黄河流域各省（区）用水价值空间聚集特征分析

吴泽宁 狄丹阳 黄硕俏

摘 要：基于空间自相关方法揭示用水价值的空间分布特点，可为流域水资源管理和合理配置提供决策依据。以黄河流域为例，基于2015年各省（区）实际用水量数据量化用水价值，结合能值价值理论和空间自相关分析方法，分析了黄河流域各省（区）用水价值空间分布及其聚集特征。结果表明：黄河流域经济用水价值、生态环境用水价值和总用水价值具有明显的空间差异性;黄河流域各省（区）用水价值具有明显的空间聚集特征，其中经济用水价值在黄河上游出现低值聚集，在陕西省、河南省和山东省出现高值聚集;社会用水价值在全流域高值聚集明显;生态环境用水价值高值聚集在宁夏回族自治区、内蒙古自治区、陕西省和山西省;总用水价值高值聚集出现在青海省、四川省和陕西省，低值聚集出现在宁夏回族自治区及内蒙古自治区。建议在流域水资源管理中统筹考虑经济、社会和生态环境用水价值，巩固高值区用水价值，提升低值区用水价值，推进高值区带动低值区水资源管理水平的提高。

关键词：用水价值;空间自相关;聚集特征;黄河流域

中图分类号：TV213.4;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.018

Abstract：The study on distribution characteristics of water resources value based on spatial autocorrelation can provide the basis for decision-making for scientifically formulating the policies of water resources management and optimal water allocation in the Yellow River Basin （YRB）. Thus， the energy value theory and spatial autocorrelation analysis method was adopted in the YRB to formulate the spatial aggregation characteristics of the basin based on the 2015 regional statistical water resources data in each region. The results indicate that there are obvious spatial differences in economic value， ecological environment value and comprehensive value of water resources in the YRB. Simultaneously， the regional water resources value of the YRB has obvious spatial aggregation characteristics. Among them， the economic value of water resources has a low value aggregation in the upper reaches of the YRB， and high value accumulation in Shaanxi， Henan and Shandong provinces; social value of water resources has obvious high value accumulation in the entire basin; the high value of ecological environment value of water resources is concentrated in Ningxia， Inner Mongolia， Shaanxi and Shanxi provinces; the high-value aggregates of comprehensive value of water resources are appeared in Qinghai， Sichuan and Shaanxi provinces and the low-value aggregates are appeared in Ningxia and Inner Mongolia. Overall consideration should be given to the economic， social and eco-environmental value of water resources in water resources management of the YRB. Simultaneously， it is necessary to consolidate the water resources value of high-value regions and improve the low-value regions as the goal， so as to promote the improvement of water resources management level in low-value regions.

Key words： water resources value; spatial autocorrelation; clustering characteristics;Yellow River Basin

水資源是保障经济、社会和生态环境有序发展的重要物质基础[1-2]。合理的用水政策和配置策略不仅能充分发挥水资源的价值，还能有效促进区域可持续发展。黄河流域涉及多个省（区），各省（区）地理位置、生态环境和发展水平不均衡，经济、社会和生态环境用水价值存在明显差异，明晰流域用水价值的空间分布特点，对完善流域水资源管理政策、科学配置流域水资源具有重要的现实意义。文献分析显示，相关研究将地理学的自相关分析方法作为空间分布特征的分析工具，对耕地资源、碳排放、城市居民消费等的变化规律进行分析，实现了预期的研究目标[3-5]，但是缺乏针对流域用水价值空间特征的研究。本文将可统一度量水资源经济、社会和生态环境价值的能值分析方法[6]与空间自相关分析方法结合起来，以黄河流域为研究对象，探讨用水价值在黄河流域的空间聚集性及其在不同省（区）的聚集特征。

1 流域省（区）用水价值空间聚集特征分析方法

1.1 用水价值能值量化方法

水资源是生态环境的基本要素，是生态环境系统结构与功能的组成部分[7]。流域各用水部门处于经济和社会系统，流域水行政管理的目标是实现经济、社会、生态环境的和谐发展。因此，用水价值的研究应立足于水资源经济-社会-生态环境复合系统（水资源生态经济系统）[6]。基于能值价值理论分析，黄河流域用水价值包括经济用水价值、社会用水价值和生态环境用水价值，其构成见图1[8-9]。

针对流域用水价值构成，采用能值分析方法，将水资源生态经济系统能量投入、价值产出统一转换为能值，实现不同量纲价值的统一量化。基本转换公式为[10]

1.2 流域省（区）用水价值空间聚集特征分析方法

1.2.1 流域用水价值空间聚集性判别

空间自相关分析即分析空间不同观察对象之间同一变量的关联特性，可将其引入用水价值空间维度的研究，分析流域各省（区）之间同一价值变量的空间关联特征。采用全局空间自相关分析法，判断同一价值变量在全流域是否存在空间聚集现象。全局空间自相关用Moran指数I表征[12]，计算公式为

式中：I为Moran指数;xi、xj分别为流域省（区）i、 j的用水价值;n为省（区）数量;为流域用水价值的平均值;S2为流域用水价值的方差;wij为空间权重矩阵中的元素[13]。

