干旱灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)演變及驅(qū)動力分析

劉 兵，何新林，張少博，彭 飛，張 葉

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

新疆水資源極度匱乏，且農(nóng)業(yè)用水占總用水量的比例居高不下，在新疆天山北坡綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)用水總用水量大都在90%左右。在農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)基本普及的情況下，農(nóng)業(yè)用水的節(jié)水潛力已十分有限。在外界環(huán)境變遷帶來的錯綜復(fù)雜的諸多因素的影響下，其用水結(jié)構(gòu)的變化趨勢以及外界環(huán)境對其的驅(qū)動機制如何引發(fā)備受關(guān)注[1]。新疆綠洲區(qū)生態(tài)環(huán)境極度脆弱，水資源供需矛盾突出。隨著民國經(jīng)濟建設(shè)的步伐的加快，工業(yè)用水、城鎮(zhèn)用水及生態(tài)用水量逐年增加，而其用水結(jié)構(gòu)適合均衡是關(guān)系兵團墾區(qū)能否可持續(xù)發(fā)展，所以定量評估其用水結(jié)構(gòu)均衡性，可為干旱綠洲區(qū)水資源規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供參考。

1 研究方法

1.1 用水結(jié)構(gòu)演變分析方法

目前，在時間序列演變規(guī)律分析中，信息熵法應(yīng)用較為普遍。而為了分析用水結(jié)構(gòu)演變趨勢的持續(xù)性，還用了郝斯特系數(shù)法發(fā)判斷。熵是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)之上的，用以描述自發(fā)過程不可逆性的狀態(tài)函數(shù)。信息論是由著名科學(xué)家C. E. Shannon 于1948年創(chuàng)立的，現(xiàn)已成為一門獨立的科學(xué)體系，并廣泛地滲透到各種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。熵在信息論中是一個非常重要的概念，它是信息的一種測度。Shannon首先在信息論中引入了熵的概念，將其定義為信息熵[2-6]。即對于一個不確定性系統(tǒng)，用隨機變量S表示其狀態(tài)特征；對于離散型變量，設(shè)x的取值為X={x1,x2,…,xn}，每一取值對應(yīng)的概率為P={P1,P2,…,Pn}，且有∑Pi=1，則該序列的信息熵可表示為：

(1)

式(1)為Shannon公式，將其定義的熵為廣義熵或泛熵，可用于描述任何一種體系或物質(zhì)運動系統(tǒng)的混亂度和無序度。信息熵值增加表明無序度增加，在用水結(jié)構(gòu)信息熵的表達中，信息熵越大表明水資源在管區(qū)內(nèi)部各作物間的分配越均衡。

用水結(jié)構(gòu)一般是指農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活等用水部門用水量在總用水中的比例。而干旱內(nèi)陸河區(qū)由于干旱少雨、生態(tài)環(huán)境脆弱，故生態(tài)用水也應(yīng)加以考慮。本文中的用水結(jié)構(gòu)是指農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水在總用水中的比例。另外，由于荒漠生態(tài)植被因無專門灌溉，而是靠天然降水與水利工程棄水維系，對生態(tài)用水是由灌區(qū)內(nèi)部人工植被生態(tài)用水與流域水利工程棄水量之和組成。設(shè)各行業(yè)用水量為Hi，總用水量為H，則用水比例Pi。

Pi=Hi/H

(2)

代入式(1)計算，可得流域用水結(jié)構(gòu)的信息熵序列。信息熵值越大、說明用水結(jié)構(gòu)越均衡。基于信息熵公式，定義用水結(jié)構(gòu)均衡度E的表達式為：

E=-∑pilnpi/lnm

(3)

即用水結(jié)構(gòu)均衡度E是用水結(jié)構(gòu)信息熵和最大熵之間的比值，取值范圍為(0,1)，其值越大，表明各行業(yè)用水量越均衡，差別就越小。當(dāng)E=1時，用水結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度最低，即各行業(yè)用水比例完全均衡；E值越小，則表示，當(dāng)E=0時，用水結(jié)構(gòu)不均衡度達到最大，表示某一行業(yè)用水量等于總用水量。

另外，為了檢驗用水結(jié)構(gòu)的變化是否持續(xù)性及其強弱程度，對其信息熵序列還采用郝斯特系數(shù)H(Hurst)。當(dāng)H=0.5，認為序列無明顯趨勢；H>0.5，表明序列趨勢性前后一致，越大則趨勢性越強；H<0.5時，表明其前后趨勢存在相反趨勢，越小其趨勢性越強。

1.2 驅(qū)動力分析方法

進行成因分析的方法較多，但大都需要進行以下假設(shè)：①各共同因子之間不存在相關(guān)性；②各特殊因子之間也存在相關(guān)性；③共同因子和特殊因子之間也不相關(guān)。而影響干旱灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)的可能要素?zé)o法完全滿足以上3條假設(shè)。主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，是把原來多個變量化為少數(shù)幾個綜合指標的一種統(tǒng)計降維處理分析方法，不需要滿足以上假設(shè)，所以本文中采用主成分分析法，其分析原理見文獻[5]。

