邯鄲市農業用水結構時空變化特征及用水預測分析

尚瑞朝，李 蘇，徐 丹

(1.河北省水資源研究與水利科技試驗推廣中心，河北 石家莊 050000；2.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038)

水是人類賴以生存不可或缺的自然資源[1]，中國水資源短缺，同時隨著社會經濟的不斷發展、人口的增長及水資源的不合理利用，水資源供需矛盾逐漸加劇，水資源的合理利用已成為亟待解決的嚴峻問題[2]。用水結構是以農業用水、工業用水、生活用水及環境用水為主導的相互內在聯系及用水比例結構體系[3]。合理的用水結構不僅對本區域水資源的合理優化配置，展現水資源的最大潛力有著積極的作用，同時對保障區域水資源可持續利用，協調經濟發展有及其重要的現實意義[4]。

邯鄲市水資源短缺，供需矛盾突出，邯鄲市各行業用水主要有農業用水、工業用水、生活用水等，其中農業用水較其他行業用水量較大，約占總用水量的70%以上，因邯鄲市缺水嚴重，環境用水暫未考慮。農業用水為農田灌溉用水和林牧漁業用水等，農田灌溉用水達農業用水量的94%左右，為滿足各用水戶要求，不得不大量開采地下水，使得地下水位埋深逐漸降低，地下漏斗亦嚴重。鑒此，對用水結構的時空變化趨勢特征及對影響因素分析顯得尤為重要，合理的用水結構對緩解各部門用水壓力起著至關重要的作用[5-6]。

近年來，國內外學者逐漸開始對用水結構展開深入研究，涌現出多種分析時空變化特征及影響因素的研究方法[7-9]。Voosholz通過對用水結構的深入研究提出經濟增長、人口增長等因素是促進用水量增大的驅動力因素[10]。谷桂華等運用信息熵和均衡度等研究方法對玉溪市用水結構進行了分析[11]。胡德秀等采用生態位及熵值模型對陜西省各行政區用水結構態勢進行研究[12]。張洪波等采用洛倫茲曲線和基尼系數，同時采用生態位及其熵值模型等研究方法對榆林市各用水類型的空間分布特征進行分析[13]。程飛采用主成分分析法對江西省用水結構影響因素進行探索，并采用相應預測模型對未來用水量進行預測[14]。

總結前人的研究經驗，針對用水結構的時空變化往往從農業用水、工業用水、生活用水、生態用水四方面進行整體分析，而針對農田灌溉、林業、牧業、漁業等農業用水結構的時空變化研究較少，農業用水量為總用水量大的主要因素，是威脅水資源供需平衡的主要指標，因此認為對農業用水結構時空分布研究存在一定的必要性。本文從農業用水結構角度出發，采用信息熵和均衡度、洛倫茲曲線和基尼系數等研究方法分別從時間分布和空間分布上對研究區農業用水結構變化趨勢進行分析，同時基于農業用水結構時空變化趨勢及農業用水量大這一嚴峻現狀，對農業用水結構進行優化調整，并采用定額法分別預測2020、2030水平年農田灌溉用水量，旨在使得用水結構與邯鄲市供水量基本相適應，緩解邯鄲市供需矛盾。

1 研究區概況

邯鄲市位于河北省最南部。屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候區，四季分明，雨熱同期，多年平均氣溫為12.5℃～14.2℃。邯鄲市多年平均降水量548.9 mm，降水時空分布不均，年際之間變化懸殊。多年平均水資源總量14.85億m3，人均占有量約為157 m3，屬水資源短缺城市。

2 研究方法

2.1 信息熵及均衡度

信息熵最初被用于描述信息的混亂程度，某系統越有序，則信息熵就越低；相反越混亂，信息熵越高[15-16]。隨后信息熵逐漸被用于描述用水結構，信息熵越大，表明用水結構越均勻，相反則越不均勻。

當用水結構不同或時間尺度不一致時，信息熵值對用水結構的可比性就存在一定的困難，因此為解決信息熵的這一問題，引入均衡度概念。均衡度為實際信息熵與最大信息熵的比值，比值越大，則說明各行業用水比例差別越小，用水結構越均衡，水資源開發越合理；反之越不均衡[17]。

農業用水結構信息熵及均衡度的表達公式為：

信息熵：

(1)

均衡度：

(2)

式中qi——農業用水結構類型；pi——各農業用水類型占農業總用水量比值；Q——農業用水總量；n——農業用水類型的總和；H——農業用水結構信息熵；J——農業用水結構均衡度。

