瑪納斯河流域用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演化及水資源空間匹配分析

魏 卿，薛聯(lián)青,2，王桂芳，沈海岑，倪 濤，覃金蘭

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.皖江工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；3.費(fèi)縣水利工程保障中心，山東 臨沂 273400)

用水結(jié)構(gòu)是指一定時(shí)期某水系統(tǒng)中各類用水水量組成，而水資源空間匹配程度反映了不同地區(qū)的水短缺狀況。在水資源的約束條件下，確定合理的用水結(jié)構(gòu)，有利于社會(huì)持續(xù)、穩(wěn)定和協(xié)調(diào)發(fā)展。社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口、自然要素等都將影響用水結(jié)構(gòu)的變化[1]。目前用水演變分析以定性為主，相關(guān)的定量分析包括回歸分析、因子分析、相關(guān)分析等[2-3]。雷歡[4]引入信息熵分析了陜西省用水結(jié)構(gòu)的演變趨勢(shì)，并采用灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析。洪思揚(yáng)等[5]利用洛倫茲曲線探討了水資源與人口、GDP、土地利用和降水量的空間匹配度。張洪波等[6]依據(jù)榆林市用水結(jié)構(gòu)空間分布特點(diǎn)，利用生態(tài)位及其熵值分析了不同分區(qū)用水變化特征?，敿{斯河流域由于大規(guī)模進(jìn)行水土資源開發(fā)，引發(fā)了包括地下水位下降、泉流量減小等一系列的生態(tài)災(zāi)害，而研究用水演變和水資源的空間均衡狀況可以指導(dǎo)經(jīng)濟(jì)建設(shè)向更加合理的方向發(fā)展。目前已有的研究大部分僅對(duì)用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，或者揭示變化環(huán)境下的水文響應(yīng)機(jī)理等，忽略了各地區(qū)的水資源時(shí)空匹配狀況。因此，本文基于2000—2018年的用水資料，引入信息熵理論，分析各地區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化情況，采用洛倫茲曲線和基尼系數(shù)探究多年的水資源與人口、工業(yè)產(chǎn)值、耕地面積及降水量之間的空間匹配程度，為協(xié)調(diào)水資源約束下的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局和優(yōu)化流域的水資源配置提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

瑪納斯河流域是我國(guó)西北典型的內(nèi)陸河流域，位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地南部，是全疆最大的農(nóng)耕綠洲區(qū)，處于北緯43°20′～45°55′、東經(jīng)84°70′～86°67′之間，河道全長(zhǎng)400 km，包括沙灣、瑪納斯和石河子等縣市，面積約3.4萬(wàn)km2[7](圖1)。由于地質(zhì)作用、水流及風(fēng)沙作用，地形南高北低，形成了不同的地形地貌，大致可分為上游山區(qū)、山前平原區(qū)和下游荒漠區(qū)[8]。山區(qū)是主體產(chǎn)流區(qū)，平原綠洲為徑流耗散區(qū)，流域綠洲總面積約為1.08萬(wàn)km2，是新疆重要的糧棉生產(chǎn)基地[9-10]。

圖1 瑪納斯河流域各縣市空間分布

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于2000—2018年的《石河子市統(tǒng)計(jì)年鑒》《瑪納斯縣統(tǒng)計(jì)年鑒》《沙灣統(tǒng)計(jì)年鑒》《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》等。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性和一致性，以便進(jìn)行時(shí)空對(duì)比分析，其中，用水?dāng)?shù)據(jù)由瑪納斯河流域管理處提供，氣象站點(diǎn)分布如圖1所示，并結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)分析用水格局的時(shí)空演化特征。

