中国水资源利用的时空分布格局探究

尹上岗， 马志飞， 黄 萍， 吴启焰,3*

(1.南京师范大学 地理科学学院， 南京 210023； 2.云南农业大学 马克思主义学院， 昆明 650201；3.西安交通大学 公共政策与管理学院， 西安 710049)

中国水资源利用的时空分布格局探究

尹上岗1， 马志飞1， 黄 萍2， 吴启焰1,3*

(1.南京师范大学 地理科学学院， 南京 210023； 2.云南农业大学 马克思主义学院， 昆明 650201；3.西安交通大学 公共政策与管理学院， 西安 710049)

水资源的合理利用对区域经济社会发展，及促进人与自然的可持续发展至关重要.以2004年～2015年中国31个省级行政单元为研究对象，利用重心分析模型测度其时序移动轨迹，并对水资源利用类型的结构变化进行探析，在此基础上，探究我国各省份的水资源利用效率的时空变化特征.研究表明：我国水资源总量的重心移动轨迹有很大的不稳定性，而水资源用量的重心移动轨迹大致呈“Z”型变化；生态用水和工业用水的空间变化差异最大，农业用水和生活用水空间变化差异较小；用水总量的变化差异和农业用水的变化差异空间分布基本一致；我国水资源利用效率基本上呈现出东高西低的阶梯状格局.

水资源； 利用效率； 时空分布； 重心模型； 中国

水是人类生产生活中最关键的资源，也是地球上所有生物赖以生存的物质基础.2003年联合国第58届大会决定从2005年至2015年为“生命之水”国际行动十年，旨在实现水和与水有关问题的国际承诺，实现联合国千年发展目标.2016年我国第二十九届“中国水周”主题为“落实五大发展理念，推进最严格水资源管理”，水资源短缺、水污染严重、水生态恶化等问题十分突出，已经成为制约我国经济社会可持续发展的主要瓶颈.我国淡水资源总量丰富，约占全球水资源总量的6%，居世界第四位，但是由于我国人口众多，人均水资源量只有2 100m3，仅为世界平均水平的28%，是全球人均水资源最贫乏的国家之一[1].随着工业化、城镇化的深入发展，水资源短缺与水生态环境恶化已经成为制约我国水资源利用的两大问题[2]，并且我国水资源时空分布不均，经济社会正处于转型发展的关键时期，日益严重的水污染问题加剧水资源短缺的矛盾[3].因此，对我国水资源的利用格局进行更细致的分析，不仅有助于对地区水资源进行合理的调配，促进水资源可持续利用和经济发展方式转变，更有助于保障我国经济社会长期平稳较快发展.

随着国内外对水资源相关问题的重视，关于水资源的区域水资源相关问题的研究越来越广泛.从研究内容来看，国内外学者主要对水资源利用效率的区域差异[1，4-5]、水资源可持续管理[6-7]、水资源时空分布的空间格局[8]以及水资源与经济社会发展之间的关系[9-10]等方面进行研究.多数学者着重对水资源利用效率的问题展开研究，评估研究区域的农业用水利用效率[11-12]、工业用水效率[13]等，评价方法多采用比值分析法[14]、数据包络分析法[3]、主成分分析法[15]等.而这些大都忽视了区域间水资源利用的重心变化及其水资源利用类型结构的变化，基于此，本文试图通过对我国水资源重心轨迹的刻画，同时考虑各类水资源利用类型的相对变化率的空间分布，最后测算我国各省份水资源利用效率的空间分布，以此来揭示我国水资源利用的时空格局差异特征，从而对我国水资源利用相关政策的制定提供参考.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文以全国31个省级行政单位(不含香港、澳门、台湾)为研究单元，并且将其划分为东、中、西3大地区，其中东部地区包括北京、天津、河北、辽宁、上海、江苏、浙江、福建、山东、广东、海南11个省市；中部地区包括山西、吉林、黑龙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南8个省份；西部地区包括内蒙古、广西、重庆、四川、贵州、云南、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆12个省、市、自治区.研究时段为2004年～2015年，所需的水资源投入和产出的相关数据主要来源于《中国水资源公报》(2004年～2015年)、《中国统计年鉴》(2005年～2016年)、《中国环境统计年鉴》(2005年～2016年)；所需的各省份经济数据来源于《中国统计年鉴》(2005年～2016年).