I>0反映同一价值变量在流域省（区）之间具有正相关性，即该价值变量在省（区）之间存在潜在关联;I越趋近于1，空间关联越明显;I=0时，不存在空间相关性;I<0反映同一价值在流域省（区）之间有负相关性，即该价值变量在省（区）之间存在潜在差异，I越趋近于-1空间差异越显著。

1.2.2 流域用水价值空间聚集位置及特征分析

局部空间自相关用LISA（Local Indicators of Spatial Association）指标表征[14]。Moran散点图可以直观表达省（区）用水价值变量的空间聚集特征，LISA聚类图可以显示空间聚集位置。通过绘制Moran散点图和LISA聚类图，可以表征流域各省（区）用水价值变量的空间关系。Moran散点图分为4个象限，结合用水价值的高低及其相互关系，界定各象限的用水价值空间聚集模式和内涵（见表1）。

“高-低”聚集说明省（区）自身用水价值高，相邻省（区）的用水价值低。在水资源管理中，可推广自身水资源配置格局与管理经验，发挥对低值省（区）用水价值提升的带动作用

2 结果与分析

2.1 数据来源

黄河是我国的第二大河，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东9个省（区）。鉴于2015年流域省（区）用水量数据相对完整（见表2）[15]，本文选择计算2015年流域各省（区）经济、社会、生态环境用水价值及总用水价值，并进行空间聚集特征分析。水资源数据来源于《黄河水资源公报2015》、各省（区）《水资源公报2015》，经济、社会和生态环境数据来源于各省（区）《统计年鉴2016》《中国环境统计年鉴2016》《废水排放年鉴》《中国统计年鉴》《2015环境质量公报》及《黄河流域综合规划（2012—2030）》等。

2.2 黄河流域省（区）用水价值计算结果

结合基于能值理论的用水价值计算方法[16-18]和能值/货币比率折算原则[11]，对黄河流域各省（区）经济、社会、生态环境及总用水价值进行货币化度量，计算结果见表3。

2.3 黄河流域用水价值空间分布及聚集特征

2.3.1 黄河流域省（区）用水价值空间分布

由表3可知：黄河流域各项用水价值的空间分布存在明显差异，不同省（区）总用水价值为8.73～16.53元/m3，最大值是最小值的1.89倍;经济用水价值为4.12～11.29元/m3，最大值是最小值的2.74倍;社会用水价值为30.74～32.65元/m3，最大值与最小值相差不大;生态环境用水价值为16.62～25.30元/m3，最大值是最小值的1.52倍。

根据黄河流域各省（区）经济、社会、生态环境以及总用水价值的空间差异性特征，建议在水资源优化配置和管理过程中统筹考虑以下4个方面：首先，社会用水价值高于生态环境用水价值，而反映水资源效率属性的经济用水价值最低，说明从用水价值角度出发，满足人类生存生活需求具有最高的优先级，在黄河流域水资源配置中应优先保障社会生活用水量;其次，社会用水价值在流域省（区）之间的差异最小，说明目前流域各省（区）的社会生活用水配置基本合理;再次，生态环境用水价值高于经济用水价值，从价值量的角度验证了保障生态环境用水优先的必要性;最后，在流域水资源管理过程中要综合考虑不同省（区）用水价值的协调发展，以实现黄河流域总用水价值最大化。

2.3.2 黄河流域省（区）用水价值空间聚集特征分析

基于上文分析可知，在流域水资源管理中若以调整用水价值空间分布为技术手段，实现流域水资源优化配置，需对用水价值的空间相关性和空间聚集特征进行分析。本文以黄河流域省（区）用水价值量化及空间分布分析为基礎，利用全局空间自相关分析方法，在Geoda1.14的支持下，计算经济、社会、生态环境及总用水价值全局Moran指数I，并绘制Moran散点图（见图2）。从图2可以看出：省（区）经济用水价值全局Moran指数为0.629，具有强空间正相关性;省（区）社会用水价值、生态环境用水价值全局Moran指数分别为0.214、0.260，均具有空间正相关性;省（区）总用水价值全局Moran指数为0.216，表现出空间正相关性。由此可见，黄河流域用水价值空间关联特征为：经济、社会、生态环境以及总用水价值均存在空间聚集现象，不同性质用水价值变量在流域不同省（区）之间有潜在的相互关联性。对流域水资源管理来说，这种关联性表明可以利用调整用水价值空间分布的手段实现流域水资源优化配置。

为了进一步分析黄河流域用水价值的空间聚集或异常位置，确定应巩固、加强、带动或提升用水价值的具体区域，运用局部空间自相关分析方法，绘制黄河流域经济、社会、生态环境用水价值及总用水价值LISA聚类图，见图3。

