南水北調東線江蘇段用水結構及其時空演變

徐蘊韻，吳 昊，李永泰，任智慧，王臘春

(1.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023； 2.南京財經大學經濟學院，江蘇 南京 210023；3.江蘇環保產業技術研究院股份公司，江蘇 南京 210036)

我國經濟社會發展深受水資源短缺的影響。用水結構錯位是導致水資源短缺問題日益嚴峻的重要因素，因此平衡用水結構是解決水資源短缺問題的迫切需求。用水結構通常從農業、工業和生活用水情況進行分析[1-3]，農業、工業、生活用水比例可以從側面反映出區域的經濟發展水平。一般來說，農業用水占比大側面說明農業為主要產業，農業科技較為落后；工業用水占比大，說明工業化較為發達；生活用水占比大，說明城市化水平較高[1]。我國水資源公報顯示，2001—2016年，我國用水總量從 5 567億m3增長至6 040億m3，農業用水占比由68.70%下降到62.40%。近期我國年供水能力不會有過大的增長，農業用水占比將維持在60%以上，工業用水和生活用水占比較小，保持增長趨勢。在水資源稀缺且用水情況不合理的條件下，我國學者對用水結構開展了深入研究，主要以系統分析理論、相關分析方法、灰色系統理論、模糊數學等理論和方法為基礎，描述用水結構變化規律，分析用水結構變化的經濟社會影響因素[4-10]。

我國水資源在空間分布上呈現南多北少的規律，南水北調工程是解決這一問題的重大工程[11]。南水北調東線工程江蘇段從揚州市江都水利樞紐開始，依托境內已有的江水北調工程，將長江水逐級北調，解決蘇北地區以及山東等北方區域的缺水問題。其沿線的5個地級市：淮安市、連云港市、宿遷市、鹽城市、揚州市(圖1)是江蘇省主要產糧區，糧食產量占全省糧食總產量的60%左右，長期以來形成以農業用水為主的用水結構。但由于各城市水資源條件、經濟體量、人口規模等自身條件的不同，用水結構也呈現出不同的演變趨勢。本文以南水北調東線江蘇段沿線淮安市、連云港市、宿遷市、鹽城市、揚州市這5個城市為研究對象，通過收集2001—2016年研究區各部門用水量，運用信息熵原理，計算用水結構均衡度時空變化情況；采用灰色關聯理論，分析用水結構變化的驅動因素，以期為農業水資源高效利用與區域用水調控提供對策。

圖1 研究區位置

1 研究方法

1.1 信息熵與均衡度

Shannon借鑒了熱力學概念提出了信息熵的概念，用以表征系統的不確定性、穩定程度和信息量定量情況，將信息中排除了冗余后的平均信息量稱為信息熵，并給出了計算信息熵的數學表達式[12]。我國用水結構正處于從以農業用水為主轉向農業、工業、生活用水趨于均衡的多元化用水結構，因此這一階段體現在用水結構評價中，信息熵的值越大，則表明用水量在各個用水部門分配越平均，用水結構越合理。在本次研究中，用水系統的信息熵H計算公式為

(1)

式中：n為用水類型的個數；pi為各類用水量占總用水量的比例。

考慮不同年份不同地級市統計口徑差異，用水類型個數不盡相同，導致信息熵不具備可比性，故而引入均衡度M進行比較：

M=H/Hmax

(2)

其中

Hmax=lnn

式中Hmax為最大信息熵，是用水系統內各部門用水最為均衡時的信息熵。

1.2 灰色關聯分析

灰色關聯分析的意義是在系統發展過程中，通過參考數列和若干比較數列集合的相似程度來判斷兩者的聯系，若同步變化程度較高，則可以認為兩者關聯較大；反之，則兩者關聯度較小[13-14]。由于灰色關聯分析比較的是參考數列和若干比較數列的集合，而非僅僅將參考數列與比較數列單獨比較，故而得出的關聯性更具備系統性。灰色關聯分析克服了回歸分析和隨機過程理論的不足，對數據要求低，計算結構較為全面、客觀。

設參考序列X0={x01,x02，…，x0N}和I個比較序列Xi={xi1，xi2，…，xiN}(i=1，2，…，I)。參考序列中x0k與其對應比較序列中xik的點關聯系數ζ(x0k，xik)為

ζ(x0k,xjk)=

(3)

式中ρ為分辨系數，取值范圍(0，1)，本文取0.5。

比較序列Xi與參考序列X0的點關聯系數的灰色關聯度ζ(X0，Xi)為

(4)

2 結果與分析

2.1 用水結構時空演變

水資源量、年降水量等水資源數據主要來源于各地級市2001—2016年《水資源公報》以及相關文獻[15-17]。人口、產業結構等社會經濟發展數據來源于2001—2016年《江蘇省統計年鑒》。統計研究區2001—2016年的農業用水(灌溉用水、林木漁業用水)、工業用水(一般工業用水、火電工業用水)、生活用水(城鎮生活用水、農村生活用水)以及生態用水共7個指標，各城市用水結構如圖2所示。采用式(1)與式(2)計算用水結構信息熵與均衡度，結果如圖3所示。

