水資源調(diào)配水利工程空間分布及規(guī)模分異研究

劉偉蘋(píng)，陳海峰（.華東師范大學(xué)河口海岸科學(xué)研究院，上海 0006；.江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局，江蘇·南通 6006）

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水資源調(diào)配水利工程空間分布及規(guī)模分異研究

劉偉蘋(píng)1，陳海峰2
（1.華東師范大學(xué)河口海岸科學(xué)研究院，上海 200062；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局，江蘇·南通 226006）

摘 要：基于江蘇省第一次水利普查，運(yùn)用平均最鄰近指數(shù)、核密度估算等方法，定量分析水閘和泵站空間分布、規(guī)模分異特征，并進(jìn)一步劃分了不同發(fā)展時(shí)期。結(jié)果表明，在空間分布上江蘇省水閘、泵站集聚特征較為明顯，與地貌類型和水系分區(qū)具有較高的相關(guān)性，但存在空間差異性，蘇北淮河下游淺洼平原區(qū)即里下河區(qū)為高密度中心，泵站、水閘的空間分異主要表現(xiàn)在丘陵地帶，水閘分布稀疏而泵站分布密集；在規(guī)模上，水閘、泵站規(guī)格普遍偏小，水閘規(guī)模分布呈現(xiàn)出北多南少，泵站分布較為均勻；類型上，水閘類型以節(jié)制閘為主，泵站以排水泵站占比例最大，蘇中、蘇南以排水為主，蘇北以供水、供排結(jié)合為主；發(fā)展進(jìn)程上，水閘、泵站的發(fā)展可以劃分為三個(gè)階段，同時(shí)它們的規(guī)模與人均GDP存在顯著相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：水利工程；水利普查；水閘；泵站；空間分布；旱澇災(zāi)害；水資源配置

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水利是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐［1］。為了全面摸清水利發(fā)展?fàn)顩r，國(guó)務(wù)院決定于2010～2012年開(kāi)展第一次全國(guó)水利普查［2］。這是新中國(guó)成立以來(lái)首次開(kāi)展的全國(guó)性水利普查，意義重大。對(duì)于第一次水利普查成果數(shù)據(jù)研究，李玉山等對(duì)全國(guó)水利普查和全國(guó)水文統(tǒng)計(jì)年報(bào)進(jìn)行對(duì)比研究，得出水利普查與水文年報(bào)相比，指標(biāo)體系的設(shè)置更廣泛、全面、細(xì)致［3］；唐姍姍等針對(duì)水利普查數(shù)據(jù)數(shù)量大、維度多、維度分層等突特點(diǎn)，提出了Map/Reduce計(jì)算模型，從多方面直觀展現(xiàn)水利普查成果［4］；蔡陽(yáng)等介紹了水利普查空間信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)路線［5］；林美蘭等根據(jù)水力侵蝕普查調(diào)查指標(biāo)，計(jì)算廣東侵蝕總面積和各個(gè)地級(jí)市侵蝕強(qiáng)度［6］；但是對(duì)于局地水利工程分布的深入分析成果很少。江蘇跨江濱海，水網(wǎng)密布，河流湖泊眾多，并有長(zhǎng)江、淮河兩大水系，流域面積1.66萬(wàn)km2，占全省總面積的16%［7］，水資源相對(duì)豐沛，但水資源的時(shí)空分布并不均勻，由于人口密集程度大，工業(yè)化程度高，江蘇省人均水資源量低于500m3，屬于嚴(yán)重缺水區(qū)［8］；這一區(qū)域自然環(huán)境具有過(guò)渡性［9］，地理環(huán)境比較復(fù)雜，有江淮平原、蘇南平原，也有山地和丘陵。伴隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，該地區(qū)工業(yè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了比較明顯的變化，結(jié)構(gòu)升級(jí)呈現(xiàn)出一些相異性［10］。水資源與生產(chǎn)力的布局不相匹配，特別是在淮北和沿海地區(qū)，汛期水多成澇，枯季水少易旱［11］。特殊的地理位置和氣候特點(diǎn)，決定了江蘇是一個(gè)水旱災(zāi)害發(fā)生幾率較高的省份［12］。為了減少災(zāi)害危害，據(jù)有文字記載的歷史，江蘇的水事活動(dòng)已有三四千年，新中國(guó)成立以后江蘇水利經(jīng)歷了從傳統(tǒng)水利到現(xiàn)代水利的巨大進(jìn)步［13］。但近年來(lái)，也面臨著很大的工業(yè)與生活用水壓力，隨著地表水、地下水的過(guò)度開(kāi)采以及工業(yè)污染問(wèn)題的日益突出，用水矛盾在進(jìn)一步加?。?4］。厄爾尼諾現(xiàn)象頻發(fā)［15～17］，防洪抗旱任務(wù)一直在加重，洪澇旱災(zāi)的威脅還沒(méi)完全消除［14］，水利發(fā)展仍任重道遠(yuǎn)。全面了解全省主要水利工程——水閘和泵站分布空間分布、規(guī)模分異、發(fā)展規(guī)律，為該區(qū)減少洪澇災(zāi)害，優(yōu)化水資源配置，管理取排水設(shè)置，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供可靠的基礎(chǔ)信息支撐，同時(shí)對(duì)比分布差異及影響因素，可為探討工程分布的合理性和最大效益提供重要基礎(chǔ)資料。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以第一次水利普查江蘇省水閘、泵站資料作為本次研究的主要數(shù)據(jù)源。共涉及35269個(gè)普查對(duì)象及其相關(guān)數(shù)據(jù)信息、空間數(shù)據(jù)信息。屬性信息主要包括：普查對(duì)象的名稱、所在河流、所在灌區(qū)、水閘（泵站）類型、建成時(shí)間、節(jié)制閘過(guò)閘流量（裝機(jī)流量）、裝機(jī)功率，其中水閘過(guò)閘流量（泵站裝機(jī)流量）是核心數(shù)據(jù)（表1）。采用1:50000的江蘇省矢量地圖為底圖，通過(guò)ArcGIS10.1軟件對(duì)水閘、泵站進(jìn)行地理空間匹配，建立其數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)收集該省的水資源公報(bào)、中國(guó)信息網(wǎng)上的江蘇省GDP數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

