跨區域水資源轉移網絡的特征解構與演化因素分析

秦 騰

（常州大學商學院，江蘇常州 213164）

0 引 言

龐大的人口基數和快速的經濟增長決定了水資源短缺將是我國長期面臨的重大挑戰之一，與此同時，城鎮化發展導致的大量人口和產業高度集聚進一步加劇了高密度區域的用水矛盾。如何有效落實《最嚴格水資源管理制度》，保障“三條紅線”戰略目標的順利實現成為全社會共同關注的重要內容。作為關鍵的基礎性生產要素之一，水資源與產業部門之間存在密切關系，有研究指出，80%以上的水資源消耗是通過直接或者間接的經濟生產活動完成，更多的是以貿易或者最終消費的形式被人類利用［1］。為了更好地發揮自身的比較優勢和彌補資源稟賦和技術等方面的缺陷，各地區通常會進行頻繁的中間產品交換和最終產品貿易，由此導致水資源要素也在省域間頻繁流動和轉移。近年來在區域一體化戰略和市場機制的雙重推動下，省域間的商品流通速度不斷加快，貿易往來也進一步加深，使得區域之間的水資源轉移關系已經突破地理空間范圍的限制，逐漸呈現為多節點、多路徑的復雜網絡結構形態［2］。可以預見的是，隨著十九屆五中全會提出“要破除妨礙生產要素市場化配置和商品服務流通的體制機制障礙，構建需求牽引供給、供給創造需求的高水平動態平衡國內大循環體系”，區域間水資源轉移的網絡結構特征將會更加明顯。在這種情形下，繼續執行單邊水資源政策已無法有效應對區域間復雜多變的水資源問題，反而會弱化區域整體的政策實施效果。因此，有必要深入揭示跨區域水資源轉移的網絡結構特征及關鍵誘因，有效識別各地區在空間關聯網絡中的地位和角色，從而實現跨區域水資源的協調配置。

跨區域貿易導致的區域間水資源關系網絡化為區域水資源政策的制定帶來了新的機遇和挑戰，而從網絡視角探討區域和產業間水資源關系的研究近年來也逐漸興起。自Li 首次將生態網絡方法分析（Ecological Network Analysis，ENA）應用于黃河流域用水系統可持續發展評價后［3］，Mao［4］、Fang［5］、王悅斌［6］、談箐［7］和閻曉東［8］等學者先后將其用于白洋淀流域、黑河流域、滇池流域、黃淮海流域以及中國區際農產品用水系統作用機制分析的研究中，為豐富流域和產業層面的水資源優化方案提供了有益借鑒。然而生態網絡分析方法過分關注于個體屬性的刻畫及內部對象之間的作用關系，導致其難以有效揭示內部對象之間復雜的網絡結構形態。針對這一缺陷，部分學者開始嘗試將社會網絡分析方法（Social Network Analysis，SNA）引入水資源的研究中，孫克［9］、徐緒堪［10］、孫才志［11］和秦騰［12］等先后利用此方法對中國灰水足跡、水足跡強度和水資源綠色效率以及安徽省用水量的空間關聯網絡結構特征進行了具體分析。

可以看出，學者們已經意識到水資源問題網絡化的重要性，且取得了豐碩的研究成果，然而目前大部分研究多是基于各對象相互獨立的數據，然后利用數理模型識別和構建各對象之間的用水關系，較少從要素流動視角考察地區及產業之間的水資源轉移關系，導致分析結論及政策制定缺乏一定的科學性。現有研究中僅有孫才志和鄭靖偉［13］結合投入產出分析考察了中國水足跡空間關聯網絡結構及屬性特征，但是其研究一方面沒有從消費側角度揭示關系網絡的形成機理，另一方面也缺乏對水資源轉移網絡動因的識別。有鑒于此，本文利用投入產出模型對中國區域間水資源轉移關系進行構建，從而利用社會網絡分析和生態網絡分析方法多維度解構跨區域水資源轉移網絡結構特征，并進一步解析影響網絡結構演變的誘因，以期為構建更加合理的跨區域水資源協同長效管理機制提供有效的決策參考。

