水资源调配水利工程空间分布及规模分异研究

刘伟苹，陈海峰（.华东师范大学河口海岸科学研究院，上海 0006；.江苏省水文水资源勘测局南通分局，江苏·南通 6006）



水资源调配水利工程空间分布及规模分异研究

刘伟苹1，陈海峰2
（1.华东师范大学河口海岸科学研究院，上海 200062；2.江苏省水文水资源勘测局南通分局，江苏·南通 226006）

摘 要：基于江苏省第一次水利普查，运用平均最邻近指数、核密度估算等方法，定量分析水闸和泵站空间分布、规模分异特征，并进一步划分了不同发展时期。结果表明，在空间分布上江苏省水闸、泵站集聚特征较为明显，与地貌类型和水系分区具有较高的相关性，但存在空间差异性，苏北淮河下游浅洼平原区即里下河区为高密度中心，泵站、水闸的空间分异主要表现在丘陵地带，水闸分布稀疏而泵站分布密集；在规模上，水闸、泵站规格普遍偏小，水闸规模分布呈现出北多南少，泵站分布较为均匀；类型上，水闸类型以节制闸为主，泵站以排水泵站占比例最大，苏中、苏南以排水为主，苏北以供水、供排结合为主；发展进程上，水闸、泵站的发展可以划分为三个阶段，同时它们的规模与人均GDP存在显著相关关系。

关键词：水利工程；水利普查；水闸；泵站；空间分布；旱涝灾害；水资源配置

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水利是国民经济的基础产业，是经济社会可持续发展的重要支撑［1］。为了全面摸清水利发展状况，国务院决定于2010～2012年开展第一次全国水利普查［2］。这是新中国成立以来首次开展的全国性水利普查，意义重大。对于第一次水利普查成果数据研究，李玉山等对全国水利普查和全国水文统计年报进行对比研究，得出水利普查与水文年报相比，指标体系的设置更广泛、全面、细致［3］；唐姗姗等针对水利普查数据数量大、维度多、维度分层等突特点，提出了Map/Reduce计算模型，从多方面直观展现水利普查成果［4］；蔡阳等介绍了水利普查空间信息系统的关键技术路线［5］；林美兰等根据水力侵蚀普查调查指标，计算广东侵蚀总面积和各个地级市侵蚀强度［6］；但是对于局地水利工程分布的深入分析成果很少。江苏跨江滨海，水网密布，河流湖泊众多，并有长江、淮河两大水系，流域面积1.66万km2，占全省总面积的16%［7］，水资源相对丰沛，但水资源的时空分布并不均匀，由于人口密集程度大，工业化程度高，江苏省人均水资源量低于500m3，属于严重缺水区［8］；这一区域自然环境具有过渡性［9］，地理环境比较复杂，有江淮平原、苏南平原，也有山地和丘陵。伴随着工业经济的快速发展，该地区工业结构出现了比较明显的变化，结构升级呈现出一些相异性［10］。水资源与生产力的布局不相匹配，特别是在淮北和沿海地区，汛期水多成涝，枯季水少易旱［11］。特殊的地理位置和气候特点，决定了江苏是一个水旱灾害发生几率较高的省份［12］。为了减少灾害危害，据有文字记载的历史，江苏的水事活动已有三四千年，新中国成立以后江苏水利经历了从传统水利到现代水利的巨大进步［13］。但近年来，也面临着很大的工业与生活用水压力，随着地表水、地下水的过度开采以及工业污染问题的日益突出，用水矛盾在进一步加剧［14］。厄尔尼诺现象频发［15～17］，防洪抗旱任务一直在加重，洪涝旱灾的威胁还没完全消除［14］，水利发展仍任重道远。全面了解全省主要水利工程——水闸和泵站分布空间分布、规模分异、发展规律，为该区减少洪涝灾害，优化水资源配置，管理取排水设置，以及经济社会发展提供可靠的基础信息支撑，同时对比分布差异及影响因素，可为探讨工程分布的合理性和最大效益提供重要基础资料。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本文以第一次水利普查江苏省水闸、泵站资料作为本次研究的主要数据源。共涉及35269个普查对象及其相关数据信息、空间数据信息。属性信息主要包括：普查对象的名称、所在河流、所在灌区、水闸（泵站）类型、建成时间、节制闸过闸流量（装机流量）、装机功率，其中水闸过闸流量（泵站装机流量）是核心数据（表1）。采用1:50000的江苏省矢量地图为底图，通过ArcGIS10.1软件对水闸、泵站进行地理空间匹配，建立其数据库。同时收集该省的水资源公报、中国信息网上的江苏省GDP数据。

