近10年青海省水資源利用時(shí)空格局分布

朱海玲，馬金安，李存霞，鄭國(guó)強(qiáng)

(青海省工程咨詢中心，青海西寧 810001)

水資源作為基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，是生態(tài)環(huán)境的重要控制因素。隨著人口不斷增加、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程加快和人民生活水平的逐步提高，水資源已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)建設(shè)的命脈，直接關(guān)系到國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。水資源供需矛盾日益突出，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的戰(zhàn)略性問(wèn)題之一[1-2]。

青海地處青藏高原東北部，被譽(yù)為“中華水塔”，是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地，是我國(guó)淡水資源的重要補(bǔ)給地，全省水資源總量達(dá)629.3億m3，人均水資源量1.09萬(wàn)m3，為全國(guó)人均水量的5倍多，水資源已成為該省最主要的生態(tài)產(chǎn)品，是保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基本條件，是建設(shè)生態(tài)大省、強(qiáng)省的重要支撐，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)生產(chǎn)生活良性循環(huán)的必備要素。近年來(lái)，在西部大開(kāi)發(fā)、一帶一路、國(guó)家加大藏區(qū)建設(shè)投入、東部城市群建設(shè)等一系列重大戰(zhàn)略政策支撐下，青海省經(jīng)濟(jì)大幅增長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變及產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整，水資源利用格局也隨之發(fā)生較大變化，現(xiàn)有的水利基礎(chǔ)設(shè)施格局、水資源管理體系及開(kāi)發(fā)利用水平，已難以滿足全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求，難以適應(yīng)全省“四個(gè)轉(zhuǎn)變”發(fā)展新思路和“131”發(fā)展總要求，難以支撐青海省肩負(fù)的保護(hù)“中華水塔”的生態(tài)重任。因此，筆者對(duì)全省水資源利用時(shí)空格局進(jìn)行更詳細(xì)的分析，促進(jìn)新形勢(shì)下水資源優(yōu)化配置，為強(qiáng)化水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展支撐、建設(shè)生態(tài)強(qiáng)省、融入國(guó)家戰(zhàn)略提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1研究區(qū)概況青海省位于89°35′～103°04′E、31°39′～39°19′N(xiāo)，面積69.66萬(wàn)km2，平均海拔3 000 m以上，是世界屋脊的重要組成部分。東部與北部同甘肅省相連，東南部和四川省為鄰，西南與西藏自治區(qū)毗連，西北部與新疆維吾爾自治區(qū)相接，是連接西藏、新疆與內(nèi)地的紐帶。

青海省東南部、東北部水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密集；西北部諸盆地，河流稀疏；柴達(dá)木盆地西北部屬于無(wú)徑流區(qū)。省內(nèi)流域面積50 km2及以上河流3 581條，總長(zhǎng)度11.41萬(wàn)km；流域面積100 km2及以上河流1 791條，總長(zhǎng)度8.2萬(wàn)km；流域面積1 000 km2及其以上河流200條，總長(zhǎng)度2.81萬(wàn)km；流域面積10 000 km2及其以上河流27條，總長(zhǎng)度0.99萬(wàn)km。以烏蘭烏拉山—布爾汗布達(dá)山—日月山—大通山一線為界，以南以東為黃河流域、長(zhǎng)江流域、瀾滄江流域，屬外流河區(qū)；以北以西為內(nèi)流河區(qū)。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源該研究以青海省為研究對(duì)象，以全省8個(gè)市級(jí)行政區(qū)為研究單元，研究過(guò)程涉及到的經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《青海統(tǒng)計(jì)年鑒》(2008—2017年)，水資源數(shù)據(jù)來(lái)源于《青海省水資源公報(bào)》(2007—2016年)。

1.3研究方法

1.3.1區(qū)域重心?！爸匦摹边@一概念源自于力學(xué)，是指一個(gè)物體各部分所受重力產(chǎn)生合力的作用點(diǎn)[3]。隨著學(xué)科的相互交融，重心模型被廣泛應(yīng)用到各領(lǐng)域研究中，如人口重心模型[4]、經(jīng)濟(jì)重心模型[5]、旅游重心模型[6]、水資源重心模型[7]等，成為研究區(qū)域發(fā)展過(guò)程中相關(guān)要素空間變化的主要分析工具[8]。該研究將這一分析工具引入青海省水資源重心路徑遷移問(wèn)題研究中。重心地理坐標(biāo)(x，y)的計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中，Xt、Yt分別為第t年重心的經(jīng)度坐標(biāo)和緯度坐標(biāo)；mi為第i個(gè)子區(qū)域某種屬性的數(shù)量值；xi、yi分別為子區(qū)域地理中心的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

