南水北调中线工程沿线地区用水空间竞合关系研究

刘占坤; 路祥翼; 陈军; 吴雅诗; Zhan-kun LIU; Xiang-yi LU; Jun CHEN; Ya-shi WU

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (6) : 191-196.

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Research on Spatial Competition and Cooperation of Water Use along the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

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摘要

基于2003-2015年南水北调中线工程沿线124个县级市的面板数据，采用莫兰指数和空间计量模型分析了南水北调中线工程沿线城市的用水空间关联特征和用水竞合关系。结果表明，南水北调中线工程沿线城市总用水在空间上呈现“多点集聚、局部扩散”的特征；工程实施后，相邻地区之间的用水竞争关系减弱，经济发达地区之间激烈的水资源竞争关系转变为用水合作关系；局部来看，工程实施后，河南省省内经济关联较强的地区之间用水竞争加剧，而京津冀地区内用水竞争减弱，北京与关联地区用水呈现合作关系。以大城市为中心，对中心城市周边地区依照经济人口规模实行水资源的梯次配置，是改善水资源空间利用方式、提高水资源配置效率的重要举措。

Abstract

Based on the panel data of 124 county-level cities along the middle route of South-to-North Water Transfer Project from 2003 to 2015， Moran index and spatial econometric model are used to analyze the spatial correlation characteristics and water consumption competition of cities along the middle route of South-to-North Water Transfer Project. The results show that the urban total water demand along the middle route of South-to-North Water Transfer Project is characterized by “multi-point agglomeration and local diffusion.” After the implementation of the project， the water competition between adjacent areas weakened， and the fierce water resources competition between economically developed areas changed into water cooperation. Locally， after the implementation of the project， the competition for water use between regions with strong economic ties in Henan Province intensified， while the competition for water use in Beijing-Tianjin-Hebei region weakened， and Beijing and related regions showed a cooperative relationship in water use. Taking big cities as the center， it is an important measure to improve the spatial utilization of water resources and the efficiency of water resources allocation to implement the cascade allocation of water resources in the surrounding areas of central cities according to the scale of economic population.

关键词

南水北调中线工程 / 用水空间关联 / 用水竞合关系 / 莫兰指数 / 空间计量模型

Key words

middle route of South-to-North Water Transfer Project / spatial correlation of water use / competition and cooperation of water use / Moran index / spatial econometric model

基金

国家自然科学基金项目(71874166)

自然资源部资源环境承载力评价重点实验室开放课题(CCA2019.15)

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刘占坤 , 路祥翼 , 陈军 , 吴雅诗. 南水北调中线工程沿线地区用水空间竞合关系研究[J].中国农村水利水电, 2021(6): 191-196

Zhan-kun LIU , Xiang-yi LU , Jun CHEN , Ya-shi WU. Research on Spatial Competition and Cooperation of Water Use along the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(6): 191-196

我国水资源地区分布不均，长江流域及其以南地区，36.5%的国土面积覆盖了全国水资源总量的81%；而以北地区，水资源量仅占全国的19%。在我国快速工业化、城镇化的背景下，生产生活用水需求激增，水资源南北配置失衡现象日益严重，对经济、社会、生态环境带来了一系列负面影响^［1］。在这一现实背景下，为了突破水资源空间分布失衡对经济社会发展的约束，跨区域输水工程应运而生^［2］。我国最具代表性的跨区域输水工程是南水北调工程，工程从长江最大支流汉江中上游的丹江口水库调水，地跨河南、河北、北京、天津4个省、直辖市，为沿线包括郑州、焦作石家庄、邯郸、北京、天津等14座大中城市提供生产生活和工农业用水的特大型水利工程，对沿线地区经济、社会发展起到了重要的支撑作用^［3］。

南水北调中线工程已全线通水近5年，截至2019年，南水北调中线工程调水量已超过200 亿m³，有效缓解了沿线城市水资源短缺困局。但随着水网贯通带来的现实问题是：南水北调中线工程与周边的水系以及形成了一个完整了水力学系统，任何一用水行为都会直接或间接的传导到系统中的各个部分，导致原有水资源配置格局发生了巨大变化。经济社会引力成为水资源配置格局形成的主要内因，推动了地区发展的竞争关系和区域用水格局的融合。因此，需要从经济社会关联的跨区域视角，研究水资源空间竞争关系，解析南水北调工程对沿线城市用水格局和用水竞争关系的影响。这对科学评估南水北调中线工程的实际效益、协调区域用水关系、提升用水效率具有重要参考价值。