1.2 研究方法

1.2.1 重心分析模型 重心的概念来源于物理学，是指一个物体各部分所受重力产生合力的作用点[16].随着学科的相互交融，重心模型被应用到各个领域，近年来，很多学者运用重心模型分析经济重心[17]、人口重心[18]、旅游重心[19]等，重心模型已经成为研究区域发展过程中分析要素空间变动的主要工具[20].本文借鉴前人的研究成果，将重心模型引入到水资源及其利用的重心路径迁移问题上.重心地理坐标的计算方法如下：

(1)

式中，Xt、Yt分别为第t年重心的经度坐标和纬度坐标；mi为第i个次级区域某种属性的数量值；xi、yi为次级区域地理中心的经度坐标和纬度坐标.

1.2.2 水资源利用类型相对变化率 根据我国对水资源的相关分类，可以把我国的水资源利用类型划分为农业用水、工业用水、生活用水和生态用水四大类型.其中生活用水为城镇生活用水和农村生活用水，城镇生活用水由居民用水和公共用水(含第三产业及建筑业等用水)组成；生态用水为人为措施供给的城镇环境用水和部分河湖、湿地补水，但不包括降水、径流自然满足的水量.对于我国水资源利用变化的区域差异，可以用水资源利用类型的结构变化来表示，对此引入水资源利用类型的相对变化率，其公式如下：

(2)

式中，Pa和Pb分别表示某省份某一特定水资源利用类型的研究期初和研究期末的用水量；Ea和Eb分别表示全国某一特定水资源利用类型的研究期初和研究期末的用水量[21].如果某省份某种水资源利用类型相对变化率WUR>1，则表明该省份这种水资源利用类型较全国变化较大；若WUR=1，则表明该省份水资源利用类型与全国变化一致；若WUR<1，则表明该省份水资源利用类型较全国变化较小.

1.2.3 水资源利用效率 由于我国水资源消耗量的70%以上都是用于经济生产活动[14]，故经济生产活动中的水资源利用效率在很大程度上决定了水资源总体的利用效率.本文从经济方面衡量水资源的利用效率，以经济生产活动中水资源利用效率代替水资源总体利用效率.借鉴区位熵概念，将全国各省份GDP占全国总GDP的比重与各省份水资源用量占全国水资源用量的比重二者之间的比值作为水资源利用效率[14]，具体公式见下：

(3)

式中，WUEij为i省份j年份的水资源利用效率；Gij为i省份j年份的地区GDP；Gj为省份j年份的全国GDP；Wij为i省份j年份的地区用水量；Wj为省份j年份的全国水用量.

2 中国水资源重心的演变轨迹

水资源重心在时间和空间维度上的变化，反映出区域水资源空间分布差异的动态演变过程.由式(1)计算出2004年～2015年间中国水资源及其利用的重心变动，以探讨中国水资源及其利用的时空演变的总体移动趋势(图1).

由中国水资源总量重心轨迹图(图1)可知：我国水资源总量重心移动轨迹具有很强的不稳定性，在四川东部、重庆西部徘徊.这与我国的季风气候密不可分，因为水资源总量由地表水资源量和地下水资源量组成，而我国地表水资源量(含地表水资源与地下水资源重复量)占水资源总量的95%以上，因此地表水资源是水资源总量的最主要的组成部分，地表水资源的主要来源便是降水.由于季风的强弱与进退时间每年不一，故季风气候区降水的年际变化较大，从而导致我国水资源总量的重心每年变动都较大.水资源重心移动距离的大小，反映出水资源的年际变化的稳定程度.2011年我国水资源总量重心移动最大距离为175.28 km，向西北方向跳动，2012年又折回174.91 km.2004年～2015年我国水资源总量重心年平均移动距离为105.18 km，反映出我国各省水资源年际变化较大.

由水资源用量重心轨迹图知，2004年～2015年我间国水资源用量重心移动轨迹具有明显的阶段性，大体上呈现出“Z”型趋势发展变化，轨迹均位于河南西南部.在移动方向方面，2004年～2011年间基本上呈现为西南—东北趋势，2011年～2015年基本上呈东南—西北趋势.在移动距离方面，2004年～2015年水资源用量重心年平均移动距离为9.93 km；2003年～2010年平均移动距离为6.66 km；2010年～2012年平均移动距离较大，为26.79 km，其中2012年移动距离最大，达到34.71 km；2012年～2015年平均移动距离为5.24 km.总体而言，水资源用量重心从32°44′N，111°31′E迁移到33°05′N，111°34′E，呈现出缓慢向东北方向移动的趋势.在南北方向上，向北移动0.364°，年均移动0.033 1°，约3.68 km；在东西方向上，向东移动0.042°，年均移动0.003 8°，约0.36 km，速度略慢于南北方向，表明我国东部和西部水资源的用量较为稳定，而南北方用水量差距明显，北方用水量相对南方有明显增加.