主要研究方法：頻數(shù)分布圖（Frequency Map）、平均最鄰近指數(shù)（ANN）、核密度估算（KDE）。

平均最鄰近指數(shù)（ANN），主要是通過(guò)水閘（泵站）的中心與其最鄰近水閘（泵站）之間的平均距離與之前假設(shè)隨機(jī)分布的期望平均距離進(jìn)行比較，來(lái)判斷水閘（泵站）是隨機(jī)分布還是集聚分布，公式如下：

核密度估算（KDE），借助一個(gè)移動(dòng)窗口對(duì)區(qū)域中每個(gè)要素點(diǎn)的格局密度進(jìn)行估算［17］。建立一個(gè)平滑的圓形表面，然后基于數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算要素點(diǎn)到參考位置的距離，對(duì)參考位置的所有表面求和，建立這些點(diǎn)的峰值和核來(lái)創(chuàng)建平滑的連續(xù)表面。核密度估算屬于非參數(shù)密度估計(jì)的一種統(tǒng)計(jì)方法，其模型如下：

式中：f（x， y）為位于（x， y）位置的密度估計(jì)；n為觀測(cè)數(shù)值；h為帶寬或平滑參數(shù)；k為核函數(shù)，di為（x， y）位置距第i個(gè)觀測(cè)位置的距離。

表1　江蘇省水閘與泵站引排水能力統(tǒng)計(jì)Table 1 The capacities of sluice and pumping station in Jiangsu province

2 結(jié)果與分析

2.1 水閘與泵站的空間分布

以ArcGIS為操作平臺(tái)，引入點(diǎn)模式空間分析方法，運(yùn)用平均最臨近指數(shù)（ANN）和核密度估算（KDE）來(lái)研究江蘇省水閘與泵站的空間分布格局。

通過(guò)測(cè)度，水閘的ANN為0.41，屬于集聚分布模式，而且校驗(yàn)值Z為-135.88；泵站的ANN為0.54，也屬于集聚分布模式，而且校驗(yàn)值Z為-116.36。兩個(gè)測(cè)度都表示只有1%或更小的可能性會(huì)使該聚類模式是隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生的結(jié)果。

采用Kernel方法生成江蘇省水閘、泵站的密度分布圖（圖1），其密度分布都具有較大的地域差異性。發(fā)現(xiàn)具有以下特征：江蘇省水閘、泵站總體的密度分布分別約為0.171個(gè)/km2、0.174個(gè)/km2；水閘、泵站的分布與地貌類型具有較高的相關(guān)性；水閘、泵站的分布密集中心主要位于蘇北淮河下游淺洼平原區(qū)交錯(cuò)分布，節(jié)制閘密度高于泵站密度。蘇北淮河下游淺洼平原區(qū)，為相對(duì)封閉的水網(wǎng)區(qū)，河網(wǎng)密布，湖蕩眾多，湖盆總體呈淺碟形，湖蕩皆屬淺水湖，洪澇災(zāi)害嚴(yán)重［19，20］。水閘、泵站的修建在減輕洪澇災(zāi)害的同時(shí)，也加劇了人為干擾，引起河道淤積、排澇能力減弱［20］。

