中国近期用水量变化特征及趋势

阚得源，孔 珂，徐 晶

(济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022)

水资源是基础自然资源，是生态环境的控制性因素之一，同时又是战略性经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分[1]。据统计，我国水资源约占世界水资源总量的6%左右，人均水资源占有量几乎处于世界排名的末位[2]，因此，研究中国用水量的变化趋势以及水资源供需平衡显得尤为重要。

学者们针对中国用水量以及需水预测进行了研究。吴芳等[3]对我国1949—2013的用水数据进行整理分析，得出总用水呈现南高北低的态势，并且运用情景分析法，对我国2015—2030年的用水量进行预测，其中较低方案的预测中2025年的用水量超过7.0×1011m3。彭岳津等[4]利用人口数与用水量之间的关系建立数学模型，并且通过分析人均用水量的变化趋势，对中国用水极值进行预测，得出2030年达到用水极值点的结论，用水量为6.5×1011m3。刘晶等[5]借助Mann-Kendall法对我国10个水资源一级区的用水量变化特征进行分析，得出近20 a我国总用水量呈显著增加趋势的结论。柯礼丹[6]提出人均综合用水量与趋势微调相结合的方法进行需水量预测，效果明显，并指出我国从2011年起用水总量的零增长趋势已见端倪。何希吾等[7]采用产业结构分析法，指出我国在2026—2030年左右全国需水量可能进入零增长期。程晓胜等[8]采用多项式回归模型与灰色模型相结合的方法，预测2030年全国用水总量为6.789 148×1011m3；张亮[9]根据国际典型事实对2013—2022年中国各部门用水量进行预测，得出2022年总用水量最多可达到6.8×1011m3，但仍未达到峰值。

大量研究结果表明，我国的用水总量将持续上涨，一直到2030年左右达到极点，然后才缓慢下降，但是结合实际用水资料来看，相关研究对近几年用水量的预测大部分都偏高，中国用水总量的极值点已经提前出现在2013年。本文中利用公开的数据对这一现象进行分析，研究中国用水量极值点提前到来的原因以及对未来10 a的用水量进行更加准确的预测，一方面能够体现出我国水资源管理制度的成效，另一方面能够为未来我国科学、合理地规划水资源开发利用方案提供参考，对于明确当前中国用水量的发展趋势以及实现水资源的可持续利用具有重要意义。

1 数据与方法

为了准确地分析当前中国用水量现状及其变化原因，并对未来10 a中国用水总量进行预测，本文中通过中华人民共和国水利部官网发布的《中国水资源公报》以及国家统计局官网发布的《中国统计年鉴》等公开的渠道，系统收集了2005—2020年中国总用水量、各部门用水量、全国降水量、总人口数量、国内生产总值(GDP)、万元GDP用水量、耕地灌溉面积、全国实际灌溉亩均用水量、工业增加值以及万元工业增加值用水量等数据，分析了15 a来中国用水量的总体变化情况，并讨论了用水量变化的可能原因；结合趋势外推法以及多元线性回归法，对中国未来10 a的需水量进行预测。

需水量预测的方法很多，如灰色分析法[10]、误差逆传播(BP)神经网络法[11]、主成分回归分析法[12]、定额法[13]、人均综合用水量法[14]等。由于水资源需求预测受各方面的影响，因此各预测方法均具有一定的优缺点。趋势外推法具有简捷的优点，便于分析变化趋势稳定、有规律可循的数据[15]，因此可以用其来预测近15 a来影响中国用水量主要因素的发展变化趋势。回归分析预测是通过预测对象之间的因果关系和影响因素进行推算的一种方法，全面考虑用水量的各项影响因子，因此误差较小[16]，且该方法在系统发生较大变化时仍能根据相应变化因素修正预测值，更适用于长期预测[17]。由于近15 a来中国用水量出现了先增加后减少的趋势，系统发生了较大的变化，因此可以采用多元线性回归法来预测未来10 a的中国用水量。

