基尼系數法在水環境容量區域分配中的應用

張磊++鄭潔

摘 要：文章簡要地闡明了水環境容量的特性與計算方法，闡述了水環境容量在污染物總量控制中的重要意義。在此基礎上，對國內外污染物分配現狀及常用的水環境容量區域分配方法的歸納與分析。

關鍵詞：水環境容量；基尼系數

中圖分類號：X196 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）12-0046-02

1 水環境容量

1.1 基本概念

水環境容量是環境容量在水資源研究領域的演繹。目前對于水環境容量的定義，國內外學者仍持各種不同的觀點。我國“七五”國家環境保護攻關項目組認為：“水環境容量是水體環境在規定的環境目標下所能容納的污染物量。理論上水環境容量是環境的自然規律參數在社會效益參數下的多變量函數，她反映污染物在水體中的遷移、轉化規律，同時滿足特定功能條件下水環境對污染物的承受能力?！?/p>

水環境容量的性質可分為三大屬性、九個方面的特征[1]。從水環境容量的目標性特征來看，環境容量與環境質量管理目標是相關的，而環境質量管理目標是由社會對功能區的環境需要確定的，因而環境容量也必然會因社會需要而表現出基于地域、行業等方面的差異。從此意義出發，水環境容量在實際工作中可作為水污染物總量控制的重要指標。

1.2 計算方法

常規的水環境容量計算方法是將河流分為若干段，然后依實際情況選用適當的河流參數和水質模型計算出各段的理論納污量，最后求和得到總容量。如戎立[2]在計算石家莊市主要河流的水環境容量時，首先依照水文資料、水質要求與水環境功能區劃分原則對石家莊水域進行科學劃分，將一個功能區設計為一個計算單元，利用完全混合模型與允許排污量模型分別計算得石家莊地表水的CODCr環境容量和允許排放CODCr量。但是，常規的計算方法存在著理論性的問題。如若河段劃分得越多，則環境容量總和將會越大，這顯然是不合理的。

2 基尼系數法

2.1 簡 述

基尼系數是20世紀初意大利經濟學家基尼（Gini）根據洛倫茨曲線提出的用于分析國民收入規模分配格局的一個概念，常用于衡量居民戶之間收入的平等性程度。

依照人權平等的思想，每個人應當具有相同的收入水平，即所得洛倫茲曲線應為一條直線，該直線通過O點且平分以橫縱軸為邊長的正方形，記為s；然而在實際生活中，這種情況是極罕見的，身體狀況、文化程度等因素必然會使人們的收入出現不平均的現象，將實際統計所得數據作得的洛倫茲曲線，記為r。實際洛倫茲曲線與理想曲線之間有一定的差距，這種差距用二者所圍圖形的面積表示，記為A；將實際曲線下方的面積記為B。用A/A+B之值來反映收入分配的公平性程度，即為基尼系數。用公式可表示為：

Gini=■（1）

2.2 計算方法

基尼系數有多種計算方法，常用的基尼系數計算方法有梯形面積法、積分法等。其中梯形面積法主要適用于數據量不大的一般應用情況，而積分法則用于樣本數據量大（至少為50[2]）、精度要求高的場合。以此為依據，本文選用梯形面積法計算基尼系數。計算公式如下：

Gini=1■（Y■+Y■）（X■-X■）（2）

式中，Xi為人口等指標的累計百分比；Yi為污染物的累計百分比；且當i=1時，（Xi-1，Yi-1）=（0，0）。

3 基于基尼系數的水環境容量區域分配方法

采用基尼系數法進行水環境容量的區域分配時，分配方案的產生必須建立在兼顧公平與效益原則的基礎上，綜合權衡影響區域容量利用能力的各方面因素，選取代表性指標并計算各指標下的基尼系數，然后以基尼系數總和最小為優化目標，在依據實際情況制定的約束條件下進行規劃求解，從而得出唯一的、最為公平的分配方案。

3.1 選取控制指標

水環境容量區域分配指標的選取是分配方案制定的重要環節，所選指標是否合適直接影響分配方案的科學性與可行性。以天津市海河流域水環境容量分配情境為例，借助層次分析法的基本思路，從自然、經濟和社會三方面綜合考慮影響水環境容量分配的因素。

影響水環境容量區域分配的因子幾乎涉及到行政區的各個主要方面，可以說，水環境容量區域分配實際上是一個由眾多因素構成的、相互聯系的復雜系統。若僅按照系統對于某一因素的公平性程度來分配水環境容量，那么在實際分配時必然會出現“牽一發而動全身”的現象，即調整后整個區域的水環境容量利用狀況雖然基于某一因子具有較高的公平性程度，但這種容量利用現狀卻難以滿足其他方面對水環境容量的需求，甚至出現極度不公平的現象。如張晉華同學在研究黃河流域水資源分配狀況時發現，黃河流域基于行政區收入的基尼系數接近于0，即達到極度平均的程度，而在土地面積等方面的基尼系數則顯示水資源的利用處于十分不公平的范圍內。而事實上，現如今黃河流域水資源利用狀況確實處于不均衡狀態。結合上文對基尼系數衡量平等程度的討論可知，絕對的平均并不意味著公平，公平應當是建立在系統各方面相互協調、互相推進的基礎之上而形成的一種狀態，自然界生態系統的運作發展正是這一觀點的極好例證。