圖1　江蘇省水閘與泵站分布密度圖Fig.1 The density of sluice and pumping station in Jiangsu province

水閘在蘇北的鹽城、蘇中的揚(yáng)州、泰州靠近鹽城的地區(qū)分布比較密集，形成超過(guò)1個(gè)/km2的密集分布中心，依次向南向北密度大小交替、階梯狀分布。蘇南的無(wú)錫、蘇州也形成了水閘分布的次中心。蘇北淮陰北部、宿遷南部洪澤湖范圍、蘇中南通大部分地區(qū)、蘇南南京、鎮(zhèn)江寧鎮(zhèn)丘陵地帶分布相對(duì)比較稀疏。

泵站相比水閘多密集中心分布。由里下河地區(qū)依次向南向北呈階梯狀稀疏化分布。除了里下河密集中心外，東北低山丘陵區(qū)、寧鎮(zhèn)丘陵等丘陵地帶泵站偏多。蘇南常州、無(wú)錫沿江地帶、蘇州腹地也是泵站密集中心。南通同樣也是泵站分布稀疏地帶。

泵站、水閘的規(guī)模分異主要表現(xiàn)在丘陵地帶，水閘分布稀疏而泵站分布密集，這也是由它們的作用有關(guān)。水閘是修建在河道和渠道上利用閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位的低水頭水工建筑物，在水利工程中，水閘作為擋水、泄水或取水的建筑物。丘陵地帶較平原地區(qū)河流少，建水閘較少。

從不同水系分區(qū)來(lái)看，里下河區(qū)分布密度最大，水閘、泵站多沿河而建，隨河流呈條帶狀分布；陽(yáng)澄淀泖區(qū)為次級(jí)集聚中心；蘇北沿江區(qū)、沂南區(qū)屬于稀疏中心。泵站在武澄錫虞區(qū)、沂北區(qū)、沂南區(qū)南部、洪澤湖周邊、太湖湖西區(qū)北部、秦淮河北部、滁河區(qū)有次級(jí)密度中心。

2.2 水閘與泵站的規(guī)模分異

以水閘過(guò)閘流量、泵站裝機(jī)流量為分析變量，利用頻數(shù)分布直方圖來(lái)分析江蘇省水利工程規(guī)模數(shù)量分布特征，并利用SPSS對(duì)地級(jí)市水閘、泵站分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，定量分析規(guī)模分異特征。

水閘中過(guò)閘流量＞250m3/s的占1.1%，淮安市三合閘的分（泄洪閘）過(guò)閘流量13000m3/s為最大值；泵站中裝機(jī)流量＞50m3/s的有49座，占總量的0.25%，江都水利工程樞紐泵站為最大值505m3/s。上述水利工程數(shù)量較小，與中心值差距大，沒(méi)有在圖2中呈現(xiàn)。

水閘與泵站規(guī)模普遍偏小。從其頻數(shù)分布直方圖（圖2）來(lái)看，水閘過(guò)閘流量、泵站裝機(jī)流量都是偏態(tài)的，數(shù)據(jù)背離中心性也缺乏對(duì)稱性。其中水閘的偏態(tài)度為39，遠(yuǎn)大于0，分布為正偏，峰度為1926，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離正態(tài)分布且更為陡峭，同時(shí)中位數(shù)為7.9，小于平均值24.4，也說(shuō)明有大量的低值數(shù)據(jù)集簇分布而高值數(shù)據(jù)離散分布；泵站的偏態(tài)度為39，也遠(yuǎn)大于0，峰度為864，中位數(shù)為1.1，平均數(shù)為2.2，較水閘離散程度小。江蘇省水閘、泵站規(guī)模普遍偏小，規(guī)模差距也小，規(guī)模大的水閘泵站所占比重小但是規(guī)模差距大。根據(jù)最新水利普查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，小型水閘、泵站分別為16947座、17398座，分別占總量的97.1%、97.7%。

圖2　江蘇省水閘與泵站規(guī)模頻數(shù)分布圖Fig.2 The density of distribution of sluice and pumping station in Jiangsu province