2.2 洛倫茲曲線及基尼系數

洛倫茲曲線最初被用于描述一個國家或時代的收入分配均衡或不均衡的狀況。洛倫茲曲線為凹形曲線，y=x為絕對均勻線，洛倫茲曲線越接近y=x，則表示收入、貧富差距越均勻；反之越不均勻。2014年，劉歡、左其亭[18]等首次將洛倫茲曲線及基尼系數應用于用水結構，對用水結構的空間變化進行了深入研究。

邯鄲市農業用水結構洛倫茲曲線的繪制步驟如下：①對區位熵進行計算，并對區位熵從小到大排序；②依據區位熵的排列，對邯鄲市各區域各農業用水類型的用水量和農業總用水量進行排列；③計算各區域各農業用水類型用水量累計比及農業總用水量累計比，進而以農業總用水量累計比為橫坐標，以各農業用水類型用水量累計比為縱坐標繪制邯鄲市各區域洛倫茲曲線。其中，某農業用水類型洛倫茲曲線越接近絕對均勻線，則該類型用水在邯鄲市分布越均勻，反之越不均勻。區位熵的計算公式為：

(3)

式中Ai k——邯鄲市各區域各農業用水類型用水量；Ak——各農業用水類型用水總量；Ai——邯鄲市各區域用水總量；A——邯鄲市農業用水總量。

基尼系數是在洛倫茲曲線基礎上，進一步描述空間分布趨勢的數據指標，見圖1?；嵯禂档挠嬎阋罁鍌惼澢€而定，系數越大，表示用水結構空間分布越不均勻。根據相關規定，基尼系數G<0.2時，用水結構高度平均；0.2≤G<0.3，用水結構比較平均；0.3≤G<0.4，用水結構相對合理；0.4≤G<0.49，用水結構差距較大；G>0.5，用水結構差距懸殊?；嵯禂档谋磉_公式為：

(4)

式中SA——A范圍的面積；SB——B范圍的面積。

圖1 基尼系數表示

3 邯鄲市用水結構

3.1 現狀用水結構

本文依據邯鄲市2006—2015年邯鄲市水資源公報數據分析可得，邯鄲市用水主要分為農業用水、生活用水、工業用水等；其中農業用水以農田灌溉和林牧漁業灌溉為主，生活用水主要有城鎮生活用水、農村人畜用水等。根據邯鄲市水資源公報，針對邯鄲市農業用水量、生活用水量、工業用水量進行分析，見圖2、3。

a) 農業用水量。由2006—2015年各部門用水量數據可知，邯鄲市平均農業用水量為13.5億m3。農業用水為邯鄲市主要用水量，農業用水量占總用水量的70%左右，生活用水量及工業用水量僅占總用水量的30%。2006—2015年近10 a間，農業用水量呈略減少趨勢，同時遙遙領先于其他行業用水量。農田灌溉用水是導致農業用水量大的主要因素，約占農業用水量的90%以上，多年平均灌溉用水量為12.8億m3，林牧漁業用水量約0.7億m3。由此可見，農田灌溉用水量遠遠超于林牧漁業用水量。農田灌溉用水量中，小麥玉米、棉花等大田作物的用水量較菜田、稻田等農作物用水量大。灌溉用水主要取決于種植面積、灌溉方式、種植結構等因素，由于受傳統灌溉的影響，種植作物多為高耗水的農作物，灌溉方式亦為傳統的小白龍灌溉及畦灌、溝灌等，因此農田灌溉用水量較大。

b) 工業用水量。2006—2015年由于高耗水產業的下降，工業用水的循環利用等，邯鄲市近10年工業用水量呈波動下降趨勢，由2006年2.9億m3下降至2015年2.38億m3，整體平均下降率約17.3%。

c) 生活用水量。近年來，邯鄲市生活用水量呈波動上升的趨勢，由2006年2.2億m3增長至2015年2.8億m3，整體平均增長率為25%。究其原因主要為人口的急劇增長，邯鄲市常住人口由2006年871萬人增長至2015年943萬人，城鎮人口由2006年339萬人增長至2015年484萬人；此外，經濟的增長、人民生活水平的提高，亦使生活用水量逐漸加大。

圖2 邯鄲市各行業用水量及用水比例

圖3 邯鄲市農業用水結構體系

3.2 農業用水結構的時空分析

3.2.1農業用水結構的信息熵及均衡度

依據2006—2015年邯鄲市農業用水量，由上述計算方法可得農業用水結構的信息熵及均衡度，見表1。

表1 邯鄲市農業用水結構信息熵及均衡度

由表1可知，2006—2015年邯鄲市農業用水結構信息熵由0.845 nat降低至0.597 nat，其中，2006—2010年信息熵呈下降趨勢，2011—2015年信息熵呈先下降后增長的趨勢。由此可見近10年間，邯鄲市農業用水結構未來基本朝均衡的方向發展，隨著節水技術的推廣，及低耗水作物的種植，大田作物水澆地用水量呈減少的趨勢，因此農田灌溉用水量相對減少。由邯鄲市農業用水結構均衡度可知，均衡度呈下降再上升的趨勢，可見農業用水結構的均衡性越來越均勻，大田作物水澆地的水量略減少。