1.3.2相對(duì)變化率。根據(jù)我國(guó)對(duì)水資源的相關(guān)分類(lèi)，可以把水資源利用類(lèi)型劃分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水4大類(lèi)型。對(duì)于水資源利用變化的區(qū)域差異，可以用水資源利用類(lèi)型的結(jié)構(gòu)變化來(lái)表示，對(duì)此引入水資源利用類(lèi)型的相對(duì)變化率，其公式如下：

(2)

式(2)中，Pm、Pn分別指子區(qū)域的某種水資源利用類(lèi)型在研究期初和研究期末的用水量；Qm、Qn分別指青海省某種水資源利用類(lèi)型在研究期初和研究期末的用水量。若W>1，則表明該子區(qū)域m類(lèi)型水資源利用變化大于全省水平；若W=1，則表明該區(qū)域該類(lèi)型水資源利用變化與全省的一致；若W<1，則表明該子區(qū)域該類(lèi)型水資源利用變化小于全省水平。

1.3.3水資源利用效率。水資源作為支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本要素，同時(shí)，全國(guó)超過(guò)70%的水資源消耗量用于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)，因此水資源總體利用效率可用經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)的水資源利用效率代替。該研究借鑒尹上崗等[7]、馬海良等[9]研究思路，采用區(qū)位熵法，將青海省各州市GDP占全省GDP的比重與各州市水資源用量占全省水資源用量的比重二者之間的比值作為水資源利用效率，具體公式如下：

(3)

式(3)中，Mij為j年份i子區(qū)域的水資源利用效率；Gij為j年份i子區(qū)域的GDP；Gj為j年份全省GDP；Wij為j年份i子區(qū)域的地區(qū)用水量；Wj為j年份全省水用量。

2 結(jié)果與分析

2.1青海省水資源重心演變軌跡水資源重心隨時(shí)間的移動(dòng)軌跡可反映出水資源空間分布差異的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。根據(jù)式(1)，計(jì)算2007—2016年青海水資源總量、水資源用量及GDP的重心，分析青海水資源及其利用的時(shí)空演變總體移動(dòng)軌跡(圖1)，并探討GDP對(duì)水資源利用格局變化的影響。

圖1 2007—2016年青海省水資源總量重心轉(zhuǎn)移軌跡Fig.1 Track of gravity shift of total water resources in Qinghai Province from 2007 to 2016

由青海省水資源總量重心轉(zhuǎn)移軌跡(圖1)可知，2007—2016年以全省幾何中心為參考，青海省水資源總量重心總體向東南側(cè)偏移，位于海西州、果洛州、玉樹(shù)州三地交界處，全省水資源分布不均，東南部水資源分布相對(duì)較多。年際水資源總量重心移動(dòng)軌跡具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，說(shuō)明年際氣溫和降水量空間分布呈波動(dòng)性變化。水資源總量為地表徑流量與降水入滲補(bǔ)給量之和，即區(qū)域產(chǎn)水量。青海省水資源補(bǔ)給主要以降水為主，冰川融水為輔，其中，內(nèi)陸河多為冰川融水和雨水混合補(bǔ)給型，外流河多為以雨水補(bǔ)給為主。全省多年平均氣溫呈自西向東先增后減再增的趨勢(shì)、自南向北先減后增再減的特點(diǎn)，最高氣溫出現(xiàn)在東部西寧[10]。全省降水量總體由東南向西北遞減。水資源總量重心移動(dòng)距離大小直接反映出水資源總量年際穩(wěn)定程度。2007—2016年青海省水資源重心年際轉(zhuǎn)移距離均值為15.87 km，2015—2016年重心轉(zhuǎn)移距離為62.00 km，遠(yuǎn)大于移動(dòng)均值，呈跳躍性轉(zhuǎn)移，查閱資料發(fā)現(xiàn)，2016年青海省平均氣溫為1961年以來(lái)氣溫最高值，同時(shí)屬降水量偏豐年，行政區(qū)域中西寧市降水量最大，較多年平均偏多9.4%，綜上多種因素致使水資源總量重心移動(dòng)距離較大。