水閘規(guī)模分布呈現(xiàn)出北多南少（圖3）。江蘇省北部地區(qū)和中部地區(qū)規(guī)模較大，而西南部規(guī)模較小，水閘類型以節(jié)制閘為主占總量的76.4%，分（泄）洪閘次之占12.1%，排（退）水閘和引（進(jìn)）水閘最小分別占5.7%、5.8%。分（泄）洪閘主要分布在蘇北的宿遷、淮陰、連云港，其中宿遷、淮陰規(guī)模最大，這與“懸湖”洪澤湖受洪水威脅較大，密切相關(guān)；引進(jìn)水閘主要分布在蘇北、蘇中城市，占總量的93.9%。蘇北北部的徐州和鹽城水閘分布規(guī)模最大，以節(jié)制閘占有比例最大；次高值主要分布在蘇北的宿遷、淮陰，蘇中的揚(yáng)州，蘇南的蘇州；低值區(qū)主要分布在蘇南的無(wú)錫、常州、鎮(zhèn)江、南京，蘇中的泰州；次低值分布在蘇北的連云港和蘇中的南通。

泵站規(guī)模分布更趨向均勻（圖3）。但從泵站組成類型來(lái)說(shuō)，排水泵站占比重最大為60.8%，供排結(jié)合泵站和供水泵站規(guī)模相差不大，分別占總量的18.1%和20.9%。鹽城和蘇州泵站規(guī)模最大；南通、鎮(zhèn)江泵站規(guī)模最小。蘇中、蘇南以排水為主，蘇北以供水、供排結(jié)合為主。排水泵站主要分布在蘇南平原、江淮平原。

圖3　江蘇省各市水利工程規(guī)模分布圖Fig.3 The scale of sluice and pumping station in Jiangsu province

2.3 水閘與泵站的發(fā)展進(jìn)程

20世紀(jì)50年代以來(lái)，為控制引排水，開(kāi)始修建水利工程，隨后數(shù)量一直在增加。特別是進(jìn)入21世紀(jì)，引水工程的引水能力增長(zhǎng)迅速，并且還有上升趨勢(shì)。上世紀(jì)50至70年代之間增長(zhǎng)緩慢，70年代后大幅增長(zhǎng)。其中江蘇省70年代到2000年穩(wěn)定增長(zhǎng)，2000年后呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)江蘇省水利工程的增長(zhǎng)波動(dòng)情況，可劃分為1950～1970、1971～2000、2001～2011 三個(gè)階段（圖4）。

圖4　江蘇省水閘與泵站流量歷年變化態(tài)勢(shì)Fig.4 The development of sluice and pumping station in Jiangsu province

第一階段（1950～1970年），新中國(guó)成立初期，我國(guó)水旱災(zāi)害頻繁，特別是黃淮海地區(qū)災(zāi)情嚴(yán)重，黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人認(rèn)識(shí)到興建水利、治理江河的重要性，有計(jì)劃、有步驟地恢復(fù)并發(fā)展各項(xiàng)水利事業(yè)，使水利事業(yè)逐步得到發(fā)展。

第二階段（1971～2000年），隨著人口增加，糧食問(wèn)題成為我國(guó)的重大問(wèn)題。為此，這一時(shí)期在全國(guó)范圍內(nèi)展開(kāi)了大規(guī)模的農(nóng)田水利基本建設(shè)。特別是1978年我國(guó)實(shí)行改革開(kāi)放政策，極大地刺激了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，1982年實(shí)行了家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制為主的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)改革。90年代后全國(guó)水旱災(zāi)害呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，水利的重要性日益被社會(huì)認(rèn)識(shí)，特別是1990年，中央首次提出“水利是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)”的論述，很大程度上解放和發(fā)展了生產(chǎn)力，社會(huì)各方面快速發(fā)展，水利改革發(fā)展逐步深入。

第三階段（2001～2011年），經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放，經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，加快推進(jìn)了水閘與泵站的發(fā)展。1998年亞洲金融危機(jī)暴發(fā)對(duì)我國(guó)產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖擊，為拉動(dòng)內(nèi)需，政府采取了積極的財(cái)政政策，大規(guī)模增加了包括水利設(shè)施在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，水利投入大幅度增加。1998年大水同樣引起黨和政府及全國(guó)人民對(duì)水利工作的高度重視。

