洪水資源利用對區域用水結構影響分析

呂素冰，李慶云，丁澤霖

(華北水利水電大學，河南 鄭州450045)

我國用水結構分為農業用水、工業用水、生活用水和生態用水4 部分，其動態變化映射出國家或地區的科技水平、經濟狀況和生活質量. 通常，農業用水比例高，說明該地區以農業生產為主且農業科技相對落后;工業用水比例高，說明此地區工業實力較強;而生活和生態用水比例高，則是生活質量和文明程度偏高.因此，合理的地區用水結構是開發利用水資源、編制水資源規劃的前提及基礎［1－3］.

隨著用水人口的增多以及地下水超采等問題的凸顯，常規地表水和地下水資源的水量和水質已不能滿足現狀用水需求，而諸如雨水洪水利用、海水淡化、污水回用等非常規水資源利用方式逐漸被認可.其中，洪水資源的利用方式和效益研究趨于成熟，其利用對補給常規水資源、緩解水資源短缺起到舉足輕重的作用［4］.目前多是分析地區常規水資源利用的用水結構［5－6］，鮮有考慮非常規水資源如洪水資源的納入對用水結構的影響. 筆者以吉林省白城市為例，針對其具有洪水資源利用的地區優勢，通過對比洪水資源利用前后用水結構的變化，探討當地地下水資源開發利用弊端，突出洪水資源利用對用水結構的影響.

1 研究方法

用水結構的演變過程處于有序和混沌之間，階段性的變化與社會經濟發展緊密相關，表現為:①初級階段——經濟欠發達地區以農業用水為主;②中間階段——隨著經濟和工業的發展以及技術水平的提高，工業用水量逐漸增大，農業用水量相對減少;③高級階段——由生活質量提高和對生態環境重視帶來的生活用水量和生態用水量增加，從而農業、工業、生活和生態用水趨于均衡［7－8］. 鑒于此，可以利用系統論中信息熵的概念定量分析用水結構的演變，其值的大小反映了用水結構中各類別用水量分布的均勻程度.

在某一時段內，地區用水總量為Q，有m 種用水類型(x1，x2，…，xm)，每種用水類型的水量為q1，q2，…，qm，占用水總量的比例分別為p1，p2，…，pm，其中pi= qi/Q(pi≠0)，并且∑pi= 1，則用水結構的信息熵H 為

式中:H 為用水結構的信息熵，單位為nat(奈特).

如果水資源沒有被開發利用，則用水類型為0，即Hmin= 0;如果水資源開發成熟，則用水類型完善，各類用水趨于均勻、穩定，即q1= q2= … =qm= Q/m 時，用水類型最多，此時Hmax= lnm. 因此，在用水總量一定的情況下，用水類型越多，各用水類型之間的用水量差別越小，熵值越大.

用水結構中水資源類型m 發生變化，那么信息熵值在用水類型變化前后缺乏可比性.據此，引入均衡度J 的概念.

式中0 ≤J ≤1，其值為實際熵值與最大熵值之比.用水結構中各用水種類之間的比例差別越小，某一用水類型的優勢性越弱，那么均衡度越大，系統均衡性越強.

2 實例研究

2.1 區域概況

白城市位于吉林省西北部(121°38'— 124°11'E，44°13'—46°18'N)，是國家級大型商品糧基地，主要糧食作物有小麥、玉米、大豆、水稻等.受溫帶大陸性季風氣候影響，該地區年內降水分布不均勻，農作物需水與降水時間不同步，因此地區用水以地下水開發利用為主.但是隨著地下水超采問題的惡化，以及該地區不具備區域外引水和調水的工程條件，解決水資源短缺問題必須依賴于內部水轉化.基于此，充分利用地區水文優勢，開發洪水資源是白城解決缺水問題的重要措施.

2.2 洪水資源利用

流經白城地區的主要河流為嫩江和洮兒河，如圖1所示.嫩江洪水一般出現在8月之后，往往流量較大，持續時間較長.其主汛期為6—9月，區域內降雨占全年降雨80%. 洮兒河洪水歷時短，具有突發性，洪水一般形成于7月中旬至8月下旬.