图1 中国水资源重心移动轨迹变化图Fig.1 Moving track of China water resources gravity center

对比水资源总量和用量重心移动轨迹图可以发现：2004年～2015年间我国水资源总量的重心轨迹与水资源用量的重心轨迹明显偏离，具体表现为水资源用量的重心轨迹位于水资源总量重心轨迹的东北方向，年偏离距离平均为573.11 km，其中2004年最大，偏离距离达到了660.42 km，2008年、2011年也较大，均达到640 km以上.导致这一现象的原因在于我国西南地区夏季受印度洋西南季风的影响，降水充沛，另一方面西南地区河湖众多，是亚洲很多大河的发源地，使西南地区是我国水资源最丰富的地区，故我国水资源重心偏西南.而华北、东北地区作为我国重要的农业耕作区，需要大量的水资源灌溉农田，我国作为传统的农业大国，农业用水量占全部用水量比重的60%以上，故相对水资源总量重心，我国水资源用量重心偏东北.我国水资源总量重心和水资源用量重心的偏离，也是我国南水北调等水资源跨区域调配工程的重要原因.

3 中国水资源的空间分布格局

3.1 水资源利用结构变化

根据式(2)计算出2004年～2015年我国各省份农业用水量、工业用水量、生活用水量、生态用水量、用水总量和人均用水量的相对变化率(图2).从用水类型的空间变化来看，生态用水量和工业用水量的空间变化差异最大，农业用水量和生活用水量次之，人均用水量和用水总量的变化最小.

从空间变化的地区分布来看：1) 农业用水以黑龙江、吉林、山西等省份的变化大于全国的变化，而北京、上海、浙江等省份变化最小，长江中下游省份变化略快于全国，其余大多数省份的变化均比全国稍慢.2) 工业用水以少数民族自治区、吉林、安徽的变化明显大于全国的变化，而北京、黑龙江、甘肃、青海的变化远远小于全国变化，其余省份比较接近全国的变化.3) 生活用水变化中福建、湖北、四川大于全国的变化，黑龙江和青海相对变化率较小，其他省份围绕全国的变化水平稍有浮动.4) 生态用水变化差异最大，大多数省份的变化快于全国，其中以内蒙古、甘肃和北京的相对变化率最大，分别为13.7、10.36和6.95；而江浙沪、两广、湖南、西藏、新疆等省份均小于全国的变化，其中江苏的变化率最小，仅为0.1.5) 用水总量的变化差异最小，安徽、山西、吉林和黑龙江等省份的变化大于全国，而上海、浙江和青海为相对变化率的低值区，其他省份的变化在全国变化水平附近轻微浮动.6)人均用水量中安徽、四川、黑龙江和吉林的变化明显大于全国的变化，京津、沪浙、广东等省份的变化小于全国的变化，其余省份的相对变化率在1周围略有浮动.

图2 2004年～2015年我国水资源利用结构变化空间格局Fig.2 Spatial pattern of water resources utilization structure change in China during 2004～2015

由以上对我国水资源利用结构变化的分析可知，我国用水总量和人均用水量变动较小，表明我国水资源利用量总体上较为稳定，但水资源利用的区域差异有不同的成因.由图2可知，我国用水总量相对变化率的空间分布与农业用水的变化差异分布基本一致，表明我国水资源利用结构的空间变化主要受农业用水空间变化的影响，但具体到某一省域略有不同.安徽、江西、湖北、陕西等省份用水总量相对变化率明显大于全国的主要原因是四大用水类型的相对变化率均高于全国，这是由于这些省份地处中西部，正处于经济发展的加速阶段，但由于用水技术较为落后，各种类型的用水都有显著增加.山西、重庆、四川等省份用水总量相对变化率大于全国主要是由于农业用水、生活用水、生态用水的相对变化率均高于全国；山西近些年关闭或整合了大批小煤矿，淘汰了落后矿井，而重庆、四川近几年推进工业结构转型升级，加快推进节能减排任务，都使工业水资源利用效率得到较大提升；北京受生态用水和生活用水的影响使得用水总量相对变化率高于全国水平.新世纪以来，北京环境状况愈发严峻，为此加大了生态领域水资源的用量，另一方面北京作为我国首都，经济发达，每年都吸引了大批外来人口，2004年～2015年间常住人口增加近七百万，并且北京第三产业比重较大，第三产业用水是生活用水的重要组成部分，故生态用水和生活用水的相对变化率较高；吉林主要为农业用水、工业用水和生态用水相对变化率高于全国变化使用水总量变化率较高；黑龙江用水总量相对变化率大于全国主要由于农业用水的相对变化率均大于全国变化；新疆主要受农业用水和工业用水的双重影响使得用水总量相对变化率高于全国变化.

