中国特大城市水资源消费及其与经济和气候的关系.doc
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1、中国特大城市水资源消费及其与经济和气候的关系以北京、上海和广州为例陈惠娟,千怀遂广州大学地理科学学院,广东 广州 510006摘要:选取了北京、上海、广州三个不同地理纬度、经济较为发达的代表性城市作为研究对象,应用多项式模型把气候耗水量从水资源消费总量中分离出来,用统计分析的方法探讨三个城市水资源消费变化及其与经济和气候的关系。研究表明:城市万元GDP用水量与经济水平有明显的对数相关关系,一般都随经济水平的提高而不断下降,三个城市中,上海的水资源利用率最高,广州居中,北京最低。温度是影响城市气候耗水量的主要气候因子,在19861991年,三个城市的气候耗水量与温度的相关性不明显,自1992年以
2、来,气候耗水量与温度距平值的波动趋势愈来愈密切,这说明随着经济的发展和人民生活水平的提高,城市水资源消费与温度的关系越来越密切。关键词:水资源消费;万元GDP用水量;气候耗水量;特大城市中图分类号:X196 文献标识码:A 文章编号:1672-2175(2006)06-1331-06城市缺水是指城市供水量满足不了城市的用水需求,是中国城市普遍面临的问题,特别是经济发展快、聚集人口多的特大城市,水资源短缺更不容忽视1。对导致城市缺水的原因有许多不同看法,水资源短缺、水污染严重、生产生活耗水量大以及由于气候变化导致用水量的波动,都直接或间接地引致城市水供求的变化。目前,城市水资源研究主要侧重于对城
3、市缺水现状的定性分析2-3,并把城市缺水归因于经济的发展和城市化过程,缺乏了从经济发展和气候变化两方面对城市供水影响的定量研究。在研究对象上,主要是对中小城市的水资源利用状况4-5,对经济发达的特大城市进行分析的较少。北京是我国首都,经济比较发达,产业结构比较合理,地处我国的北部地带,纬度较高,冬季温度较低,夏季降雨量较小;上海是我国最大的城市,经济非常发达,产业机构比较先进,且地处我国的东部地带,纬度比北京要低,冬季温度较北京要高,夏季降雨量比北京大;广州是我国的南方城市,经济较为发达,产业结构渐趋合理,纬度在三个城市中最低,年较差小,冬夏温度较高。研究三城市供水量变化及其与气候和经济的关系
4、,明确它们之间的异同,对理解和制定我国各大城市的供水计划具有重大的理论和现实意义6-7。本文以中国三大城市北京、上海和广州为例,分析1985年到2000年城市用水变化,讨论城市水资源消费与经济、气候变化的关系。1 资料与方法本文选用了北京、上海和广州三个城市1986年到2000年的逐年水资源消费总量、生产用水量、生活用水量、国内生产总值和月平均温度资料,这些资料分别来源于中国年鉴、中国城市统计年鉴和气象站。为了探讨经济对水资源消费的影响,本文选用了万元GDP用水量这一指标。万元GDP用水量是指某地区、行业、企业或单位在一定时段内每取得一万元增加值(GDP)的水资源取用量8。万元GDP用水量能较
5、好地反映宏观的水资源利用效率、估算水资源利用量和预测未来水资源需求量,是国际公认的评价用水率的通用指标。公式表示:万元GDP用水量= 总用水量/国内生产总值水资源消费量的变化主要受经济、社会和气候等诸因子的影响,各影响因子贡献的分离是本项研究的基础。社会经济因子和气候因子分别具有持续稳定变化和波动变化的特点,它们对水资源消费的影响与对农作物产量的影响极为相似,因此本文参考农业气象中的作物产量预报的理论和方法,把农作物产量分离法引入到该领域9。水资源消费量的构成可用下式表示:y=yt+yw+yc式中y为实际水资源消费量,yt为水资源消费趋势量(即社会经济耗水量),yw为波动量(气候耗水量),yc
6、为随机量。趋势量是假设在气候等因子正常的情况下,由于社会经济的发展,人民生活水平的提高而影响的那部分水资源消费量,因而它是逐渐变化的。气候耗水量是指由于气候因子(温度、降水、灾害等)的波动而影响的那部分水资源量。随机量是指由于其他方面的随机因素而影响的那部分,这一部分水资源消费量所占的比重一般较小,且不易分离,通常忽略不计。本文用正交多项式的方法拟合城市生活用水的趋势量,进而把水资源消费量分解为趋势量,并由此计算每个城市的逐年波动量,在此基础上本文采用相关分析法和最小二乘法分析气候变化对水资源消费的影响10。2 城市水资源消费趋势及其与经济增长的关系2.1 城市水消费趋势与万元GDP用水量图2
