基于生態位及其熵值的汾河流域用水結構研究

韋大明，路瑞

（生態環境部環境規劃院，北京 100012）

2019 年9 月18 日，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上強調，黃河流域生態保護和高質量發展是重大國家戰略，明確提出推進水資源節約集約利用，堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產等一系列目標任務[1]。汾河是黃河一級支流，流域面積為39 471km2，占山西省面積的25.3%，主要流經的城市有太原市、晉中市、忻州市、呂梁市、臨汾市、運城市等6 市。2018 年汾河流域水資源總量為34.061 3 億m3，占山西省黃河流域水資源總量的46%，占山西省水資源總量的28%；汾河流域人均水資源量約為138m3，不足山西省人均水資源量的一半，為水資源嚴重匱乏區域。隨著經濟社會發展，水資源短缺與用水需求的矛盾將日益突出。

目前針對山西省水資源的研究大多為定性描述，馬艷紅等[2]運用基尼系數對山西省的水資源空間分布與人口、GDP 等社會經濟要素的匹配度進行了定量分析，但側重用水公平性分析，缺少對用水結構特征的定量分析。基于此，本文利用生態位理論[2-7]，建立基于單元間、逐級向上相對于汾河流域、山西省黃河流域、山西省的生態位及其熵值模型，以汾河流域六市為基本研究單元，開展基本單元間橫向比較，同時開展流域間、流域—區域的比較分析，全面分析汾河流域用水結構特征，為實現汾河流域水資源的合理配置提供理論依據。

1 研究方法與數據

1.1 構建生態位模型

依據生態位理論，生物在生態系統中所發揮的作用和占據的生存空間越高，生物功能就越大、地位就越高，反之亦然。生態位有兩個基本屬性，一是“態”，指數量、能量、資源占有量等生態單元的狀態；二是“勢”，指生態單元的發展趨勢，可用增長率來表達。水資源利用量屬于水資源利用的“態”，反映不同用水類型的利用狀態；水資源利用量的變化屬于水資源利用的“勢”，體現不同用水類型的壓縮和擴充。水資源利用生態位體現了不同用水類型的作用和地位，以及不同用水類型的規模和發展趨勢。通過不同用水類型生態位的分析比較，可為優化調整用水結構提供理論依據；通過和上一級同種用水類型進行生態位的分析比較，可進一步確定某種用水類型的優劣[8]。

依據生態位理論，用水結構生態位計算公式如下：

式中：wi為i用水類型生態位；Qi為i用水類型用水量；Pi為i用水類型用水量與初始年份用水量的差值；i為不同用水類型，i=1,2,…,n；λi為量綱轉換系數，本文為連續年份間用水情況，以1 年為時間尺度，取值為1。0 ＜wi＜1，wi值越大說明i用水類型的用水量越大，水資源需求越強。

1.2 構建生態位熵值模型

構建生態位熵值模型，并與上一級區域同種用水類型的生態位進行分析比較[9,10]。

式中：Ni表示i用水類型生態位熵值；wi為i用水類型生態位；Wi表示上一級同種用水類型生態位。當Ni＞1 時，表明在某區域內i用水類型占有優勢地位，有利于該用水類型產業的發展；當Ni＜1 時，表明在某區域內i用水類型處于劣勢地位，不利于該用水類型產業的發展；當Ni=1 時，表明在某區域內i用水類型與該用水類型產業同步發展。依據生態位熵值，判斷用水類型在上一級區域內的優劣程度，表征用水發展趨勢和軌跡變化。本研究以汾河流域六市為基本研究單位，把汾河流域作為六市的上一級區域、山西省黃河流域作為汾河流域的上一級區域、山西省作為山西省黃河流域的上一級區域。

1.3 數據來源

數據來源于2012—2018 年《山西省水資源公報》；用水類型參考《山西省水資源公報》，分為農田灌溉、林牧漁畜、城鎮公共、城鎮工業、居民生活、生態環境六類。

2 分析與討論

2.1 總體情況

根據式①計算的2018 年各類型用水生態位如圖1 所示。汾河流域六市、汾河流域、山西省黃河流域和山西省用水類型生態位排序情況類似，最高為農田灌溉用水生態位，其次為城鎮工業用水生態位和居民生活用水生態位，生態環境用水生態位很低，約為農田灌溉用水生態位的1/10，表明上述區域用水結構一致。