3.2 中国水资源利用效率空间格局

由式(3)计算出2004年～2015年间我国各省份水资源利用效率，并利用ArcGIS软件对2004年和2015年我国各省份水资源平均利用效率进行可视化表达(图3).

图3 我国各省份水资源利用效率空间格局Fig.3 The average utilization efficiency of water resources in different provinces of China in 2004～2015

根据区位熵的相关原理，借鉴前人的研究成果[14]，再结合我国水资源利用的现状，将我国水资源利用效率划分为4类：1)水资源利用高效型(2.0～6.0)，2004年此类型共有5个省份，分别为北京、天津、上海、山东和山西；2015年有4个省份，山西降为较高效型.2)水资源利用较高效型(1.0～2.0)，2004年此类型共有10个省份，包括浙江、辽宁、河北、河南、陕西等；2015年仍有10个省份，虽然数量未变，但是省份稍有变化，山西由高效型降为较高效型，江苏由较低效型升为较高效型，吉林、四川由较高效型降为较低效型.3)水资源利用较低效型(0.5～1.0)，2004年此类型共有11个省份，包括江苏、安徽、湖北、贵州、云南等；2015年也有11个省份，其中江苏升为较高效型，吉林、四川降为较低效型，黑龙江降为低效型.4)水资源利用低效型(0～0.5)，2004年此类型共有5个省份，分别为广西、西藏、甘肃、宁夏和新疆；2015年为6个省份，黑龙江由较低效型降为低效型.

总体来看，我国水资源利用效率基本上呈现出东高西低的格局，东部地区多为高效型和较高效型，中部地区多较高效型和较低效型，西部地区多为较低效型和低效型，呈现出明显的阶梯状，并且这种水资源利用效率的空间格局在时间上变化不大.从各省份来看，2004年北京利用效率最高，达到了5.798，天津次之，为4.660；新疆的利用效率最低，仅为0.147.2015年天津利用效率最高，为5.434，北京5.088次之，新疆利用效率依然最低，仅为0.136.

从水资源利用效率类型的空间分布来看(图3)，水资源利用高效型均分布于东部，而且包括3个直辖市，这些地区大都临海，但是水资源相对匮乏，不过由于近几年这些地区产业转型升级和调整产业结构，使本地区水资源的利用效率和技术水平得到较大提升.水资源利用低效型大多位于西部，这些地区大都是农业大省，农业用水占到总用水量的75%以上(广西除外)，农业需要大量水资源的灌溉，而农业产值相对其他产业又比较低，故这些地区水资源利用效率低，如甘肃、宁夏、新疆等省份，这些地区产业结构较为落后(以农业为主导)，水资源利用的技术水平较低，故水资源利用效率低下.

从利用效率类型的时间变化来看(图3a、3b)，山西、吉林、黑龙江等省份水资源利用效率下降的原因可能由于这些省份产业结构较为落后甚至不合理，如山西的产业结构主要以能源和原材料工业为主导，而吉林、黑龙江作为我国的东北老工业基地，亦是我国的农业大省，产业结构主要以农业、工业为主，农业、工业都需要大量水资源的投入，再加上这些省份近几年经济发展相对较慢，致使其水资源利用效率相对下降.江苏作为长三角的组成部分，经济实力一直位于我国前列，近些年又不断调整结构产业结构，基本形成以装备制造、电子信息等高新技术产业为主导的产业结构，2015年其第三产业产值实现超越第二产业的标志性转变，而高新技术产业和第三产业需水量相对较少，因而江苏水资源利用效率有所提升.

3.3 三大地区水资源利用状况比较

本文把我国分为东部、中部、西部三大地区，分析比较东、中、西三大区域的水资源利用效率状况及水资源利用类型结构变化，抽象构建起中国水资源利用状况的分布模式(图4).

由图4知，我国水资源利用效率呈现出东高西低的阶梯状格局，其中东部水资源利用效率最高，其结构变化主要是由于生活用水和生态用水的相对变化率较大；中部水资源利用效率属于中等水平，其结构变化主要是农业用水、工业用水和生态用水相对变化率较大；西部水资源利用效率最低，其结构变化则主要由于工业用水和生态用水相对变化率较大引起.