1.2 研究方法

主要研究方法：频数分布图（Frequency Map）、平均最邻近指数（ANN）、核密度估算（KDE）。

平均最邻近指数（ANN），主要是通过水闸（泵站）的中心与其最邻近水闸（泵站）之间的平均距离与之前假设随机分布的期望平均距离进行比较，来判断水闸（泵站）是随机分布还是集聚分布，公式如下：

核密度估算（KDE），借助一个移动窗口对区域中每个要素点的格局密度进行估算［17］。建立一个平滑的圆形表面，然后基于数学函数计算要素点到参考位置的距离，对参考位置的所有表面求和，建立这些点的峰值和核来创建平滑的连续表面。核密度估算属于非参数密度估计的一种统计方法，其模型如下：

式中：f（x， y）为位于（x， y）位置的密度估计；n为观测数值；h为带宽或平滑参数；k为核函数，di为（x， y）位置距第i个观测位置的距离。

表1　江苏省水闸与泵站引排水能力统计Table 1 The capacities of sluice and pumping station in Jiangsu province

2 结果与分析

2.1 水闸与泵站的空间分布

以ArcGIS为操作平台，引入点模式空间分析方法，运用平均最临近指数（ANN）和核密度估算（KDE）来研究江苏省水闸与泵站的空间分布格局。

通过测度，水闸的ANN为0.41，属于集聚分布模式，而且校验值Z为-135.88；泵站的ANN为0.54，也属于集聚分布模式，而且校验值Z为-116.36。两个测度都表示只有1%或更小的可能性会使该聚类模式是随机过程产生的结果。

采用Kernel方法生成江苏省水闸、泵站的密度分布图（图1），其密度分布都具有较大的地域差异性。发现具有以下特征：江苏省水闸、泵站总体的密度分布分别约为0.171个/km2、0.174个/km2；水闸、泵站的分布与地貌类型具有较高的相关性；水闸、泵站的分布密集中心主要位于苏北淮河下游浅洼平原区交错分布，节制闸密度高于泵站密度。苏北淮河下游浅洼平原区，为相对封闭的水网区，河网密布，湖荡众多，湖盆总体呈浅碟形，湖荡皆属浅水湖，洪涝灾害严重［19，20］。水闸、泵站的修建在减轻洪涝灾害的同时，也加剧了人为干扰，引起河道淤积、排涝能力减弱［20］。

图1　江苏省水闸与泵站分布密度图Fig.1 The density of sluice and pumping station in Jiangsu province

水闸在苏北的盐城、苏中的扬州、泰州靠近盐城的地区分布比较密集，形成超过1个/km2的密集分布中心，依次向南向北密度大小交替、阶梯状分布。苏南的无锡、苏州也形成了水闸分布的次中心。苏北淮阴北部、宿迁南部洪泽湖范围、苏中南通大部分地区、苏南南京、镇江宁镇丘陵地带分布相对比较稀疏。

泵站相比水闸多密集中心分布。由里下河地区依次向南向北呈阶梯状稀疏化分布。除了里下河密集中心外，东北低山丘陵区、宁镇丘陵等丘陵地带泵站偏多。苏南常州、无锡沿江地带、苏州腹地也是泵站密集中心。南通同样也是泵站分布稀疏地带。

泵站、水闸的规模分异主要表现在丘陵地带，水闸分布稀疏而泵站分布密集，这也是由它们的作用有关。水闸是修建在河道和渠道上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物，在水利工程中，水闸作为挡水、泄水或取水的建筑物。丘陵地带较平原地区河流少，建水闸较少。

从不同水系分区来看，里下河区分布密度最大，水闸、泵站多沿河而建，随河流呈条带状分布；阳澄淀泖区为次级集聚中心；苏北沿江区、沂南区属于稀疏中心。泵站在武澄锡虞区、沂北区、沂南区南部、洪泽湖周边、太湖湖西区北部、秦淮河北部、滁河区有次级密度中心。