传统要素配置理论往往不考虑地区之间的溢出效应与空间关联，但随着地区关联的不断增强，要素流动对资源配置的重要影响日益显著（Krugman）^［4］。我国水资源空间分布和经济社会发展空间分布之间存在较大的错配关系，导致水资源的跨区域配置成为必然，用水空间集散特征和区域竞争现象显著^［5］。目前主流水资源竞争关系的研究主要采用均衡博弈模型，结合情景模拟描述不同条件下各地区水资源的博弈关系与均衡状态。Degefu等^［6］采用在总结跨区水资源博弈的基础上，运用合作博弈下的纳什讨价还价模型建立了缺水情况下的水资源配置机制，为解决跨区用水的效率与公平问题提供了思路。苏心玥和于洋等^［7］基于采用合作博弈中的纳什讨价还价模型求解不同情景方案下的北京市跨区水资源配置结果，研究表明南水北调中线通水后在一定程度上提高了北京市的水资源系统均衡稳定。但博弈模型存在的缺陷是不能将水资源配置格局中潜在的经济社会关联网络解构出来，因此也不能反映经济社会发展竞争对水资源流动的作用。

Anselin^［8］提出了空间计量经济学，Lesage^［9］和Elhorst^［10］在其基础上进一步发展了空间计量经济模型，为研究空间单元之间的行为溢出效应提供了计量实证方法。赵良仕等^［11］采用全域空间莫兰指数和空间计量分析的方法，发现我国水足迹的正自相关性逐年增强，区域水足迹空间关联更加紧密，为采用空间计量模型分析中国用水空间关联提供了现实依据。操信春等^［12］基于全局莫兰指数和局部LISA指数分析了中国灌溉水资源利用效率的空间特征，发现灌溉用水效率存在明显的空间集聚现象，说明局部协同用水的关系显著存在。陆中伟等^［13］首先基于DEA方法测度了江苏地区水资源利用效率，进一步采用空间相关性分析方法，发现各地区用水效率呈现空间负相关，不能形成区域水资源协同高效利用。上述研究从理论和方法上为本研究提供了参考，本文将基于南水北调中线工程沿线124个县级市2003-2015年面板数据，采用空间相关分析和空间计量分析的方法，揭示区域关联视角下水资源配置关系和地区之间的水资源竞合关系，以期为科学评估工程效益、优化区域用水关系提供有益建议。

1 研究方法与数据说明

1.1 莫兰指数与莫兰散点图

空间自相关分析的常用方法有莫兰指数和莫兰散点图，其中，全局莫兰指数空间自相关分析（The Global Moran's I）能够识别地区之间资源消费的空间关联规律^［8］，计算方法如下：

M o r a n' s I = \frac{\sum_{j = 1}^{n} \sum_{i = 1}^{n} w_{i j} (Y_{i} - \bar{Y}) (Y_{j} - \bar{Y})}{S^{2} \sum_{j = 1}^{n} \sum_{i = 1}^{n} w_{i j}}

（1）

式中：

n

是地区总数；

w_{i j}

为空间权重矩阵；

Y

为评价指标；

\bar{Y}

评价指标均值；

S^{2}

是属性值的方差。

空间权重矩阵描述了评价单元之间的空间关联方式，本文选取邻接矩阵和经济地理关联矩阵，邻接矩阵即为相邻省份取值为1，非相邻省份取值为0；经济地理矩阵表示为

W_{e} = W_{d} \cdot d i a g (\frac{\bar{E_{1}}}{\bar{E}}, \frac{\bar{E_{2}}}{\bar{E}}, \dots, \frac{\bar{E_{n}}}{\bar{E}})

，

W_{d}

为地区间的球面地理距离矩阵，

\bar{E_{i}}

为地区

i

在2005年至2015年GDP均值，

\bar{E}

为全部地区GDP总和的年平均值。本文经济地理矩阵的含义为，地区经济对周边地区具有辐射作用，且这种作用随着地理距离增大而衰减。在确定了空间权重矩阵后，可以计算对应权重矩阵下的全局莫兰指数，用以测度指标的全局空间相关性。

全局莫兰指数反映了所有样本的整体空间关联特征，但不能识别具体单元和周边单元用水的局部空间关系，因此需要用局部莫兰指数或莫兰散点图进一步识别。莫兰散点图能够体现变量的局部空间关联和空间集聚特征，其横轴为标准化后观测值，纵轴为其空间滞后项，4个象限将一个地区与其相邻地区的局部相关关系分为4种类型：第一象限（HH）表示自身观测值高，邻近地区的观测值也高；第二象限（LH）、第四象限（HL）均形成了“核心-边缘”的空间形态，分别表示自身观测值低（高），而邻近地区的观测值高（低）；第三象限（LL）表示自身观测值低，邻近地区的观测值也低。