1 網絡建模與數據來源

1.1 跨區域水資源轉移網絡建模

基于各地區獨立的投入產出表和區域間貿易數據綜合編制而成的區域間投入產出表，通過將區域間商品和服務流入、流出內生化，能夠較為全面系統地反映各區域間之間的經濟聯系［14］，也常被用于刻畫各區域不同部門之間用水的物質技術聯系。假設存在m個區域，每個區域有n個生產部門，則區間內投入產出模型的數學結構由(m×n)個線性方程構成［15］。令Wr為r國的直接用水系數列向量，表示r國各部門單位產出引致的用水量，矩陣B為完全需求矩陣或列昂惕夫逆矩陣，矩陣Y為最終產品需求矩陣，則完全需水矩陣(WT)可表示為：

上式中的WTij表示區域i轉移至區域j的水資源數量。由于本文關注的只是區域間的水資源轉移情況，因此將對角線設置為0，得到的水資源轉移矩陣WT′如下：

按照式（2）中的水資源轉移關系可構建由眾多節點和節點間連線構成的水資源轉移網絡，而根據節點間關系強度是否有差異，水資源轉移網絡又可分為加權網絡和無權網絡。在加權網絡中，節點間的“關系數據”ωij是節點間水資源轉移量歸一化后的數據，既能更加反映水資源轉移網絡的實際情況，也不影響最終結果，而無權網絡則是將節點間的水資源轉移量與總體均值進行對比，超過均值賦值1，否則賦值0，最終將式（2）轉化為二值有向矩陣。

1.2 網絡結構特征分析

結合社會網絡分析（SNA）［16］和生態網絡分析（ENA）兩種方法［17，18］，從網絡密度、網絡關聯度、網絡效率和循環指數等方面來刻畫水資源轉移網絡的整體特征［19］；基于TOP1 等級網絡來反映網絡中最主要的信息［20］；通過度數中心度和中介中心度以及控制分配系數［21］來揭示網絡中各節點的個體特征；最后運用QAP分析來挖掘影響水資源轉移網絡的關鍵因素。

1.3 數據來源與說明

基于數據的時效性、可得性和可比性，本文選用的投入產出數據來自于《2007年中國30 個省市區域間投入產出表》和《2017年中國30 個省市區域間投入產出表》（未包括西藏自治區、臺灣地區、香港和澳門特別行政區）。與對應的年份一致，各地區的實際用水量來源于2007年和2017年的《中國水資源公報》以及2008年和2018年的《中國統計年鑒》。

2 跨區域水資源轉移網絡特征

基于中國區域間投入產出表和各省市的水資源數據，利用Ucinet 可視化工具Netdraw 繪制出2007年及2017年中國30 省市跨區域水資源轉移無權網絡圖（圖1），動態展示跨區域水資源轉移網絡格局?？梢灾庇^地看出，隨著區域間資源、貿易和信息等方面流通速度的逐漸加快，除極少數節點（2007年的海南、2017年的青海和寧夏）外，區域間的水資源轉移關系趨于網絡化，已經超出了單純地理學意義上的鄰近效應，不斷向更寬和更廣的層面演化。相較于2007年，2017年網絡整體變化不大，資源稟賦和經濟體量較大的省份在網絡中處于核心地位，網絡結構較為穩定。

圖1 水資源轉移無權網絡對比Fig.1 Unweighted network of cross-regional water transfers

為了直觀顯示水資源轉移量的大小，進一步展示出水資源轉移加權網絡圖（圖2），可以看出2017年節點間加粗的連線數量增多，反映出區域間水資源轉移量呈現擴大趨勢。此外，水資源轉移的空間格局也發生了明顯變化，2007年水資源空間轉移主要表現為廣西和湖南向廣東的調出、新疆向甘肅的調出以及黑龍江向吉林的調出，而2017年表現為江蘇向廣東和湖南的調出以及新疆向廣東和山東的調出，水資源調出地更為集中。這種水資源轉移空間格局的形成一方面與地理因素有關，主要表現為水資源要素傾向鄰近地區轉移，如新疆向甘肅的調出和江蘇向山東的調出，而一方面則與區域間的貿易發生量和經濟聯系有關，如新疆向山東和廣東的調出，而后者也是水資源轉移空間格局變化的主要原因。

