江西省水資源利用時(shí)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(xué) 地理與環(huán)境工程學(xué)院, 贛州 341000)

水資源是保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展、生物協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)、生態(tài)環(huán)境各類要素循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素。隨著世界人口的增長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)規(guī)模不斷擴(kuò)大，諸如灌溉、基礎(chǔ)建設(shè)等人類活動(dòng)消費(fèi)大量水資源以及不合理開發(fā)利用水資源的行為，導(dǎo)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到威脅[1-2]。

江西省位于長(zhǎng)江中下游，擁有中國(guó)最大淡水湖鄱陽(yáng)湖，是水資源大省，但水資源稟賦差異相對(duì)較大，在時(shí)空分布上表現(xiàn)出極為不均的特點(diǎn)，同時(shí)面臨洪澇干旱災(zāi)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(guān)于水資源時(shí)空分布研究，已有學(xué)者做了相關(guān)探討，其中于占江等全面分析了京津冀地區(qū)水資源的時(shí)空變化特征及成因[6]，伍文琪在云南省水資源承載力評(píng)價(jià)與時(shí)空分布特征研究中，運(yùn)用構(gòu)建區(qū)域水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)整個(gè)云南省水資源承載能力和利用狀況進(jìn)行了統(tǒng)籌性評(píng)價(jià)[7]。就江西省水資源利用和評(píng)價(jià)而言，已有學(xué)者在水資源生態(tài)足跡[8]、水生態(tài)文明指數(shù)等[9]領(lǐng)域進(jìn)行了研究。綜上所述，目前尚未有學(xué)者從長(zhǎng)時(shí)間序列變化的角度，對(duì)江西省水資源利用的時(shí)空分布和區(qū)域差異進(jìn)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(jí)分析法以及原創(chuàng)“竹筍”七色差異評(píng)價(jià)法，對(duì)江西省2008—2017年水資源時(shí)空分布特征及指標(biāo)區(qū)域差異性進(jìn)行研究，旨在為江西省綠色發(fā)展建設(shè)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(lái)源

江西省地處24°29′—30°04′N，113°34′—118°28′E之間，國(guó)土面積約為16.69萬(wàn)km2，位居中國(guó)東南部，是中國(guó)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(shí)西靠羅霄山脈，東倚武夷山脈，其中有長(zhǎng)江一大南北走向支流—贛江，在鄱陽(yáng)湖周邊地區(qū)形成一個(gè)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(guó)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(biāo)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(zhǎng)時(shí)間序列的變化特征，同時(shí)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(shí)段，對(duì)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(gè)地級(jí)市水資源開發(fā)利用的時(shí)空分布及指標(biāo)區(qū)域差異性進(jìn)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(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于2008—2017年《江西省統(tǒng)計(jì)年鑒》，2008—2017年《江西省水資源公報(bào)》，前瞻數(shù)據(jù)庫(kù)，中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，地理國(guó)情監(jiān)測(cè)平臺(tái)及相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒及報(bào)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(duì)多項(xiàng)研究指標(biāo)以及多個(gè)研究單元背景下，能夠通過一個(gè)指標(biāo)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(xué)者研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用泰爾系數(shù)和變差系數(shù)法對(duì)江西省2008—2017年11市之間各項(xiàng)水資源指標(biāo)的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究。泰爾系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

表1 2008-2017年江西省11市年均水資源指標(biāo) 108 m3

變差系數(shù)又稱離散系數(shù)，是指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值的比例，是概率分布離散程度的一個(gè)歸一化量度。對(duì)于多個(gè)單位指標(biāo)，多個(gè)研究單元的研究，能夠綜述研究項(xiàng)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(dòng)和差異，可以較好衡量區(qū)域差異和對(duì)象差異，評(píng)價(jià)總體和個(gè)體之間的關(guān)系，揭示組間和組內(nèi)差異的變動(dòng)及其對(duì)總體差異的貢獻(xiàn)程度[18]。

變差系數(shù)計(jì)算公式如下：

(2)