2.2 水闸与泵站的规模分异

以水闸过闸流量、泵站装机流量为分析变量，利用频数分布直方图来分析江苏省水利工程规模数量分布特征，并利用SPSS对地级市水闸、泵站分别进行统计汇总，定量分析规模分异特征。

水闸中过闸流量＞250m3/s的占1.1%，淮安市三合闸的分（泄洪闸）过闸流量13000m3/s为最大值；泵站中装机流量＞50m3/s的有49座，占总量的0.25%，江都水利工程枢纽泵站为最大值505m3/s。上述水利工程数量较小，与中心值差距大，没有在图2中呈现。

水闸与泵站规模普遍偏小。从其频数分布直方图（图2）来看，水闸过闸流量、泵站装机流量都是偏态的，数据背离中心性也缺乏对称性。其中水闸的偏态度为39，远大于0，分布为正偏，峰度为1926，远远偏离正态分布且更为陡峭，同时中位数为7.9，小于平均值24.4，也说明有大量的低值数据集簇分布而高值数据离散分布；泵站的偏态度为39，也远大于0，峰度为864，中位数为1.1，平均数为2.2，较水闸离散程度小。江苏省水闸、泵站规模普遍偏小，规模差距也小，规模大的水闸泵站所占比重小但是规模差距大。根据最新水利普查数据统计，小型水闸、泵站分别为16947座、17398座，分别占总量的97.1%、97.7%。

图2　江苏省水闸与泵站规模频数分布图Fig.2 The density of distribution of sluice and pumping station in Jiangsu province

水闸规模分布呈现出北多南少（图3）。江苏省北部地区和中部地区规模较大，而西南部规模较小，水闸类型以节制闸为主占总量的76.4%，分（泄）洪闸次之占12.1%，排（退）水闸和引（进）水闸最小分别占5.7%、5.8%。分（泄）洪闸主要分布在苏北的宿迁、淮阴、连云港，其中宿迁、淮阴规模最大，这与“悬湖”洪泽湖受洪水威胁较大，密切相关；引进水闸主要分布在苏北、苏中城市，占总量的93.9%。苏北北部的徐州和盐城水闸分布规模最大，以节制闸占有比例最大；次高值主要分布在苏北的宿迁、淮阴，苏中的扬州，苏南的苏州；低值区主要分布在苏南的无锡、常州、镇江、南京，苏中的泰州；次低值分布在苏北的连云港和苏中的南通。

泵站规模分布更趋向均匀（图3）。但从泵站组成类型来说，排水泵站占比重最大为60.8%，供排结合泵站和供水泵站规模相差不大，分别占总量的18.1%和20.9%。盐城和苏州泵站规模最大；南通、镇江泵站规模最小。苏中、苏南以排水为主，苏北以供水、供排结合为主。排水泵站主要分布在苏南平原、江淮平原。

图3　江苏省各市水利工程规模分布图Fig.3 The scale of sluice and pumping station in Jiangsu province

2.3 水闸与泵站的发展进程

20世纪50年代以来，为控制引排水，开始修建水利工程，随后数量一直在增加。特别是进入21世纪，引水工程的引水能力增长迅速，并且还有上升趋势。上世纪50至70年代之间增长缓慢，70年代后大幅增长。其中江苏省70年代到2000年稳定增长，2000年后呈现指数增长趋势。根据江苏省水利工程的增长波动情况，可划分为1950～1970、1971～2000、2001～2011 三个阶段（图4）。

图4　江苏省水闸与泵站流量历年变化态势Fig.4 The development of sluice and pumping station in Jiangsu province

第一阶段（1950～1970年），新中国成立初期，我国水旱灾害频繁，特别是黄淮海地区灾情严重，党和国家领导人认识到兴建水利、治理江河的重要性，有计划、有步骤地恢复并发展各项水利事业，使水利事业逐步得到发展。

第二阶段（1971～2000年），随着人口增加，粮食问题成为我国的重大问题。为此，这一时期在全国范围内展开了大规模的农田水利基本建设。特别是1978年我国实行改革开放政策，极大地刺激了我国经济的增长，1982年实行了家庭联产承包责任制为主的农业经济改革。90年代后全国水旱灾害呈现增加趋势，水利的重要性日益被社会认识，特别是1990年，中央首次提出“水利是国民经济的基础”的论述，很大程度上解放和发展了生产力，社会各方面快速发展，水利改革发展逐步深入。