由青海省水資源用量重心轉(zhuǎn)移軌跡(圖2)可知，2007—2016年以青海省幾何中心為參考坐標(biāo)，青海省水資源用量重心總體向東北移動(dòng)，各重心均在海西州與海南州交界處，移動(dòng)軌跡具有明顯的階段性，呈“一”字型。在重心移動(dòng)方向上，2007—2011年基本由東向西移動(dòng)趨勢(shì)，平均移動(dòng)距離為31.72 km；2012—2016年基本由西向東移動(dòng)，平均移動(dòng)距離為11.47 km。水資源用量重心移動(dòng)軌跡的年際方向變化和移動(dòng)速度表明，青海省南部和北部的年際水資源用量較為穩(wěn)定，西部柴達(dá)木地區(qū)和東部地區(qū)作為全省主要用水地區(qū)，年際波動(dòng)較大，2007—2011年柴達(dá)木地區(qū)用水量逐年增加，增幅較大；2012—2016年?yáng)|部地區(qū)用水量逐步增多，但增幅較小。

對(duì)比圖1和圖2，水資源總量和水資源用量重心轉(zhuǎn)移軌跡截然不同。水資源用量是支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本要素，因此進(jìn)一步研究青海省GDP重心轉(zhuǎn)移軌跡，分析水資源用量軌跡轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)因素。

圖2 2007—2016年青海省水資源用量重心轉(zhuǎn)移軌跡Fig.2 Track of gravity shift of water resources usage in Qinghai Province from 2007 to 2016

由圖3可知，以全省幾何重心為參考坐標(biāo)，全省GDP重心向東部偏移，重心軌跡主要集中在海西州與黃南州交界偏東處，與全省用水量重心位置相差無(wú)幾，說(shuō)明水資源用量重心與各地區(qū)GDP關(guān)系密切。而且GDP重心轉(zhuǎn)移方向上與水資源用量重心一致，沿南北向浮動(dòng)較小，主要沿東西向移動(dòng)。但兩者的年際移動(dòng)軌跡呈現(xiàn)差別化，2007—2013年GDP重心移動(dòng)軌跡呈東—西來(lái)回波動(dòng)，平均移動(dòng)距離為7.60 km；2014—2016年GDP重心大幅向東部移動(dòng)，平均移動(dòng)距離為16.58 km，形成兩者的差別化移動(dòng)軌跡因素有很多，主要是三產(chǎn)結(jié)構(gòu)、高耗水產(chǎn)業(yè)分布和用水效率等。2007—2016年青海省農(nóng)田灌溉用水量占總用水量的57.26%，且農(nóng)田灌溉主要集中在海西州和東部地區(qū)，其中海西州地處柴達(dá)木盆地，種植業(yè)以經(jīng)濟(jì)作物枸杞、藜麥為主，由于蒸發(fā)量大，且用水粗放、大水漫灌現(xiàn)象普遍存在，為全省農(nóng)田灌溉用水量定額的高值區(qū)，農(nóng)田灌溉用水定額均值高達(dá)16 005 m3/hm2，遠(yuǎn)高于全省均值(9 135 m3/hm2)，因此相對(duì)全省GDP重心，水資源用量重心偏西北。青海省水資源分布與資源、人口、城鎮(zhèn)布局不相匹配，以西寧和海東為主的東部地區(qū)匯集了全省70%的人口和64%的經(jīng)濟(jì)總量，水資源用量需求大，所以相對(duì)水資源總量重心，水資源用量重心大幅向東部偏移，針對(duì)這種情況，需進(jìn)一步加大對(duì)青海水資源優(yōu)化配置方面的投入，提高水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐作用。

圖3 2007—2016年青海省GDP重心轉(zhuǎn)移軌跡Fig.3 Track of gravity shift of GDP in Qinghai Province from 2007 to 2016