在過去近10年間，邯鄲市農業用水結構并未存在較大的改變，由于受傳統灌溉方式的影響，農業用水量未有明顯的浮動，隨著河北省地下水超采綜合治理節水措施的進行，將部分地區傳統的灌溉方式改為高效節水灌溉方式，如改傳統小白龍灌溉方式為噴灌等，邯鄲市農田灌溉用水可適當減少。農業用水量的減少為緩解邯鄲市供需矛盾，實現水資源優化配置，達到供需平衡有著積極的作用。

3.2.2農業用水結構的洛倫茲曲線及基尼系數

本文依據上述洛倫茲曲線和基尼系數的計算方法，采用2011—2015年邯鄲市各區縣農業用水量等相關數據對洛倫茲曲線進行繪制，見圖4。同時為進一步對邯鄲市農業用水結構進行空間分析，故對基尼系數進行計算并分析評價基尼系數的結果，見表2。

a)2011年

b)2012年

c)2013年

d)2014年

e)2015年圖4 邯鄲市2011—2015年農業用水結構洛倫茲曲線

年份用水類型基尼系數評價結果2011農田灌溉0.1859絕對平均林牧漁業0.7347差距懸殊2012農田灌溉0.1744絕對平均林牧漁業0.6288差距懸殊2013農田灌溉0.1818絕對平均林牧漁業0.6381差距懸殊2014農田灌溉0.1723絕對平均林牧漁業0.6732差距懸殊2015農田灌溉0.1650絕對平均林牧漁業0.6980差距懸殊

由圖4可知，其反映了邯鄲市農業用水結構所涉及的農田灌溉用水量和林牧漁業用水量的洛倫茲曲線。

a) 農田灌溉用水洛倫茲曲線。農田灌溉用水洛倫茲曲線自2011—2015年間沒有大幅度的變化，且5年間均距絕對平均線較近，空間分布較為均勻，可見邯鄲市各縣農業用水比例基本相差不大。同時由基尼系數結果可知，基尼系數由2011年0.1859變化為2015年0.165，基尼系數變化不大，評價結果均為絕對平均。由邯鄲市各區縣農田灌溉用水量數據可得除涉縣2011年至2015年的增長率為27%外，其余各縣用水量未發生較大變化。因此，邯鄲市農田灌溉用水洛倫茲曲線空間分布較為均勻。

b) 林牧漁業用水洛倫茲曲線。林牧漁業用水洛倫茲曲線自2011—2015年盡管幅度沒有較大變化，但均距離絕對平均線較遠，空間分布較不均勻。同時由基尼系數結果可知，基尼系數由2011年0.735變化為2015年0.698，基尼系數未發生較大的變化，評價結果為空間分布差距懸殊。由邯鄲市各區縣林牧漁業用水量數據可得除臨漳縣、永年縣、成安縣、館陶縣變化率較小以外，其余各區縣變化率較大。由此可見，邯鄲市林牧漁業用水洛倫茲曲線空間分布較不均勻。

綜上，農田灌溉用水量洛倫茲曲線盡管在空間分布上絕對均勻，總體上各區縣用水量未發生明顯變化，但從用水量上分析，用水量大這一嚴峻問題仍亟待解決；林牧漁業用水量洛倫茲曲線在空間分布上不均勻，各區縣用水量差距較明顯，但從其用水量上分析，林牧漁業用水量較小，對邯鄲市整體用水量不足以構成較大的威脅；因此，如何改善農田灌溉用水量尤其小麥玉米等大田作物的用水量是解決邯鄲市用水的重中之重。

3.3 農田灌溉用水預測

經對邯鄲市農業用水結構進行時空變化分析，可知農田灌溉用水量時空分布均基本均衡；從時間分析來看，農田灌溉用水量基本朝減少的趨勢的發展，主要原因為節水灌溉措施的大力推廣；從空間分析來看，各區縣基本分布均勻。盡管如此，但農田灌溉用水量大仍舊是邯鄲市供需矛盾的首要原因。因此本文從合理減少用水量角度出發，以緩解邯鄲市用水壓力為目的，在不影響農作物生長及經濟產量的前提下，采取高效節水措施，對農業用水結構進行優化，減少農田灌溉用水量，以緩解邯鄲市水資源供需矛盾。