如圖1 所示，汾河流域六市各類型用水生態位差異較大。忻州市（0.631）、晉中市（0.528）、臨汾市（0.645）和運城市（0.727）的農田灌溉用水生態位高于汾河流域（0.504）、山西省黃河流域（0.517）和山西省（0.522），可見汾河流域是山西省農業生產主產區。太原市（0.38）的城鎮工業用水生態位高于汾河流域（0.196）、山西省黃河流域（0.198）和山西省（0.197），說明盡管汾河流域用水捕獲能力與山西省黃河流域相比處于劣勢地位，但太原市的工業發展在汾河流域仍占主要地位。太原市（0.307）的居民生活用水生態位高于汾河流域（0.166）、山西省黃河流域（0.158）和山西省（0.155），表明太原市居民生活用水量較高。呂梁市（0.138）、忻州市（0.078）、晉中市（0.069）的生態環境用水生態位高于汾河流域（0.058）、山西省黃河流域（0.051）和山西省（0.054），表明這三市的生態環境用水量相對較高。考慮用水生態位大小及對水生態環境的作用，本文重點分析農田灌溉、居民生活、城鎮工業和生態環境用水四類用水類型的生態位及熵值情況。

圖1 不同區域2018 年各類型用水生態位情況

2.2 農田灌溉用水生態位及其熵值分析

2012—2018 年，太原市、呂梁市、晉中市、運城市的農田灌溉用水生態位呈下降趨勢，說明農田灌溉對水資源的捕獲能力減弱；忻州市、臨汾市的農田灌溉用水生態位呈增加趨勢，分別增加2.3%和11.3%，說明農田灌溉對水資源的捕獲能力增加；汾河流域、山西省黃河流域、山西省的農田灌溉用水生態位總體呈下降趨勢，汾河流域由0.533 下降至0.504，山西省黃河流域由0.620 下降至0.517，山西省由0.575 下降至0.522，說明汾河流域、山西省黃河流域和山西省的農田灌溉用水量有所下降。

根據式②計算的農田灌溉用水生態位熵值如圖2所示。2012—2018 年，運城市、臨汾市、晉中市、忻州市的農田灌溉用水生態位熵值均大于1，說明上述四市農田灌溉用水生態位大于汾河流域農田灌溉用水生態位且處于擴充狀態。2018 年忻州市、臨汾市的農田灌溉用水生態位熵值比2012 年略有增加，說明這兩市的農田灌溉用水擴充度高于汾河流域平均水平，相反，晉中市和運城市的農田灌溉用水生態位熵值比2012 年有所減少，說明這兩市的農田灌溉用水擴充度低于汾河流域平均水平。2012—2018 年，汾河流域農田灌溉用水生態位熵值總體呈增加趨勢，但仍小于1，說明汾河流域農田灌溉用水生態位小于山西省黃河流域農田灌溉用水生態位，汾河流域農田灌溉用水處于壓縮狀態，壓縮度低于山西省黃河流域，其主要原因為農業結構進一步調整優化，農業生產由傳統向現代化轉變，農田灌溉用水占比降低，如汾河流域中上游流域農田灌溉畝均用水量由2012 年的220m3下降至2018 年的204m3。2012—2018 年，山西省黃河流域農田灌溉用水生態位熵值除2015 年和2018 年外，均大于1，呈波動下降趨勢，說明山西省黃河流域農田灌溉用水生態位大于山西省農田灌溉用水生態位，山西省黃河流域農田灌溉用水處于擴充狀態，但擴充度低于山西省。

圖2 2012—2018 年農田灌溉用水生態位熵值情況

2.3 居民生活用水生態位及其熵值分析

2012—2018 年居民生活用水生態位除忻州市略有下降外，其余五市均有不同程度的增加，其中太原市生活用水生態位高于其他五市，說明太原市居民生活用水量高于其他五市。

根據式②計算的居民生活用水生態位熵值如圖3所示。2012—2018 年，太原市居民生活用水生態位熵值大于1 且有所增加，表明太原市居民生活用水生態位大于汾河流域居民生活用水生態位，處于擴充狀態且擴充速度高于汾河流域，這與太原市人口增長直接相關，太原市2012—2018 年常住人口數量增加了16.52 萬人，城鎮人口數量增加了18.76 萬人，居民生活用水量增加了4062 萬m3。2012—2018 年，汾河流域居民生活用水生態位熵值呈現先降后升趨勢且均大于1，整體上持平，說明汾河流域居民生活用水生態位高于山西省黃河流域的平均水平且處于擴充狀態，用水增長速度基本與山西省黃河流域持平。2012—2018 年，山西省黃河流域居民生活用水生態位熵值保持在1 左右，表明山西省黃河流域居民生活用水量與山西省居民生活用水量處于同步發展水平。

圖3 2012—2018 年居民生活用水生態位熵值情況

2.4 城鎮工業用水生態位及其熵值分析

2012—2018 年，太原市城鎮工業用水生態位均高于其他五市，說明太原市城鎮工業用水量高于其他五市。2012—2018 年汾河流域、山西省黃河流域、山西省城鎮工業用水生態位變化不大，保持在0.2 左右，說明山西省城鎮工業對水資源捕獲能力不強且城鎮工業用水量變化不大。

