江西省水資源利用時空變化特征及區(qū)域差異

孟麗紅, 吳紹雄, 鄭蓬蓬, 陳家偉

(贛南師范大學 地理與環(huán)境工程學院, 贛州 341000)

水資源是保障社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展、生物協(xié)調(diào)運營、生態(tài)環(huán)境各類要素循環(huán)運轉(zhuǎn)的重要因素。隨著世界人口的增長及經(jīng)濟規(guī)模不斷擴大，諸如灌溉、基礎建設等人類活動消費大量水資源以及不合理開發(fā)利用水資源的行為，導致眾多地區(qū)出現(xiàn)不同程度的水資源短缺問題，人類社會經(jīng)濟發(fā)展受到威脅[1-2]。

江西省位于長江中下游，擁有中國最大淡水湖鄱陽湖，是水資源大省，但水資源稟賦差異相對較大，在時空分布上表現(xiàn)出極為不均的特點，同時面臨洪澇干旱災害頻繁、水資源供需矛盾較突出、水資源開發(fā)利用率偏低，水環(huán)境日趨惡化等問題[3-5]。關于水資源時空分布研究，已有學者做了相關探討，其中于占江等全面分析了京津冀地區(qū)水資源的時空變化特征及成因[6]，伍文琪在云南省水資源承載力評價與時空分布特征研究中，運用構建區(qū)域水資源承載力綜合評價模型對整個云南省水資源承載能力和利用狀況進行了統(tǒng)籌性評價[7]。就江西省水資源利用和評價而言，已有學者在水資源生態(tài)足跡[8]、水生態(tài)文明指數(shù)等[9]領域進行了研究。綜上所述，目前尚未有學者從長時間序列變化的角度，對江西省水資源利用的時空分布和區(qū)域差異進行具體分析。鑒于此，本文利用泰爾系數(shù)、變差系數(shù)、空間分級分析法以及原創(chuàng)“竹筍”七色差異評價法，對江西省2008—2017年水資源時空分布特征及指標區(qū)域差異性進行研究，旨在為江西省綠色發(fā)展建設和水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供決策依據(jù)[10-14]。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

江西省地處24°29′—30°04′N，113°34′—118°28′E之間，國土面積約為16.69萬km2，位居中國東南部，是中國內(nèi)陸的中流砥柱和交通要塞，自古有“吳頭楚尾，粵戶閩庭”之稱。同時西靠羅霄山脈，東倚武夷山脈，其中有長江一大南北走向支流—贛江，在鄱陽湖周邊地區(qū)形成一個沖積平原，致使贛北地區(qū)地形平坦、水資源豐富，多年平均降水量在1 635 mm左右，最大年降水量2 142.4 mm(1975年)，年平均水資源量約為1.70×1011m3，多年平均用水量2.35×1011m3，多年平均水資源量與人均水資源量均列在全國第7位。2008—2017年江西省11市年平均水資源量空間分布情況見圖1，年均水資源指標數(shù)據(jù)見表1。江西省2008—2017年期間僅有2010年和2012年是豐水年，其他年份均為平水年和枯水年。為了表示水資源長時間序列的變化特征，同時體現(xiàn)不同年份的水資源利用差異，本文選取2008—2017年為研究時段，對江西省南昌市、九江市、贛州市、景德鎮(zhèn)市、萍鄉(xiāng)市、新余市、鷹潭市、宜春市、上饒市、吉安市、撫州市11個地級市水資源開發(fā)利用的時空分布及指標區(qū)域差異性進行分析研究。

圖1 2008-2017年江西省水資源量空間分布特征

文中基礎數(shù)據(jù)來源于2008—2017年《江西省統(tǒng)計年鑒》，2008—2017年《江西省水資源公報》，前瞻數(shù)據(jù)庫，中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，地理國情監(jiān)測平臺及相關社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒及報表。

