中國近期用水量變化特征及趨勢

闞得源，孔 珂，徐 晶

(濟南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250022)

水資源是基礎(chǔ)自然資源，是生態(tài)環(huán)境的控制性因素之一，同時又是戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，是一個國家綜合國力的有機組成部分[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國水資源約占世界水資源總量的6%左右，人均水資源占有量幾乎處于世界排名的末位[2]，因此，研究中國用水量的變化趨勢以及水資源供需平衡顯得尤為重要。

學(xué)者們針對中國用水量以及需水預(yù)測進行了研究。吳芳等[3]對我國1949—2013的用水?dāng)?shù)據(jù)進行整理分析，得出總用水呈現(xiàn)南高北低的態(tài)勢，并且運用情景分析法，對我國2015—2030年的用水量進行預(yù)測，其中較低方案的預(yù)測中2025年的用水量超過7.0×1011m3。彭岳津等[4]利用人口數(shù)與用水量之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，并且通過分析人均用水量的變化趨勢，對中國用水極值進行預(yù)測，得出2030年達(dá)到用水極值點的結(jié)論，用水量為6.5×1011m3。劉晶等[5]借助Mann-Kendall法對我國10個水資源一級區(qū)的用水量變化特征進行分析，得出近20 a我國總用水量呈顯著增加趨勢的結(jié)論。柯禮丹[6]提出人均綜合用水量與趨勢微調(diào)相結(jié)合的方法進行需水量預(yù)測，效果明顯，并指出我國從2011年起用水總量的零增長趨勢已見端倪。何希吾等[7]采用產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分析法，指出我國在2026—2030年左右全國需水量可能進入零增長期。程曉勝等[8]采用多項式回歸模型與灰色模型相結(jié)合的方法，預(yù)測2030年全國用水總量為6.789 148×1011m3；張亮[9]根據(jù)國際典型事實對2013—2022年中國各部門用水量進行預(yù)測，得出2022年總用水量最多可達(dá)到6.8×1011m3，但仍未達(dá)到峰值。

大量研究結(jié)果表明，我國的用水總量將持續(xù)上漲，一直到2030年左右達(dá)到極點，然后才緩慢下降，但是結(jié)合實際用水資料來看，相關(guān)研究對近幾年用水量的預(yù)測大部分都偏高，中國用水總量的極值點已經(jīng)提前出現(xiàn)在2013年。本文中利用公開的數(shù)據(jù)對這一現(xiàn)象進行分析，研究中國用水量極值點提前到來的原因以及對未來10 a的用水量進行更加準(zhǔn)確的預(yù)測，一方面能夠體現(xiàn)出我國水資源管理制度的成效，另一方面能夠為未來我國科學(xué)、合理地規(guī)劃水資源開發(fā)利用方案提供參考，對于明確當(dāng)前中國用水量的發(fā)展趨勢以及實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

為了準(zhǔn)確地分析當(dāng)前中國用水量現(xiàn)狀及其變化原因，并對未來10 a中國用水總量進行預(yù)測，本文中通過中華人民共和國水利部官網(wǎng)發(fā)布的《中國水資源公報》以及國家統(tǒng)計局官網(wǎng)發(fā)布的《中國統(tǒng)計年鑒》等公開的渠道，系統(tǒng)收集了2005—2020年中國總用水量、各部門用水量、全國降水量、總?cè)丝跀?shù)量、國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、萬元GDP用水量、耕地灌溉面積、全國實際灌溉畝均用水量、工業(yè)增加值以及萬元工業(yè)增加值用水量等數(shù)據(jù)，分析了15 a來中國用水量的總體變化情況，并討論了用水量變化的可能原因；結(jié)合趨勢外推法以及多元線性回歸法，對中國未來10 a的需水量進行預(yù)測。