1.2 描述竞合关系的空间计量模型

从空间相关性与空间收敛性能初步判断地区之间竞合关系，为了识别各地区在空间竞合格局中的立场，本文借鉴Poot^［14］提出的竞合理论，参考林伯强等人^［15］的处理方法，构建空间计量模型刻画地区用水的竞合格局：

S_{i t} = α + β_{i} {(W_{} S_{t})}^{T} + δ_{i} I_{t} + ε

（2）

式中：

S_{i t}

表示

i

地区第

t

年用水份额；

W

为空间权重矩阵；

I_{t}

为第

t

年沿线城市总用水量；

β_{i}

衡量了关联地区份额变化对地区

i

份额影响（溢出效应），若

β_{i} > 0

，表示份额扩散（合作关系）；

β_{i} < 0

，表示份额集聚（竞争关系）；

δ_{i}

表示总用水增加对份额的影响（增长效应）。

1.3 数据说明

本文研究对象为南水北调中线工程沿线124个县（市），数据包括各市经纬度（用以计算球面距离）球面距离以及各市2003-2015年总用水量和GDP。经纬度来源于百度地图，经济社会数据来源于对应年份《中国县域统计年鉴》，用水数据来源于沿线21个（直辖）市相关年份水资源公报和部分县市统计公报，缺失数据采用插值法估算。

2 结果与分析

2.1 用水空间相关性分析

利用南水北调沿线124个县市的历年总用水数据，分别基于邻接权重矩阵和经济地理权重矩阵，测算南水北调中线工程沿线城市用水的全局莫兰指数，结果见表1。

表1 2015年总用水莫兰指数

Tab.1 Moran’I of total water consumption （2015）

年份	全局莫兰指数
年份	邻接权重矩阵	经济地理权重矩阵
2003	0.141 9^**	0.928 8^***
2004	0.217 0^***	1.048 1^***
2005 2006	0.215 4^* 0.225 0^*	1.048 1^* 1.050 9^*
2007	0.199 8^***	0.992 5^***
2008	0.205 5^***	1.045 9^***
2009	0.228 5^***	1.111 8^***
2010	0.109 7^*	0.669 1^***
2011	0.101 2	0.626 9^***
2012	0.086 7	0.560 6^***
2013	0.078 7	0.528 3^***
2014	0.074 4	0.516 1^***
2015	0.069 1	0.468 4^***

注：***、**、*分别表示在0.001、0.05、0.1水平上显著。

表1中，在邻接矩阵下，南水北调中线工程沿线124个县市总用水呈现显著的空间正相关（Moran’I在0.069 1~0.228 5之间，均已通过显著性检验），这表明工程沿线整体上邻接地区之间具有正向溢出效应，用水具有扩散特征，呈现出用水总量共同增长的局面；而在经济地理矩阵下，用水量表现出更为强烈的空间正相关特征（Moran’I在0.468 4~1.111 8之间，均已通过显著性检验），说明用水跨区域的关联性显著增强，和经济辐射网络呈现内在一致性。

全局莫兰指数说明了南水北调中线工程沿线124个县市总用水整体呈现空间正相关，但不能反映用水的异质性空间关联。为了进一步解构124个县市之间的用水竞合关系，采用Moran’I散点图解析不同县市和周边地区（邻接网络）以及经济辐射关联地区（经济地理网络）之间的异质性空间关联。以中线工程通水后第一年，2015年为例，分别绘制基于邻接网络与经济地理网络的莫兰散点图，如图1所示。

图1 2015年总用水莫兰指数和莫兰散点图

Fig.1 Moran’I and Moran scatter plot of water consumption （2015）

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由图1（a）可知，在邻接网络下，大部分县市集中在第Ⅰ，Ⅲ象限，即符合高-高（HH）与低-低（LL）特征分布，这进一步说明了南水北调中线工程沿线城市总用水呈现出空间正相关特征。其中，以北京、天津、石家庄等城市为代表，与周围县市形成的HH集聚，呈现俱乐部收敛，这说明北京、天津等核心城市用水带动了周边地区水资源消费。而保定、南阳、平顶山等城市位于第Ⅳ象限，总用水和周边地区呈现高-低型（HL）关联特征，说明观测地区与周边地区用水差距较大，一定程度上挤压了邻近县市的用水空间，呈现局部水资源极化配置。从现实来看，北京、天津等核心城市经济辐射力强，带动周边地区发展，从而形成用水量共同增长的局面。而保定、南阳、平顶山等城市经济影响力有限，周边县市经济相对落后，城市则挤压了县市的用水空间和经济发展空间。由此可以推断，地区经济社会引力是产生用水空间竞争、形成现有用水格局的重要内因。