圖2 水資源轉移加權網絡對比Fig.2 Weighted network of cross-regional water transfers

2.1 空間關聯整體網絡特征

探究水資源轉移網絡的演變規律，有賴于對其整體網絡特征的把握，本文主要從網絡緊密程度和網絡流通效率兩個方面進行刻畫，具體如表1所示。

表1 整體網絡結構特征Tab.1 Overall features of network structure

（1）網絡緊密程度。相較于2007年，2017年跨區域水資源轉移網絡實際關系總數和網絡密度均有一定程度的提高，分別為298個和0.343，表明區域間的空間用水關聯愈發密切。但是從數值上看，目前我國區域間的用水關聯程度并不是很高，整體網絡的關聯性和穩定性還有待進一步加強。網絡關聯度有所下降，由2007年的0.805 變為0.778，說明網絡的連通性和可達性有所減弱，主要原因在于整體網絡的孤立節點增多，而未來如何增強圖1 中青海、寧夏兩個孤立節點與網絡中其他節點間的用水聯系，將是完善整體網絡結構，增強網絡整體關聯性的重點所在。

（2）網絡流通效率。從表1中的平均距離、循環指數和網絡效率來看，2017年的平均距離縮短，由1.736 下降為1.638，表明網絡中任意兩個節點之間建立聯系的時間和成本均有所降低，各省份內部的用水變化可以更快地傳遞到其他省份；循環指數有所上升，由2007年的0.277 增加為2017年的0.299，表明區域間水資源循環流通比例增加，反映出整體網絡結構趨于均衡發展，節點間對外溢出的可能性增強，由此導致各省份之間取得用水聯系的方式和渠道更加順暢，而從表1 中的網絡等級度也可以明顯看出，2017年網絡等級度0.204 相較于2007年的0.25也有很大程度的降低；在平均距離下降和循環指數上升的情況，網絡效率由2007年的0.542 下降為2017年的0.433，反映出網絡中存在大量的冗余連線且2017年這種現象進一步增強，區域間多重疊的用水關聯關系降低了整體網絡的傳導效率，結合前文關于網絡密度的分析，未來提升省域間水資源流通速率的重點應是如何優化整體網絡結構，減少節點間的冗余連線，而不是單純降低網絡密度以及由此導致的網絡穩定性下降。

2.2 TOP1等級網絡分析

為了準確直觀地展示網絡中的最主要信息，進一步從生產側和消費側繪制了2007年和2017年水資源轉移TOP1 網絡，其中生產側進口水資源轉移TOP1 網絡如圖3 所示?？梢钥闯?，2007年該網絡呈現一個主網絡加兩個分支網絡的形態，其中主網絡是以新疆和江蘇為主要核心的“雙核”模式，而分支網絡分別是以黑龍江和廣東為核心的“單核”模式，隨著區域間用水聯系的不斷增強，2017年呈現為完整的“雙核”網絡結構形態，而江蘇則取代新疆，成為大多數省份的第一水資源輸入地區，從水資源輸出量來看，2017年江蘇向其他地區輸出的水資源量占區域間水資源轉移總量的10%以上，且其輸送的地區覆蓋的范圍較為廣泛，反映出區域間的貿易往來和經濟聯系才是水資源轉移的源動力，未來應該更加注重經濟中心的水資源宏觀調配。

圖3 2007及2017年生產側進口水資源轉移TOP1網絡Fig.3 TOP1 network of cross-regional water transfers on the production side in 2007 and 2017