1.2 研究方法

1.2.1 泰爾系數(shù)和變差系數(shù) 泰爾系數(shù)在對多項研究指標以及多個研究單元背景下，能夠通過一個指標去衡量空間差異性。本文在借鑒謝磊[15]、鮑超[16]、陳麗軍等[17]學者研究的基礎上，運用泰爾系數(shù)和變差系數(shù)法對江西省2008—2017年11市之間各項水資源指標的時空分布特征進行研究。泰爾系數(shù)計算公式如下：

(1)

表1 2008-2017年江西省11市年均水資源指標 108 m3

變差系數(shù)又稱離散系數(shù)，是指標數(shù)據(jù)的標準差和平均值的比例，是概率分布離散程度的一個歸一化量度。對于多個單位指標，多個研究單元的研究，能夠綜述研究項目的總體狀況，高度概括單位之間的離散狀況以及數(shù)據(jù)的波動和差異，可以較好衡量區(qū)域差異和對象差異，評價總體和個體之間的關系，揭示組間和組內(nèi)差異的變動及其對總體差異的貢獻程度[18]。

變差系數(shù)計算公式如下：

(2)

1.2.2 “竹筍”七色差異評價法 “竹筍”七色差異評價法，是對各個單元之間和單元中指標的項目之間差異波動大小的一種評價方法，結合泰爾系數(shù)和變差系數(shù)并設定標準進行指標區(qū)域差異性評價。此方法能夠直觀的體現(xiàn)出江西省2008—2017年11市水資源各個指標的差異大小和等級順序特征。相比較其他方法，“竹筍”七色差異評價法對以各個水資源指標為單元來評價各個區(qū)域之間的差異性大小，并且結合竹筍特征以及七色光譜波段來構造一個數(shù)形結合的“竹筍”七色圖像模型，優(yōu)勢在于能夠直觀的觀察出各個指標區(qū)域之間差異性的大小以及排列順序，簡明扼要的表達指標區(qū)域差異性。

“竹筍”是指對圖像模型的形象描述，模型的結構有竹筍橫截面由里到外，層層遞進的特征。七色是指紅、橙、黃、綠、青、靛、紫7種顏色，可見光在所有光譜中相對于人類主體來說，屬于中性光，符合正態(tài)分布曲線規(guī)律。七色光處于一個高密度分布區(qū)，可借用可見光波長范圍作為一個評判變異的參考標準。為使該評價法對差異性分析更為合理，可信度更高，本文在權重評定上，根據(jù)權重系統(tǒng)優(yōu)化以及主客觀相結合的原則，在對變差系數(shù)及泰爾系數(shù)做出計算和評價的基礎上，使差異值Q分布范圍集中在七色光譜波段內(nèi)，對變差系數(shù)和泰爾系數(shù)分別賦予加權值，其中，給予變差系數(shù)0.5的加權值，給予泰爾系數(shù)1.5的加權值，分類標準見表2。

表2 “竹筍”七色差異評價法分類標準

差異值計算公式如下：

Q=(I×α+C×β)×103

(3)

式中：Q表示差異值;I表示泰爾系數(shù);C表示變差系數(shù);α表示泰爾系數(shù)的加權值;β表示變差系數(shù)的加權值。

2 結果與分析

2.1 江西省水資源開發(fā)利用時空分布特征

2.1.1 水資源開發(fā)利用率時間動態(tài)特征分析 水資源開發(fā)利用率指流域或區(qū)域已開發(fā)利用的水資源量與水資源總量的比值，反映當?shù)厮Y源開發(fā)利用程度，同時一定程度上也可以表征社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源開發(fā)利用的協(xié)調(diào)程度，是維護區(qū)域或者流域健康發(fā)展的重要指標。參考國內(nèi)外已有研究成果[19-20]，長江流域水資源可開發(fā)利用率劃分標準[21]以及結合江西省水資源開發(fā)利用率評估結果，提出江西省水資源開發(fā)利用率健康參考值(見表3)。

