置提供支撑。因此，以黄河流域为例，研究1980～2020年黄河流域省区间不同行业和流域整体用水公平性，分析其影响因素，探究基尼系数的变化规律，提出提升流域用水公平的方向建议。

1 研究范围和基本数据

1.1 研究范围

黄河流域是我国水资源问题最为突出的区域之一，流域内水少沙多、水资源总量不足、供需矛盾尖锐、水生态环境问题长期存在。流域人均水资源量为全国的23%，单位面积水资源量不足全国的15%。以占全国2%的水资源量，承担着全国15%的耕地面积和12%人口的供水任务，同时还向流域外供水约100 亿m3。近年来在变化环境的影响下，黄河流域水资源量持续减少、用水需求不断增长导致供需失衡进一步加剧，尤其是不同省区之间用水的竞争性越来越强烈［21］。黄河流域生态保护和高质量发展成为重大国家战略，新时期黄河流域水资源安全保障提出了更高要求，亟需提高流域用水公平性。本文以黄河流域为例，以流域内9省区为评价对象，评价黄河流域经济社会用水公平性。

1.2 基本数据

研究的基本数据包括1980-2020 年流域内不同省区人口、灌溉面积、产业增加值等经济社会数据和不同行业用水量数据。

1.2.1 流域经济社会发展

流域社会经济数据来源于流域各省区及县域统计年鉴，按照流域范围进行统计分析。选取每5 年一个节点，对1980-2020年黄河流域人口、工业增加值、建筑业和第三产业增加值、农田有效灌溉面积等经济社会指标进行分析。如表1 和图1所示。

表1 黄河流域经济社会发展指标表Tab.1 Table of economic and social development indicators for Yellow River basin

图1 1980-2020年黄河流域经济社会相关指标变化Fig.1 Variations of economic and social indicators value in the Yellow River Basin from 1980 to 2020

总人口。1980 年以来呈直线增长，流域总人口从1980 年8 177 万人增加到2020 年12 300 万人，增长了约50%，2000 年以来增长率有所降低。

工业增加值。40 a 来持续增长，从1980 年的152 亿元增加到2020年的27 526 亿元，增长了180倍，2010-2020年增长速度有所放缓。

建筑业和第三产业增加值。40 a 来呈指数型增加，从1980年的178 亿元增加到2020 年的42 157 亿元，增长了235 倍，2015年开始超过了工业增加值。

农田有效灌溉面积。整体上呈增加态势，从1980 年的433万hm2增加到2020 年的568 万hm2，增长了31%。2005 年以来增长速度较为缓慢，2020年较2015年有所降低。

1.2.2 流域不同行业用水量

流域不同行业用水量数据来源于《黄河流域水资源公报》。共统计了1980-2020 年每5 年黄河流域9 省区的居民生活、工业、城镇公共和农田灌溉4个行业的用水量。

生活用水量。整体上呈缓慢增加态势，从1980 年的17 亿m3增加到2020年48 亿m3，增长了近2倍。其中，2005年较2000年有所下降。

工业用水量。1980-2010 年持续增加，从27 亿m3增长到63 亿m3，增长了1.3 倍。2010 年后开始下降，降低到2020 年的51 亿m3，降低了20%。

城镇公共用水量。40 a 来城镇公共用水量持续增加。从1980年的1.2 亿m3增加到13.6 亿m3，增长了10倍。

农田灌溉用水量。整体上呈缓慢下降到趋于平稳的态势，从1980 年的291 亿m3下降到2020 年的266 亿m3，减少了8%。2010年之后较为平稳。

流域总用水量。整体上呈先上升后趋于平稳的态势，从1980 年的336 亿m3增加到2000 年的396 亿m3，增长了18%，又下降到2020年的372 亿m3，减少了6%。

随着经济社会发展，流域用水结构发生显著变化（图2），生活用水比例从1980 年的5.1%增长至13.9%，工业用水比例从7.9%增长至2020 年的11.0%，城镇公共用水比例从不到1%增长到4%，农业用水比例从1980 年的87.0%降低至2020 年的69.6%。