本文中采用趋势外推法和多元线性回归法预测未来10 a中国的总用水量，主要包括以下内容： 1)确定中国用水总量的主要影响因素；2)建立各影响因素与总用水量之间的多元线性回归模型；3)利用趋势外推法预测各影响因素未来10 a的数值；4)利用建立的多元线性回归模型计算出未来10 a中国用水总量的数值。

2 中国用水变化特征及原因

2.1 中国用水变化特征

2.1.1 中国用水量变化特征

2005—2020年用水总量和各部门用水量的变化情况如图1、2所示。由图1可看出，2005—2013年中国用水总量从5.633×1011m3增长到6.183 4×1011m3，增加了5.504×1010m3，年均增长率为1.04%，总体呈现缓慢增长的趋势；2013—2020年用水总量从6.183 4×1011m3下降到5.812 9×1011m3，降3.705×1010m3，年均增长率为-0.77%，总体呈现缓慢下降的趋势。由图2可以看出：农业用水和工业用水均在2005—2013年呈现缓慢上升的趋势，2013—2020年呈现缓慢下降的趋势；生活和生态用水在2005—2020年一直呈现缓慢增长的趋势。由于农业用水和工业用水所占比例很大，因此全国总用水量的变化趋势基本由这2个部门的用水量决定。

图1 2005—2020年中国用水总量的变化

2.1.2 中国用水结构变化特征

2005—2020年中国用水结构的变化特征如图3所示。由图可以看出，农业用水所占比重最大，工业用水其次，生活和生态用水所占比重最小。农业、工业用水所占比例分别由2005年的63.6%、22.8%下降到2020年的62.1%、17.7%，而生活、生态用水所占比例分别由2005年的12.0%、1.6%显著增长到2020年的14.8%、5.3%，其中生态用水的变化尤其明显，说明我国对于生态的重视程度正在不断加强。

2.1.3 中国用水效率变化特征

采用万元GDP用水量指标可以衡量我国综合用水效率，实际灌溉单位面积用水量和万元工业增加值用水量2个指标可以衡量我国农业及工业用水效率。2005—2020年中国万元GDP用水量如图4所示，中国实际灌溉单位面积用水量和万元工业增加值用水量如图5所示。由图4可知，2005—2020年中国万元GDP用水量从2005年的304 m3持续显著减少到2020年的57.2 m3，共减少了246.8 m3，年平均增长率为-9.91%。由此可以看出，近15 a来我国的综合用水效率显著提高。由图5可以看出，2005—2019年我国农田实际灌溉单位面积用水量从2005年的6 720 m3减少到2020年的5 340 m3，共减少了1 380 m3，总体呈现明显下降趋势；2005—2020年，我国的万元工业增加值用水量从2005年的191 m3减少到2020年的32.9 m3，共减少了158.1 m3，总体也呈现显著的下降趋势，可以看出，近15 a来，农业及工业用水效率均呈现显著增长的趋势。

图4 2005—2020年中国万元国内生产总值(GDP)用水量的变化

图5 2005—2020年中国耕地实际灌溉单位面积用水量和万元工业增加值用水量的变化

2.2 中国用水量变化原因

2.2.1 来水条件

来水水平与用水量呈正相关，年降水量可以表示来水水平，2005—2020年中国年降水量的变化情况如图6所示。由图可以看出，2005—2020年全国平均降水量为653.55 mm，而2013—2020年全国平均降水量为672.51 mm，2013年是全国用水量出现下降的拐点；但是2013年以后的降水量并不少于往年，因此认为2013年以来全国总用水量的减少不是由来水水平的下降造成的。

图6 2005—2020年中国年均降水量的变化

2.2.2 人口数量和GDP

人口数量和GDP与用水量呈正相关，2005—2020年中国人口数量和GDP的变化情况如图7所示。由图可知，中国人口数量从2005年的1.307 56×109持续增长到2020年的1.411 78×109，年均增长率为0.48%，GDP从2005年的1.873 189×1013元持续增加到2020年的1.015 986 2×1014元，年均增长率为11.15%。由于人口数量和GDP一直处于增长的状态，因此认为用水量的减少与人口数量和GDP的变化无直接关系。