7、 北京万元GDP用水量Fig. 2 Water consumption per 104 yuan GDP of Beijing根据万元GDP用水量这一指标计算,求出三个城市的万元GDP用水量(如图1),对比北京、上海和广州三个城市万元GDP用水量变化图,可发现三者存在明显差异。图1 北京、上海和广州万元GDP用水量年际变化Fig. 1 The interannual changes of water consumption per 104 yuan GDP of Beijing, Shanghai and Guangzhou从总体趋势来看,上海万元GDP用水量最高,北京最低,广州居中。在199
8、3年,上海的万元GDP用水量也是比较低的。1986年广州的万元GDP用水量为485.46 m3,上海为390.84 m3,北京最低307.66 m3。到1990年北京的万元GDP用水量为176.07 m3,仅相当于上海同年万元GDP用水量的一半。1997年以来,由于全国节能工作的大力开展,经济结构与产业结构的调整,万元GDP用水量均有所下降,1997年上海万元GDP用水量为85.76 m3,广州万元GDP用水量为65.9 m3,北京万元GDP用水量为58.01 m3。三个城市的万元GDP用水量变化速率也有所不同,其中广州万元GDP用水量的下降速度为27.61 m3a-1,上海的下降速度为21.
9、79 m3a-1,北京为17.57 m3a-1。随着城市经济的发展,各市产业结构也不断优化升级,大力发展信息、金融、贸易、汽车、房地产等产业从客观上降低了用水量,另外通过不断加强节水行业管理,制定一系列供水、节水方面的法规也是用水量下降的重要原因。尽管北京、上海、广州三个城市的万元GDP用水量在绝对量上有一定差距,但这种差距在逐渐缩小,到2000年,北京万元GDP用水量是44.099 m3,广州为51.22 m3,上海是63.96 m3。2.2 城市万元GDP用水量变化与经济的关系城市万元GDP用水量变化与经济发展显著相关,而且二者的关系越来越密切。分析表明,城市万元GDP用水量与社会经济发展
10、水平关系密切,其中,北京、上海及广州的万元GDP用水量与国内生产总值之间的相关系数分别为-0.884、-0.898、-0.871,它们在0.01水平上通过显著性检验。分别以国内生产总值为X轴,以万元GDP用水量为Y轴,做散点图分析(图2至图4)。可以看出,国内生产总值与万元GDP用水量大致存在对数关系。Yt =-97.19 ln(GDP)+ 785.689 (1)式(1) GDP为国内生产总值,回归方程相关指数R2=0.905,F检验值为123.67,在=0.01水平上通过显著性检验,回归效果非常理想。图3 上海万元GDP用水量Fig. 3 Water consumption per 104
11、yuan GDP of ShanghaiYt=-160.65 ln(GDP)+1388.08 (2)式(2)GDP为国内生产总值,回归方程相关指数R2=0.924,F检验值为157.77,在=0.01水平上通过显著性检验,回归效果令人满意。图4 广州万元GDP用水量Fig. 4 Water consumption per 104 yuan GDP of GuangzhouYt=-138.36 ln(GDP)+1082.52 (3)式(3)GDP为国内生产总值,回归方程相关指数R2=0.951,F检验值为250.79,在=0.01水平上通过显著性检验,回归效果同样令人满意。图5 北京气候耗水量与