图4 中国三大地区水资源利用效率及结构变化主导因素Fig.4 Water resources utilization efficiency and its structural change in three major regions of China

东部生活用水、生态用水相对变化率较大，主要由于东部地区是我国流动人口流入的主要地区[22]，一方面东部大力调整产业结构，近年来东部多数省份第三产业增加值已超过或者接近第二产业增加值，而三产的用水主要为生活用水；另一个方面由于东部地区技术进步使农业用水和工业用水利用效率得到提升.中部地区多为农业大省，且大多处于工业化中期阶段[23]，需要大量的农业、工业用水.西部地区也处于工业化的中期阶段[24]，不论东中西，生态用水的相对变化率均显著变大，这是由于我国近些年来倡导生态文明建设，在发展经济的同注重对生态环境的保护.国家区域政策的不同也会对不用区域水资源利用结构产生影响，如我国鼓励东部发展高新技术产业，而对中西部地区采取鼓励其快速推进工业化的政策.

4 结论与讨论

本文利用2004年～2015年间我国31个省份水资源投入与产出的面板数据，对我国水资源利用类型的结构变化及利用效率的空间差异进行分析，得到如下结论．

1) 我国水资源总量重心移动轨迹具有不稳定性，这主要与我国的季风气候有关；我国水资源用量重心移动轨迹大体上呈现出“Z”型态势变化发展，我国水资源总量的重心轨迹与水资源用量的重心轨迹明显偏离，即我国水资源的空间分布与经济社会要素空间分布不匹配.

2) 生态用水和工业用水的空间变化差异最大，农业用水和生活用水空间变化差异较小.我国用水总量相对变化率的空间分布与农业用水的变化差异分布基本一致.

3) 十多年来我国水资源利用效率的空间格局基本未发生大的变化，各省份变化较为连续.我国水资源利用效率基本上呈现出东高西低的阶梯状格局，三大地区水资源利用效率较为稳定，不过西部水资源效率呈上升趋势，随着时间的推移，和中部的差距渐渐缩小，并且北方水资源利用效率要大于南方.

当前我国正处于转型发展的关键时期，对资源和环境的压力逐渐增大，因此了解我国水资源及其利用的空间分布状况，对合理配置水资源，促进经济社会可持续发展至关重要.由于我国水资源总量重心和水资源用量重心的明显偏离，故应加快论证南水北调西线工程的可行性，适时推进从西南向北方调水的工程，当然也应加强调出区生态环境的保护.

由于我国农业用水量占总用水量的比重较大，因此在加大工业节能减排的同时，在农业方面也应推广节水灌溉技术.另一方面部分水资源丰富的省份(如西南地区的省份)水资源利用效率不高，故不能以水资源丰富作为水资源利用无节制的资本.三大地区水资源利用效率差异明显，所以应加强地区间水资源利用技术方面的交流，加快调整产业结构，转变经济发展方式，提高水资源的利用效率，缩小水资源利用效率区域间的差异.

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Thespatial-temporaldistributionpatternofwaterresourcesutilizationinChina

YIN Shanggang1， MA Zhifei1， HUANG Ping2， WU Qiyan1，3

(1.School of Geographical Science， Nanjing Normal University， Nanjing 210023， China; 2.School of Marxism， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China; 3.School of Public and Administration, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The rational use of water resources is of vital importance to the regional economic and social development and the sustainable development of man and nature. Based on the panel data of 31 provincial administrative units in China from 2004 to 2015， the moving track of water resource gravity center in China was measured by using the gravity analysis model， and the structural changes of water resources utilization types were also analyzed. On this basis， exploring the character of temporal and spatial changes of water use efficiency in China’s provinces. The results show that there is great instability in the trajectories of the center of gravity of the total water resources in China， while the center of gravity of the water resource movement is roughly “Z” type change. The spatial variation of ecological water and industrial water is the largest， while that of domestic water and agricultural use is small， and the variation of water consumption and agricultural water use are basically the same. China’s water use efficiency is basically showing the ladder-like pattern of high in the east and low in the west．

water resources; utilization efficiency; temporal and spatial distribution; gravity center model; China

2017-04-20.

国家自然科学基金项目(41271176、41671155)；北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室系统基金(2015BGERLKF06).

*通讯联系人. E-mail: chiyanwu@gmail.com.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.06.019

1000-1190(2017)06-0841-08

F124.5； TV211.1

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