2 應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)概況

新疆石河子墾區(qū)位于天山北坡經(jīng)濟開發(fā)區(qū)核心地帶，2008年區(qū)內(nèi)過敏生產(chǎn)總值已達122.01 億元，其中農(nóng)業(yè)35.33 億元，工業(yè)44.75億元，第三產(chǎn)業(yè)41.93億元。地處準噶爾盆地南緣，東起瑪納斯河，西至巴音溝河，南靠依連哈比爾尕山，北接古爾班通古特沙漠。地理坐標為東經(jīng)85°01′～86°32′，北緯43°27′～45°21′。現(xiàn)有灌溉面積14.365 萬hm2。其灌溉水源主要為瑪納斯河，其年內(nèi)分配有明顯的“春汛、夏洪、秋退、冬枯”的特點。瑪納斯河灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水量占絕大部分，達到90%以上。另外農(nóng)業(yè)內(nèi)部也存在種植結(jié)構(gòu)單一、用水高峰期集中的問題。20世紀90年代以后耕地面積快速增加，同時由于灌區(qū)的結(jié)構(gòu)較為單一，棉花的種植面積占整個播種面的80%左右，造成灌溉蓄水高峰期集中，造成嚴重的季節(jié)性水資源短缺。由于灌區(qū)種植面積的連年擴大，水資源供需形勢日益嚴峻。

2.2 資料來源與處理

由于新疆兵團的特殊體質(zhì)，墾區(qū)內(nèi)設(shè)有中心城鎮(zhèn)、工業(yè)、三產(chǎn)發(fā)展規(guī)模與農(nóng)業(yè)相當(dāng)。其用水結(jié)構(gòu)與其他地區(qū)的純農(nóng)業(yè)灌區(qū)區(qū)有較大差異。所以涉及資料除農(nóng)業(yè)資料、水文氣象據(jù)以外，還包括涉及工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)的國民經(jīng)濟數(shù)據(jù)三部分。其中國民經(jīng)濟資料來自新疆兵團農(nóng)八師統(tǒng)計年鑒與石河子瑪納斯河流域管理處，水資源數(shù)據(jù)主要來自石河子水文水資源勘測局，氣象資料來自石河子氣象局，懇區(qū)內(nèi)各氣象站點的實測資料。資料序列長度為1988-2011年。

2.3 用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律

由圖1可以看出，整個墾區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵均衡度E前期變化較緩慢，其信息熵E從1988年的0.1左右，到2011年的0.3左右，且在2005年前后出現(xiàn)了明顯轉(zhuǎn)折。其中石河子灌區(qū)的信息熵值一直高于莫索灣灌區(qū)，且差距在2000年以后逐年拉大；而莫索灣灌區(qū)與下野地灌區(qū)的但信息熵值得變化過程及大小基本一致。分析結(jié)果說明石河子灌區(qū)相對于其他兩個灌區(qū)行業(yè)用水結(jié)構(gòu)比較均衡，而莫索灣灌區(qū)與下野地灌區(qū)由于農(nóng)業(yè)用水比例過大，而工業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后導(dǎo)致用水量不均衡，導(dǎo)致信息熵值長期低于石河子灌區(qū)。同時，與通過其他地區(qū)相比，3個灌區(qū)的用水結(jié)構(gòu)熵值都處于較低水平，均不超過0.5，這與新疆綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)用水比重過高相符合，且均呈持續(xù)穩(wěn)定的上升趨勢，表明其農(nóng)業(yè)用水進一步下降，工業(yè)、生活用水比例進一步提高，用水結(jié)構(gòu)向趨于均衡的結(jié)構(gòu)發(fā)展，符合新疆兵團的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的整體趨勢。由于石河子灌區(qū)內(nèi)部的石河子市自2000年以后，獲批為國家總體經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，從1988年的0.45億元增加至2011年的110.78億元，而且即使考慮工藝節(jié)水技術(shù)的發(fā)展，第二產(chǎn)業(yè)的用水量占總用水量的比重增加也十分顯著。而其他兩個灌區(qū)受其區(qū)位影響，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級相對滯后。其用水結(jié)構(gòu)也明顯受到影響，特別是2000年，隨著西部大開發(fā)建設(shè)帶動的城鎮(zhèn)第二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展，導(dǎo)致3個灌區(qū)的用水差異顯著拉開，這與3個灌區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展過程比較吻合。

圖1 石河子墾區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵變化過程(1988-2011年)Fig.1 The change process of information entropy of the Water use structure in irrigation areas (1988-2012)

3 驅(qū)動力分析

3.1 影響因子的初選

干旱區(qū)水資源系統(tǒng)是個復(fù)雜的自然-人工二元水系統(tǒng)。受到氣候環(huán)境與人類活動兩方面的綜合作用。其用水結(jié)構(gòu)的變化是由人類活動為主的社會經(jīng)濟因素與氣候變化與水資源條件為主的自然環(huán)境變化因素雙重作用的結(jié)果。各個部門用水量的變化受各種因素的影響。所以應(yīng)影響因子從社會經(jīng)濟因素、氣候變化因素及水資源因素3個方面進行篩選[8]。