12、温度距平的年际变化Fig. 5 the interannual changes of climate water consumption and temperature anomaly in Beijing三个城市万元GDP用水量与经济水平都有极其密切的关系,一般都随经济水平的提高而不断下降。经济水平较低,相对应的经济系统为高耗水型经济,用水效率低,这时用水量随经济水平的提高增长幅度大;当经济水平提高到一定程度后,经济系统转化为低耗水型经济,用水效率较高。 之所以出现这种情况,本质上是因为经济水平的提高是由技术进步内在驱动的11,万元GDP用水量不是简单以生产用水量和国内生产总值的大小而决定的
13、,是以技术水平的提高为前提,国内生产总值的大小及生产用水量的多少也体现了该区技术水平的高低。表1 北京、上海和广州气候耗水量与温度距平Tab 1 The climate water consumption and temperature anomalyof Beijing, Shanghai and Guangzhou年份北京上海广州气候耗水量/(104m3)温度距平/气候耗水量/(104m3)温度距平/气候耗水量/(104m3)温度距平/19861048.06-0.7446.39-0.73223.07-0.211987-3976.16-0.63-25.82-0.46-471.660.3019
14、884198.66-0.17-184.90-0.36-459.15-0.611989768.870.32-502.06-0.331227.72-0.051990-2857.64-0.191798.630.55488.380.301991651.14-0.38#-0.35-829.120.441992-432.34-0.03968.72-0.41-1268.81-0.321993-235.060.08-6989.27-0.62-71.61-0.1119941103.450.826435.950.761948.970.5519951067.800.45567.01-0.12173.00-0.061
15、996-982.77-0.12-2768.00-0.21-1355.65-0.711997-451.180.17-883.700.49-347.10-0.361998-402.430.242418.021.32112.670.5219991359.200.26-1358.940.25-106.480.202000-265.26-0.04-16.180.75-680.250.133 城市水资源消费对气候变化的响应分析3.1 城市水资源消费波动量的提取由于生产用水量相对稳定,气候变化与水资源的关系研究主要在气候因子与城市生活用水量的关系研究上,用多项式法提取气候耗水量。根据比较分析,用四次多项式法
16、拟合效果较好,拟和的方程的相关指数达0.96以上。上海1991年的生活用水量与历年的生活用水量有较大的偏差,不排除有其它特殊影响因素,在这里不进行深入的探讨。在对北京、上海和广州与气候因子的相关性分析中,水资源消费与气温的关系最为密切,在这里主要探讨水资源消费与温度距平的关系(表1)。3.2 气温对北京水资源消费的影响北京历年年均气温距平值在-0.73到0.82之间,最大值出现在1994年,年均温度达到13.68 ,最小值是1986年的12.13 ,年际变率较大。从长期发展趋势来看,北京气候耗水量和温度距平的变化分两个阶段(如图5)。1986年到1991年的波动较大,在这五年,北京的年均温度普
17、遍较低,且距平值较小,这时的气候耗水量与温度距平的关系不太明显。在1992年到2000年,年均温度较高,达到13.06 。从图中我们可以看到在1991年之前,气候耗水量与温度距平值之间的相关不明显,但在1992年以后气候耗水量与温度距平值的波动趋势愈来愈密切,虽然有一些偏离,但基本保持一致,这说明在近十年气候耗水量与气候的关系越来越密切。对北京1992年到2000年的气候耗水量与温度距平作相关分析,发现两者的相关性良好,相关系数达到0.77,在0.05水平上能通过显著性检验,用最小二乘法建立的方程为:图8 19922000年上海气候耗水量与温度距平散点图Fig. 8 The relations
