南水北調中線工程沿線地區用水空間競合關系研究

劉占坤，路祥翼，陳 軍，吳雅詩

（1.中國地質大學（武漢）經濟管理學院，武漢430078；2.中國地質大學（武漢）馬克思主義學院，武漢430074）

我國水資源地區分布不均，長江流域及其以南地區，36.5%的國土面積覆蓋了全國水資源總量的81%；而以北地區，水資源量僅占全國的19%。在我國快速工業化、城鎮化的背景下，生產生活用水需求激增，水資源南北配置失衡現象日益嚴重，對經濟、社會、生態環境帶來了一系列負面影響［1］。在這一現實背景下，為了突破水資源空間分布失衡對經濟社會發展的約束，跨區域輸水工程應運而生［2］。我國最具代表性的跨區域輸水工程是南水北調工程，工程從長江最大支流漢江中上游的丹江口水庫調水，地跨河南、河北、北京、天津4個省、直轄市，為沿線包括鄭州、焦作石家莊、邯鄲、北京、天津等14 座大中城市提供生產生活和工農業用水的特大型水利工程，對沿線地區經濟、社會發展起到了重要的支撐作用［3］。

南水北調中線工程已全線通水近5年，截至2019年，南水北調中線工程調水量已超過200 億m3，有效緩解了沿線城市水資源短缺困局。但隨著水網貫通帶來的現實問題是：南水北調中線工程與周邊的水系以及形成了一個完整了水力學系統，任何一用水行為都會直接或間接的傳導到系統中的各個部分，導致原有水資源配置格局發生了巨大變化。經濟社會引力成為水資源配置格局形成的主要內因，推動了地區發展的競爭關系和區域用水格局的融合。因此，需要從經濟社會關聯的跨區域視角，研究水資源空間競爭關系，解析南水北調工程對沿線城市用水格局和用水競爭關系的影響。這對科學評估南水北調中線工程的實際效益、協調區域用水關系、提升用水效率具有重要參考價值。

傳統要素配置理論往往不考慮地區之間的溢出效應與空間關聯，但隨著地區關聯的不斷增強，要素流動對資源配置的重要影響日益顯著（Krugman）［4］。我國水資源空間分布和經濟社會發展空間分布之間存在較大的錯配關系，導致水資源的跨區域配置成為必然，用水空間集散特征和區域競爭現象顯著［5］。目前主流水資源競爭關系的研究主要采用均衡博弈模型，結合情景模擬描述不同條件下各地區水資源的博弈關系與均衡狀態。Degefu 等［6］采用在總結跨區水資源博弈的基礎上，運用合作博弈下的納什討價還價模型建立了缺水情況下的水資源配置機制，為解決跨區用水的效率與公平問題提供了思路。蘇心玥和于洋等［7］基于采用合作博弈中的納什討價還價模型求解不同情景方案下的北京市跨區水資源配置結果，研究表明南水北調中線通水后在一定程度上提高了北京市的水資源系統均衡穩定。但博弈模型存在的缺陷是不能將水資源配置格局中潛在的經濟社會關聯網絡解構出來，因此也不能反映經濟社會發展競爭對水資源流動的作用。

Anselin［8］提出了空間計量經濟學，Lesage［9］和Elhorst［10］在其基礎上進一步發展了空間計量經濟模型，為研究空間單元之間的行為溢出效應提供了計量實證方法。趙良仕等［11］采用全域空間莫蘭指數和空間計量分析的方法，發現我國水足跡的正自相關性逐年增強，區域水足跡空間關聯更加緊密，為采用空間計量模型分析中國用水空間關聯提供了現實依據。操信春等［12］基于全局莫蘭指數和局部LISA 指數分析了中國灌溉水資源利用效率的空間特征，發現灌溉用水效率存在明顯的空間集聚現象，說明局部協同用水的關系顯著存在。陸中偉等［13］首先基于DEA 方法測度了江蘇地區水資源利用效率，進一步采用空間相關性分析方法，發現各地區用水效率呈現空間負相關，不能形成區域水資源協同高效利用。上述研究從理論和方法上為本研究提供了參考，本文將基于南水北調中線工程沿線124個縣級市2003-2015年面板數據，采用空間相關分析和空間計量分析的方法，揭示區域關聯視角下水資源配置關系和地區之間的水資源競合關系，以期為科學評估工程效益、優化區域用水關系提供有益建議。