(1)國民經(jīng)濟方面：社會經(jīng)濟因素的變化設(shè)計社會各個層面的多項指標，通過比較與分析，初步選取較為有代表性的8個指標作為基礎(chǔ)參數(shù)，即GDP、土地利用類型、灌溉面積、種植結(jié)構(gòu)、工業(yè)用水效率、農(nóng)業(yè)用水效率、節(jié)水面積、人口增長率、農(nóng)村人口比例、用水定額及水資源調(diào)蓄控制率。

(2)氣候變化方面：主要有年降水量變化速率與ET0兩個指標。

(3)水資源方面：主要由灌區(qū)水資源供需比及地下水補給速率兩個指標。

3.2 主成分分析

本文應(yīng)用統(tǒng)計軟件DPS對灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)的影響因素進行主成分分析，以便定量分析個影響因素對用水結(jié)構(gòu)變化的貢獻率，結(jié)果如表1所示。

表1 各因子特征值及主成分貢獻率Tab.1 Eigenvalues and principal component contribution rate of each factor

主成分分析結(jié)果顯示：①在3個影響研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動力要素中，3個灌區(qū)都是以節(jié)水技術(shù)及產(chǎn)值為主的社會經(jīng)濟因素對其用水結(jié)構(gòu)演變過程起主導(dǎo)作用，其貢獻率都在50%左右，說明以行業(yè)萬元GDP用水量、節(jié)水技術(shù)推廣率、農(nóng)業(yè)面積為主的社會經(jīng)濟因子對于灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)的構(gòu)成起到?jīng)Q定性作用；②氣候變化因素與水資源因素對灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)的影響相差不大，其中水資源因素對灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)的影響略大，顯示干旱內(nèi)陸區(qū)水資源對行業(yè)用水的影響超過了氣候變化因素；③3個因素之和對灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化的貢獻率都達到了80%，驗證了導(dǎo)致灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化的因素即為所選擇的社會經(jīng)濟因素、氣候變化因素及水資源因素；(4)在3個灌區(qū)中，石河子灌區(qū)的社會經(jīng)濟因素貢獻率最大，主要由于石河子灌區(qū)內(nèi)具有具有一定規(guī)模的工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)的用水效率較灌區(qū)內(nèi)部長期占主導(dǎo)的種植業(yè)高所致。

4 結(jié) 語

從1988-2011年灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵值可以看出，用水結(jié)構(gòu)均衡度過低，也表明灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)均衡度較低，且其驅(qū)動力因子是以經(jīng)濟總量及農(nóng)業(yè)種植規(guī)模等為主的社會經(jīng)濟是影響。目前，石河子墾區(qū)水資源開發(fā)利用程度整體相對較高，大約在80%左右，墾區(qū)總體處于缺水狀態(tài)，且缺水集中在6-8月。從水土資源平衡的角度可以得出結(jié)論，目前墾區(qū)農(nóng)業(yè)種植規(guī)模過大，需要適度控制灌溉面積，以降低農(nóng)業(yè)用水占總用水量的比重，具體措施如下。

(1)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、錯開用水高峰期。針對目前墾區(qū)用水結(jié)構(gòu)嚴重不均衡，農(nóng)業(yè)用水比重過大。調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，錯開用水高峰期。以2011年為例，種植結(jié)構(gòu)從當(dāng)現(xiàn)狀的以棉花為主的經(jīng)濟作物播種面積約占墾區(qū)總播種面積的74%，降低10%，在總播種面積保持不變的情況下，主要缺水月份7月的缺水量可從4 135 萬m3降低到2 027 萬m3，用水高峰期得以有效分散。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后可節(jié)水約1.22 億m3，減少14.39%。

(2)壓縮流域現(xiàn)狀耕地面積。目前墾區(qū)的耕地面積約為14.37 萬hm2，在滿足最小生態(tài)需水的情況下，平水年情況下，在墾區(qū)水資源供需缺口的為0.78 億m3，按照目前農(nóng)作物節(jié)水灌溉條件下的定額計算，在關(guān)鍵時段，缺水的灌溉面積為1.1 萬hm2。因此，墾區(qū)的適應(yīng)適量壓縮耕地面積，壓縮面積占總播種面積的比例為7.7%。

(3)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高第二、三產(chǎn)業(yè)比重。目前墾區(qū)GDP組成，一產(chǎn)：二產(chǎn)：三產(chǎn)約為1∶1.2∶1.2，用水量比例為330∶2∶2:1,綜合分析得各行業(yè)用水效率為1∶180∶220。鑒于第一產(chǎn)業(yè)相對二、三產(chǎn)業(yè)極低的用水效率，所以應(yīng)嚴格農(nóng)業(yè)用水總量及種植業(yè)規(guī)模，大力發(fā)展低耗水的第二、三產(chǎn)業(yè)，有助于從根本上提高用水結(jié)構(gòu)的均衡度，從而實現(xiàn)干旱灌區(qū)的水資源可持續(xù)利用。

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