2 研究方法

2.1 信息熵

熵屬于熱力學(xué)的概念，可用于描述任何體系的混亂度和無(wú)序度水平。應(yīng)用信息熵理論可分析用水結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及演變規(guī)律，具有較高的合理性。熵值的大小反映了用水結(jié)構(gòu)類別多少和用水量分布的均勻程度[11]。信息熵越大，用水量使用越均勻，用水結(jié)構(gòu)演化趨勢(shì)也越合理；信息熵越小，則說(shuō)明用水量分布不均。信息熵可描述不同社會(huì)發(fā)展階段下的用水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

對(duì)于一個(gè)不確定性系統(tǒng)，若離散型隨機(jī)變量x的取值為x1、x2、…、xn(n≥2)，每一取值的概率為p1、p2、…、pn(0≤pi≤1,i=1,2,…,n)且∑pi=1，則該離散系統(tǒng)信息熵可表示為

H(x)=-∑pilnpi

(1)

式中：H為用水信息熵值；當(dāng)pi=1/n時(shí)，Hmax=lnn，n為用水類型數(shù)量。

同時(shí)考慮用水類型的影響，使信息熵對(duì)用水結(jié)構(gòu)分析具有可比性，引入均衡度進(jìn)行橫向比較。均衡度越大，用水系統(tǒng)穩(wěn)定性和均衡性越強(qiáng)，單一用水類型優(yōu)勢(shì)度越弱，狀態(tài)越理想。均衡度J與H變化一致，其計(jì)算公式為

(2)

2.2 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線原本為1905年Lorenz提出的經(jīng)濟(jì)學(xué)概念，可用于研究國(guó)家或地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入分配均衡問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)均衡性越高，洛倫茲曲線越趨于直線，經(jīng)濟(jì)均衡性越差，則曲線越接近橫軸[12]。基尼系數(shù)G為定量收入分配差異程度的重要指標(biāo)，給出了收入分配差距的數(shù)值界限，可表示為

(3)

式中：A1為絕對(duì)公平線y=x和洛倫茲曲線圍成的面積；A1+A2為絕對(duì)公平線下的直角三角形面積；f(x)為洛倫茲曲線方程。

2.3 基尼系數(shù)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文采用梯形面積法計(jì)算基尼系數(shù)，簡(jiǎn)化后的公式為

(4)

式中：Xi、Yi分別為用水總量累計(jì)百分比和各類型用水累計(jì)百分比，其中X0=0，Y0=0；n為行政單元總數(shù)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)有關(guān)組織規(guī)定，不同的G值對(duì)應(yīng)不同收入匹配程度[13]，基尼系數(shù)低于0.2，表示收入高度匹配；0.2～0.3表示收入比較匹配；0.3～0.4表示收入相對(duì)匹配；0.4～0.5表示收入不匹配；0.5以上表示極不匹配。

3 結(jié)果與分析

3.1 用水量及用水結(jié)構(gòu)變化

3.1.1用水量多年變化

瑪納斯河流域的用水總量整體呈上升趨勢(shì)(圖2)，由2000年的25.32億m3增加到2018年的 28.31億m3，用水量增加了11.7%，整體變化程度較小，其增長(zhǎng)過(guò)程中的階段性變化較為明顯，具體表現(xiàn)為：2000—2004年用水總量有下降的趨勢(shì)，下降率為10.6%，2005—2008年用水總量明顯增加，2008年用水量達(dá)最大值27.23億m3，2009—2015年用水總量相對(duì)之前趨于平穩(wěn)，其中2012年用水增長(zhǎng)較快，增長(zhǎng)率為9.2%，在2016—2018年用水量平穩(wěn)增加。

