區域間用水結構演變及影響因子

張志彬，丁 瑩，陸明偉，楊延強，張玉芳

(1.山東農業大學經濟管理學院，山東 泰安271018；2.山東水利技師學院，山東 淄博255130；3.淄博師范高等專科學校，山東 淄博255130；4.山東農業大學機械與電子工程學院，山東 泰安271018；5.山東省園藝機械與裝備重點試驗室，山東 泰安271018)

0 引言

水資源既是一個地區經濟發展的基礎資源，又是21世紀的戰略性資源，而水資源的利用在區域間存在明顯的差異[1-4]。

用水結構是以用水比例來反映一定時期內各部門的實際用水情況，用水分析及預測是水資源管理和規劃的前提，也是水資源合理配置的基礎[5-8]。近年來，不少學者在用水結構分析方面做了大量研究，早期用水結構分析主要從農業、工業、生活這3個方面進行分析，農業一直是耗水最多的部門，甚至在水資源匱乏的華北都出現過地下水超采現象，但隨著農業用水效益的提高、糧食安全保障、農作物生產效益以及蔬菜產業可持續發展等方面的技術研究，水利設施的發展及政策的落實，農業用水效率有了明顯提高[9-13]。科技的發展使得工業方面水資源利用效率及重復利用率均有明顯提升，服務業的快速發展及城鎮化的加快導致生活用水量明顯增加[14]。生態文明的提倡、環境保護、生態環境的治理及維護使得生態用水量不斷攀升[15-16]。因此，近年來用水結構的研究多是從農業、工業、生活和生態4個方面進行分析。

水環境是一個循環體，為使其利用結構分析更具客觀性，研究者的分析方法不斷精益求精[17-18]。趙楠芳等[19]運用信息熵分析了撫河流域的用水結構及影響因素。張玲玲等[20]在對用水量模擬預測基礎上對影響系統的參數進行調控，動態模擬了用水結構的變化。劉洋等[21]運用線性回歸的方法對產業結構和用水結構的相關性做了分析。更有學者運用其他方法來分析用水結構[22]。在用水結構的分析上，大多是運用數學方法或模型針對某一區域進行分析，對區域間的用水結構演變的對比及影響因素的分析比較少見。

區域經濟的協調和社會的健康發展都離不開合理的用水結構，但在中國行業間存在用水效益低、產值低、污水排放量過大和水資源浪費嚴重等問題，針對以上問題，本研究在空間上分別由北向南、由東向西從中國東北部、東部、中部和西部4大經濟區中選取吉林、浙江、山東、湖南、四川和新疆6省(自治區)作為研究對象，對其用水結構演變過程及影響因子展開研究，進而為不同區域間用水結構和水資源的優化配置提供參考。

1 數據來源

數據年限范圍為2004—2018年，其中水資源總量、地下水總量、用水總量、生態用水總量、降雨量來源于各省(自治區)水資源公報，各省(自治區)的一二三產業產值、廢水排放量、城市綠地面積、城鎮人口數量、鄉村人口數量來源于各省(自治區)每年的統計年鑒，節水灌溉和灌溉面積來源于布瑞克農業數據庫。

2 不同區域用水結構變化

由圖1可知，2004—2018年以來，6省(自治區)中吉林、新疆兩地農業用水量在2004—2012年呈現明顯走高趨勢，而后幾年又略有下降，同時新疆也是幾個省(自治區)中農業用水量最大的區域，這與其種植農作物的種類息息相關。

圖1 2004—2018年6省(自治區)農業、工業、生活和生態用水量變化Fig.1 Changes of agricultural，industrial，domestic and ecological water consumption in six provinces(autonomous regions)from 2004 to 2018

吉林生活及生態用水量逐步升高，新疆的生態用水量變化呈現先降低后升高的態勢。山東和浙江的農業用水量呈逐步走低趨勢，山東的工業用水量無明顯變化，而生活及生態用水量逐步升高，浙江的生活用水量逐步升高，生態用水量呈逐步降低趨勢。四川的農業用水量逐步走高，工業用水量呈逐步降低的趨勢，生活、生態用水量逐步升高。湖南農業用水量無明顯變化、工業用水量略見升高趨勢、生活及生態用水量無明顯變化。從以上分析來看，浙江生態用水量是唯一呈逐步降低趨勢的地區，除湖南生活用水量無明顯變化外，其他省份(自治區)均呈上升趨勢。

3 基于信息熵的用水結構演變

3.1 信息熵

信息熵源自于熱力學中的物理概念，稱之為熱力學熵，后來有學者在統計學上賦予了其新的解釋，稱為統計熱力學熵。1948年，香農提出了“信息熵”的概念，解決了對信息度量的問題。很多學者解決水資源問題時，在建模、優化及預測等方面都運用了信息熵，其中包括了對農業、工業、生活及生態等方面用水比例的演變分析問題。