图2 1980-2020年黄河流域用水量和用水比例变化Fig.2 Variations of water consumption and water proportion in the Yellow River Basin from 1980 to 2020

2 研究方法

2.1 基尼系数和洛伦兹曲线

为定量评价平等程度，赫希曼构造了一个用于测定收入分配差异程度的统计指标——基尼系数，其值在0～1 之间。基尼系数在0.2以下，表示分配“高度平均”或“绝对平均”；0.2～0.3之间表示“相对平均”；0.3～0.4之间表示“比较合理”；0.4～0.5为“差距偏大”；0.5 以上为“高度不平均”［14］。基尼系数可以通过洛伦兹曲线图中绝对平等线与洛伦兹曲线之间的阴影面积SA与绝对平等线与横坐标围成的三角形面积（SA+SB）之比来表示［11］（图3）：

图3 洛伦兹曲线示意图Fig.3 Schematic diagram of Lorenz curve

基尼系数的求解采用梯形面积法，即把洛伦兹曲线下方的面积近似当作若干梯形进行计算，计算公式为［13，22］：

式中：Xi为分行业用水关键影响因子的累计百分比，%；Yi为分行业用水量的累计百分比，%；i为流域不同省区，且当i＝1 时，（Xi-1，Yi-1）视为（0，0）。

2.2 行业用水公平性评价方法

从影响用水量的社会经济发展、水资源自然禀赋等因素出发，考虑因素的量化和数据的可获得性，本研究选取人口、工业增加值、建筑业和第三产业增加值、农田有效灌溉面积等作为生活、工业、城镇公共和农业用水量公平性的评估指标。

2.2.1 生活用水公平性

人口增长对生活用水量的增长具有较大的贡献［23］。不同区域生活用水量～人口的基尼系数可以反映不同区域人均生活用水量的差异，用来表示不同区域生活用水的公平性。

式中：G1为流域生活用水基尼系数；n为某一时间节点，一般为某一年份；Pi为人口的累计百分比，%；Di为生活用水量的累计百分比，%；i为流域不同省区，且当i＝1 时，（Xi-1，Yi-1）视为（0，0）。

2.2.2 工业用水公平性

不同区域工业用水和工业增加值的基尼系数可以反映不同区域工业用水的差异，可以用来表示工业用水的公平性。

式中：G2为流域工业用水基尼系数；n为某一时间节点，一般为某一年份；IDi为工业增加值的累计百分比，%；MIi为工业用水量的累计百分比，%；i为流域不同省区，且当i＝1 时，（Xi-1，Yi-1）视为（0，0）。

2.2.3 城镇公共用水公平性

不同区域建筑业和第三产业增加值与城镇公共用水的基尼系数，可以用来表示不同区域城镇公共用水的公平性。

式中：G3为流域城镇公共用水基尼系数；n为某一时间节点，一般为某一年份；CTi为建筑业和第三产业增加值的累计百分比，%；UPi为城镇公共用水量的累计百分比，%；i为流域不同省区，且当i＝1时，（Xi-1，Yi-1）视为（0，0）。

2.2.4 农业用水公平性

农田灌溉用水占农业用水量一般为70%～80%，本次研究用农田灌溉用水公平性代表农业用水公平性。黄河流域上中下游气象条件差别大［24］，考虑区域有效降水量对农田灌溉的影响，将农田灌溉用水量加上当地有效降水量作为农田实际用水量，采用农田实际用水量与有效灌溉面积的基尼系数反映不同区域农田实际用水量的差异，用来表示农业用水的公平性。

式中：G4为流域农田灌溉用水基尼系数；n为某一时间节点，一般为某一年份；Ai为农田有效灌溉面积的累计百分比，%；（AG+R）i为农田实际用水量的累计百分比，%，其中AG为农田灌溉用水量，R为有效降雨量；i为流域不同省区，且当i＝1 时，（Xi-1，Yi-1）视为（0，0）。

2.3 流域经济社会用水公平性综合评价

通过以上分析，流域省区间不同行业用水具有不同的基尼系数和公平性。为了反映整个流域用水公平性，综合考虑不同行业指标对用水量公平性影响的重要性，采用多因子综合基尼系数法，计算公式如下：