需水量預(yù)測的方法很多，如灰色分析法[10]、誤差逆?zhèn)鞑?BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[11]、主成分回歸分析法[12]、定額法[13]、人均綜合用水量法[14]等。由于水資源需求預(yù)測受各方面的影響，因此各預(yù)測方法均具有一定的優(yōu)缺點。趨勢外推法具有簡捷的優(yōu)點，便于分析變化趨勢穩(wěn)定、有規(guī)律可循的數(shù)據(jù)[15]，因此可以用其來預(yù)測近15 a來影響中國用水量主要因素的發(fā)展變化趨勢。回歸分析預(yù)測是通過預(yù)測對象之間的因果關(guān)系和影響因素進行推算的一種方法，全面考慮用水量的各項影響因子，因此誤差較小[16]，且該方法在系統(tǒng)發(fā)生較大變化時仍能根據(jù)相應(yīng)變化因素修正預(yù)測值，更適用于長期預(yù)測[17]。由于近15 a來中國用水量出現(xiàn)了先增加后減少的趨勢，系統(tǒng)發(fā)生了較大的變化，因此可以采用多元線性回歸法來預(yù)測未來10 a的中國用水量。

本文中采用趨勢外推法和多元線性回歸法預(yù)測未來10 a中國的總用水量，主要包括以下內(nèi)容： 1)確定中國用水總量的主要影響因素；2)建立各影響因素與總用水量之間的多元線性回歸模型；3)利用趨勢外推法預(yù)測各影響因素未來10 a的數(shù)值；4)利用建立的多元線性回歸模型計算出未來10 a中國用水總量的數(shù)值。

2 中國用水變化特征及原因

2.1 中國用水變化特征

2.1.1 中國用水量變化特征

2005—2020年用水總量和各部門用水量的變化情況如圖1、2所示。由圖1可看出，2005—2013年中國用水總量從5.633×1011m3增長到6.183 4×1011m3，增加了5.504×1010m3，年均增長率為1.04%，總體呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢；2013—2020年用水總量從6.183 4×1011m3下降到5.812 9×1011m3，降3.705×1010m3，年均增長率為-0.77%，總體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。由圖2可以看出：農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水均在2005—2013年呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，2013—2020年呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢；生活和生態(tài)用水在2005—2020年一直呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢。由于農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水所占比例很大，因此全國總用水量的變化趨勢基本由這2個部門的用水量決定。

圖1 2005—2020年中國用水總量的變化

2.1.2 中國用水結(jié)構(gòu)變化特征

2005—2020年中國用水結(jié)構(gòu)的變化特征如圖3所示。由圖可以看出，農(nóng)業(yè)用水所占比重最大，工業(yè)用水其次，生活和生態(tài)用水所占比重最小。農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水所占比例分別由2005年的63.6%、22.8%下降到2020年的62.1%、17.7%，而生活、生態(tài)用水所占比例分別由2005年的12.0%、1.6%顯著增長到2020年的14.8%、5.3%，其中生態(tài)用水的變化尤其明顯，說明我國對于生態(tài)的重視程度正在不斷加強。

2.1.3 中國用水效率變化特征

采用萬元GDP用水量指標(biāo)可以衡量我國綜合用水效率，實際灌溉單位面積用水量和萬元工業(yè)增加值用水量2個指標(biāo)可以衡量我國農(nóng)業(yè)及工業(yè)用水效率。2005—2020年中國萬元GDP用水量如圖4所示，中國實際灌溉單位面積用水量和萬元工業(yè)增加值用水量如圖5所示。由圖4可知，2005—2020年中國萬元GDP用水量從2005年的304 m3持續(xù)顯著減少到2020年的57.2 m3，共減少了246.8 m3，年平均增長率為-9.91%。由此可以看出，近15 a來我國的綜合用水效率顯著提高。由圖5可以看出，2005—2019年我國農(nóng)田實際灌溉單位面積用水量從2005年的6 720 m3減少到2020年的5 340 m3，共減少了1 380 m3，總體呈現(xiàn)明顯下降趨勢；2005—2020年，我國的萬元工業(yè)增加值用水量從2005年的191 m3減少到2020年的32.9 m3，共減少了158.1 m3，總體也呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，可以看出，近15 a來，農(nóng)業(yè)及工業(yè)用水效率均呈現(xiàn)顯著增長的趨勢。