圖2 瑪納斯河流域用水總量歷年變化情況

3.1.2用水結(jié)構(gòu)演變分析

圖3為瑪納斯河流域的歷年各類用水比例變化。農(nóng)業(yè)用水作為流域主要用水部門，受耕地?cái)U(kuò)張和大規(guī)模節(jié)水的共同影響，用水自主變化性變化較大，且呈現(xiàn)漸進(jìn)式增長(zhǎng)，其平均比重占用水總量的92.1%，變化趨勢(shì)與用水總量趨勢(shì)基本一致，平均用水量為23.11億m3。由于工業(yè)經(jīng)濟(jì)水平的提高，工業(yè)用水量也從2000年的0.39億m3增加到2018年的1.77億m3，平均用水量為1.05億m3，多年來(lái)呈明顯增加趨勢(shì)，生活用水比例由2000年的1.6%增加到2018年的2.8%，平均占比僅為2.3%。生態(tài)用水量占比仍較低，用水量較為穩(wěn)定?？傮w上看，工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水雖然均有明顯增加，但農(nóng)業(yè)依然是主要用水部門，因此控制用水總量的關(guān)鍵仍是節(jié)約農(nóng)業(yè)用水。要調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，在保障糧食生產(chǎn)和用水效益的基礎(chǔ)上，高效利用水資源，才能有效緩解對(duì)水資源不斷增長(zhǎng)的需求。

圖3 瑪納斯河流域的歷年各類用水比例變化

根據(jù)信息熵值的取值變化情況(圖4)，流域的用水結(jié)構(gòu)信息熵總體呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，大致可以劃分為4個(gè)階段：2000—2003年的上升速度較快，從2000年的0.209增加到2003年的0.254，伴隨西部大開發(fā)的推行，工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)取用水也逐漸增加，其用水比例也有所提升；2004—2008年，信息熵大致維持在0.278～0.314，用水結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水量的快速增加，信息熵增速變化減緩；2008—2013年的信息熵保持平穩(wěn)增長(zhǎng)，2014年達(dá)到0.445；2014—2018年的信息熵基本維持穩(wěn)定，信息熵值在2016年達(dá)到0.466，此后略有降低，這表明流域的用水總量得到一定控制，并且流域的用水系統(tǒng)均衡度也逐漸增加。

(a) 用水結(jié)構(gòu)的信息熵變化

分地區(qū)來(lái)看，瑪納斯縣的信息熵始終高于其他地區(qū)，且波動(dòng)幅度較大，在2006—2008年呈一定的陡增趨勢(shì)，2008—2015年變化較為平緩，2015年以后熵值緩慢增加；石河子市的信息熵在2000—2008年基本保持穩(wěn)定，2008年后呈現(xiàn)明顯上升，2016后的熵值維持在0.395左右；沙灣縣熵值在2000—2003年基本維持在0.457～0.499，2004年達(dá)到最大為0.499，2004—2014年呈階段性上升，此后變化趨于平緩。但從全流域來(lái)看，用水結(jié)構(gòu)的信息熵和均衡度仍較低，信息熵的前期增速也較為緩慢，由于農(nóng)業(yè)用水所占比重較大，工業(yè)以及第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展程度仍較低，與其他地區(qū)相比，流域的用水結(jié)構(gòu)仍較為不均，受單一因素影響較大，水資源開發(fā)利用向著更穩(wěn)定和均衡方向發(fā)展的模式并不明顯[3]。

3.2 不同用水類型空間分布均衡度

圖5為瑪納斯河流域的2000年、2010年、2018年不同用水量類型的洛倫茲曲線，其中黑色虛線為絕對(duì)平均線，對(duì)應(yīng)的基尼系數(shù)如圖6所示。

(a) 2000年

圖6 瑪納斯河流域不同用水類型的基尼系數(shù)

由圖5可知，瑪納斯河流域在2000—2018年的農(nóng)業(yè)用水洛倫茲曲線離絕對(duì)平均線較近，工業(yè)用水和生活用水次之，生態(tài)用水的洛倫茲曲線離絕對(duì)平均線較遠(yuǎn)。這說(shuō)明目前流域的農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水空間分布較為均衡，而生態(tài)用水在空間分布上最不均衡。2010年流域工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水的洛倫茲曲線的彎曲度呈現(xiàn)一定程度的下降，其中生態(tài)用水和生活用水的彎曲度降幅較大，工業(yè)用水的彎曲度降幅較小，這說(shuō)明2000—2010年工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水在空間上逐漸趨于均衡分布。農(nóng)業(yè)用水的曲線彎曲度在2018年有所升高，工業(yè)用水曲線的彎曲度基本不變，生活用水、生態(tài)用水的曲線彎曲度略有升高，這說(shuō)明隨著干旱區(qū)的工業(yè)化發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水的空間分布不均衡程度有所增加，而工業(yè)用水的空間分布卻呈一定的集中趨勢(shì)[17]。