图7 2005—2020年中国人口数量和国内生产总值(GDP)

2.2.3 用水效率

用水效率和用水量呈负相关。中国用水量和用水效率的关系如表1所示。由表可以看出，中国用水总量与相应年份万元GDP用水量的关系、农业用水量与相应年份实际灌溉单位面积用水量的关系以及工业用水量与相应年份万元工业增加值用水量的关系均呈现相似的变化趋势，即2013—2020年，随着用水效率的提高，用水量明显减少。

表1 2005—2020年中国用水量和用水效率的关系

2005—2013年中国用水总量、农业用水量及工业用水量呈现增加的趋势，而综合用水效率、农业用水效率及工业用水效率也呈现增大的趋势，说明这一时期的经济社会规模正向驱动用水量的提高，而随着生产水平的提升和用水效率的提高，经济社会规模对用水量正向驱动力逐渐减弱，当规模增加带来的需水增量小于效率提高带来的需水减量时，就会出现用水量的零增长以及负增长，导致用水量将呈现稳定或减少的趋势[18]。

3 未来需水预测

由于近些年来产业结构的调整以及各种用水政策的实施，导致用水量呈现新的变化态势，因此选取近15 a的用水量数据对中国未来的用水量进行预测。

3.1 确定用水总量的主要影响因素

影响用水量的因素有很多，由于生态用水占总用水量的比重很小，因此对工业、农业、生活用水3个方面分别考虑，根据《中国水资源公报》和《中国统计年鉴》所收集到的数据，确定影响中国用水总量的主要因素包括耕地灌溉面积、耕地实际灌溉单位面积用水量、GDP、总人口数、工业增加值、万元工业增加值用水量。2005—2020年中国总用水量主要影响因素以及总用水量的数据见表2。

表2 2005—2020年中国用水总量主要影响因素以及总用水量

3.2 确定多元线性回归模型

采用统计产品与服务解决方案(SPSS)软件对2005—2020年中国用水总量及其主要影响因素进行多元线性回归拟合，得到多元线性回归公式为

Y=0.072 137X1+3.860 901X2-0.002 322X3-

0.043 989X4+0.007 443X5-0.835 186X6+

5 748.666 733 ，

(1)

式中：Y为用水总量；X1为耕地灌溉面积；X2为耕地实际灌溉单位面积用水量；X3为国内生产总值；X4为总人口数量；X5为工业增加值；X6为万元工业增加值用水量。

通过模型的检验可知，模型的拟合优度R2=0.961，意味着X1、X2、X3、X4、X5、X6可以解释Y的96.1%的变化原因，拟合优度很高；显著性ρ=0<0.05，因此该回归方程显著；对模型进行F检验[19]时，F=37.204，模型通过F检验，也即说明模型的构建有意义。

3.3 预测各影响因素未来10 a的数值

由于中国用水总量的6个影响因素均具有极其稳定的变化趋势，因此可以分别建立关于时间t的一元拟合回归模型，然后采用趋势外推法对模型中的各变量即耕地灌溉面积、耕地实际灌溉单位面积用水量、GDP、总人口数量、工业增加值、万元工业增加值用水量进行预测，运用SPSS软件计算得到以下6个拟合方程：

X1=-20.996 989t2+1 364.114 398t+

53 146.046 071 ，

(2)

X2=-2.222 059t+458.95，

(3)

X3=-22.774 536t3+1 535.807 853t3+

36 907.221 287t+144 842.911 264 ，

(4)

X4=0.169 601t3-2.085 144t2+672.137 628t+

130 106.420 33 ，

(5)

X5=-185.005 252t2+19 398.049 874t+

56 362.029 643 ，

(6)

X6=186.041 147e-0.109 512t

。

(7)

对建立的一元拟合回归方程进行合理性分析，所有方程中拟合优度R2最小值为0.967，拟合优度很高，并且所有方程的显著性ρ均为0，即方程的拟合优度和显著性均符合要求，因此这6个方程是合理可用的[3]。

