黃河流域各?。▍^(qū)）用水價值空間聚集特征分析

吳澤寧 狄丹陽 黃碩俏

摘 要：基于空間自相關(guān)方法揭示用水價值的空間分布特點，可為流域水資源管理和合理配置提供決策依據(jù)。以黃河流域為例，基于2015年各省（區(qū)）實際用水量數(shù)據(jù)量化用水價值，結(jié)合能值價值理論和空間自相關(guān)分析方法，分析了黃河流域各?。▍^(qū)）用水價值空間分布及其聚集特征。結(jié)果表明：黃河流域經(jīng)濟(jì)用水價值、生態(tài)環(huán)境用水價值和總用水價值具有明顯的空間差異性;黃河流域各?。▍^(qū)）用水價值具有明顯的空間聚集特征，其中經(jīng)濟(jì)用水價值在黃河上游出現(xiàn)低值聚集，在陜西省、河南省和山東省出現(xiàn)高值聚集;社會用水價值在全流域高值聚集明顯;生態(tài)環(huán)境用水價值高值聚集在寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省和山西省;總用水價值高值聚集出現(xiàn)在青海省、四川省和陜西省，低值聚集出現(xiàn)在寧夏回族自治區(qū)及內(nèi)蒙古自治區(qū)。建議在流域水資源管理中統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)環(huán)境用水價值，鞏固高值區(qū)用水價值，提升低值區(qū)用水價值，推進(jìn)高值區(qū)帶動低值區(qū)水資源管理水平的提高。

關(guān)鍵詞：用水價值;空間自相關(guān);聚集特征;黃河流域

中圖分類號：TV213.4;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.018

Abstract：The study on distribution characteristics of water resources value based on spatial autocorrelation can provide the basis for decision-making for scientifically formulating the policies of water resources management and optimal water allocation in the Yellow River Basin （YRB）. Thus， the energy value theory and spatial autocorrelation analysis method was adopted in the YRB to formulate the spatial aggregation characteristics of the basin based on the 2015 regional statistical water resources data in each region. The results indicate that there are obvious spatial differences in economic value， ecological environment value and comprehensive value of water resources in the YRB. Simultaneously， the regional water resources value of the YRB has obvious spatial aggregation characteristics. Among them， the economic value of water resources has a low value aggregation in the upper reaches of the YRB， and high value accumulation in Shaanxi， Henan and Shandong provinces; social value of water resources has obvious high value accumulation in the entire basin; the high value of ecological environment value of water resources is concentrated in Ningxia， Inner Mongolia， Shaanxi and Shanxi provinces; the high-value aggregates of comprehensive value of water resources are appeared in Qinghai， Sichuan and Shaanxi provinces and the low-value aggregates are appeared in Ningxia and Inner Mongolia. Overall consideration should be given to the economic， social and eco-environmental value of water resources in water resources management of the YRB. Simultaneously， it is necessary to consolidate the water resources value of high-value regions and improve the low-value regions as the goal， so as to promote the improvement of water resources management level in low-value regions.

Key words： water resources value; spatial autocorrelation; clustering characteristics;Yellow River Basin

水資源是保障經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)環(huán)境有序發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。合理的用水政策和配置策略不僅能充分發(fā)揮水資源的價值，還能有效促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。黃河流域涉及多個省（區(qū)），各省（區(qū)）地理位置、生態(tài)環(huán)境和發(fā)展水平不均衡，經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)環(huán)境用水價值存在明顯差異，明晰流域用水價值的空間分布特點，對完善流域水資源管理政策、科學(xué)配置流域水資源具有重要的現(xiàn)實意義。文獻(xiàn)分析顯示，相關(guān)研究將地理學(xué)的自相關(guān)分析方法作為空間分布特征的分析工具，對耕地資源、碳排放、城市居民消費等的變化規(guī)律進(jìn)行分析，實現(xiàn)了預(yù)期的研究目標(biāo)[3-5]，但是缺乏針對流域用水價值空間特征的研究。本文將可統(tǒng)一度量水資源經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)環(huán)境價值的能值分析方法[6]與空間自相關(guān)分析方法結(jié)合起來，以黃河流域為研究對象，探討用水價值在黃河流域的空間聚集性及其在不同?。▍^(qū)）的聚集特征。