圖4 2005—2020年中國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)用水量的變化

圖5 2005—2020年中國耕地實際灌溉單位面積用水量和萬元工業(yè)增加值用水量的變化

2.2 中國用水量變化原因

2.2.1 來水條件

來水水平與用水量呈正相關(guān)，年降水量可以表示來水水平，2005—2020年中國年降水量的變化情況如圖6所示。由圖可以看出，2005—2020年全國平均降水量為653.55 mm，而2013—2020年全國平均降水量為672.51 mm，2013年是全國用水量出現(xiàn)下降的拐點；但是2013年以后的降水量并不少于往年，因此認(rèn)為2013年以來全國總用水量的減少不是由來水水平的下降造成的。

圖6 2005—2020年中國年均降水量的變化

2.2.2 人口數(shù)量和GDP

人口數(shù)量和GDP與用水量呈正相關(guān)，2005—2020年中國人口數(shù)量和GDP的變化情況如圖7所示。由圖可知，中國人口數(shù)量從2005年的1.307 56×109持續(xù)增長到2020年的1.411 78×109，年均增長率為0.48%，GDP從2005年的1.873 189×1013元持續(xù)增加到2020年的1.015 986 2×1014元，年均增長率為11.15%。由于人口數(shù)量和GDP一直處于增長的狀態(tài)，因此認(rèn)為用水量的減少與人口數(shù)量和GDP的變化無直接關(guān)系。

圖7 2005—2020年中國人口數(shù)量和國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)

2.2.3 用水效率

用水效率和用水量呈負(fù)相關(guān)。中國用水量和用水效率的關(guān)系如表1所示。由表可以看出，中國用水總量與相應(yīng)年份萬元GDP用水量的關(guān)系、農(nóng)業(yè)用水量與相應(yīng)年份實際灌溉單位面積用水量的關(guān)系以及工業(yè)用水量與相應(yīng)年份萬元工業(yè)增加值用水量的關(guān)系均呈現(xiàn)相似的變化趨勢，即2013—2020年，隨著用水效率的提高，用水量明顯減少。

表1 2005—2020年中國用水量和用水效率的關(guān)系

2005—2013年中國用水總量、農(nóng)業(yè)用水量及工業(yè)用水量呈現(xiàn)增加的趨勢，而綜合用水效率、農(nóng)業(yè)用水效率及工業(yè)用水效率也呈現(xiàn)增大的趨勢，說明這一時期的經(jīng)濟社會規(guī)模正向驅(qū)動用水量的提高，而隨著生產(chǎn)水平的提升和用水效率的提高，經(jīng)濟社會規(guī)模對用水量正向驅(qū)動力逐漸減弱，當(dāng)規(guī)模增加帶來的需水增量小于效率提高帶來的需水減量時，就會出現(xiàn)用水量的零增長以及負(fù)增長，導(dǎo)致用水量將呈現(xiàn)穩(wěn)定或減少的趨勢[18]。

3 未來需水預(yù)測

由于近些年來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及各種用水政策的實施，導(dǎo)致用水量呈現(xiàn)新的變化態(tài)勢，因此選取近15 a的用水量數(shù)據(jù)對中國未來的用水量進行預(yù)測。

3.1 確定用水總量的主要影響因素

影響用水量的因素有很多，由于生態(tài)用水占總用水量的比重很小，因此對工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水3個方面分別考慮，根據(jù)《中國水資源公報》和《中國統(tǒng)計年鑒》所收集到的數(shù)據(jù)，確定影響中國用水總量的主要因素包括耕地灌溉面積、耕地實際灌溉單位面積用水量、GDP、總?cè)丝跀?shù)、工業(yè)增加值、萬元工業(yè)增加值用水量。2005—2020年中國總用水量主要影響因素以及總用水量的數(shù)據(jù)見表2。

