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 水利與環境學院，山東 濟南 250022)

水資源是基礎自然資源，是生態環境的控制性因素之一，同時又是戰略性經濟資源，是一個國家綜合國力的有機組成部分[1]。據統計，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。

學者們針對中國用水量以及需水預測進行了研究。吳芳等[3]對我國1949—2013的用水數據進行整理分析，得出總用水呈現南高北低的態勢，并且運用情景分析法，對我國2015—2030年的用水量進行預測，其中較低方案的預測中2025年的用水量超過7.0×1011m3。彭岳津等[4]利用人口數與用水量之間的關系建立數學模型，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測，得出2030年達到用水極值點的結論，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論。柯禮丹[6]提出人均綜合用水量與趨勢微調相結合的方法進行需水量預測，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]采用產業結構分析法，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合的方法，預測2030年全國用水總量為6.789 148×1011m3；張亮[9]根據國際典型事實對2013—2022年中國各部門用水量進行預測，得出2022年總用水量最多可達到6.8×1011m3，但仍未達到峰值。

大量研究結果表明，我國的用水總量將持續上漲，一直到2030年左右達到極點，然后才緩慢下降，但是結合實際用水資料來看，相關研究對近幾年用水量的預測大部分都偏高，中國用水總量的極值點已經提前出現在2013年。本文中利用公開的數據對這一現象進行分析，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確的預測，一方面能夠體現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、合理地規劃水資源開發利用方案提供參考，對于明確當前中國用水量的發展趨勢以及實現水資源的可持續利用具有重要意義。

1 數據與方法

為了準確地分析當前中國用水量現狀及其變化原因，并對未來10 a中國用水總量進行預測，本文中通過中華人民共和國水利部官網發布的《中國水資源公報》以及國家統計局官網發布的《中國統計年鑒》等公開的渠道，系統收集了2005—2020年中國總用水量、各部門用水量、全國降水量、總人口數量、國內生產總值(GDP)、萬元GDP用水量、耕地灌溉面積、全國實際灌溉畝均用水量、工業增加值以及萬元工業增加值用水量等數據，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的需水量進行預測。

需水量預測的方法很多，如灰色分析法[10]、誤差逆傳播(BP)神經網絡法[11]、主成分回歸分析法[12]、定額法[13]、人均綜合用水量法[14]等。由于水資源需求預測受各方面的影響，因此各預測方法均具有一定的優缺點。趨勢外推法具有簡捷的優點，便于分析變化趨勢穩定、有規律可循的數據[15]，因此可以用其來預測近15 a來影響中國用水量主要因素的發展變化趨勢。回歸分析預測是通過預測對象之間的因果關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]，且該方法在系統發生較大變化時仍能根據相應變化因素修正預測值，更適用于長期預測[17]。由于近15 a來中國用水量出現了先增加后減少的趨勢，系統發生了較大的變化，因此可以采用多元線性回歸法來預測未來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測未來10 a中國的總用水量，主要包括以下內容： 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)利用趨勢外推法預測各影響因素未來10 a的數值；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%，總體呈現緩慢下降的趨勢。由圖2可以看出：農業用水和工業用水均在2005—2013年呈現緩慢上升的趨勢，2013—2020年呈現緩慢下降的趨勢；生活和生態用水在2005—2020年一直呈現緩慢增長的趨勢。由于農業用水和工業用水所占比例很大，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 中國用水結構變化特征

2005—2020年中國用水結構的變化特征如圖3所示。由圖可以看出，農業用水所占比重最大，工業用水其次，生活和生態用水所占比重最小。農業、工業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%，其中生態用水的變化尤其明顯，說明我國對于生態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增加值用水量2個指標可以衡量我國農業及工業用水效率。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，總體呈現明顯下降趨勢；2005—2020年，我國的萬元工業增加值用水量從2005年的191 m3減少到2020年的32.9 m3，共減少了158.1 m3，總體也呈現顯著的下降趨勢，可以看出，近15 a來，農業及工業用水效率均呈現顯著增長的趨勢。

圖4 2005—2020年中國萬元國內生產總值(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，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下降的拐點；但是2013年以后的降水量并不少于往年，因此認為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 人口數量和GDP

人口數量和GDP與用水量呈正相關，2005—2020年中國人口數量和GDP的變化情況如圖7所示。由圖可知，中國人口數量從2005年的1.307 56×109持續增長到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%。由于人口數量和GDP一直處于增長的狀態，因此認為用水量的減少與人口數量和GDP的變化無直接關系。

圖7 2005—2020年中國人口數量和國內生產總值(GDP)