若水資源總量為W，并假設各個用水部門為{x1，x2，x3，…，xn}，各個部門用水量為{w1，w2，w3，…，wn}，則W=w1+w2+w3+…+wn，各個部門用水量比例為Pi=wi·W，且

(1)

對照Shannon的公式，某一區域內用水結構的信息熵用H表示，單位是奈特(net)，反映整個用水結構的分配狀況，其值越大表明各部門的用水結構愈均勻。信息熵公式為

(2)

不同時間段內，用水部門類型不完全一樣，在整個用水系統中，若只有一個用水戶時，Hmin=0，但相反，當w1=w2=w3=…=wn=W/n，即用水系統結構最混亂時，Hmax=ln(n)。但在現實中這兩種情況屬于極端的狀況，一般信息熵是介于兩者之間的，即Hmin≤H≤Hmax。為避免因不同時間段所選取的用水部門數據的差異性，用E表示區域用水系統均衡度。E為信息熵與最大信息熵的比值，取值范圍(0，1)，其值越大表明用水結構愈均衡，系統愈穩定；其值越小，說明用水結構偏向單一用水類型愈嚴重。用水結構均衡度計算公式為

(3)

3.2 計算結果

經過計算，2004—2018年6省(自治區)用水結構均衡度如表1所示，山東的用水結構均衡度由0.56增長到0.74，呈持續上升趨勢，表明其用水系統越來越趨于合理；吉林(0.64～0.75)和新疆(0.17～0.32)變化幅度較大；而四川(0.72～0.75)、湖南(0.68～0.72)和浙江(0.81～0.89)變化幅度均不大。

表1 2004—2018年6省(自治區)用水結構均衡度值Tab.1 Balance degree of water use structure in six provinces(autonomous regions)from 2004 to 2018

從空間上看，用水結構均衡度由北向南(吉林、山東、浙江)呈逐漸上升趨勢，由東向西(浙江、湖南、四川、新疆)呈逐漸下降趨勢；但吉林(0.64～0.75)、湖南(0.68～0.72)在2004—2015年間用水結構均衡度均大于山東省(0.56～0.69)，而在此后2016—2018年山東省(0.69～0.74)則領先于吉林(0.64～0.67)、湖南(0.70～0.72)，說明吉林、湖南在用水結構方面具有一定的調整空間。

近年來，四川和浙江兩省的用水結構均衡度在6省(自治區)中處于領先地位，但無明顯變化，四川的平均用水結構均衡度約為0.73，浙江的平均用水結構均衡度約為0.84。新疆的用水結構均衡度在2004—2018年間持續偏低，且呈下降趨勢，說明我國西北部用水結構有較大調整空間。以上用水結構均衡度均與各區域的地理位置、水資源稟賦、產業結構和經濟狀況等因素有關。

4 基于主成分分析的影響因子分析

4.1 主成分分析

主成分分析是為了更全面地、系統地分析問題，通過降維的方式將眾多關聯變量轉換為少量綜合指標的一種統計方法。若n個樣品，每個樣品有p個指標，則每個樣品有x1、x2、…、xp個變量，經過主成分分析，將它們綜合成p個綜合變量，且使這些綜合指標重要程度逐漸減弱并彼此間不相關。

4.2 分析過程及選取影響因子

區域用水結構受到諸多因素的影響，從自然稟賦、產業經濟、人口環境等方面選取14個影響因子，分別是水資源總量(108m3)、地下水量(108m3)、降雨量(mm)、用水總量(108m3)、第一產業產值(108元)、第二產業產值(108元)、第三產業產值(108元)、節水灌溉面積(103hm2)、灌溉面積(103hm2)、生態用水總量(108m3)、廢水排放量(104t)、城市綠地面積(104hm2)、城鎮人口數量(104人)和鄉村人口數量(104人)。

4.3 分析結果

運用SPSS軟件，將14個影響因子代入，為便于計算分別將用水總量、生態用水總量、水資源總量、地下水量、廢水排放量、城市綠地、城鎮人口、鄉村人口、降雨量、第一產業產值、第二產業產值、第三產業產值、節水灌溉和灌溉面積14個影響因子設置為x1、x2、x3……、x14。

選取累計貢獻率>85%的主成分，累計貢獻率越大說明包含的信息利用率越高。計算結果如表2所示，吉林、新疆、湖南3省(自治區)的第一、第二和第三主成分累計貢獻率均>88%，其余3省的第一和第二主成分累計貢獻率也均>88%，因此符合分析要求。各省所選取14個影響因子在各省主成分上的載荷如表3所示。