農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水的基尼系數(shù)均較小，而生態(tài)用水基尼系數(shù)較大，這與洛倫茲曲線結(jié)果較為一致(圖6)。2000—2018年的農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)一直小于0.2，說(shuō)明其空間分布上屬于絕對(duì)平均，各地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)略有減??；工業(yè)用水基尼系數(shù)由0.183增加到0.243，這表明其用水消耗空間分布由絕對(duì)平均變?yōu)楸容^平均，各地區(qū)工業(yè)耗水情況差異度增加，石河子市的人口最為密集，工業(yè)最發(fā)達(dá)，水資源總體較為匱乏；生活用水的基尼系數(shù)增加較明顯，且用水消耗空間分布由比較平均變?yōu)橄鄬?duì)合理，這與流域人口分布的差異性和各縣市城市化進(jìn)程的不同有關(guān)。生態(tài)用水的基尼系數(shù)不斷減小，說(shuō)明其空間分布均衡性有所加強(qiáng)，正逐漸從差距較大變?yōu)橄鄬?duì)合理。各縣市的工業(yè)化進(jìn)程差異不斷擴(kuò)大，隨著節(jié)水灌溉、填埋溝渠等措施的實(shí)施，生態(tài)用水空間分布逐漸趨于均衡。

整體上瑪納斯河流域的農(nóng)業(yè)用水比例仍處于90%以上，工業(yè)用水相對(duì)較少，生態(tài)用水占比較低。根據(jù)我國(guó)內(nèi)陸河水資源開發(fā)現(xiàn)狀，要使生態(tài)趨于改善，經(jīng)濟(jì)耗水須保持在30%～50%范圍內(nèi)才較為合理，且不宜超過(guò)60%[14]。因此，需要加大調(diào)整用水結(jié)構(gòu)的力度，更好推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.3 水資源量空間匹配分析

圖7為瑪納斯河流域水資源與各要素洛倫茲曲線，相應(yīng)的基尼系數(shù)如圖8所示。

(a) 2000年

圖8 瑪納斯河流域各要素的基尼系數(shù)

從全流域來(lái)看，由圖7可知，2000年、2010年和2018年的水資源量-人口的洛倫茲曲線離絕對(duì)平均線最近，說(shuō)明流域人口分布較為集中，且與水資源分布匹配程度較高，流域人口大部分集中于中游綠洲區(qū)。水資源量-工業(yè)產(chǎn)值的洛倫茲曲線離絕對(duì)平均線最遠(yuǎn)，且彎曲程度有所下降，說(shuō)明水資源對(duì)流域的工業(yè)產(chǎn)值的空間分布差異影響較大。水資源量-耕地和水資源量-降水洛倫茲曲線下降較小，說(shuō)明盡管近年來(lái)流域節(jié)水灌溉興起，但由于耕地規(guī)模擴(kuò)大，水資源分配在耕地空間分布影響較小，全流域的水資源量空間分布與降水分配較為匹配。水資源量-耕地、水資源量-降水量的洛倫茲曲線介于另外兩者之間，其空間分布差異性介于兩者之間，且多年內(nèi)無(wú)顯著變化。