1 流域?。▍^(qū)）用水價值空間聚集特征分析方法

1.1 用水價值能值量化方法

水資源是生態(tài)環(huán)境的基本要素，是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的組成部分[7]。流域各用水部門處于經(jīng)濟(jì)和社會系統(tǒng)，流域水行政管理的目標(biāo)是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。因此，用水價值的研究應(yīng)立足于水資源經(jīng)濟(jì)-社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)（水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)）[6]?；谀苤祪r值理論分析，黃河流域用水價值包括經(jīng)濟(jì)用水價值、社會用水價值和生態(tài)環(huán)境用水價值，其構(gòu)成見圖1[8-9]。

針對流域用水價值構(gòu)成，采用能值分析方法，將水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能量投入、價值產(chǎn)出統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為能值，實現(xiàn)不同量綱價值的統(tǒng)一量化?；巨D(zhuǎn)換公式為[10]

1.2 流域省（區(qū)）用水價值空間聚集特征分析方法

1.2.1 流域用水價值空間聚集性判別

空間自相關(guān)分析即分析空間不同觀察對象之間同一變量的關(guān)聯(lián)特性，可將其引入用水價值空間維度的研究，分析流域各?。▍^(qū)）之間同一價值變量的空間關(guān)聯(lián)特征。采用全局空間自相關(guān)分析法，判斷同一價值變量在全流域是否存在空間聚集現(xiàn)象。全局空間自相關(guān)用Moran指數(shù)I表征[12]，計算公式為

式中：I為Moran指數(shù);xi、xj分別為流域?。▍^(qū)）i、 j的用水價值;n為省（區(qū)）數(shù)量;為流域用水價值的平均值;S2為流域用水價值的方差;wij為空間權(quán)重矩陣中的元素[13]。

I>0反映同一價值變量在流域省（區(qū)）之間具有正相關(guān)性，即該價值變量在?。▍^(qū)）之間存在潛在關(guān)聯(lián);I越趨近于1，空間關(guān)聯(lián)越明顯;I=0時，不存在空間相關(guān)性;I<0反映同一價值在流域?。▍^(qū)）之間有負(fù)相關(guān)性，即該價值變量在省（區(qū)）之間存在潛在差異，I越趨近于-1空間差異越顯著。

1.2.2 流域用水價值空間聚集位置及特征分析

局部空間自相關(guān)用LISA（Local Indicators of Spatial Association）指標(biāo)表征[14]。Moran散點圖可以直觀表達(dá)省（區(qū)）用水價值變量的空間聚集特征，LISA聚類圖可以顯示空間聚集位置。通過繪制Moran散點圖和LISA聚類圖，可以表征流域各?。▍^(qū)）用水價值變量的空間關(guān)系。Moran散點圖分為4個象限，結(jié)合用水價值的高低及其相互關(guān)系，界定各象限的用水價值空間聚集模式和內(nèi)涵（見表1）。

“高-低”聚集說明?。▍^(qū)）自身用水價值高，相鄰省（區(qū)）的用水價值低。在水資源管理中，可推廣自身水資源配置格局與管理經(jīng)驗，發(fā)揮對低值?。▍^(qū)）用水價值提升的帶動作用