影響農田灌溉用水量的因素涉及農作物種植面積、種植結構、灌溉方式等方面。近年來，河北省地下水超采綜合治理項目的大力推廣，使得影響農田灌溉用水量的3種主要因素有了明顯的改善。所涉及的噴灌、滴灌、高標準管灌、溝灌等節水措施使得灌溉用水量明顯減少。

以2015年邯鄲市有效灌溉面積56.14萬hm2為現狀，農田有效灌溉面積53.81萬hm2，其中大田作物46.41萬hm2，蔬菜面積7.40萬hm2；林果地面積2.38萬hm2。

2015現狀年：傳統灌溉下小麥玉米面積28.80萬hm2，棉花6.88萬hm2，菜田6.70萬hm2，林果2.10萬hm2；高效節水灌溉下小麥玉米面積10.44萬hm2，棉花0.28萬hm2，菜田0.70萬hm2，林果0.24萬hm2。

在保持現有灌溉面積不變的情況下，以現有地下水超采綜合治理所涉及高效節水措施為依據，優化2020、2030水平年農業種植結構。

由2015年農業種植結構現狀可知，傳統灌溉面積約占總面積的79%，而高效節水面積僅占21%；以2015年現有供水量及需水量分析，需水量遠遠超于可供水量，供需矛盾突出，節水體制建設需要大力加強；因此為緩解邯鄲市供需矛盾，2020、2030水平年農業種植結構均調整為高效節水灌溉的灌溉模式。同時總結地下水超采綜合治理經驗，大田作物高標準管灌灌溉方式因操作簡單，使用率高；噴灌措施存在一定的技術要求，使用率較低；蔬菜滴灌因操作技術復雜，且存在低價化肥不能很好溶于水堵塞節水灌溉設施；林果主要采用溝灌灌溉方式；為進一步了解各高效節水措施的節水程度，在研究區進行灌溉對比實驗，分析傳統灌溉與高效節水灌溉的節水量?；谝陨戏治?，對2020及2030水平年農業種植結構優化，優化農作物種植比例見表3。

表3 邯鄲市2020、2030水平年種植結構比例 %

灌溉定額的確定依據實驗成果而定(以平水年為例)，對項目區進行灌水試驗，分析計算該地塊的面積及澆灌該地塊所需時間；同時采用超聲波流量計和“容器法”對出水流量進行計算，以此由面積、時間、流量確定種植作物的次灌水定額。不同灌溉方式灌溉定額見表4。經計算，邯鄲市農田灌溉用水量預測結果見表5。

綜上，在現有灌溉面積不變的情況下，根據灌溉用水定額，可得現狀年2015年、規劃水平年2020年、2030年農田灌溉用水量分別為20.85、14.92、13.87億m3；由此看出，邯鄲市農業種植結構的優化存在較大的潛力，在一定程度上可緩解邯鄲市供用水壓力。

表4 邯鄲市不同灌溉方式灌溉定額 m3·畝*

注：*1畝約等于666.67 m2;**為全年灌水定額

表5 邯鄲市農田灌溉用水預測

4 結論

本文經對2006—2015年邯鄲市現狀用水結構進行分析，針對農業用水結構中農田灌溉用水量較大這一問題，采用信息熵、均衡度、洛倫茲曲線及基尼系數等研究方法進行農業用水結構時空變化分析，并優化農業種植結構，對農田灌溉用水量進行預測，可得以下結論。

a) 近10 a來，邯鄲市用水結構未發生較大幅度的變化，農業用水量依舊遙遙領先于其他行業用水量；農業用水量暫未存在明顯的下降趨勢，工業用水量呈下降趨勢及生活用水量呈上升趨勢。

b) 經采用信息熵、均衡度等方法對邯鄲市農業用水結構從時間上分析，可知2006—2015年農業用水結構基本朝著均衡方向發展，農田灌溉用水量呈略減少趨勢；經采用洛倫茲曲線及基尼系數對邯鄲市農業用水結構從空間上分析，可知對于農田灌溉用水量各區縣處于均勻狀態，林牧漁業處于相對不均勻狀態。

c) 經對農業種植結構的優化，預測水平年2020、2030年農田灌溉用水量可明顯減少，體現了邯鄲市農田灌溉用水量存在較大的節水潛力。

此次經采用一系列方法對邯鄲市農業用水結構進行研究分析，不僅對邯鄲市水資源達到供用水平衡，緩解供需矛盾有一定的促進作用，同時對水資源可持續利用，用水結構分析起指導作用。