分縣區(qū)來(lái)看，不同地區(qū)人口的空間分布有較大差別，石河子市人口密度最大，城鎮(zhèn)化率在2018年達(dá)到80.6%，水資源量?jī)H占總體的9.2%，人口數(shù)量約占流域的62.4%，而工業(yè)產(chǎn)值占流域工業(yè)總產(chǎn)值的64.9%，降水較為稀少，而耕地面積占流域的55.7%。沙灣縣的水資源量占比為65.3%，降水相對(duì)較多，且人口占比為20.5%，而工業(yè)產(chǎn)值僅為總體的15.1%，且所占比例逐漸下降，沙灣縣的耕地?cái)U(kuò)張較明顯，水資源與耕地的空間匹配程度逐漸增加。瑪納斯縣人口占流域的16.9%，水資源量為24.9%，而工業(yè)產(chǎn)值多年增長(zhǎng)較為明顯，2018年達(dá)到流域總產(chǎn)值的24.7%，水資源與工業(yè)產(chǎn)值差異程度較為明顯。

從圖8可知，總體來(lái)看，水資源量與人口總數(shù)和降水量較為匹配，與耕地相對(duì)匹配，工業(yè)產(chǎn)值對(duì)應(yīng)的基尼系數(shù)最大，這說(shuō)明流域的水資源量與工業(yè)總產(chǎn)值的不匹配程度最高。在2000—2018年水資源相對(duì)于各要素的基尼系數(shù)均呈不同程度的下降，均未超過(guò)國(guó)際上以0.4為標(biāo)準(zhǔn)的“警戒水平”[15-16]，水資源量-降水量的基尼系數(shù)變化較小，匹配程度較高。

要提高水資源空間分布均衡程度，首先，需施行退耕還林(草)，控制耕地?cái)U(kuò)大規(guī)模，繼續(xù)發(fā)展節(jié)水工程，提高流域水資源的綜合利用率；其次，需要統(tǒng)籌配置，加強(qiáng)對(duì)各類水資源的合理利用，使農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模和水資源的合理容量相匹配，推進(jìn)重點(diǎn)水源工程建設(shè)，加強(qiáng)飲用水源地的保護(hù)，進(jìn)行城鄉(xiāng)水資源共享，緩解水資源短缺狀況[17-18]；調(diào)整產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，縮減高耗水企業(yè)數(shù)量，發(fā)展低耗水產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)食品、紡織等行業(yè)發(fā)展；注意節(jié)水技術(shù)的推廣，對(duì)水資源進(jìn)行集約利用，重視生態(tài)保護(hù)工作，完善水管理機(jī)制，從而最大限度實(shí)現(xiàn)水資源空間分布的均衡[19]。

4 結(jié) 論

a.流域用水結(jié)構(gòu)的信息熵總體持續(xù)增長(zhǎng)，從2000年的0.209增加到2018年的0.448，用水總量得到一定控制，用水系統(tǒng)均衡度逐漸增強(qiáng)，生活、生態(tài)用水的空間不均衡程度提高?，敿{斯縣的信息熵始終高于其他地區(qū)，且波動(dòng)較大，2008—2015年的變化較為平緩。

b.工業(yè)用水基尼系數(shù)由0.183增加到0.243，其空間分布由絕對(duì)平均變?yōu)楸容^平均，各縣市的工業(yè)化進(jìn)程差異不斷擴(kuò)大，隨著節(jié)水灌溉等措施的實(shí)施，生態(tài)用水空間分布逐漸趨于均衡，流域的水資源開發(fā)向著更穩(wěn)定方向發(fā)展的模式不顯著。

c.隨著人口增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活、生態(tài)用水的空間分布不均衡程度有所增加，而工業(yè)用水卻呈一定的集中趨勢(shì)。水資源與人口和降水較為匹配，與耕地相對(duì)匹配，與工業(yè)產(chǎn)值的不匹配程度最高，與降水量的匹配程度最高。

d.在水資源的開發(fā)利用上,應(yīng)控制耕地?cái)U(kuò)張規(guī)模,定量的進(jìn)行水資源的經(jīng)營(yíng)與利用,改造不合理地水資源輸配體系，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，完善水管理機(jī)制，以推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。