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

黃河是我國的第二大河，流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東9個?。▍^(qū)）。鑒于2015年流域?。▍^(qū)）用水量數(shù)據(jù)相對完整（見表2）[15]，本文選擇計算2015年流域各?。▍^(qū)）經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境用水價值及總用水價值，并進(jìn)行空間聚集特征分析。水資源數(shù)據(jù)來源于《黃河水資源公報2015》、各?。▍^(qū)）《水資源公報2015》，經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)來源于各省（區(qū)）《統(tǒng)計年鑒2016》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒2016》《廢水排放年鑒》《中國統(tǒng)計年鑒》《2015環(huán)境質(zhì)量公報》及《黃河流域綜合規(guī)劃（2012—2030）》等。

2.2 黃河流域?。▍^(qū)）用水價值計算結(jié)果

結(jié)合基于能值理論的用水價值計算方法[16-18]和能值/貨幣比率折算原則[11]，對黃河流域各?。▍^(qū)）經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境及總用水價值進(jìn)行貨幣化度量，計算結(jié)果見表3。

2.3 黃河流域用水價值空間分布及聚集特征

2.3.1 黃河流域?。▍^(qū)）用水價值空間分布

由表3可知：黃河流域各項用水價值的空間分布存在明顯差異，不同?。▍^(qū)）總用水價值為8.73～16.53元/m3，最大值是最小值的1.89倍;經(jīng)濟(jì)用水價值為4.12～11.29元/m3，最大值是最小值的2.74倍;社會用水價值為30.74～32.65元/m3，最大值與最小值相差不大;生態(tài)環(huán)境用水價值為16.62～25.30元/m3，最大值是最小值的1.52倍。

根據(jù)黃河流域各?。▍^(qū)）經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境以及總用水價值的空間差異性特征，建議在水資源優(yōu)化配置和管理過程中統(tǒng)籌考慮以下4個方面：首先，社會用水價值高于生態(tài)環(huán)境用水價值，而反映水資源效率屬性的經(jīng)濟(jì)用水價值最低，說明從用水價值角度出發(fā)，滿足人類生存生活需求具有最高的優(yōu)先級，在黃河流域水資源配置中應(yīng)優(yōu)先保障社會生活用水量;其次，社會用水價值在流域?。▍^(qū)）之間的差異最小，說明目前流域各?。▍^(qū)）的社會生活用水配置基本合理;再次，生態(tài)環(huán)境用水價值高于經(jīng)濟(jì)用水價值，從價值量的角度驗證了保障生態(tài)環(huán)境用水優(yōu)先的必要性;最后，在流域水資源管理過程中要綜合考慮不同省（區(qū)）用水價值的協(xié)調(diào)發(fā)展，以實現(xiàn)黃河流域總用水價值最大化。

2.3.2 黃河流域?。▍^(qū)）用水價值空間聚集特征分析

基于上文分析可知，在流域水資源管理中若以調(diào)整用水價值空間分布為技術(shù)手段，實現(xiàn)流域水資源優(yōu)化配置，需對用水價值的空間相關(guān)性和空間聚集特征進(jìn)行分析。本文以黃河流域?。▍^(qū)）用水價值量化及空間分布分析為基礎(chǔ)，利用全局空間自相關(guān)分析方法，在Geoda1.14的支持下，計算經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境及總用水價值全局Moran指數(shù)I，并繪制Moran散點圖（見圖2）。從圖2可以看出：?。▍^(qū)）經(jīng)濟(jì)用水價值全局Moran指數(shù)為0.629，具有強(qiáng)空間正相關(guān)性;?。▍^(qū)）社會用水價值、生態(tài)環(huán)境用水價值全局Moran指數(shù)分別為0.214、0.260，均具有空間正相關(guān)性;省（區(qū)）總用水價值全局Moran指數(shù)為0.216，表現(xiàn)出空間正相關(guān)性。由此可見，黃河流域用水價值空間關(guān)聯(lián)特征為：經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境以及總用水價值均存在空間聚集現(xiàn)象，不同性質(zhì)用水價值變量在流域不同?。▍^(qū)）之間有潛在的相互關(guān)聯(lián)性。對流域水資源管理來說，這種關(guān)聯(lián)性表明可以利用調(diào)整用水價值空間分布的手段實現(xiàn)流域水資源優(yōu)化配置。