表3 江西省水資源開發(fā)利用率健康分級標準

江西省2008—2017年水資源開發(fā)利用率時間動態(tài)變化見圖2。從圖2中可以看出，2008—2013年水資源利用率波動范圍比較大，2013—2017年整體表現(xiàn)出比較平緩的變化的趨勢。2009—2010年水資源開發(fā)利用率11市整體呈現(xiàn)下降的趨勢。其中南昌市從2009年的68.6%下降到2010年29.7%，水資源開發(fā)利用效率相比較2009年減少38.9%，其他城市也出現(xiàn)不同程度的下降趨勢。2010—2011年整體有反彈趨勢，2011—2012年表現(xiàn)出下滑跡象。結合表3縱向分析11個地級市水資源開發(fā)利用率的變化規(guī)律，南昌市2008—2017年水資源開發(fā)利用相對來說處于一個較高的水平，年均水資源開發(fā)利用率達到46.0%，處于不健康狀態(tài)，而整個江西省平均開發(fā)利用率不到25.0%，水資源狀況呈現(xiàn)健康的狀態(tài)。其中贛州和撫州兩市相對來說水資源開發(fā)利用程度較低，2016年贛州市水資源開發(fā)利用率僅為5.5%，撫州市在近10 a內(nèi)有4 a的水資源開發(fā)利用率低于10%，鷹潭市水資源開發(fā)利用波動明顯，在2008年水資源開發(fā)利用率為32.1%，2010年水資源開發(fā)利用率僅為8.8%，落差較大，新余市2011年水資源開發(fā)率高達56.9%。此外其余各市水資源開發(fā)利用均在40%以下，其中大多在20.0%左右。總體來看，相比較長江流域水資源可開發(fā)利用率38.9%[21]，2008—2017年期間江西省水資源整體呈現(xiàn)健康狀態(tài)。

圖2 2008-2017年江西省水資源開發(fā)利用率時間動態(tài)變化

2.1.2 水資源量與用水結構時空變化特征分析 江西省2008—2017年11市水資源量及用水結構見時空分布特征見圖3。從中可以看出，隨著時間變化，江西省2009年和2011年水資源儲量相對較少，徑流深度最高區(qū)間在三級區(qū)間，各個市的徑流深度要小于1 100 mm，其中2010，2012，2015，2016年水資源儲量最為豐富，其中各個地級市的徑流深度均在第三級區(qū)間及以上，大于1 100 mm。2010年撫州市和鷹潭市的水資源儲量達到徑流深度第五級最高區(qū)間，水資源量折算徑流深度在1 700 mm以上，具體數(shù)值分別為1 755.5 mm和1 971.7 mm。從時間變化特征來看，2013—2016年江西省水資源總量呈現(xiàn)遞增的趨勢。從空間分布來看，贛南水資源量比贛北地區(qū)多，東部比西部要豐富。在用水結構上，農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、環(huán)境用水由高到低呈梯度形分布，農(nóng)業(yè)用水占大的比例。2008—2017年期間農(nóng)業(yè)用水占用水量呈現(xiàn)降低的趨勢，工業(yè)用水占第二比例，其中萍鄉(xiāng)市、九江市和新余市工業(yè)用水量占該市總用水量相對較多。這10 a期間工業(yè)用水占總用水之比分別為38.59%，36.21%，44.21%，其中贛州市、吉安市、撫州市工業(yè)用水占比較少，分別為12.23%，13.09%和11.21%。另外，生活用水量占第三大用水比例，數(shù)據(jù)波動比較穩(wěn)定，占比為10%。根據(jù)圖3并結合表1可以計算出南昌市環(huán)境用水量占總用水量3.54%，其余各市此值均小于1.5%，表明南昌在環(huán)境治理領域水資源投資相對較大。