图1（b）中，经济地理矩阵下总用水也表现出了空间关联特征的分化。除了大部分地区位于第Ⅰ和第Ⅲ象限呈现空间正相关外，郑州、南阳、邯郸、邢台等城市与周边经济水平较高的地区总用水呈现出HL型空间关联。上述结果表明，在南水北调中线工程通水后，位于北部的经济相对发达的城市用水确实得到了有效保障，北京、天津、石家庄等城市总用水量均处于相对较高的水平。而位于南部的城市水资源供给收缩，说明水资源的跨区域配置挤压了这些城市的用水空间，导致这些城市周围形成了用水集聚的阴影，进一步凸显了经济社会的发展竞争是水资源空间集散的重要驱动力，而且由此导致的用水竞争中，参与主体是城市集群。综上所述，南水北调中线工程实施后，沿线城市用水格局呈现“多点集聚，局部扩散”的特征，一定程度上对应了城市集群的发展模式和要素配置规律。

2.2 用水竞合关系分析

上述分析充分说明了南水北调中线工程沿线城市总用水的空间相关性和异质性特征，但尚不能准确刻画全局和局部用水的竞合关系。基于描述空间竞合关系的空间计量模型，将各城市用水份额作为样本，分别测算工程前期（2003-2010年）、后期（2008-2015年）空间溢出效应，分析城市之间用水份额的迁移，进而刻画和对比工程前后区域用水竞合关系的变化。

图2是两种矩阵下工程前后系数

β

的分布，用以刻画用水竞合关系的整体特征。在邻接矩阵下［图2（a）］，系数分布中心向0靠拢，表明工程后期相邻地区之间的竞争与合作两种力量趋于平衡；而在经济地理矩阵下［图2（b）］，空间溢出效应分布中心从0向正轴移动，表明工程后期区域之间经济发展的相互作用显著，推动了整个地区之间用水的博弈关系由竞争转向合作。

图2 南水北调工程前期、后期竞合关系频率分布图

Fig.2 Frequency distribution of coopetition in the early and late stages of the Project

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图3和图4是系数

β

的空间分布，用以分析用水竞合关系的局部特征。在邻接关联网络下（图3），中线工程沿线城市由南到北，南部郑州与相邻地区之间的用水竞争明显减弱，北部北京、天津、石家庄与相邻地区之间用水由竞争转为合作，而围绕着京津的张家口、承德和保定的部分县，在工程前后期始终处于竞争状态。近年来，北京、天津加快产业结构优化升级进程，作为经济增长极，对周围相邻区域经济有较大的带动作用，周边的保定、廊坊等地区逐渐承接核心城市的劳动密集型、高耗能产业的转移，从而疏解了核心地区的用水压力，在用水上达成合作局面。但同时北京、天津经济发展的“虹吸效应”又导致了围绕在京津附近的张家口、承德和保定的部分县的“环京津贫困带”的出现。河北省作为京津的水源地，为保障首都地区充足和清洁的水资源，不断提高环境保护标准，加大对地区资源开发和工农业生产的限制，不可避免地制约了部分经济欠发达地区的经济发展，经济发达地区对周边地区的吸附效应超过了扩散效应，导致了经济欠发达地区的落后积贫，在用水上形成竞争局面。

图3 邻接矩阵南水北调工程竞合关系空间分布

Fig.3 Spatial distribution of coopetition in the early and late stages of the Project （adjacency）

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图4 经济地理矩阵南水北调工程前期、后期竞合关系空间分布

Fig.4 Spatial distribution of coopetition in the early and late stages of the Project （economic and geographic）

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在经济地理关联网络下（图4），北部城市由工程前期的趋于竞争转化为工程后期的趋于合作；而南部城市则由趋于合作发展到后期的趋于竞争。如经济地理矩阵工程前期竞合关系空间分布图［图4（a）］可见，北京、天津、石家庄等大城市存在着激烈的用水竞争。结合上述用水空间相关性分析，在经济地理网络用水量莫兰散点图［图1（b）］中，北京、天津、石家庄等大城市集中在第Ⅰ象限，形成HH集聚，呈现出显著空间正相关特征，这也验证了北京、天津、石家庄等大城市在经济发展过程中存在激烈的跨区域竞争水资源的现象。从现实来看，近年来北京、天津、石家庄等大城市人口不断增长，用水需求猛增，在京津冀都缺水的情况下，由水资源争夺引发的大城市之间的矛盾冲突日趋严重；而在工程后期，中线工程为京津冀地区加快产业优势互补、形成良好区域分工的共同发展新格局提供了用水保障，加快了京津冀协同发展的进程，推动用水合作局面形成。而南部的河南主要以郑州为增长极，经济辐射范围较小，中线工程对水资源的调配放大了郑州对于周边地区用水空间挤压的矛盾，逐渐趋于竞争。