2.2青海省水資源利用結(jié)構(gòu)變化根據(jù)式(2)，計(jì)算出2007—2016年青海省各州市不同類(lèi)型用水量的相對(duì)變化率，包括農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、生態(tài)用水量、用水總量和人均用水量，并采用ArcGIS進(jìn)行可視化(圖4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用水總量、人均用水量、不同類(lèi)型用水量變化呈現(xiàn)顯著區(qū)域差異化。各州市農(nóng)業(yè)用水空間變化值為0.668～1.528，變化順序?yàn)楹Ｎ髦?海北州>玉樹(shù)州>果洛州>1>海南州>黃南州>西寧市>海東市；各州市工業(yè)用水空間變化值為0.605～4.740，變化順序?yàn)橛駱?shù)州>海東市>海南州>海北州>海西州>黃南州>1>西寧市>果洛州；各州市生活用水空間變化值為0.877～1.109，變化順序?yàn)楣逯?玉樹(shù)州>海東市>西寧市>1>海南州>黃南州>海西州>海北州；各州市生態(tài)用水空間變化值為0～14.582，變化順序?yàn)楹|市>海西州>黃南州>1>果洛州>玉樹(shù)州>西寧市>海北州>海南州(值為0)；各州市用水總量空間變化值為0.748～1.374，變化順序?yàn)橛駱?shù)州>海西州>海北州>果洛州>1>黃南州>海南州>海東市>西寧市；各州市人均用水量空間變化值為0.693～1.451，變化順序?yàn)辄S南州>海北州>玉樹(shù)州>海東市>果洛州>海西州>1>西寧市>海南州。全省用水量空間變化幅度相對(duì)較小，用水總量趨于穩(wěn)定。生活用水變化幅度最小，但人均用水量空間變化幅度較大。

注：a.農(nóng)業(yè)用水；b.工業(yè)用水；c.生活用水；d.生態(tài)用水；e.用水總量；f.人均用水量Note：a.Agricultural water；b.Industrial water；c.Domestic water；d.Ecological water；e.Total water use；f.Per capita water consumption圖4 青海省各州市不同類(lèi)型用水量的相對(duì)變化率Fig.4 Relative change rates of different types of water use in states and cities of Qinghai Province

青海省地域遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜，各區(qū)域發(fā)展水平不平衡、人口分布不均，根據(jù)童旭光等[11]、張愛(ài)儒[12]的相關(guān)研究得出，青海省經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域差異顯著，各州市發(fā)展速度不一致，按照經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展程度分為3個(gè)階梯，第1階梯是西寧市、海西州，為全省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)區(qū)域，二者為全省貢獻(xiàn)了65%以上GDP；第2階梯是海東市、海北州、海南州、黃南州；第3階梯包括玉樹(shù)州、果洛州。因此各地區(qū)灌溉設(shè)施覆蓋不均衡，節(jié)約用水水平層次不齊，各地區(qū)不同類(lèi)型用水變化呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。西寧市是全省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，近10年來(lái)城市人口集聚效應(yīng)明顯，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，平均每年常住人口凈增2.21萬(wàn)，西寧市生活用水變化幅度最為突出，并大于全省變化幅度；海西州作為國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)先行區(qū)，與西寧市同屬全省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展支柱，同時(shí)地處柴達(dá)木地區(qū)，種植業(yè)以經(jīng)濟(jì)作物枸杞、藜麥為主，由于蒸發(fā)量大，且用水粗放、大水漫灌現(xiàn)象普遍存在，為全省農(nóng)田灌溉用水量定額的高值區(qū)，農(nóng)業(yè)用水變化最大，綠洲生態(tài)建設(shè)也需要水資源支撐，因此，用水總量變化隨之浮動(dòng)；隨著西部大開(kāi)發(fā)、“一帶一路”戰(zhàn)略的深入實(shí)施，及全面建設(shè)小康社會(huì)、援藏政策等政策資金投入，處于第2階梯和第3階梯的區(qū)域經(jīng)濟(jì)大力發(fā)展，用水量大幅增加，水利設(shè)施建設(shè)加強(qiáng)，海北州、黃南州、海南州、果洛州、玉樹(shù)州等不同類(lèi)型用水變化幅度較大，尤其是玉樹(shù)災(zāi)后重建，加之撤縣建市，帶動(dòng)全州經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，玉樹(shù)州工業(yè)用水、生活用水、用水總量變化都較為突出。海東市地處東部干旱地區(qū)，也是全省農(nóng)業(yè)發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)，用水量在全省的占比較大，隨著海東市撤地建市，在全省推進(jìn)東部城市群建設(shè)并積極融入蘭西城市群國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展契機(jī)下，經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展，生態(tài)用水和工業(yè)用水變化較為顯著，尤其是生態(tài)需水急劇增加，但農(nóng)業(yè)用水和用水總量變化均為全省最小，說(shuō)明這10年來(lái)海東市用水結(jié)構(gòu)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷調(diào)整，呈“此消彼長(zhǎng)”發(fā)展趨勢(shì)，用水總量變化不大，海東市三產(chǎn)結(jié)構(gòu)比由2007年的19.81∶37.58∶42.61調(diào)整為2016年的13.00∶50.13∶36.86，更證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.3青海省用水效率變化分析根據(jù)式(3)計(jì)算出2007—2016年青海省各州市水資源利用效率(圖5)。借鑒馬海良等[9]對(duì)經(jīng)濟(jì)用水的分類(lèi)方法，水資源利用效率可劃分為4類(lèi)區(qū)：Ⅰ類(lèi)區(qū)為水資源利用高效型(2.0～6.0)，Ⅱ類(lèi)區(qū)為水資源利用較高效型(1.0～2.0)，Ⅲ類(lèi)區(qū)為水資源利用較低效型(0.5～1.0)，Ⅳ類(lèi)區(qū)為水資源利用低效型(0～0.5)?？傮w上，2007—2016年全省水資源利用效率較高的有西寧市、黃南州、玉樹(shù)州、果洛州，水資源利用效率低的有海西州、海東市、海北州、海南州。各州市水資源利用效率隨時(shí)間變化呈多樣化。黃南州水資源利用效率在Ⅱ類(lèi)區(qū)波動(dòng)，為全省水資源利用效率最高的區(qū)域；西寧市水資源利用效率呈較穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，由Ⅱ類(lèi)區(qū)進(jìn)入Ⅰ類(lèi)區(qū)；海東市水資源利用效率呈小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，但一直處于Ⅲ類(lèi)區(qū)內(nèi)；海南州為Ⅳ類(lèi)區(qū)，變化幅度不明顯，為全省水資源利用效率最低；玉樹(shù)州水資源利用效率呈波動(dòng)式下降趨勢(shì)，由Ⅰ類(lèi)區(qū)進(jìn)入Ⅱ類(lèi)區(qū)；果洛州水資源利用效率較高，效率變化以2011年為峰值，呈“∧”狀；海北州水資源利用效率不高且變化幅度小，處于Ⅲ類(lèi)區(qū)；海西州水資源利用效率水平較低，且呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)。