18、hip of climate water consumption and temperature anomaly from 1992 to 2000 in ShanghaiY北京=2259.848 t北京377.528 (4)图6 19922000年北京气候耗水量与温度距平散点图Fig. 6 The relationship of climate water consumption and temperature anomaly from 1992 to 2000 in Beijing回归方程的F检验值为10.209,在a=0.05水平上通过显著性检验。图9 广州气候耗水量与温度距平年际变化F
19、ig. 9 The interannual changes of climate water consumption and temperature anomaly in Guangzhou3.3 气温对上海水资源消费的影响上海的温度距平值在-0.73 到1.32 之间。年均最低温度是1986年的15.7 ,年均最高温度出现在1998年的17.75 。气候耗水量与温度距平的相关系数达到0.55,在a=0.05水平上通过显著性检验。气候耗水量与温度距平的关系如图7。图7 上海气候耗水量与温度距平的年际变化Fig. 7 the interannual changes of climate wate
20、r consumption and temperature anomaly in Shanghai在1986年到1989年期间,上海的温度距平为负值,但数值波动不大,与此相对应的上海气候耗水量的年际变化也较小。在1990年之后,温度距平波动明显,时正时负。从图8可以看出,上海市气候耗水量与温度距平具有显著的正相关关系。对上海市历年气候耗水量与温度距平作相关分析,两者相关系数达到0.55,在0.05水平上能通过显著性检验,效果较理想。用最小二乘法建立回归方程:Y=2585.644x-198.278 (5)回归方程的F检验值为5.196,在a=0.05水平上通过显著性检验。3.4 气温对广州水资源
21、消费的影响广州的温度距平值在-0.706 到0.552 之间。最低温度是1986年的15.7 ,最高温度出现在1998年的17.75 。气候耗水量与温度距平的关系如图9。广州气候耗水量与温度距平的关系分为两个阶段。在1986年到1991年间,气候耗水量与温度距平的相关性不太显著;1992年以来,由于经济迅速发展,人民生活水平大幅度提高,对生活舒适度的要求越来越高12,气候耗水量与温度距平的关系越来越密切。对广州市1992年到2000年的气候耗水量与温度距平作相关分析(图10),两者相关系数达到0.767,在0.05水平上能通过显著性检验,用最小二乘法建立回归方程为:Y=1800.742x-14
22、2.918 (6)回归方程的F检验值为10.02,在a=0.05水平上通过显著性检验。通过分析北京、上海和广州三个城市的气候耗水量与温度距平的关系,发现:在1991年之前,三个城市的气候耗水量与温度距平值的线形关系不显著。1991年以后,气候耗水量与温度距平值之间的关系发生了变化,气候耗水量随着温度距平值的变化而发生波动,温度升高,气候耗水量相应增加,在温度降低的年份,气候耗水量相对减少,两者发展趋势基本保持一致。自1986年到2000年,气候耗水量与温度距平都有较密切的关系。气温每升高0.1 ,北京气候耗水量增加226104m3,上海气候耗水量增加258.5104m3;广州水资源气候耗水量增
23、加180.1104m3。上海市的水资源消费量是三个城市中最大的,对温度变化的敏感性也是三个城市中最强的,这主要与上海的用水人口数有关。上海的用水人口是三个城市中最多的,生活用水量容易受温度变化而发生波动;北京水资源消费对气候的敏感性较强,在1992年前,水资源消费与气候的关系并不密切,随着经济发展和生活水平的提高,人民对生活舒适度的要求也越来越高,因此气候耗水量也随温度距平的变化越来越显著;广州市水资源消费量受温度变化的敏感性最小,虽然广州人均居民用水量是三个城市中最高的,但水资源消费受温度的影响较少,这主要与广州的气候有关,广州气温炎热且年际变化小,由温度变化引起的水资源消费波动较小,该市水
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