圖1 白城地區水系圖

通過對比嫩江和洮兒河1956—2000年的年、月以及汛期逐日徑流過程，發現嫩江和洮兒河每年有將近半年的時間滿足徑流補償條件，可以在汛期引蓄嫩江洪水，將洪水轉化為可利用的水資源. 同時，該地區完善的水利工程(水庫、提水站和灌區)以及天然水體(泡沼、濕地等)均可提供充足的蓄洪庫容.這些水文條件和工程情況使得蓄滯嫩江洪水可行，從而實現白城地區的洪水資源利用［9］.

白城地區自2003年開始引蓄嫩江和洮兒河洪水，各年引洪量見表1.

表1 2003—2009年洪水資源利用量 108 m3

2.3 用水結構演變趨勢

白城地區洪水資源利用帶來可觀的經濟、生態和社會效益，如2003—2009年利用向海濕地和莫莫格濕地洪水資源產生的濕地生態服務功能效益總計逾1.52 ×109元(2009年價)，引蓄1 m3洪水的效益為3.81 元/(m3·a)［10］.洪水資源利用產生效益的同時，也對當地的用水結構演變趨勢產生影響.對比洪水資源利用前后，應用信息熵和均衡度的概念，分析地下水利用以及地下水+洪水綜合利用的用水結構變化.

2.3.1 地下水利用

依據白城地區地下水用水量變化，計算1995—2009年的信息熵和均衡度，如圖2所示［11］.

由圖2可知，白城地區信息熵和均衡度均呈波動下降趨勢，與用水總量逐年遞增的變化趨勢相反.均衡度由1995年的0.66 降為2009年的0.26，表明用水結構中單一用水類型(農業用水)所占比例偏大，用水結構均衡性偏低.

圖2 1995—2009年地下水利用信息熵和均衡度變化趨勢

2.3.2 地下水+洪水資源綜合利用

自2003年起，白城地區通過水庫、灌區、提水站、泡沼和濕地積蓄洪水資源，主要用于農業和生態用水.按用水路徑，將水庫、提水站、灌區積蓄的洪水作為農業用水，而濕地和泡沼蓄滯的水量作為生態用水，分別加入相應的地下水用水水量中，各產業用水情況及計算的信息熵結果見表2和如圖3所示.

表2 2003—2009年地下水和洪水綜合利用用水構成、信息熵和均衡度

圖3 洪水資源利用前后信息熵和均衡度變化趨勢

由表2和圖3可知，將洪水資源利用量加入相應產業的地下水用水量之后，信息熵和均衡度均明顯增長.盡管洪水資源多用于農業灌溉，但是由于生態用水和用水總量的增加，使得農業用水比例低于常規地下水利用的農業用水比例.所以，納入洪水資源后，用水結構信息熵和均衡度均有所提升.農業用水比例的降低和弱化，使得整體的用水結構向合理化演進.

3 結 語

1)借鑒信息熵和均衡度的概念，對比洪水資源利用前后地區用水結構演變趨勢，探討洪水資源利用對用水結構的影響.

2)白城地區以農業用水為主，常年超采地下水使之接近承載極限.同時，單一的用水類型降低了白城地區常規地下水用水結構的功能性和均衡性. 洪水資源利用增加了生態用水和用水總量，削弱了白城地區農業用水的單一性，對白城地區的用水結構向合理性演化起到促進作用.

3)無論是常規地下水開發利用，還是非常規洪水資源利用，大部分水源都用于農業生產.這是鑒于白城地區的經濟特色和區域功能，首先要保障當地農業用水需求，以維持穩定和安全的農業生產.在滿足糧食生產的農業用水和維持生態環境的生態用水的前提下，可以適度加大工業用水和生活用水，調整和均衡用水結構，使得用水結構向穩定性和合理性發展.

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