根据式(2)—式(7)计算出2021—2030年各影响因素的预测值，见表3。

表3 2021—2030年各影响因素的预测值

3.4 未来10 a中国用水总量的预测

利用上述建立的多元线性回归模型即式(1)，对2021—2030年的用水总量进行预测，预测结果见表4及图8。由图、表可以看出，中国用水总量下降的拐点已经提前出现在2013年，并且未来10 a年中国用水总量将继续下降，预计在2030年达到4.891 1×1011m3。

3.5 结果分析

1)在改革开放10 a后，中国水资源利用逐渐走上了有序和法制化的道路[20]，2008年颁布了取水许可管理办法，2011—2012年又颁布了最严格水资源管理制度，该文件明确了3条红线，对中国用水量、用水效率、水质提出了明确的控制指标[21]，表明我国对于用水及水质的要求不断严格，人们的节水意识得到加强。由于生活用水在一定范围内与经济发展水平呈现正相关，因此，随着生活用水占比的增加，农业用水占比的减少，我国的经济发展水平也不断提高，从而带动了科学技术的迅速发展，经济结构持续调整，生产力水平不断提高。这一系列因素最终转化成了用水效率的提高，从而使我国的用水总量下降的拐点提前出现在2013年。

表4 2021—2030年中国用水总量

图8 中国用水总量变化趋势

2)中国2020年万元工业增加值用水量为32.9 m3，日本在2000年的该数值仅为16.5 m3[22]；中国2020年农田灌溉水有效利用系数为0.565，世界先进国家2000年的该数值为0.7～0.8，因此中国农业与工业用水效率在未来还有很大的提升空间。考虑到总用水量主要由工业用水和农业用水决定，且工业用水量和农业用水量又主要靠工业用水效率和农业用水效率决定，所以工、农业用水效率对总用水量影响很大。随着用水效率的不断增大，中国总用水量减少的趋势也将持续维持一段时间。

3)按照目前中国总用水量的变化趋势，结合上述计算分析可知，预计在2030年全国总用水量为4.891 1×1011m3，满足3条红线中的7.0×1011m3的目标要求。中国总用水量目前的变化趋势比较乐观，表明国家水资源管理制度实施效果显著，未来还需继续执行。

4 结论

通过对中国近15 a来用水量变化特征及变化原因进行分析，以及对未来10年中国用水总量进行预测，得出以下主要结论：

1)中国用水总量下降的拐点已经在2013年提前到来，说明国家最严格的水资源管理制度实施颇具成效；农业用水所占比例最大，其次是工业用水，生活和生态用水所占比例较小，并且工农业用水所占的比例在缓慢下降，生活及生态用水所占的比例显著增加；近15 a来，我国用水效率显著提高。

2)2013—2020年的平均降雨量大于近15 a的降水量平均值，且人口数量与GDP均呈现增长的趋势，表明用水量的减少与来水量、人口数量及GDP无直接关系。

3)由于相关政策的实施、用水结构的调整及节水技术的进步等造成的用水效率的提升是影响用水量减少的主要因素。由于中国用水效率还有很大的提升空间，因此，随着用水管控的不断加强和节水技术的不断进步，中国总用水量未来仍有下降的空间。

4) 运用趋势外推法以及多元线性回归法对中国未来10 a的总用水量进行分析可知，中国的用水量未来仍将继续下降，预计在2030年达到4.891 1×1011m3，远远低于国家要求的7.0×1011m3的指标。这一结果对于明确中国用水新形势以及未来制定相应的用水管控政策具有一定的参考价值。

本文中的结果、结论都是根据公开数据计算所得，能够为未来我国科学、合理地规划水资源开发利用方案提供新的视角以及参考依据。由于数据来源、数据处理方法等不够完善，并且对于我国用水量变化趋势的研究，还应涉及自然条件、经济、社会、环境以及技术等诸多不确定性因素，因此，针对各种因素在影响用水量变化中的贡献大小仍未形成成熟的研究方法，尚待进一步探讨。