2.2.3 用水效率

用水效率和用水量呈負相關。中國用水量和用水效率的關系如表1所示。由表可以看出，中國用水總量與相應年份萬元GDP用水量的關系、農業用水量與相應年份實際灌溉單位面積用水量的關系以及工業用水量與相應年份萬元工業增加值用水量的關系均呈現相似的變化趨勢，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系

2005—2013年中國用水總量、農業用水量及工業用水量呈現增加的趨勢，而綜合用水效率、農業用水效率及工業用水效率也呈現增大的趨勢，說明這一時期的經濟社會規模正向驅動用水量的提高，而隨著生產水平的提升和用水效率的提高，經濟社會規模對用水量正向驅動力逐漸減弱，當規模增加帶來的需水增量小于效率提高帶來的需水減量時，就會出現用水量的零增長以及負增長，導致用水量將呈現穩定或減少的趨勢[18]。

3 未來需水預測

由于近些年來產業結構的調整以及各種用水政策的實施，導致用水量呈現新的變化態勢，因此選取近15 a的用水量數據對中國未來的用水量進行預測。

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，由于生態用水占總用水量的比重很小，因此對工業、農業、生活用水3個方面分別考慮，根據《中國水資源公報》和《中國統計年鑒》所收集到的數據，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、總人口數、工業增加值、萬元工業增加值用水量。2005—2020年中國總用水量主要影響因素以及總用水量的數據見表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

采用統計產品與服務解決方案(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為國內生產總值；X4為總人口數量；X5為工業增加值；X6為萬元工業增加值用水量。

通過模型的檢驗可知，模型的擬合優度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=37.204，模型通過F檢驗，也即說明模型的構建有意義。

3.3 預測各影響因素未來10 a的數值

由于中國用水總量的6個影響因素均具有極其穩定的變化趨勢，因此可以分別建立關于時間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、總人口數量、工業增加值、萬元工業增加值用水量進行預測，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，所有方程中擬合優度R2最小值為0.967，擬合優度很高，并且所有方程的顯著性ρ均為0，即方程的擬合優度和顯著性均符合要求，因此這6個方程是合理可用的[3]。

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

表3 2021—2030年各影響因素的預測值

3.4 未來10 a中國用水總量的預測

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測，預測結果見表4及圖8。由圖、表可以看出，中國用水總量下降的拐點已經提前出現在2013年，并且未來10 a年中國用水總量將繼續下降，預計在2030年達到4.891 1×1011m3。

3.5 結果分析

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、水質提出了明確的控制指標[21]，表明我國對于用水及水質的要求不斷嚴格，人們的節水意識得到加強。由于生活用水在一定范圍內與經濟發展水平呈現正相關，因此，隨著生活用水占比的增加，農業用水占比的減少，我國的經濟發展水平也不斷提高，從而帶動了科學技術的迅速發展，經濟結構持續調整，生產力水平不斷提高。這一系列因素最終轉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年萬元工業增加值用水量為32.9 m3，日本在2000年的該數值僅為16.5 m3[22]；中國2020年農田灌溉水有效利用系數為0.565，世界先進國家2000年的該數值為0.7～0.8，因此中國農業與工業用水效率在未來還有很大的提升空間。考慮到總用水量主要由工業用水和農業用水決定，且工業用水量和農業用水量又主要靠工業用水效率和農業用水效率決定，所以工、農業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維持一段時間。

3)按照目前中國總用水量的變化趨勢，結合上述計算分析可知，預計在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，未來還需繼續執行。

4 結論

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測，得出以下主要結論：

1)中國用水總量下降的拐點已經在2013年提前到來，說明國家最嚴格的水資源管理制度實施頗具成效；農業用水所占比例最大，其次是工業用水，生活和生態用水所占比例較小，并且工農業用水所占的比例在緩慢下降，生活及生態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，且人口數量與GDP均呈現增長的趨勢，表明用水量的減少與來水量、人口數量及GDP無直接關系。

3)由于相關政策的實施、用水結構的調整及節水技術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水技術的不斷進步，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下降，預計在2030年達到4.891 1×1011m3，遠遠低于國家要求的7.0×1011m3的指標。這一結果對于明確中國用水新形勢以及未來制定相應的用水管控政策具有一定的參考價值。

本文中的結果、結論都是根據公開數據計算所得，能夠為未來我國科學、合理地規劃水資源開發利用方案提供新的視角以及參考依據。由于數據來源、數據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，還應涉及自然條件、經濟、社會、環境以及技術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大小仍未形成成熟的研究方法，尚待進一步探討。