第三阶段（2001～2011年），经过改革开放，经济稳定持续发展，加快推进了水闸与泵站的发展。1998年亚洲金融危机暴发对我国产生了强烈冲击，为拉动内需，政府采取了积极的财政政策，大规模增加了包括水利设施在内的基础设施建设，水利投入大幅度增加。1998年大水同样引起党和政府及全国人民对水利工作的高度重视。

从1978～2011年，江苏省的人均GDP均高于全国平均水平。近年来，也一直保持强势增长。泵站历年累计装机流量、水闸历年累计过闸流量与对应年份GDP进行相关性分析，都显著相关，相关系数：泵站为0.960、节制闸为0.907。泵站工程有工业供水、生活供水、灌溉、排水等不同工程任务，很多泵站承担多种不同任务，与经济发展联系更为密切即与历史上地区开发进程同步。水闸与泵站的规模、分布、功能等的发展也能揭示不同阶段、不同地区的发展足迹。

3 结论

本研究通过GIS空间分析，运用探索性空间数据分析模型，深入分析了江苏省水闸与泵站的空间格局特征。

总体来看在空间分布上，江苏省水闸与泵站的集聚特征比较明显，分布与地貌类型、不同水系具有较高的相关性。分布密集中心主要在里下河地区。水闸、泵站分布存在差异性，泵站相比水闸多密集中心分布；但就局部而言差异性具体表现为泵站在丘陵地带分布偏多，而水闸偏少。

从规模来看，水闸、泵站规格普遍偏小。水闸规模分布呈现出北多南少特点，苏北北部的徐州和盐城水闸分布规模最大，以节制闸占有比例最大，低值区主要分布在苏南的无锡、常州、镇江、南京，苏中的泰州；泵站分布更趋向均匀，盐城和苏州泵站规模最大；南通、镇江泵站规模最小。苏中、苏南以排水为主，苏北以供水、供排结合为主。类型上看，水闸以节制闸为主，泵站以排水泵站占的比例最大。

根据不同时期发展快慢程度，可以划分为三个时期。泵站历年累计装机流量、水闸历年累计过闸流量与对应年份GDP都呈显著相关，水闸与泵站的规模、分布、功能等的地域分异、不同时间的发展，也能揭示不同阶段、不同地区的发展足迹。

本文采用定量分析的方法对江苏省水闸、泵站的空间分布、规模差异等进行了研究。后续将在此基础上，从自然差异、工农业组成、地域文化等不同方面，进一步研究建立综合指标体系，探索江苏省水利工程的调控手段与合理配置。

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Spatial distribution and scale differentiation of hydropower engineering for water resources allocation: using sluices and pumping stations in Jiangsu province

LIU Wei-Ping1， CHEN Hai-Feng2
（1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research， East China Normal University， Shanghai 200062， China；2.Nantong Substation of Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province， Jiangsu Nantong 226006， China）

Abstract:Based on water census data and using models such as ANN and KDE， this study conducts a quantitative analysis of the space and scale differentiation of sluices and pumping stations in Jiangsu province.It identifes the different development periods.Regarding spatial distribution， the sluice and pumping stations in Jiangsu are characterized by obvious concentrations with high correlation related to the geomorphic types and the water system.Spatial variability is also evident as there is a high density center downstream of the Huaihe River in north Jiangsu.In hilly terrain， sluices are sparsely distributed， but pumping stations are densely packed.Regarding the scale of the operations， sluices and pumping stations in Jiangsu province are generally small.There are more sluices in northern Jiangsu as compared to southern Jiangsu， while the pumping stations are well distributed.Regarding the type of each technology， the control sluice is the most prominently used sluice， and drainage pumping stations are the most common type of pumping station， with those in southern and central Jiangsu being mainly drainage.In contrast， northern Jiangsu has drainage， supply， and combined drainage with water supply pumping stations.In the development， sluices and pumping stations can be divided into three stages.The scale of the facilities signifcantly correlates with per capita GDP.

Key words:water conservancy project； water census； sluice； pumping station； spatial distribution； drought and flood disaster； water resources allocation

中图分类号：P336

文献标志码：A

文章编号：2095-1329（2016）02-0079-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.019

收稿日期:2016-01-25

修订日期:2016-03-28

作者简介:刘伟苹（1990-），女，硕士生，研究方向为水资源管理.

基金项目:全国首次水利普查项目