由此可见，中线工程通水推动了沿线城市之间用水需求的博弈关系转变，水资源空间竞合博弈关系转化，因此需要调整原有的配置格局，使水资源配置适应地区需求的变化。

3 结论与建议

（1）南水北调中线工程沿线城市用水在邻接权重矩阵和经济地理权重矩阵下均呈现显著的空间正相关关系，说明用水的空间集聚特征显著。莫兰散点图进一步说明沿线城市用水呈现“多点集聚，局部扩散”的空间特征，且这种特征和城市群发展模式下以城市群为主体的经济关联网络存在内在联系。南水北调工程沿线城市空间网络特征极为显著，与经济地理网络呈现高度内在一致性，说明南水北调中线工程水资源配置方式符合经济社会集聚扩散规律，保障了沿线城市经济社会发展的水资源供给。

（2）中线工程降低了沿线相邻地区之间水资源竞争关系，促进了经济地理关联网络下相关地区由用水竞争向用水合作关系转变，引导区域用水关系进一步契合“核心-边缘”的区域经济空间结构。整体来看，工程前后邻接地区之间用水的竞争关系有所减弱，竞争和合作两种作用力趋于平衡。经济关联网络下，大城市为主的跨区域用水竞争关系在工程实施后显著减弱，初步呈现出了跨区域合作关系。从各县市来看，工程前后，河北和河南两省内，相邻县市的用水竞争关系减弱，部分地区已经转变为合作关系。经济地理网络下，河南省内经济相对发达的地区之间用水竞争加剧，而北京、天津和石家庄等经济相对发达的输水目标城市之间的用水竞争关系减弱，北京与周边地区呈现出较强的合作关系。

根据上述结论，本文有如下建议：

在沿线网络特征显著的基础上，充分利用核心城市的集聚、扩散效应，以关键节点构建二级水市场，提高全局水资源配置效率。在持续保障用水需求爆发式增长的前提下，建立动态监管机制，改善、协调用水结构，突出主体功能区，实现因地制宜，精准输水。

原有的行政的配置方案导致了水资源配置的扭曲和空间上的不协调，制约了区域高质量发展，因此，应以市场的手段进行水资源配置。建立水权交易市场，是降低这一地区行政配置的扭曲、促进沿线城市及城市群的产业结构转型升级、推进这一地区经济绿色、高效发展的内在需求和必然趋势。

在中线工程沿线地区以北京、天津、石家庄和郑州为中心，对中心城市周边地区依照经济人口规模实行水资源的梯次配置。同时，加强各地政府之间的交流和协调，有助于为构建沿线城市水市场提供行政保障，进而实现“以行政手段维护用水公平，以市场配置提高用水效率”的目标。

表1 机组额定工况下地下厂房内部监测结果

Tab.1 Internal monitoring results of underground powerhouse under rated working conditions

指标	层室
指标	发电机层	母线层	励磁变层	水轮机层	蜗壳层
温度/℃	16.9	18.6	19.2	18.7	18.8
湿度/%	61.5	54.5	52.5	52.8	58.8
PM2.5/（µg·m^-3）	42.0	40.3	40.2	40.3	40.3
风速/（m·s^-1）	0.52	0.08	0.07	0.14	0.13
O₂浓度/%	20.6	20.6	20.5	20.6	20.5

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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15	林伯强，黄光晓. 梯度发展模式下中国区域碳排放的演化趋势：基于空间分析的视角［J］. 金融研究，2011（12）：35-46. （上接第190页）本文引用 [1]

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收稿日期	出版日期
2020-11-04	2021-06-15
发布日期
2021-07-02

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Key words

基金

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1 研究方法与数据说明

1.1 莫兰指数与莫兰散点图

1.2 描述竞合关系的空间计量模型

1.3 数据说明

2 结果与分析

2.1 用水空间相关性分析

表1 2015年总用水莫兰指数

图1 2015年总用水莫兰指数和莫兰散点图

2.2 用水竞合关系分析

图2 南水北调工程前期、后期竞合关系频率分布图

图3 邻接矩阵南水北调工程竞合关系空间分布

图4 经济地理矩阵南水北调工程前期、后期竞合关系空间分布

3 结论与建议

表1 机组额定工况下地下厂房内部监测结果

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