式中：G为流域经济社会用水综合基尼系数；G1、G2、G3、G4分别为生活、工业、城镇公共和农业用水的基尼系数；λ1、λ2、λ3、λ4为权重，表示生活、工业、城镇公共和农业用水分配公平性对流域总用水分配公平性影响的重要程度，分别取各行业用水量占流域经济社会用水量的比例。

流域总用水量W为各行业用水量的和：

则生活、工业、城镇公共和农业用水占流域总用水量的比例为：

3 结果和讨论

3.1 流域用水公平性变化

生活用水公平性。1980-2020 年生活用水基尼系数为0.09～0.17，说明流域生活用水属于“高度公平”。40 a 间生活用水基尼系数有一定波动，但是总体呈持续下降趋势，用水公平性得到不断提高。变化的主要原因是黄河流域各省区生活用水定额差距较小，且40 a来差距进一步缩小。

工业用水公平性。1980-2020 年工业用水基尼系数为0.14～0.27，说明工业用水属于“相对公平”（仅1980 年为0.14 属于高度公平）。40 a期间工业用水基尼系数先上升后下降，用水公平性先降低再提高。其中，1980-2005年用水公平性下降，主要是由于流域不同省区工业用水定额差距加大，如宁蒙能源化工产业发展迅速且用水定额较高。2005年以来，工业节水水平提高，工业用水定额差距不断缩小，用水公平性有所提高。

城镇公共用水公平性。1980-2020年城镇公共用水基尼系数为0.10～0.25，前30 a（2010 年之前）基尼系数小于0.2，后10 a（2010 年以后）基尼系数大于0.2，说明城镇公共用水公平性从“高度公平”转变为“相对公平”。城镇公共用水的基尼系数2000年以来持续增加，反映了不同省区第三产业用水定额差异持续加大，这是由于不同省区经济发展水平尤其是第三产业的发展水平差异较大，省区间第三产业门类多样，用水定额差别较大，使得城镇公共用水基尼系数增大，用水公平性下降。

农业用水公平性。1980-2020 年农业用水基尼系数为0.16～0.25，总体上处于下降态势，用水公平性逐步提高，从“相对公平”向“高度公平”转变，2020 年用水公平性达到最大。流域农田实际用水基尼系数逐年下降，反映了考虑有效降雨的各省区间农田实际用水定额的差距减小，主要因为农业节水不断增强，流域农田灌溉水利用效率得到提高，降低了省区灌溉定额的差距。

流域经济社会用水公平性。1980-2020年流域经济社会用水综合基尼系数为0.16～0.24，其中1980 年为0.21、2020 年为0.16，总体上处于下降态势，说明流域经济社会用水公平性逐步提高，已经从“相对公平”转变为“高度公平”。从分行业用水公平性来看，由于流域来水持续减少，刚性用水增加，不同区域和行业用水竞争加剧，工业和城镇公共用水公平性下降，尤其是城镇公共用水公平性下降较为明显。

对比以上4 种用水行业基尼系数40 a 年际变化（图4）可以看出，整体上工业用水的基尼系数最大，其次为农田灌溉用水、城镇公共用水和生活用水，反映出生活用水公平性最高，工业用水的公平性最低，农田灌溉和城镇公共用水公平性居中。不同行业用水量和产业规模之间的基尼系数一定程度上反映了不同省区之间定额的差异。不同省区能源资源禀赋不同、工业产业门类差别较大，黄河流域不同省区间工业用水定额差异较大，用水公平性较低［25］。生活用水定额在不同省区间差异较小，用水公平性最高。随着流域农业节水水平提高，考虑有效降雨的农田实际用水量差异变小，农田灌溉用水公平性提高。不同省区间第三产业发展水平差距逐渐拉大，城镇公共用水公平性有所降低。

图4 1980-2020年黄河流域分行业用水综合基尼系数变化Fig.4 Variations of water use Gini coefficient in different industries and composite Gini coefficient in the Yellow River Basin from 1980 to 2020