圖5展示了消費側出口水資源轉移TOP1網絡的變化情況，與進口水資源轉移TOP1 網絡類似，2007年該網絡呈現為多核心、多分支的網絡結構形態，以廣東、浙江和上海為核心構成主網絡，而以吉林為核心構成分支網絡，而到了2017年則轉變為以廣東為主要核心的“單核”網絡結構形態，區域間消費側的水資源轉移更加集中，從水資源輸入量來看，2017年廣東輸入的水資源量占區域間水資源轉移總量的10%以上，進一步驗證了經濟發達地區在水資源轉移網絡中的核心地位，未來其水資源需求變化應被列為區域用水空間分布及水資源戰略規劃的重要內容。

圖4 2007及2017年消費側出口水資源轉移TOP1網絡Fig.4 TOP1 network of cross-regional water transfers on the consumption side in 2007 and 2017

2.3 空間關聯個體網絡特征

基于無權網絡對水資源轉移網絡的拓撲屬性進行分析，以此來揭示各地區在水資源轉移整體網絡中的地位和作用，本文主要選取度數中心度和中介中心度指數對2017年30 個省份的個體網絡特征進行刻畫，并結合控制分配系數就核心地區對其他地區水資源溢出關系的支配程度進行剖析，具體如表2所示。

根據水資源流向的不同，度數中心度分為點入度和點出度，從表2中來看，點出度較高且明顯大于點入度的省份分別有新疆、黑龍江、湖南和江西等地，上述省份的點出度均大于等于15，對其他省份水資源的溢出效應較為明顯，不難看出，上述省份大多位于我國農業較為發達的東北平原或長江中下游平原地區，農業產品比重較大使得在這些地區與其他地區進行水資源轉移過程中處于劣勢地位，更多地扮演著“生產者”的角色，雖然在水資源轉移網絡中處于核心地位，但是在水資源轉移量上呈現為凈出口狀態；點入度較高且明顯大于點出度的省份分別有廣東、重慶、浙江、陜西和北京等地，上述地區或位于經濟較為發達的珠三角和長三角，或位于水資源較為貧乏的西北和京津冀地區，對其他地區水資源輸入的依賴作用較為明顯，在水資源轉移網絡中扮演著“消費者”的角色；點入度和點出度均較高且兩者相差不大的省份分別有江蘇、安徽和河南等地，與前兩類地區相比，上述省份與其他地區的前后向聯系均較強，不僅承受其他地區較多的水資源輸入，同時其自身的水資源也不斷向其他地區進行溢出，更多地扮演著“中轉者”的角色。

表2 跨區域水資源轉移網絡中心度Tab.2 Network centrality of cross-regional water transfers

中介中心度較高的省份分別有江蘇、安徽、河南、廣東和浙江等地，這些省份的中介中心度數值均超過4，表明這些地區在跨區域水資源轉移網絡中分別控制著超過4條以上的水資源溢出渠道，其中，以江蘇為代表的長三角地區，控制著超過50%以上的水資源轉移路徑，凸顯出長三角地區對整個網絡的強大的控制力，是保障跨區域水資源轉移網絡得以有效運行的重要中轉站。很顯然，依托于長江黃金水道的長三角地區不僅經濟較為發達，進出口貿易量占全國比重較高，而且交通運輸體系也較為完備，以鐵路、公路、航空和水路構成的綜合立體交通走廊有力地保障了水要素的流轉，使得長三角地區成為的水資源轉移網絡中的關鍵樞紐，這與前文關于長三角地區點入度和點出度均較高的結論也較為一致。

進一步就核心地區對其他地區的控制關系展開分析，以便更好地進行地區間的協同合作，具體如圖5所示?？梢钥闯?，雖然同為核心節點，但是各地區之間的控制力差異較大，其中江蘇和安徽對其他地區的控制力度較大，江蘇掌握著北京、上海和遼寧超過13%的水資源轉移渠道，而安徽則操縱著四川和廣東近10%的水資源轉移路徑，再一次反映出長三角地區對于水資源轉移整體網絡的核心控制力，而且其控制的地區不限于長三角區域內部，已逐漸向京津冀、西南和東北等地擴散和輻射，未來不斷應加強和注重這些地區與長三角地區用水關系的協調和合作，為優化跨區域水資源轉移網絡結構提供有效助力。

圖5 2017年核心地區對其他地區的控制關系Fig.5 Control relationship between the core region and other regions in 2017