表2 2005—2020年中國用水總量主要影響因素以及總用水量

3.2 確定多元線性回歸模型

采用統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(SPSS)軟件對2005—2020年中國用水總量及其主要影響因素進行多元線性回歸擬合，得到多元線性回歸公式為

Y=0.072 137X1+3.860 901X2-0.002 322X3-

0.043 989X4+0.007 443X5-0.835 186X6+

5 748.666 733 ，

(1)

式中：Y為用水總量；X1為耕地灌溉面積；X2為耕地實際灌溉單位面積用水量；X3為國內(nèi)生產(chǎn)總值；X4為總?cè)丝跀?shù)量；X5為工業(yè)增加值；X6為萬元工業(yè)增加值用水量。

通過模型的檢驗可知，模型的擬合優(yōu)度R2=0.961，意味著X1、X2、X3、X4、X5、X6可以解釋Y的96.1%的變化原因，擬合優(yōu)度很高；顯著性ρ=0<0.05，因此該回歸方程顯著；對模型進行F檢驗[19]時，F(xiàn)=37.204，模型通過F檢驗，也即說明模型的構(gòu)建有意義。

3.3 預(yù)測各影響因素未來10 a的數(shù)值

由于中國用水總量的6個影響因素均具有極其穩(wěn)定的變化趨勢，因此可以分別建立關(guān)于時間t的一元擬合回歸模型，然后采用趨勢外推法對模型中的各變量即耕地灌溉面積、耕地實際灌溉單位面積用水量、GDP、總?cè)丝跀?shù)量、工業(yè)增加值、萬元工業(yè)增加值用水量進行預(yù)測，運用SPSS軟件計算得到以下6個擬合方程：

X1=-20.996 989t2+1 364.114 398t+

53 146.046 071 ，

(2)

X2=-2.222 059t+458.95，

(3)

X3=-22.774 536t3+1 535.807 853t3+

36 907.221 287t+144 842.911 264 ，

(4)

X4=0.169 601t3-2.085 144t2+672.137 628t+

130 106.420 33 ，

(5)

X5=-185.005 252t2+19 398.049 874t+

56 362.029 643 ，

(6)

X6=186.041 147e-0.109 512t

。

(7)

對建立的一元擬合回歸方程進行合理性分析，所有方程中擬合優(yōu)度R2最小值為0.967，擬合優(yōu)度很高，并且所有方程的顯著性ρ均為0，即方程的擬合優(yōu)度和顯著性均符合要求，因此這6個方程是合理可用的[3]。

根據(jù)式(2)—式(7)計算出2021—2030年各影響因素的預(yù)測值，見表3。

表3 2021—2030年各影響因素的預(yù)測值

3.4 未來10 a中國用水總量的預(yù)測

利用上述建立的多元線性回歸模型即式(1)，對2021—2030年的用水總量進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表4及圖8。由圖、表可以看出，中國用水總量下降的拐點已經(jīng)提前出現(xiàn)在2013年，并且未來10 a年中國用水總量將繼續(xù)下降，預(yù)計在2030年達(dá)到4.891 1×1011m3。

3.5 結(jié)果分析

1)在改革開放10 a后，中國水資源利用逐漸走上了有序和法制化的道路[20]，2008年頒布了取水許可管理辦法，2011—2012年又頒布了最嚴(yán)格水資源管理制度，該文件明確了3條紅線，對中國用水量、用水效率、水質(zhì)提出了明確的控制指標(biāo)[21]，表明我國對于用水及水質(zhì)的要求不斷嚴(yán)格，人們的節(jié)水意識得到加強。由于生活用水在一定范圍內(nèi)與經(jīng)濟發(fā)展水平呈現(xiàn)正相關(guān)，因此，隨著生活用水占比的增加，農(nóng)業(yè)用水占比的減少，我國的經(jīng)濟發(fā)展水平也不斷提高，從而帶動了科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)持續(xù)調(diào)整，生產(chǎn)力水平不斷提高。這一系列因素最終轉(zhuǎn)化成了用水效率的提高，從而使我國的用水總量下降的拐點提前出現(xiàn)在2013年。