從1978～2011年，江蘇省的人均GDP均高于全國(guó)平均水平。近年來(lái)，也一直保持強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)。泵站歷年累計(jì)裝機(jī)流量、水閘歷年累計(jì)過(guò)閘流量與對(duì)應(yīng)年份GDP進(jìn)行相關(guān)性分析，都顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)：泵站為0.960、節(jié)制閘為0.907。泵站工程有工業(yè)供水、生活供水、灌溉、排水等不同工程任務(wù)，很多泵站承擔(dān)多種不同任務(wù)，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)系更為密切即與歷史上地區(qū)開(kāi)發(fā)進(jìn)程同步。水閘與泵站的規(guī)模、分布、功能等的發(fā)展也能揭示不同階段、不同地區(qū)的發(fā)展足跡。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)GIS空間分析，運(yùn)用探索性空間數(shù)據(jù)分析模型，深入分析了江蘇省水閘與泵站的空間格局特征。

總體來(lái)看在空間分布上，江蘇省水閘與泵站的集聚特征比較明顯，分布與地貌類型、不同水系具有較高的相關(guān)性。分布密集中心主要在里下河地區(qū)。水閘、泵站分布存在差異性，泵站相比水閘多密集中心分布；但就局部而言差異性具體表現(xiàn)為泵站在丘陵地帶分布偏多，而水閘偏少。

從規(guī)模來(lái)看，水閘、泵站規(guī)格普遍偏小。水閘規(guī)模分布呈現(xiàn)出北多南少特點(diǎn)，蘇北北部的徐州和鹽城水閘分布規(guī)模最大，以節(jié)制閘占有比例最大，低值區(qū)主要分布在蘇南的無(wú)錫、常州、鎮(zhèn)江、南京，蘇中的泰州；泵站分布更趨向均勻，鹽城和蘇州泵站規(guī)模最大；南通、鎮(zhèn)江泵站規(guī)模最小。蘇中、蘇南以排水為主，蘇北以供水、供排結(jié)合為主。類型上看，水閘以節(jié)制閘為主，泵站以排水泵站占的比例最大。

根據(jù)不同時(shí)期發(fā)展快慢程度，可以劃分為三個(gè)時(shí)期。泵站歷年累計(jì)裝機(jī)流量、水閘歷年累計(jì)過(guò)閘流量與對(duì)應(yīng)年份GDP都呈顯著相關(guān)，水閘與泵站的規(guī)模、分布、功能等的地域分異、不同時(shí)間的發(fā)展，也能揭示不同階段、不同地區(qū)的發(fā)展足跡。

本文采用定量分析的方法對(duì)江蘇省水閘、泵站的空間分布、規(guī)模差異等進(jìn)行了研究。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上，從自然差異、工農(nóng)業(yè)組成、地域文化等不同方面，進(jìn)一步研究建立綜合指標(biāo)體系，探索江蘇省水利工程的調(diào)控手段與合理配置。

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Spatial distribution and scale differentiation of hydropower engineering for water resources allocation: using sluices and pumping stations in Jiangsu province

LIU Wei-Ping1， CHEN Hai-Feng2
（1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research， East China Normal University， Shanghai 200062， China；2.Nantong Substation of Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province， Jiangsu Nantong 226006， China）

Abstract:Based on water census data and using models such as ANN and KDE， this study conducts a quantitative analysis of the space and scale differentiation of sluices and pumping stations in Jiangsu province.It identifes the different development periods.Regarding spatial distribution， the sluice and pumping stations in Jiangsu are characterized by obvious concentrations with high correlation related to the geomorphic types and the water system.Spatial variability is also evident as there is a high density center downstream of the Huaihe River in north Jiangsu.In hilly terrain， sluices are sparsely distributed， but pumping stations are densely packed.Regarding the scale of the operations， sluices and pumping stations in Jiangsu province are generally small.There are more sluices in northern Jiangsu as compared to southern Jiangsu， while the pumping stations are well distributed.Regarding the type of each technology， the control sluice is the most prominently used sluice， and drainage pumping stations are the most common type of pumping station， with those in southern and central Jiangsu being mainly drainage.In contrast， northern Jiangsu has drainage， supply， and combined drainage with water supply pumping stations.In the development， sluices and pumping stations can be divided into three stages.The scale of the facilities signifcantly correlates with per capita GDP.

Key words:water conservancy project； water census； sluice； pumping station； spatial distribution； drought and flood disaster； water resources allocation

中圖分類號(hào)：P336

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1329（2016）02-0079-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.019

收稿日期:2016-01-25

修訂日期:2016-03-28

作者簡(jiǎn)介:劉偉蘋(píng)（1990-），女，碩士生，研究方向?yàn)樗Y源管理.

基金項(xiàng)目:全國(guó)首次水利普查項(xiàng)目