3 水資源轉移網絡影響因素分析

3.1 模型設定與指標選取

水資源轉移網絡的演變有賴于諸多因素的共同作用，本文擬采用社會網絡分析中的非線性二次指派程序（Quadratic Assignment Procedure，QAP）方法，對其中的關鍵因素進行實證考察。根據對已有文獻的總結和歸納，本文著重選取對外開放程度、經濟發展水平、地理鄰接、技術創新水平和信息化水平，基本模型如下：

需要說明的是，由于被解釋變量WM表示水資源轉移空間關聯矩陣，因此各解釋變量也需要轉化為對應的空間關聯關系的二值網絡矩陣。具體的方法為：地理鄰接矩陣G根據兩個地區是否接壤來構建，若兩地接壤取1，不接壤取0，而其他變量之間的空間關聯關系則根據Granger 因果檢驗方法［22］來進行識別和構造。其中，PG表示經濟發展水平空間關聯矩陣，以地區人均GDP（萬元/人）作為其代理變量；OPEN表示對外開放空間關聯矩陣，以各省份進出口總額占GDP 比值作為其代理變量；TECH表示技術創新水平空間關聯矩陣，以技術創新水平以地區專利授權數（件）作為其代理變量；INFORM表示信息化水平空間關聯矩陣，各省份互聯網寬帶接入端口（萬個）作為其代理變量。以上數據均來自于《新中國60年統計資料匯編》和《中國統計年鑒》（1998-2020），且對于部分缺失的數據參照各省市的統計年鑒補齊。另外，為了避免通貨膨脹對測算結果的影響，以上涉及到的經濟數據均按照價格指數轉換為2000年不變價格。

3.2 QAP相關性分析

主要選取2017年的水資源轉移無權網絡矩陣，首先采用QAP 來檢驗整體網絡與上述影響因素之間的相關關系，結果如表3 所示。其中，最大值和最小值分別是各變量經過重復1 萬次迭代運算后的最大數值和最小數值；P≥0 和P≤0 分別表示隨機置換中每一次得到的相關系數大于等于、小于等于最終相關系數的概率［23］?？梢园l現，地理空間鄰接、對外開放程度和經濟發展水平的相關系數顯著為正，說明這3 個因素是推動跨區域水資源轉移網絡形成和演化的重要力量，而技術創新和信息化水平的相關系數沒有通過顯著性檢驗，說明兩者對于跨區域水資源轉移網絡的影響較為微弱。

表3 水資源轉移網絡影響因素的相關性分析Tab.3 Correlation analysis of spatial correlation factors of cross-regional water transfers

3.3 QAP回歸分析

進一步對跨區域水資源轉移網絡演變的影響因素進行QAP 回歸分析，經過1 萬次隨機置換得出的具體結果如表4 所示。其中，概率A 表示隨機置換后的回歸系數絕對值大于等于觀察到的回歸系數的概率，概率B 表示隨機置換后的回歸系數絕對值小于等于觀察到的回歸系數的概率。

表4 水資源轉移網絡影響因素的QAP回歸分析Tab.4 Regression analysis of influencing factors of cross-regional water transfers

從回歸系數來看，地理空間鄰接、經濟發展水平和對外開放程度這三個變量的回歸系數均在5%及10%的水平下顯著為正，再一次顯示了三者對于跨區域水資源轉移網絡形成的正向作用。很顯然，較近的空間距離意味著較低的運輸成本和較快的運輸速度［24，25］，更加方便兩地之間進行產品或原料的交換，從而促進兩地水資源轉移空間關聯關系的發生和形成；較為緊密的經濟聯系意味著地區之間較為頻繁的貿易往來，而在產品流通和交換過程中帶動的水要素流動，也為跨區域水資源網絡的形成創造了有利條件；而對外開放程度的提高則有助于打破行政區劃的邊界和貿易壁壘，提升各類產品、資源和要素在區域間的流通速率，是跨區域水資源轉移網絡演化的持續動力。技術創新和信息化水平的回歸系數不顯著，兩者對于跨區域水資源轉移網絡演化形成的影響微乎其微，未來應提高這方面的重視程度，尤其是技術創新的回歸系數為負，表明兩地之間的技術聯系不能有效促進區域間的水要素流動，對跨區域水資源網絡的形成產生了一定的阻礙作用。