1 研究方法與數據說明

1.1 莫蘭指數與莫蘭散點圖

空間自相關分析的常用方法有莫蘭指數和莫蘭散點圖，其中，全局莫蘭指數空間自相關分析（The Global Moran′sI）能夠識別地區之間資源消費的空間關聯規律［8］，計算方法如下：

式中：n是地區總數；wij為空間權重矩陣；Y為評價指標；-Y評價指標均值；S2是屬性值的方差。

空間權重矩陣描述了評價單元之間的空間關聯方式，本文選取鄰接矩陣和經濟地理關聯矩陣，鄰接矩陣即為相鄰省份取值為1，非相鄰省份取值為0；經濟地理矩陣表示為We=Wd·為地區間的球面地理距離矩陣，為地區i在2005年至2015年GDP 均值，為全部地區GDP 總和的年平均值。本文經濟地理矩陣的含義為，地區經濟對周邊地區具有輻射作用，且這種作用隨著地理距離增大而衰減。在確定了空間權重矩陣后，可以計算對應權重矩陣下的全局莫蘭指數，用以測度指標的全局空間相關性。

全局莫蘭指數反映了所有樣本的整體空間關聯特征，但不能識別具體單元和周邊單元用水的局部空間關系，因此需要用局部莫蘭指數或莫蘭散點圖進一步識別。莫蘭散點圖能夠體現變量的局部空間關聯和空間集聚特征，其橫軸為標準化后觀測值，縱軸為其空間滯后項，4個象限將一個地區與其相鄰地區的局部相關關系分為4種類型：第一象限（HH）表示自身觀測值高，鄰近地區的觀測值也高；第二象限（LH）、第四象限（HL）均形成了“核心-邊緣”的空間形態，分別表示自身觀測值低（高），而鄰近地區的觀測值高（低）；第三象限（LL）表示自身觀測值低，鄰近地區的觀測值也低。

1.2 描述競合關系的空間計量模型

從空間相關性與空間收斂性能初步判斷地區之間競合關系，為了識別各地區在空間競合格局中的立場，本文借鑒Poot［14］提出的競合理論，參考林伯強等人［15］的處理方法，構建空間計量模型刻畫地區用水的競合格局：

式中：Sit表示i地區第t年用水份額；W為空間權重矩陣；It為第t年沿線城市總用水量；βi衡量了關聯地區份額變化對地區i份額影響（溢出效應），若βi＞0，表示份額擴散（合作關系）；βi＜0，表示份額集聚（競爭關系）；δi表示總用水增加對份額的影響（增長效應）。

1.3 數據說明

本文研究對象為南水北調中線工程沿線124 個縣（市），數據包括各市經緯度（用以計算球面距離）球面距離以及各市2003-2015年總用水量和GDP。經緯度來源于百度地圖，經濟社會數據來源于對應年份《中國縣域統計年鑒》，用水數據來源于沿線21 個（直轄）市相關年份水資源公報和部分縣市統計公報，缺失數據采用插值法估算。

2 結果與分析

2.1 用水空間相關性分析

利用南水北調沿線124 個縣市的歷年總用水數據，分別基于鄰接權重矩陣和經濟地理權重矩陣，測算南水北調中線工程沿線城市用水的全局莫蘭指數，結果見表1。

表1中，在鄰接矩陣下，南水北調中線工程沿線124 個縣市總用水呈現顯著的空間正相關（Moran’I在0.069 1～0.228 5 之間，均已通過顯著性檢驗），這表明工程沿線整體上鄰接地區之間具有正向溢出效應，用水具有擴散特征，呈現出用水總量共同增長的局面；而在經濟地理矩陣下，用水量表現出更為強烈的空間正相關特征（Moran’I在0.468 4～1.111 8 之間，均已通過顯著性檢驗），說明用水跨區域的關聯性顯著增強，和經濟輻射網絡呈現內在一致性。

表1 機組額定工況下地下廠房內部監測結果Tab.1 Internal monitoring results of underground powerhouse under rated working conditions

表1 2015年總用水莫蘭指數Tab.1 Moran’I of total water consumption（2015）

全局莫蘭指數說明了南水北調中線工程沿線124個縣市總用水整體呈現空間正相關，但不能反映用水的異質性空間關聯。為了進一步解構124 個縣市之間的用水競合關系，采用Moran’I散點圖解析不同縣市和周邊地區（鄰接網絡）以及經濟輻射關聯地區（經濟地理網絡）之間的異質性空間關聯。以中線工程通水后第一年，2015年為例，分別繪制基于鄰接網絡與經濟地理網絡的莫蘭散點圖，如圖1所示。