经济用水价值包括工业、农业、建筑业与服务业用水价值3部分，价值大小与资源储备、土地规划、交通条件、科技水平以及产品类型等关系密切，而上述要素均表现出地理上的类似性。因此，经济用水价值在黄河流域表现出强空间正相关性。从图3可以看出，陕西省、河南省和山东省呈现出经济用水价值的高值聚集，为价值巩固区。经济用水价值高值聚集出现在黄河流域中东部，该区域地域宽广、交通便利且劳动力充足，有利于经济发展[9]。青海省、四川省和甘肃省呈现低值聚集，为价值提升区。低值聚集出现在黄河流域西部，该区域地形复杂、气候寒冷且劳动力流失严重、信息闭塞，给经济发展带来不利影响[9]。宁夏回族自治区和山西省出现“低-高”聚集，为价值加强区。黄河流域经济用水配置应以巩固陕西省、河南省和山东省经济用水价值，提升青海省、四川省和甘肃省经济用水价值，加强宁夏回族自治区和山西省经济用水价值为目标。在流域经济用水管理中，可采取调整经济结构、优化产业结构、限制高耗水行业发展、降低建筑业与服务业单位产值耗水量、提升工业用水重复利用率以及提高农业灌溉水利用系数等措施提升低值省（区）经济用水价值。

社会用水价值与用水现状、人口密度、是否为水源地等因素有关[19]，社会生活用水的配置目标是实现水资源在社会子系统内的公平分配。从Moran指数来看，黄河流域社会用水价值呈现出空间正相关特性，说明该价值变量在流域省（区）间存在关联，这种关联通过保障人民生活、促进地区发展和维护社会稳定表现出来[20]。从图3可以看出，社会用水价值在青海省、甘肃省、宁夏回族自治区和陕西省出现高值聚集，原因是受当地饮食结构、医疗、教育、住房、就业人数以及平均工作时间等因素的影响，社会生活用水在上述省（区）体现出更强的社会稳定和社会保障功能。社会用水价值在河南省和山东省出现低值聚集，为价值提升区;在四川省和内蒙古自治区出现“低-高”聚集，为价值加强区。在流域水资源管理中，社会用水价值低的省（区）可通过保障城镇与农村居民饮水安全、制定节约用水行为规范、提高抵御水患能力等措施提升社会用水价值。

黄河流域是生命共同体，某地区的生态环境质量往往会对其周围地区的生态环境质量造成影响。因此，黄河流域省（区）生态环境用水价值表现出空间正相关性，呈现出空间聚集现象。受湿地面积、生物种类、输沙量、气候以及水景观等因素影响，生态环境用水价值高值聚集出现在宁夏回族自治区、内蒙古自治区、陕西省和山西省，为价值巩固区;低值聚集出现在青海省、四川省和山东省，为价值提升区;河南省为价值加强区。按照建设生态文明的要求，需通过加强河源区水源涵养功能、保护湿地、加强污染源管理、提高城市污水处理率、保护水生生物以及发展旅游等措施，提升青海省、四川省、山东省的生态环境用水价值，加强河南省的生态环境用水价值，为保障流域生态安全创造条件。

总用水价值在空间上出现了高值聚集、低值聚集、“高-低”聚集和“低-高”聚集，说明流域各省（区）水资源生态经济系统处于不同的发展状态。总用水价值在青海省、四川省和陕西省出现高值聚集、在河南省出现“高-低”聚集，说明单位用水量在上述省（区）实现了更高的综合价值。总用水价值在宁夏回族自治区和内蒙古自治区出现低值聚集，在甘肃省和山西省出现“低-高”聚集，说明单位用水量在这些省（区）并未实现其更高价值。黄河水量分配的目的是实现全流域经济、社会、生态环境的协调发展，提高全流域总用水价值[21]，因此在流域水资源管理中应推行节水措施、实行最严格水资源管理制度、加强水权管理以及推行水权交易等，提高全流域总用水价值。在省（区）水行政管理中，总用水价值较低的省（区）应统筹考虑经济、社会、生态环境用水量及用水价值，以水资源合理利用和高效配置为目标，逐步完善管理体制机制和政策法规体系。

3 结 论

（1）黄河流域省（区）经济、社会、生态环境及总用水价值均呈现出正相关特性，且经济用水价值的正相关性最强，即该价值在流域省（区）之间的潜在关联性最强。

（2）经济用水价值高值聚集出现在流域中东部、低值聚集出现在流域西部。在水资源管理中应当采取调整经济结构、限制高耗水行业发展、提高工业用水重复利用率和农业灌溉水利用系数等措施，提升低值省（区）经济用水价值。

（3）社会用水价值在黄河中上游青海省、甘肃省、宁夏回族自治区和陕西省出现高值聚集，符合流域社会生活用水配置目标。同时，需采取措施提升四川省、内蒙古自治区、河南省和山东省的社会用水价值，实现水资源在社会子系统的公平分配。

（4）生态环境用水价值的低值聚集区为青海省、山东省和四川省，加强区为河南省，在流域水资源管理中有必要采取生态环境保护措施，提升这4个省的生态环境用水价值。

（5）流域内出现总用水价值的高值聚集和低值聚集，说明流域水资源生态经济系统发展状态不均衡。以黄河流域高质量发展为目的，应巩固高值聚集省（区）的总用水價值，加强高值省（区）对低值省（区）的辐射作用，同时着重提升低值聚集省（区）的总用水价值，充分实现全流域水资源的综合价值。

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