1.2.2 “竹筍”七色差異評(píng)價(jià)法 “竹筍”七色差異評(píng)價(jià)法，是對(duì)各個(gè)單元之間和單元中指標(biāo)的項(xiàng)目之間差異波動(dòng)大小的一種評(píng)價(jià)方法，結(jié)合泰爾系數(shù)和變差系數(shù)并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指標(biāo)區(qū)域差異性評(píng)價(jià)。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(gè)指標(biāo)的差異大小和等級(jí)順序特征。相比較其他方法，“竹筍”七色差異評(píng)價(jià)法對(duì)以各個(gè)水資源指標(biāo)為單元來(lái)評(píng)價(jià)各個(gè)區(qū)域之間的差異性大小，并且結(jié)合竹筍特征以及七色光譜波段來(lái)構(gòu)造一個(gè)數(shù)形結(jié)合的“竹筍”七色圖像模型，優(yōu)勢(shì)在于能夠直觀的觀察出各個(gè)指標(biāo)區(qū)域之間差異性的大小以及排列順序，簡(jiǎn)明扼要的表達(dá)指標(biāo)區(qū)域差異性。

“竹筍”是指對(duì)圖像模型的形象描述，模型的結(jié)構(gòu)有竹筍橫截面由里到外，層層遞進(jìn)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(duì)于人類主體來(lái)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(gè)高密度分布區(qū)，可借用可見光波長(zhǎng)范圍作為一個(gè)評(píng)判變異的參考標(biāo)準(zhǔn)。為使該評(píng)價(jià)法對(duì)差異性分析更為合理，可信度更高，本文在權(quán)重評(píng)定上，根據(jù)權(quán)重系統(tǒng)優(yōu)化以及主客觀相結(jié)合的原則，在對(duì)變差系數(shù)及泰爾系數(shù)做出計(jì)算和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，使差異值Q分布范圍集中在七色光譜波段內(nèi)，對(duì)變差系數(shù)和泰爾系數(shù)分別賦予加權(quán)值，其中，給予變差系數(shù)0.5的加權(quán)值，給予泰爾系數(shù)1.5的加權(quán)值，分類標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 “竹筍”七色差異評(píng)價(jià)法分類標(biāo)準(zhǔn)

差異值計(jì)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(quán)值;β表示變差系數(shù)的加權(quán)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 江西省水資源開發(fā)利用時(shí)空分布特征

2.1.1 水資源開發(fā)利用率時(shí)間動(dòng)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(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用程度，同時(shí)一定程度上也可以表征社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源開發(fā)利用的協(xié)調(diào)程度，是維護(hù)區(qū)域或者流域健康發(fā)展的重要指標(biāo)。參考國(guó)內(nèi)外已有研究成果[19-20]，長(zhǎng)江流域水資源可開發(fā)利用率劃分標(biāo)準(zhǔn)[21]以及結(jié)合江西省水資源開發(fā)利用率評(píng)估結(jié)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)

江西省2008—2017年水資源開發(fā)利用率時(shí)間動(dòng)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(dòng)范圍比較大，2013—2017年整體表現(xiàn)出比較平緩的變化的趨勢(shì)。2009—2010年水資源開發(fā)利用率11市整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。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(shì)。2010—2011年整體有反彈趨勢(shì)，2011—2012年表現(xiàn)出下滑跡象。結(jié)合表3縱向分析11個(gè)地級(jí)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(duì)來(lái)說處于一個(gè)較高的水平，年均水資源開發(fā)利用率達(dá)到46.0%，處于不健康狀態(tài)，而整個(gè)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(duì)來(lái)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(dòng)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(dá)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?？傮w來(lái)看，相比較長(zhǎng)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(shí)間動(dòng)態(tài)變化

2.1.2 水資源量與用水結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征分析 江西省2008—2017年11市水資源量及用水結(jié)構(gòu)見時(shí)空分布特征見圖3。從中可以看出，隨著時(shí)間變化，江西省2009年和2011年水資源儲(chǔ)量相對(duì)較少，徑流深度最高區(qū)間在三級(jí)區(qū)間，各個(gè)市的徑流深度要小于1 100 mm，其中2010，2012，2015，2016年水資源儲(chǔ)量最為豐富，其中各個(gè)地級(jí)市的徑流深度均在第三級(jí)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(chǔ)量達(dá)到徑流深度第五級(jí)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(shí)間變化特征來(lái)看，2013—2016年江西省水資源總量呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。從空間分布來(lái)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(jié)構(gòu)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(shì)，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(duì)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(dòng)比較穩(wěn)定，占比為10%。根據(jù)圖3并結(jié)合表1可以計(jì)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(lǐng)域水資源投資相對(duì)較大。