由圖1（a）可知，在鄰接網絡下，大部分縣市集中在第Ⅰ，Ⅲ象限，即符合高-高（HH）與低-低（LL）特征分布，這進一步說明了南水北調中線工程沿線城市總用水呈現出空間正相關特征。其中，以北京、天津、石家莊等城市為代表，與周圍縣市形成的HH 集聚，呈現俱樂部收斂，這說明北京、天津等核心城市用水帶動了周邊地區水資源消費。而保定、南陽、平頂山等城市位于第Ⅳ象限，總用水和周邊地區呈現高-低型（HL）關聯特征，說明觀測地區與周邊地區用水差距較大，一定程度上擠壓了鄰近縣市的用水空間，呈現局部水資源極化配置。從現實來看，北京、天津等核心城市經濟輻射力強，帶動周邊地區發展，從而形成用水量共同增長的局面。而保定、南陽、平頂山等城市經濟影響力有限，周邊縣市經濟相對落后，城市則擠壓了縣市的用水空間和經濟發展空間。由此可以推斷，地區經濟社會引力是產生用水空間競爭、形成現有用水格局的重要內因。

圖1（b）中，經濟地理矩陣下總用水也表現出了空間關聯特征的分化。除了大部分地區位于第Ⅰ和第Ⅲ象限呈現空間正相關外，鄭州、南陽、邯鄲、邢臺等城市與周邊經濟水平較高的地區總用水呈現出HL 型空間關聯。上述結果表明，在南水北調中線工程通水后，位于北部的經濟相對發達的城市用水確實得到了有效保障，北京、天津、石家莊等城市總用水量均處于相對較高的水平。而位于南部的城市水資源供給收縮，說明水資源的跨區域配置擠壓了這些城市的用水空間，導致這些城市周圍形成了用水集聚的陰影，進一步凸顯了經濟社會的發展競爭是水資源空間集散的重要驅動力，而且由此導致的用水競爭中，參與主體是城市集群。綜上所述，南水北調中線工程實施后，沿線城市用水格局呈現“多點集聚，局部擴散”的特征，一定程度上對應了城市集群的發展模式和要素配置規律。

2.2 用水競合關系分析

上述分析充分說明了南水北調中線工程沿線城市總用水的空間相關性和異質性特征，但尚不能準確刻畫全局和局部用水的競合關系。基于描述空間競合關系的空間計量模型，將各城市用水份額作為樣本，分別測算工程前期（2003-2010年）、后期（2008-2015年）空間溢出效應，分析城市之間用水份額的遷移，進而刻畫和對比工程前后區域用水競合關系的變化。

圖2是兩種矩陣下工程前后系數β的分布，用以刻畫用水競合關系的整體特征。在鄰接矩陣下［圖2（a）］，系數分布中心向0 靠攏，表明工程后期相鄰地區之間的競爭與合作兩種力量趨于平衡；而在經濟地理矩陣下［圖2（b）］，空間溢出效應分布中心從0 向正軸移動，表明工程后期區域之間經濟發展的相互作用顯著，推動了整個地區之間用水的博弈關系由競爭轉向合作。

圖3和圖4是系數β的空間分布，用以分析用水競合關系的局部特征。在鄰接關聯網絡下（圖3），中線工程沿線城市由南到北，南部鄭州與相鄰地區之間的用水競爭明顯減弱，北部北京、天津、石家莊與相鄰地區之間用水由競爭轉為合作，而圍繞著京津的張家口、承德和保定的部分縣，在工程前后期始終處于競爭狀態。近年來，北京、天津加快產業結構優化升級進程，作為經濟增長極，對周圍相鄰區域經濟有較大的帶動作用，周邊的保定、廊坊等地區逐漸承接核心城市的勞動密集型、高耗能產業的轉移，從而疏解了核心地區的用水壓力，在用水上達成合作局面。但同時北京、天津經濟發展的“虹吸效應”又導致了圍繞在京津附近的張家口、承德和保定的部分縣的“環京津貧困帶”的出現。河北省作為京津的水源地，為保障首都地區充足和清潔的水資源，不斷提高環境保護標準，加大對地區資源開發和工農業生產的限制，不可避免地制約了部分經濟欠發達地區的經濟發展，經濟發達地區對周邊地區的吸附效應超過了擴散效應，導致了經濟欠發達地區的落后積貧，在用水上形成競爭局面。