表4 2021—2030年中國用水總量

圖8 中國用水總量變化趨勢

2)中國2020年萬元工業(yè)增加值用水量為32.9 m3，日本在2000年的該數(shù)值僅為16.5 m3[22]；中國2020年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.565，世界先進國家2000年的該數(shù)值為0.7～0.8，因此中國農(nóng)業(yè)與工業(yè)用水效率在未來還有很大的提升空間?？紤]到總用水量主要由工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水決定，且工業(yè)用水量和農(nóng)業(yè)用水量又主要靠工業(yè)用水效率和農(nóng)業(yè)用水效率決定，所以工、農(nóng)業(yè)用水效率對總用水量影響很大。隨著用水效率的不斷增大，中國總用水量減少的趨勢也將持續(xù)維持一段時間。

3)按照目前中國總用水量的變化趨勢，結(jié)合上述計算分析可知，預(yù)計在2030年全國總用水量為4.891 1×1011m3，滿足3條紅線中的7.0×1011m3的目標(biāo)要求。中國總用水量目前的變化趨勢比較樂觀，表明國家水資源管理制度實施效果顯著，未來還需繼續(xù)執(zhí)行。

4 結(jié)論

通過對中國近15 a來用水量變化特征及變化原因進行分析，以及對未來10年中國用水總量進行預(yù)測，得出以下主要結(jié)論：

1)中國用水總量下降的拐點已經(jīng)在2013年提前到來，說明國家最嚴(yán)格的水資源管理制度實施頗具成效；農(nóng)業(yè)用水所占比例最大，其次是工業(yè)用水，生活和生態(tài)用水所占比例較小，并且工農(nóng)業(yè)用水所占的比例在緩慢下降，生活及生態(tài)用水所占的比例顯著增加；近15 a來，我國用水效率顯著提高。

2)2013—2020年的平均降雨量大于近15 a的降水量平均值，且人口數(shù)量與GDP均呈現(xiàn)增長的趨勢，表明用水量的減少與來水量、人口數(shù)量及GDP無直接關(guān)系。

3)由于相關(guān)政策的實施、用水結(jié)構(gòu)的調(diào)整及節(jié)水技術(shù)的進步等造成的用水效率的提升是影響用水量減少的主要因素。由于中國用水效率還有很大的提升空間，因此，隨著用水管控的不斷加強和節(jié)水技術(shù)的不斷進步，中國總用水量未來仍有下降的空間。

4) 運用趨勢外推法以及多元線性回歸法對中國未來10 a的總用水量進行分析可知，中國的用水量未來仍將繼續(xù)下降，預(yù)計在2030年達(dá)到4.891 1×1011m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家要求的7.0×1011m3的指標(biāo)。這一結(jié)果對于明確中國用水新形勢以及未來制定相應(yīng)的用水管控政策具有一定的參考價值。

本文中的結(jié)果、結(jié)論都是根據(jù)公開數(shù)據(jù)計算所得，能夠為未來我國科學(xué)、合理地規(guī)劃水資源開發(fā)利用方案提供新的視角以及參考依據(jù)。由于數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)處理方法等不夠完善，并且對于我國用水量變化趨勢的研究，還應(yīng)涉及自然條件、經(jīng)濟、社會、環(huán)境以及技術(shù)等諸多不確定性因素，因此，針對各種因素在影響用水量變化中的貢獻(xiàn)大小仍未形成成熟的研究方法，尚待進一步探討。