圖3 2008-2017年江西省水資源量及用水結構時空分布

2.1.3 用水結構系數(shù)變化特征 江西省2008—2017年各市主要用水指標系數(shù)變化特征見圖4。從圖4中可以看出，江西省近十年工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)水量間分布差異較大，生活用水和總用水11市的空間分布差異較小。其中2008年工業(yè)用水市區(qū)間差異最大泰爾系數(shù)值達到0.25，變差系數(shù)值達到0.73，2008—2012年工業(yè)用水量差異有減小趨勢，2012—2017年有增加趨勢。農(nóng)業(yè)水量呈現(xiàn)波動式變化，變化幅度除2008—2009年變化率較大以外，其余年份變化不大，變差系數(shù)維持在0.59～0.62區(qū)間。生活用水的泰爾系數(shù)和變差系數(shù)值隨時間呈水平式變化，有不明顯的正斜率角度，泰爾系數(shù)最大值為0.18，變差系數(shù)最大值為0.56，區(qū)域間差異性和農(nóng)業(yè)用水區(qū)域差異性一致。總用水量的泰爾系數(shù)和變差系數(shù)相對較小，泰爾系數(shù)在0.15～0.19區(qū)間，變差系數(shù)在0.50～0.54區(qū)間。2008—2017年農(nóng)業(yè)用水的變差系數(shù)值呈現(xiàn)緩慢增長的特征，主要與江西省城市化和工業(yè)化的進展加快有關，部分地區(qū)由原來的生產(chǎn)農(nóng)業(yè)為主，大面積變遷，轉(zhuǎn)為工業(yè)生產(chǎn)或新型產(chǎn)業(yè)，導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定，隨即影響著城市間農(nóng)業(yè)用水的差異性[22]。

圖4 2008-2017年江西省各市主要用水指標系數(shù)變化特征

2.1.4 水資源開發(fā)利用率及萬元GDP用水量時空變化特征分析 江西省2008—2017年水資源開發(fā)利用率和萬元GDP用水量的時空分布特征詳見圖5。由圖5可知，南昌市2008—2017年水資源開發(fā)利用率與其他城市相比，呈現(xiàn)較高水平，從吉安市向北的贛北地區(qū)相對贛南地區(qū)，城市水資源開發(fā)利用率更高。

圖5 2008-2017年江西省水資源開發(fā)利用率和萬元GDP用水量時空分布

另一方面，關于水資源的萬元GDP的變化特征，可以看出自2008到2017年逐年萬元GDP用水量在大面積遞減，這跟江西省近幾年主動引入與推廣適宜本區(qū)域發(fā)展的節(jié)水技術，改造農(nóng)業(yè)供水設施，降低農(nóng)業(yè)耗水率，提高農(nóng)田灌溉效率同時引進科技含量高的生產(chǎn)工藝有直接的關系。其中南昌市、新余市、萍鄉(xiāng)市、鷹潭市、景德鎮(zhèn)市的萬元GDP用水量相對更少，間接反映這5個市在近10 a單位水資源生產(chǎn)力較其他6市更高。贛州市、撫州市、吉安市萬元GDP用水量分別為330.75，348.88，329.12 m3，體現(xiàn)這3市在近10 a單位水資源生產(chǎn)力利用效率較低。從時間變化角度分析，2009年各市平均萬元GDP用水量最高點，數(shù)據(jù)為347.83 m3，2017年為近10 a的最低值，數(shù)據(jù)為130.10 m3，綜合分析來看江西省水資源利用效率和單位水資源生產(chǎn)值在不斷提升，但贛州市、撫州市、吉安市等市區(qū)水資源利用效率和單位水資源產(chǎn)值還有待提升，應根據(jù)區(qū)域狀況適當調(diào)整生產(chǎn)規(guī)模，減少水資源在生產(chǎn)中的消耗，促進水資源利用效率的提高。