在經濟地理關聯網絡下（圖4），北部城市由工程前期的趨于競爭轉化為工程后期的趨于合作；而南部城市則由趨于合作發展到后期的趨于競爭。如經濟地理矩陣工程前期競合關系空間分布圖［圖4（a）］可見，北京、天津、石家莊等大城市存在著激烈的用水競爭。結合上述用水空間相關性分析，在經濟地理網絡用水量莫蘭散點圖［圖1（b）］中，北京、天津、石家莊等大城市集中在第Ⅰ象限，形成HH 集聚，呈現出顯著空間正相關特征，這也驗證了北京、天津、石家莊等大城市在經濟發展過程中存在激烈的跨區域競爭水資源的現象。從現實來看，近年來北京、天津、石家莊等大城市人口不斷增長，用水需求猛增，在京津冀都缺水的情況下，由水資源爭奪引發的大城市之間的矛盾沖突日趨嚴重；而在工程后期，中線工程為京津冀地區加快產業優勢互補、形成良好區域分工的共同發展新格局提供了用水保障，加快了京津冀協同發展的進程，推動用水合作局面形成。而南部的河南主要以鄭州為增長極，經濟輻射范圍較小，中線工程對水資源的調配放大了鄭州對于周邊地區用水空間擠壓的矛盾，逐漸趨于競爭。

由此可見，中線工程通水推動了沿線城市之間用水需求的博弈關系轉變，水資源空間競合博弈關系轉化，因此需要調整原有的配置格局，使水資源配置適應地區需求的變化。

3 結論與建議

（1）南水北調中線工程沿線城市用水在鄰接權重矩陣和經濟地理權重矩陣下均呈現顯著的空間正相關關系，說明用水的空間集聚特征顯著。莫蘭散點圖進一步說明沿線城市用水呈現“多點集聚，局部擴散”的空間特征，且這種特征和城市群發展模式下以城市群為主體的經濟關聯網絡存在內在聯系。南水北調工程沿線城市空間網絡特征極為顯著，與經濟地理網絡呈現高度內在一致性，說明南水北調中線工程水資源配置方式符合經濟社會集聚擴散規律，保障了沿線城市經濟社會發展的水資源供給。

（2）中線工程降低了沿線相鄰地區之間水資源競爭關系，促進了經濟地理關聯網絡下相關地區由用水競爭向用水合作關系轉變，引導區域用水關系進一步契合“核心-邊緣”的區域經濟空間結構。整體來看，工程前后鄰接地區之間用水的競爭關系有所減弱，競爭和合作兩種作用力趨于平衡。經濟關聯網絡下，大城市為主的跨區域用水競爭關系在工程實施后顯著減弱，初步呈現出了跨區域合作關系。從各縣市來看，工程前后，河北和河南兩省內，相鄰縣市的用水競爭關系減弱，部分地區已經轉變為合作關系。經濟地理網絡下，河南省內經濟相對發達的地區之間用水競爭加劇，而北京、天津和石家莊等經濟相對發達的輸水目標城市之間的用水競爭關系減弱，北京與周邊地區呈現出較強的合作關系。

根據上述結論，本文有如下建議：

在沿線網絡特征顯著的基礎上，充分利用核心城市的集聚、擴散效應，以關鍵節點構建二級水市場，提高全局水資源配置效率。在持續保障用水需求爆發式增長的前提下，建立動態監管機制，改善、協調用水結構，突出主體功能區，實現因地制宜，精準輸水。

原有的行政的配置方案導致了水資源配置的扭曲和空間上的不協調，制約了區域高質量發展，因此，應以市場的手段進行水資源配置。建立水權交易市場，是降低這一地區行政配置的扭曲、促進沿線城市及城市群的產業結構轉型升級、推進這一地區經濟綠色、高效發展的內在需求和必然趨勢。

在中線工程沿線地區以北京、天津、石家莊和鄭州為中心，對中心城市周邊地區依照經濟人口規模實行水資源的梯次配置。同時，加強各地政府之間的交流和協調，有助于為構建沿線城市水市場提供行政保障，進而實現“以行政手段維護用水公平，以市場配置提高用水效率”的目標。