3.2 统一调度前后用水公平性对比

流域水资源管理对于协调省区间的用水矛盾和提高流域用水公平性具有重要作用，自1999 年黄河实行水量统一调度，本次选择统一调度前的1995 年和统一调度后2005 年两个典型年份，对生活、工业、城镇公共和农田灌溉用水的洛伦兹曲线进行对比分析，比较统一调度前后黄河流域不同行业用水基尼系数和公平性。

1995 年黄河流域生活、农田灌溉、工业和城镇公共用水的基尼系数分别为0.1、0.23、0.25 和0.1，生活用水和城镇公共用水为“绝对平均”，农田灌溉、工业用水为“相对平均”，其中，生活用水和城镇公共用水的公平性最高，工业用水公平性最低，农田灌溉用水公平性居中。

2005 年黄河流域生活、农田灌溉、工业和城镇公共用水的基尼系数分别为0.13、0.21、0.27 和0.17。生活用水基尼系数为0.13，为“绝对平均”，略高于1995 年数据0.10，说明生活用水公平性有所下降。农田灌溉用水基尼系数为0.21，为“相对平均”，略低于1995年数据0.23，说明农田灌溉用水公平性有所提高。工业用水基尼系数为0.27，为“相对平均”，略高于1995 年数据0.25，说明工业用水公平性有所降低。城镇公共用水基尼系数为0.17，为“绝对平均”，高于1995 年数据0.10，说明城镇公共用水公平性有一定程度下降。

1995 年和2005 年对比分析，统一调度之后农业用水基尼系数略有下降，生活、工业和城镇公共用水基尼系数均有增加，说明统一调度后农业用水公平性升高，但生活、工业和城镇公共用水的公平性下降。其中，城镇公共用水基尼系数升高最大，2005 年的城镇公共用水基尼系数已经超过了生活用水，城镇公共用水的公平性下降较快。这是因为黄河水量统一调度及管理有效控制了流域用水总量快速增长，按照黄河“八七”分水方案协调了各省用水总量，促进了节水水平和水资源利用效率提高［26，27］。其中作为第一用水大户的农业用水总量减少，用水效率逐步提高，省区间灌溉定额差距缩小，农业用水基尼系数减少；而生活、工业和城镇公共用水量大幅增加，在发展过程中各省区生活用水水平、产业发展特征和速度的差异性进一步拉大，各省区之间用水定额差异加大，用水基尼系数增加。

4 展 望

随着黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略深入推进，流域水资源安全保障和用水公平性也有更高的要求。今后要加快流域各省区经济社会高质量发展，逐步解决流域内部发展不充分和不平衡问题，加强流域水资源统一调配和水资源集约节约利用。加强工业和城镇公共用水科学管理，开展用水总量和强度双控，提升工业和城镇公共用水利用效率，提高其用水公平性。实施跨流域调水解决黄河流域水资源短缺问题，要重视调入水量分配的公平性研究，统筹用水的公平性和经济效益开展流域水资源均衡配置，发挥重大调水工程基础性和公益性功能。

5 结 论

（1）针对流域用水公平性评价对行业用水公平性考虑不足的问题，提出基于不同行业多因子基尼系数的流域用水公平性评价方法，并应用于黄河流域近40 a 来不同行业和流域整体用水公平性的评价。

（2）1980-2020 年流域经济社会用水综合基尼系数为0.16～0.25，其中1980 年为0.21、2020 年为0.16，总体上处于下降态势，说明流域经济社会用水公平性逐步提高，已经从“相对平均”转变为“高度平均”。从分行业用水公平性来看，工业和城镇公共用水公平性下降，尤其是城镇公共用水公平性下降较为明显。 “八七” 分水方案以及黄河水资源管理实践对流域用水公平性的提高起到了重要作用。

（3）流域不同行业用水公平性的差异归根结底是资源禀赋、用水机理和用水定额的不同。黄河流域用水公平性主要受到农田灌溉用水公平性的影响，随着流域水资源统一管理和农田灌溉用水效率的提高，黄河流域用水公平性是逐渐提高的。但工业和城镇公共用水的公平性有所降低，未来需要进一步提高工业、建筑业和第三产业的节水水平，合理降低省区之间定额差异。