為了進(jìn)一步分析黃河流域用水價值的空間聚集或異常位置，確定應(yīng)鞏固、加強(qiáng)、帶動或提升用水價值的具體區(qū)域，運用局部空間自相關(guān)分析方法，繪制黃河流域經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境用水價值及總用水價值LISA聚類圖，見圖3。

經(jīng)濟(jì)用水價值包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)與服務(wù)業(yè)用水價值3部分，價值大小與資源儲備、土地規(guī)劃、交通條件、科技水平以及產(chǎn)品類型等關(guān)系密切，而上述要素均表現(xiàn)出地理上的類似性。因此，經(jīng)濟(jì)用水價值在黃河流域表現(xiàn)出強(qiáng)空間正相關(guān)性。從圖3可以看出，陜西省、河南省和山東省呈現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)用水價值的高值聚集，為價值鞏固區(qū)。經(jīng)濟(jì)用水價值高值聚集出現(xiàn)在黃河流域中東部，該區(qū)域地域?qū)拸V、交通便利且勞動力充足，有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展[9]。青海省、四川省和甘肅省呈現(xiàn)低值聚集，為價值提升區(qū)。低值聚集出現(xiàn)在黃河流域西部，該區(qū)域地形復(fù)雜、氣候寒冷且勞動力流失嚴(yán)重、信息閉塞，給經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來不利影響[9]。寧夏回族自治區(qū)和山西省出現(xiàn)“低-高”聚集，為價值加強(qiáng)區(qū)。黃河流域經(jīng)濟(jì)用水配置應(yīng)以鞏固陜西省、河南省和山東省經(jīng)濟(jì)用水價值，提升青海省、四川省和甘肅省經(jīng)濟(jì)用水價值，加強(qiáng)寧夏回族自治區(qū)和山西省經(jīng)濟(jì)用水價值為目標(biāo)。在流域經(jīng)濟(jì)用水管理中，可采取調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、限制高耗水行業(yè)發(fā)展、降低建筑業(yè)與服務(wù)業(yè)單位產(chǎn)值耗水量、提升工業(yè)用水重復(fù)利用率以及提高農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)等措施提升低值?。▍^(qū)）經(jīng)濟(jì)用水價值。

社會用水價值與用水現(xiàn)狀、人口密度、是否為水源地等因素有關(guān)[19]，社會生活用水的配置目標(biāo)是實現(xiàn)水資源在社會子系統(tǒng)內(nèi)的公平分配。從Moran指數(shù)來看，黃河流域社會用水價值呈現(xiàn)出空間正相關(guān)特性，說明該價值變量在流域?。▍^(qū)）間存在關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)通過保障人民生活、促進(jìn)地區(qū)發(fā)展和維護(hù)社會穩(wěn)定表現(xiàn)出來[20]。從圖3可以看出，社會用水價值在青海省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)和陜西省出現(xiàn)高值聚集，原因是受當(dāng)?shù)仫嬍辰Y(jié)構(gòu)、醫(yī)療、教育、住房、就業(yè)人數(shù)以及平均工作時間等因素的影響，社會生活用水在上述省（區(qū)）體現(xiàn)出更強(qiáng)的社會穩(wěn)定和社會保障功能。社會用水價值在河南省和山東省出現(xiàn)低值聚集，為價值提升區(qū);在四川省和內(nèi)蒙古自治區(qū)出現(xiàn)“低-高”聚集，為價值加強(qiáng)區(qū)。在流域水資源管理中，社會用水價值低的?。▍^(qū)）可通過保障城鎮(zhèn)與農(nóng)村居民飲水安全、制定節(jié)約用水行為規(guī)范、提高抵御水患能力等措施提升社會用水價值。