圖3 2008-2017年江西省水資源量及用水結(jié)構(gòu)時(shí)空分布

2.1.3 用水結(jié)構(gòu)系數(shù)變化特征 江西省2008—2017年各市主要用水指標(biāo)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(dá)到0.25，變差系數(shù)值達(dá)到0.73，2008—2012年工業(yè)用水量差異有減小趨勢(shì)，2012—2017年有增加趨勢(shì)。農(nóng)業(yè)水量呈現(xiàn)波動(dòng)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(shí)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?？傆盟康奶栂禂?shù)和變差系數(shù)相對(duì)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(zhǎng)的特征，主要與江西省城市化和工業(yè)化的進(jìn)展加快有關(guān)，部分地區(qū)由原來(lái)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(dǎo)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(biāo)系數(shù)變化特征

2.1.4 水資源開發(fā)利用率及萬(wàn)元GDP用水量時(shí)空變化特征分析 江西省2008—2017年水資源開發(fā)利用率和萬(wàn)元GDP用水量的時(shí)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(duì)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(wàn)元GDP用水量時(shí)空分布

另一方面，關(guān)于水資源的萬(wàn)元GDP的變化特征，可以看出自2008到2017年逐年萬(wàn)元GDP用水量在大面積遞減，這跟江西省近幾年主動(dòng)引入與推廣適宜本區(qū)域發(fā)展的節(jié)水技術(shù)，改造農(nóng)業(yè)供水設(shè)施，降低農(nóng)業(yè)耗水率，提高農(nóng)田灌溉效率同時(shí)引進(jìn)科技含量高的生產(chǎn)工藝有直接的關(guān)系。其中南昌市、新余市、萍鄉(xiāng)市、鷹潭市、景德鎮(zhèn)市的萬(wàn)元GDP用水量相對(duì)更少，間接反映這5個(gè)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(wàn)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(shí)間變化角度分析，2009年各市平均萬(wàn)元GDP用水量最高點(diǎn)，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(lái)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(yīng)根據(jù)區(qū)域狀況適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)規(guī)模，減少水資源在生產(chǎn)中的消耗，促進(jìn)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(biāo)區(qū)域差異

區(qū)域差異性評(píng)價(jià)有多種方案，本文采用原創(chuàng)“竹筍”七色差異評(píng)價(jià)法，對(duì)江西省2008—2017年各類水資源指標(biāo)的變差系數(shù)和泰爾系數(shù)計(jì)算加權(quán)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(dòng)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(wàn)元GDP用水量、水資源開發(fā)利用率、水資源總量依次在評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)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(wàn)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(jié)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(biāo)竹筍模型(見圖6)，可以直觀看到江西省2008—2017年11地級(jí)市各類用水指標(biāo)區(qū)域差異的分布情況，指標(biāo)越靠竹筍外層，差異值越大，變異程度越高，越靠?jī)?nèi)層差異值越小，變異程度越低。因此可以得出11地級(jí)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(wàn)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(biāo)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(biāo)差異值

注：模型中心白色區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定區(qū)； a—g區(qū)具體含義見表4。

3 結(jié) 論

本文基于江西省自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及水資源資料，利用變差系數(shù)、泰爾系數(shù)和空間分級(jí)分類法，從時(shí)間維度和空間維度分析了江西省2008—2017年水資源時(shí)空分布特征，并采用“竹筍”七色差異評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)江西省各項(xiàng)水資源指標(biāo)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(shì)，其他年份呈現(xiàn)波動(dòng)式變化，其中2008—2013年水資源利用率波動(dòng)范圍比較大，2013—2017年整體表現(xiàn)出比較平緩的變化的趨勢(shì)。其中贛州和撫州市相對(duì)來(lái)說水資源開發(fā)利用潛力較大。

(2) 綜合用水結(jié)構(gòu)比例來(lái)看，江西省是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主，工業(yè)為輔發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)的省份，除環(huán)境用水為全國(guó)平均水平的1/2，近年來(lái)與中國(guó)用水結(jié)構(gòu)比例狀況的平均水平相接近。在時(shí)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(wàn)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(shì)，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(biāo)區(qū)域差異在不斷收縮，反應(yīng)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(gè)地級(jí)市指標(biāo)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(wàn)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(biāo)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(shí)空分布特征與指標(biāo)區(qū)域差異性，并首次提出了“竹筍”七色差異評(píng)價(jià)法。為使差異系數(shù)以及泰爾系數(shù)權(quán)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(jī)結(jié)合。整體來(lái)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(gè)因素，深度剖析各個(gè)地區(qū)的水資源各類指標(biāo)，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(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)，達(dá)到人與水環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。