4 結論與對策建議

利用多區域投入產出方法核算了2007年和2017年各地區最終使用所隱含的水資源消費狀況，在此基礎上，通過復雜網絡理論構建了我國2007年和2017年的跨區域水資源轉移網絡，并借助社會網絡和生態網絡分析方法對水資源轉移網絡的結構特征和影響進行了詳細分析，主要結論如下。

（1）區域間愈發頻繁的水資源轉移已經呈現為明顯的網絡化結構特征，雖然近年來關系總數和網絡密度有所提升，但是整體網絡的關聯性和穩定性還有較大的提升空間，由于網絡中存在較多的冗余連線，整體網絡的傳導效率也不是很高。從TOP1 等級網絡來看，無論是生產側水資源轉移網絡還是消費側水資源轉移網絡均呈現出“中心-外圍”的非均質特征，江蘇和廣東逐漸成為水資源轉移網絡中生產和消費的核心，且兩者覆蓋和輻射的范圍越來越廣。

（2）個體網絡特征顯示，新疆、黑龍江、湖南和江西等地具有較高的出度中心度和較低的入度中心度，在水資源轉移網絡中更多地扮演“生產者”的角色，而廣東、重慶、浙江、陜西和北京等地具有較高的入度中心度和較低的出度中心度，在水資源轉移網絡中更多地扮演“消費者”的角色，而江蘇、安徽和河南等地的出度中心度和入度中心度相差不大且中介中心度較高，對其他地區之間水資源轉移路徑的控制力較強，在水資源轉移網絡中更多地扮演著“中轉者”的角色。

（3）QAP 相關性分析結果表明，地理空間鄰接、對外開放程度和經濟發展水平與跨區域水資源轉移網絡呈現出顯著的正相關關系，而技術創新和信息化水平的相關系數沒有通過顯著性檢驗。QAP 回歸分析結果表明，地理空間鄰接和經濟發展水平、對外開放程度的提升均能夠推動跨區域水資源轉移網絡的形成和演化，但是技術創新和信息化水平的影響較為微弱。

頻繁的商品交換和要素流動使得區域間的用水關系愈發密切和復雜多變，緩解城鎮化和市場化進程中的用水矛盾，需要從空間網絡的視角構建新的思路：

（1）客觀全面地審視區域之間存在的水資源轉移網絡結構特征，不僅要重視省份個體用水“數量”的節約和限額，還要考慮多邊投入產出下主體之間的用水“關系”，形成“數量-關系”雙控下的跨區域水資源協同優化機制。不斷探尋跨區域水資源轉移有效路徑的同時要減少網絡中各節點之間的冗余連線，提升水資源在區域間的傳輸效率，降低生產側和消費側網絡的非均質性，逐步優化跨區域水資源轉移網絡結構。

（2）充分發揮網絡個體及其所屬板塊對跨區域水資源協同優化機制的積極作用，對于出度中心度和中介中心度較高的江蘇、安徽、河南等地，在注重自身內部用水結構改善和用水強度降低的同時，要通過區域間的用水聯系向其他地區進行輻射和擴散，尤其是關鍵節點間的有效整合，如江蘇與北京、上海以及安徽與四川、廣東，從供給端提升網絡整體的用水效率，而對于北京、廣東、重慶等入度中心度較高的地區，應積極調整產業結構和貿易結構，提高節水產品的準入門檻，從需求端優化網絡整體的節水效益。

（3）深入挖掘跨區域水資源轉移網絡演變的影響因素，在保持政府宏觀調控功能的同時，充分利用技術、經濟、交通和信息等手段，縮短兩地之間的地理空間距離，提升水資源要素在地區之間的傳輸速度，強化網絡中關鍵節點對其他節點的輻射和帶動作用，以便做到及時有效的定向精準調控。