黃河流域是生命共同體，某地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量往往會對其周圍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成影響。因此，黃河流域省（區(qū)）生態(tài)環(huán)境用水價值表現(xiàn)出空間正相關(guān)性，呈現(xiàn)出空間聚集現(xiàn)象。受濕地面積、生物種類、輸沙量、氣候以及水景觀等因素影響，生態(tài)環(huán)境用水價值高值聚集出現(xiàn)在寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省和山西省，為價值鞏固區(qū);低值聚集出現(xiàn)在青海省、四川省和山東省，為價值提升區(qū);河南省為價值加強(qiáng)區(qū)。按照建設(shè)生態(tài)文明的要求，需通過加強(qiáng)河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能、保護(hù)濕地、加強(qiáng)污染源管理、提高城市污水處理率、保護(hù)水生生物以及發(fā)展旅游等措施，提升青海省、四川省、山東省的生態(tài)環(huán)境用水價值，加強(qiáng)河南省的生態(tài)環(huán)境用水價值，為保障流域生態(tài)安全創(chuàng)造條件。

總用水價值在空間上出現(xiàn)了高值聚集、低值聚集、“高-低”聚集和“低-高”聚集，說明流域各?。▍^(qū)）水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)處于不同的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。總用水價值在青海省、四川省和陜西省出現(xiàn)高值聚集、在河南省出現(xiàn)“高-低”聚集，說明單位用水量在上述省（區(qū)）實現(xiàn)了更高的綜合價值?？傆盟畠r值在寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)出現(xiàn)低值聚集，在甘肅省和山西省出現(xiàn)“低-高”聚集，說明單位用水量在這些?。▍^(qū)）并未實現(xiàn)其更高價值。黃河水量分配的目的是實現(xiàn)全流域經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，提高全流域總用水價值[21]，因此在流域水資源管理中應(yīng)推行節(jié)水措施、實行最嚴(yán)格水資源管理制度、加強(qiáng)水權(quán)管理以及推行水權(quán)交易等，提高全流域總用水價值。在?。▍^(qū)）水行政管理中，總用水價值較低的?。▍^(qū)）應(yīng)統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境用水量及用水價值，以水資源合理利用和高效配置為目標(biāo)，逐步完善管理體制機(jī)制和政策法規(guī)體系。

3 結(jié) 論

（1）黃河流域?。▍^(qū)）經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境及總用水價值均呈現(xiàn)出正相關(guān)特性，且經(jīng)濟(jì)用水價值的正相關(guān)性最強(qiáng)，即該價值在流域?。▍^(qū)）之間的潛在關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)。

（2）經(jīng)濟(jì)用水價值高值聚集出現(xiàn)在流域中東部、低值聚集出現(xiàn)在流域西部。在水資源管理中應(yīng)當(dāng)采取調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、限制高耗水行業(yè)發(fā)展、提高工業(yè)用水重復(fù)利用率和農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)等措施，提升低值省（區(qū)）經(jīng)濟(jì)用水價值。

（3）社會用水價值在黃河中上游青海省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)和陜西省出現(xiàn)高值聚集，符合流域社會生活用水配置目標(biāo)。同時，需采取措施提升四川省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、河南省和山東省的社會用水價值，實現(xiàn)水資源在社會子系統(tǒng)的公平分配。

（4）生態(tài)環(huán)境用水價值的低值聚集區(qū)為青海省、山東省和四川省，加強(qiáng)區(qū)為河南省，在流域水資源管理中有必要采取生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施，提升這4個省的生態(tài)環(huán)境用水價值。

（5）流域內(nèi)出現(xiàn)總用水價值的高值聚集和低值聚集，說明流域水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)不均衡。以黃河流域高質(zhì)量發(fā)展為目的，應(yīng)鞏固高值聚集省（區(qū)）的總用水價值，加強(qiáng)高值省（區(qū)）對低值?。▍^(qū)）的輻射作用，同時著重提升低值聚集省（區(qū)）的總用水價值，充分實現(xiàn)全流域水資源的綜合價值。

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