因此，我們需要綜合權衡多方面因素的影響，選擇可以代表各因素的指標并求得各指標下的基尼系數，以基尼系數之和作為衡量水環境容量區域分配公平性的尺度。為兼顧分配方案的科學性與可行性，本文僅選取影響區域分配的幾個主要因素作為考察重點，同時控制所選指標在5個以內以保持模型的可行性與簡明度。

作為水體納污能力的一種表征，水環境容量必然與自然條件下的水資源量及水體的納污能力等有著十分密切的聯系。同時，水環境容量區域分配也要著重考慮行政區的經濟發展水平，考察其所具備的污染治理能力，否則分配方案的可行性會顯著降低，從而影響到整個區域的環境保護工作。

除此之外，區域分配還受許多社會性因素的影響，如人口數量和人們的環保意識等。特別地，生活污水的排放量與當地人口具有客觀的、直接的聯系，應當作為水環境容量分配的考察重點，而其他主觀性較強、難以量化的因素則不作為本文區域分配的重點，而僅在可行性分析時依實際情況作適當調整即可。

基于以上的定性分析，本文主要考慮資源秉賦、經濟及社會客觀因素對水環境容量分配的影響。因涉及該方面的具體指標較多，為滿足模型客觀性與簡潔性的要求，筆者主要選取易采集、可比較、可定量化[3]且具有代表性的指標作為區域分配指標。根據天津市海河流域水環境容量的分配現狀，本文初步選擇水資源量、土地面積、水環境容量最大值、GDP和人口作為備選指標。然而，各地區對水資源量的統計存在許多缺陷，特別是對行政區共有的水資源量無法進行科學的劃分。與此相比，土地面積則不存在上述問題，且能在一定程度上表征各地區的納污能力。因而，本研究僅用土地面積和水環境容量最大值作為表征地區資源秉賦的分配指標。

3.2 計算基尼系數

確定區域分配指標后，利用公式（2）分別計算出各指標所對應的現狀基尼系數GO（j）（j=1，2，3，4），并求得各基尼系數之和，即分配現狀下的總基尼系數GtO。具體求解步驟如下：

①求各行政區單位指標下的水環境容量e（i）；

②按e（i）遞增的順序將行政區排序，形成一個新的數據序列；

③分別求各行政區相應指標和水環境容量占總量的百分比；

④分別求新數據序列下各行政區相應指標和水環境容量相應的累積百分比；

⑤求B值；

⑥依公式（2）計算基尼系數。

依照基尼系數的含義，各指標的基尼系數可較為科學地反映水環境容量在該影響因子下的公平性程度。然而引入環境規劃領域后，基尼系數的評價標準勢必會因應用情境的改變而改變。因此，本文不再沿用經濟學領域中的標準，而僅基于基尼系數的公平性意義尋求總基尼系數最小、即最為公平的分配方案。

3.3 優化分配方案

水環境容量的區域優化分配實質上是一個線性規劃問題。規劃求解的目標函數是使總基尼系數最小，而制定合適的規劃約束條件是優化分配的關鍵。本文制定的約束條件如下：

①基于天津市水環境容量過度消耗的現狀，本次調整需在整個區域內進行一定比例的削減，使得削減后各行政區水環境容量利用量的總和達到總體要求。按照國家環?？偩汁h境規劃院的《重點流域水污染防治“十一五”規劃編制技術細則》要求，選定污染物消減總量在5%±0.5%較為適宜。在此后分配工作中可依實際情況對削減總量作相應的改動。

②規劃求解過程中各指標的基尼系數要小于等于現狀值，即保證行政區間水環境容量分配基于各指標的公平性狀況不變差，然后在此基礎上進行分配方案的優化。

③考慮到各區縣的客觀條件并同相關部門商討后確定各行政區的可行削減比例的上、下限分別為1%和20%，在后續分配工作中可依實際情況對其作相應的改動。

④優化求解時保證各行政區在洛倫茲曲線中的排序不發生變化，即使行政區單位指標下水環境容量的排序與現狀保持一致。因為單位指標的水環境容量值代表了各地區基于該指標的水環境容量的使用額度，區域間額度的總體分布態勢與各地區經濟、社會對水環境容量的需求是基本一致的。如若將這種態勢打亂，那么就意味著某些地區對應指標下的水環境容量利用狀況將發生劇烈的變化，這樣勢必會引起許多方面的紊亂。因而，分配方案的優化必須要在尊重現實、尊重客觀的基礎上才能得以實現，優化過程應逐次深入、漸進式地進行。

4 結 語

本文在深入研究水環境容量的特性及其區域分配現狀的基礎上，認為現有的水環境容量區域分配方法在理論或實際層面上存在著一些欠缺，特別是許多方案的可行性較差，從而未能真正地服務于實際的水環境容量區域分配工作，導致容量利用的不合理程度日益加劇。為使分配方案兼顧公平與效益原則且具有較強的可行性，筆者引入基尼系數這一衡量居民收入公平性的經濟學概念，在綜合考慮各地區自然、經濟和社會的情況下，以公平為主要目標構建了一套以多維度的基尼系數衡量區域分配公平性的分配優化規則。該方案以整個區域分配的總基尼系數最小為目標函數，通過設定適當的約束條件以體現實際分配要求，然后進行規劃求解，得到一個最為公平且唯一的區域分配方案。

參考文獻：

[1] 戎立.石家莊市主要河流水環境容量研究[D].南京：南京理工大學， 2005.

[2] 林高松，李適宇，江峰.基于公平區間的污染物允許排放量分配方法[J].水利學報，2006，（1）.

[3] 林巍，傅國偉，劉春華.基于公理體系的排污總量分配模型[J].環境科學，1996，（6）.