2.2 江西省水資源開發(fā)利用指標區(qū)域差異

區(qū)域差異性評價有多種方案，本文采用原創(chuàng)“竹筍”七色差異評價法，對江西省2008—2017年各類水資源指標的變差系數(shù)和泰爾系數(shù)計算加權年平均值(見表4)。表4中人均水資源和地均水資源區(qū)域差異的差異值小于380，處于“竹筍”七色模型的穩(wěn)定區(qū)，2008—2017年期間11市間數(shù)據(jù)波動小，各市間數(shù)據(jù)穩(wěn)定。農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、總用水量、萬元GDP用水量、水資源開發(fā)利用率、水資源總量依次在評判標準的a，a，d，d，g，f，b層。區(qū)域差異在合理的變異范圍內(nèi)，其中農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的差異值在紅區(qū)，變異程度較高，萬元GDP用水量和水資源開發(fā)利用率分別在紫區(qū)和靛區(qū)，變異程度較低。環(huán)境用水量在超異區(qū)，變異程度極高，超出紅區(qū)上限值760，屬于超常變異。結合表4，利用制圖軟件繪制得江西省2008—2017年11市各類水資源指標竹筍模型(見圖6)，可以直觀看到江西省2008—2017年11地級市各類用水指標區(qū)域差異的分布情況，指標越靠竹筍外層，差異值越大，變異程度越高，越靠內(nèi)層差異值越小，變異程度越低。因此可以得出11地級市區(qū)域差異性大小分布規(guī)律為人均水資源和地均水資源在“肉筍”區(qū)、萬元GDP用水量在紫區(qū)、水資源開發(fā)利用率在靛區(qū)、生活用水量和總用水量在綠區(qū)、水資源總量在橙區(qū)、工業(yè)用水量和農(nóng)業(yè)用水量在紅區(qū)、環(huán)境用水量在超變異區(qū)，各指標差異值從小到大依次遞增。

表4 2008-2017年江西省各類水資源指標差異值

注：模型中心白色區(qū)域為穩(wěn)定區(qū)； a—g區(qū)具體含義見表4。

3 結 論

本文基于江西省自然、社會經(jīng)濟以及水資源資料，利用變差系數(shù)、泰爾系數(shù)和空間分級分類法，從時間維度和空間維度分析了江西省2008—2017年水資源時空分布特征，并采用“竹筍”七色差異評價法評價江西省各項水資源指標的區(qū)域差異。

(1) 2008—2017年期間江西省的水資源開發(fā)利用率2013—2015年呈現(xiàn)下降趨勢，其他年份呈現(xiàn)波動式變化，其中2008—2013年水資源利用率波動范圍比較大，2013—2017年整體表現(xiàn)出比較平緩的變化的趨勢。其中贛州和撫州市相對來說水資源開發(fā)利用潛力較大。

(2) 綜合用水結構比例來看，江西省是一個以農(nóng)業(yè)為主，工業(yè)為輔發(fā)展社會經(jīng)濟的省份，除環(huán)境用水為全國平均水平的1/2，近年來與中國用水結構比例狀況的平均水平相接近。在時空分布上，贛南地區(qū)水資源量比贛北地區(qū)多，東部比西部豐富，其中環(huán)境用水南昌市相比較其他各市所占比例比較大。

(3) 2008—2017年江西省各市的萬元GDP用水量的泰爾系數(shù)和變差系數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢，2012—2015年有所上升。以上分析表明這10 a間江西省各城市之間該指標區(qū)域差異在不斷收縮，反應了江西省在用水效率和生產(chǎn)能力反面差距不斷縮小。

(4) 江西省2008—2017年11個地級市指標區(qū)域差異性大小分布規(guī)律為人均水資源和地均水資源在穩(wěn)定區(qū)、萬元GDP用水量在g區(qū)、水資源開發(fā)利用率在f區(qū)、生活用水量和總用水量在d區(qū)、水資源總量在b區(qū)、工業(yè)用水量和農(nóng)業(yè)用水量在a區(qū)、環(huán)境用水量在超變異區(qū)，各指標差異值從小到大依次遞增。

本文明晰了江西省水資源開發(fā)利用時空分布特征與指標區(qū)域差異性，并首次提出了“竹筍”七色差異評價法。為使差異系數(shù)以及泰爾系數(shù)權重的確定更為合理，后續(xù)研究可嘗試將層次分析法(AHP)與此方法有機結合。整體來看江西省各市水資源稟賦差異性較大，僅靠區(qū)域內(nèi)部和整體性節(jié)水或合理用水的措施得不到改善水資源利用理想效果。要綜合多個因素，深度剖析各個地區(qū)的水資源各類指標，比如人口數(shù)量、氣候、環(huán)境、地形甚至文化差異，因地制宜，合理分配水資源，水資源才能真正為社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展服務，達到人與水環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。