圖5 2007—2016年青海省各州市水資源利用效率對(duì)比Fig.5 Comparison of water use efficiency in various prefectures and cities of Qinghai Province from 2007 to 2016

3 結(jié)論與討論

該研究采用2007—2016年青海省2市6州的不同類(lèi)型用水量數(shù)據(jù)及人口、GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)青海省水資源利用類(lèi)型結(jié)構(gòu)變化、水資源利用效率的空間差異化及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

(1)2007—2016年受降雨、溫度等因素影響，青海省水資源總量重心偏離幾何重心，各年的重心移動(dòng)軌跡具有不穩(wěn)定性；青海省水資源用量重心和GDP重心偏離幾何重心的方向一致，年際移動(dòng)軌跡呈“一”字形。水資源用量重心偏離水資源總量重心明顯，建議加快水資源配置工程建設(shè)，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

(2)2007—2016年青海省用水總量空間變化幅度相對(duì)較小，人均用水量空間變化幅度較大，不同類(lèi)型用水空間變化呈差異化，除生活用水變化幅度最小，其他類(lèi)型用水空間變化幅度加大。全省各州市用水結(jié)構(gòu)仍處于調(diào)整階段。享國(guó)家戰(zhàn)略政策紅利，海北州、黃南州、海南州、果洛州、玉樹(shù)州等全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后的第2、第3階梯區(qū)，大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，不同類(lèi)型用水變化幅度較大。

(3)2007—2016年各州市的水資源利用效率隨時(shí)間變化呈多樣化，分為增長(zhǎng)型、下降型、變化幅度不明顯型3種類(lèi)型。全省過(guò)半的區(qū)域仍處于水資源利用效率較低效型及以下水平，亟需提升。

青海省水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口分布存在嚴(yán)重不匹配，在當(dāng)前轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，水資源需求逐漸增大，水資源利用效率依然有待提升。因此，了解全省水資源及其利用的空間分布狀況，在水資源“三條紅線”控制指標(biāo)約束下，優(yōu)化水資源配置，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)節(jié)約用水建設(shè)，提升水資源利用效率，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)不擠占生態(tài)用水，堅(jiān)決筑牢國(guó)家生態(tài)安全屏障。