表2 特征值和主成分貢獻率Tab.2 Eigenvalues and principal component contribution rates

由表3可知，在6省(自治區)中，第一主成分與第一產業產值、第二產業產值、第三產業產值、廢水排放量、城市綠地、城鎮人口、鄉村人口、節水灌溉等有較大相關性，這些影響因子體現為社會經濟和節水技術的發展以及人口增長。第二主成分與水資源總量、地下水量和降雨量等有較大相關性，體現為區域內水資源自然稟賦。第三主成分與生態用水總量有較大相關性，與近年來我國對環境治理及維護的重視，致使生態用水量逐年增加，引起了用水結構的變化。

表3 主成分載荷矩陣Tab.3 Principal component load matrix

5 結論與建議

5.1 結論

據2004—2018年用水數據分析，浙江用水總量逐年遞減，四川用水總量逐年遞增，湖南用水總量沒有明顯變化，吉林、山東和新疆用水總量均是先遞增后遞減的趨勢，由此可知，近年來在我國東北部，西北部及東部水資源較匱乏的地區節水效益顯著。用水結構方面，僅山東的用水結構均衡度是持續上升趨勢，表明用水結構越來越趨于合理，除新疆的用水結構均衡度持續偏低外，其他四省均無明顯變化。

關于用水結構的影響因子，首先體現了社會經濟和節水技術的發展及人口增長。隨著服務業的興起，城鎮化的加快，人口的增長致使第三產業和生活用水量明顯增加；農業節水技術發展提高了農田灌溉系數，工業節水技術也有了較大發展，因此用水結構也隨之發生了演變。其次體現了水資源的自然稟賦。中國北方和南方水資源擁有量和降雨量差距較大，這是用水結構中不可避免的自然因素。最后體現了生態治理因素，環境整治力度的加大，使生態用水量呈上升趨勢。

5.2 用水結構優化建議

5.2.1 合理配置產業結構

優化產業結構可作為減少水資源消耗及降低水污染物排放的有效途徑[23]。不同產業間，隨著第三產業的快速發展，根據資源的流動性，會轉而流向利潤相對較高的行業，特別是在水資源欠缺的北方，發展水資源利用效益低的農業會造成水資源更加緊缺的狀況，為此應鼓勵發展二、三產業中節水效益高及污水排放量少的行業。在產業內部，首先，在不損害農業經濟效益前提下，采用節水農藝及調整農作物種植結構以減少農業用水量，為農業水資源的可持續利用做鋪墊。其次，增加工業生產科技投入，加快向新型工業化的轉型速度，以提高工業用水重復使用率并減少工業污水的排放量。最后，從信息化及智能化角度出發，帶動第三產業發展，以減少資源消耗量并減少污水的排放量。

5.2.2 優化節水灌溉方式

6省(自治區)中，僅山東和浙江在農業用水方面有明顯減少趨勢，作為農業大國，中國農業用水依然是各產業中的用水大項，總體水平上提高灌溉效率勢在必行，建議進一步研發成本低、便于普及的節水灌溉方式。另外，加強可持續利用水資源重要性的宣傳、節水灌溉管理及微噴灌等節水灌溉補貼力度，為節水效益高的微噴灌等灌溉方式的推廣及實施提供的有利條件。

5.2.3 控制生活用水

2004—2018年6省(自治區)生活用水均有明顯遞增趨勢，人口總量及城鎮化的加快使得生活用水不斷增加，嚴格執行階梯式水價政策的同時，建議制定居民節水物質獎勵制度。對第三產業中的高用水行業，如洗車、餐飲、學校及醫院等，加大節約用水的宣傳力度，并對安裝了節水設備或可利用水(如雨水等)蓄水設備的單位進行補貼或嘉獎，以此使生活用水量的增長幅度得到控制。

5.2.4 多元化生態用水

近年來，除浙江、湖南以外，6省(自治區)中其他省份生態用水均呈明顯上升趨勢，反映出中國北方水資源欠缺地區均因生態環境的維護和治理形成的生態用水量影響了用水結構。隨著城鎮化的加快，綠化灌溉、景觀補水及環衛清潔用水量也在不斷加大，雖屬于環境維護用水，但這部分用水量統計在生活用水中，而現實中多方面因素導致生活污水排放量不斷加大，因此建議利用生活污水處理后的再生水補充城區的環境維護用水，以達到節約用水目的。為維護生態環境，河湖水量補充及水土流失的治理等使生態環境的用水量也在逐年增加，建議加強海水淡化力度的研究，為生態環境用水另辟出路。