根據式②計算的城鎮工業用水生態位熵值如圖4所示。2012—2018 年，太原市工業用水生態位熵值均大于1，總體呈上升趨勢，說明太原市城鎮工業用水生態位高于汾河流域城鎮工業用水生態位，處于擴充狀態且擴充度高于汾河流域。2012—2018 年，汾河流域的城鎮工業用水生態位熵值除2015 年（1.12）外，均小于1 且變化不大，說明汾河流域城鎮工業用水生態位小于山西省黃河流域城鎮工業用水生態位，處于壓縮狀態。2012—2018 年，山西省黃河流域的城鎮工業用水生態位除2015 年（1.05）、2016 年（1.02）和2018 年（1.00）外，均小于1，總體呈升高趨勢，說明山西省黃河流域城鎮工業用水生態位小于山西省城鎮工業用水生態位，而且壓縮度小于山西省。分析山西省黃河流域城鎮工業用水出現壓縮的主要原因是產業結構調整、技術革新以及節水技術改造，《水污染防治行動計劃》實施后，山西省推進重污染企業退出，淘汰落后產能，推進鋼鐵等高耗水行業節水改造，優化黃河流域產業布局，工業用水量減少，工業用水效率增加。與2012 年相比較，2018 年山西省城鎮工業用水量減少1.48 億m3，山西省黃河流域城鎮工業用水量減少503 萬m3，太原市萬元工業GDP 用水量下降約3m3/萬元。

圖4 2012—2018 年城鎮工業用水生態位熵值情況

2.5 生態環境用水生態位及其熵值分析

2012—2018 年，生態環境用水生態位除太原市外，其余五市均有不同程度增加，其中，呂梁市、運城市生態環境用水生態位增加顯著，分別較2012 年增加221%和129%。2012—2018 年，汾河流域、山西省黃河流域和山西省的生態環境用水生態位分別增加0.7%、16.8%和23.1%，但生態環境用水生態位仍然較低，基本不足0.1，不足農田灌溉用水生態位的1/10，說明隨著生態文明建設力度的不斷加大，生態環境用水量有所增加，但用水量依然很小。

根據式②計算的生態環境用水生態位熵值如圖5所示。2012—2018 年，忻州市的生態環境用水生態位熵值大于1，整體呈升高趨勢，說明忻州市生態環境用水生態位高于汾河流域生態用水生態位且生態環境用水增加速度高于汾河流域。2012—2018 年，呂梁市的生態位熵值除2012 年（0.75）外，均大于1，說明多年來呂梁市生態環境用水處于擴充狀態。太原市生態位熵值除2016 年（0.81）和2018 年（0.91）外，均大于1，說明除2016 年和2018 年外，太原市生態環境用水處于擴充狀態。晉中市生態環境用水生態位熵值波動較大，總體呈增加趨勢，生態環境用水熵值增速由低于汾河流域逐漸變為高于汾河流域。臨汾市生態環境用水熵值變化不大，均小于1，表明臨汾市生態環境用水量處于壓縮狀態，但壓縮度變化不大。汾河流域生態環境用水生態位熵值均大于1，略有降低，說明汾河流域生態環境用水生態位高于山西省黃河流域生態環境用水生態位，生態環境用水擴張度略低于山西省黃河流域生態環境用水擴張度。山西省黃河流域生態環境用水生態位熵值2012—2016 年呈下降趨勢，2017—2018 年呈升高趨勢，均小于1，說明山西省黃河流域生態環境用水生態位低于山西省，而且山西省黃河流域生態環境用水壓縮度低于山西省。

圖5 2012—2018 年生態環境用水生態位熵值情況

3 結語

（1）2012—2018 年，汾河流域六市、汾河流域、山西省黃河流域和山西省的用水類型生態位具有相似規律，即農田灌溉用水生態位最高，其次為城鎮工業用水生態位和居民生活用水生態位，生態環境用水生態位最小。農田灌溉用水、城鎮工業用水、居民生活用水、生態環境用水生態位在行政區域之間存在較大差異。

（2）2012—2018 年，汾河流域農田灌溉用水生態位熵值總體呈增加趨勢，但仍小于1，處于壓縮狀態且壓縮度低于山西省黃河流域；汾河流域居民生活用水生態位熵值呈先降后升趨勢且均大于1，整體持平，處于擴充狀態且擴充度與山西省黃河流域持平；汾河流域城鎮工業用水與居民生活用水生態位相差不大，生態位熵值除2015 年（1.12）外，均小于1 且變化不大，處于壓縮狀態；汾河流域生態環境用水生態位較低，生態位熵值均大于1，處于擴充狀態。

（3）2012—2018 年，山西省黃河流域農田灌溉用水處于擴充狀態；山西省黃河流域居民生活用水生態位熵值穩定在1 左右，山西省黃河流域居民生活用水量與山西省居民生活用水量處于同步發展水平；山西省黃河流域城鎮工業用水除2015 年、2016 年和2018 年外，均處于壓縮狀態；山西省黃河流域生態環境用水生態位熵值2012—2016 年呈下降趨勢、2017—2018 年呈升高趨勢，均小于1，始終處于壓縮狀態。