(a) 淮安

(a) 2001年

根據圖2與圖3反映的用水結構及其均衡度變化趨勢，從時間上分析，2001—2016年研究區用水結構變化總體可以劃分為3個階段：

a.2001—2003年，均衡度呈現明顯上升趨勢，平均值從0.504變為0.629。揚州市增幅最大，增加量為0.152，淮安市增幅最小，為0.019。由圖2可看出，2003年各地級市用水均衡度到達第一個峰值點。這一階段，年平均灌溉用水量從23.09億m3降為15.34億m3，灌溉用水比例從73.25%降為66.55%，灌溉用水所占比例較大，但呈現明顯下降趨勢；年平均一般工業用水量從3.67億m3增長為5.14億m3，一般工業用水比例從11.5%增長為13.2%，呈現明顯上升趨勢；城鎮生活用水比例明顯增大，從2001年的3.56%增長為2003年的5.77%，呈現緩慢上升趨勢，農村生活用水從2001年的3.98%降為2016年的1.73%，生活用水結構變化較大。表明2001—2003年灌溉用水比例、一般工業用水比例、生活用水比例是影響用水均衡度的主要因子。

2001—2016年各地級市按均衡度大小排序可以發現，揚州市、鹽城市、淮安市3個城市的用水結構均衡度水平較高，連云港市、宿遷市的用水結構均衡度水平較低。根據用水結構均衡度的變化程度，可將各地級市分為3類：①揚州市和宿遷市2001—2016年均衡度分別提高了0.152和0.143，是用水結構向均衡化發展最為明顯的兩個城市，用水結構逐漸趨向多元化和均衡化；②鹽城市和連云港市2001—2016年均衡度分別提高了0.085和0.081，是用水結構向均衡化發展較為明顯的兩個城市；③淮安市2001—2016年均衡度提高了0.019，用水結構多元化和均衡化提升不明顯。

2.2 用水結構驅動力分析

區域用水結構受社會經濟條件的影響，直接取決于經濟水平與結構、人口總量與構成以及各行業節水水平，驅動因素包括產業結構的調整、長期人口演變規律、技術進步趨勢等。通過比較篩選與用水結構相關的社會經濟統計數據，選取年降水量、農作物種植結構(糧食作物面積與總播種面積比值)、工業增加值比例(工業增加值與GDP比值)、第三產業增加值比例(第三產業增加值與GDP比值)和人均日生活用水量等5個指標作為分析用水結構變化的影響因素，其中年降水量反映農業氣候條件，農作物種植結構反映糧食作物種植規模，工業增加值比例反映工業經濟規模，第三產業增加值比例反映第三產業經濟規模，人均日生活用水量反映城市用水水平，基本覆蓋了氣候條件、經濟產業結構、城市用水水平等方面，具有較強的代表性。根據關聯度數值大小，可分為弱關聯、中等關聯、強關聯3類，關聯度0～0.35屬于弱關聯，0.35～0.7屬于中等關聯，0.7～1屬于強關聯。各指標與用水結構均衡度的灰色關聯度，計算結果如表1所示。本文所選5個驅動力因子與均衡度關聯性較大，均在0.35以上，屬于中等關聯和強關聯。

表1 用水結構與驅動力因子的灰色關聯度

為準確區分用水結構驅動力因子在空間上的分類特征，以表1中5個城市為聚類對象，運用組間連接法進行層次聚類分析，得到的相似矩陣如表2所示，值越大說明兩個城市的相似度越高。結果表明，研究區各地級市可劃分為3類：第一類揚州市，第二類宿遷市，第三類淮安、連云港和鹽城市。

表2 聚類相似矩陣

第一類：揚州市地處蘇中地帶，屬于研究區中經濟最為發達的城市，第三產業發展占據主導地位。從用水情況來看，農業用水比例占據約50%，處于研究區5個城市的最低水平，用水結構的均衡度最高。從用水結構變化的驅動力來看，農作物種植結構和第三產業增加值比例是揚州市用水結構變化的主要驅動因素。第二類：宿遷市位于江蘇省北部，從產業結構上看，工業與第三產業占主導地位，2016年工業增加值比例與第三產業增加值比例分別為39.81%與41.55%，且增幅較大，2001—2016年累積增加12.40%與13.61%。而農業用水比例較高，保持在75%以上(2016年為77.80%)，遠高于工業用水與生活用水比例(2016年分別為6.39%，7.81%)，用水結構的均衡度最低。農作物種植結構、工業增加值比例、第三產業增加值比例和人均日生活用水量均是宿遷市用水結構變化的主要驅動因素，其中工業增加值比例的影響最為明顯。第三類：淮安市、連云港市和鹽城市的工業與第三產業占主導地位，工業略高于第三產業，與宿遷市相比工業與第三產業比例較大，但增幅較小。從用水情況來看，農業用水比例較高，2016年淮安市、連云港市和鹽城市農業用水比例分別為78.05%、78.83%、79.93%，遠高于工業用水與生活用水比例(2016年3個城市分別為11.18%和6.62%、10.83%和7.50%、13.86%和3.61%)，用水結構的均衡度介于揚州市和宿遷市之間。農作物種植結構、工業增加值比例、第三產業增加值比例是3個城市用水結構變化的主要驅動因素，其中農作物種植結構的影響最為明顯。

隨著工業與第三產業在經濟中的比例不斷提高，研究區以農業用水為主的單一用水結構有所改善，用水特征更趨向于多元化與均衡化，但主要的驅動因素仍存在空間差異。農作物種植結構和第三產業產業比例是研究區用水結構演變的共同驅動因素；淮安市、連云港市和鹽城市用水結構變化的共同驅動因素還包括工業增加值比例；人均日生活用水量對宿遷市用水結構變化也有強關聯的影響。

年降水量和農作物結構與農業用水均有直接聯系。前者可以表征農業用水自然驅動力，后者為糧食作物耕種面積與總耕地面積的比例，糧食作物相比經濟作物更為耗水，需水量更大，可以表征人工驅動力。由用水結構驅動力因子的灰色關聯度分析結果可知，年降水量對研究區用水結構變化的影響未達到強關聯水平。這說明自然條件對農業用水影響較小，而人工種植方式成為農業用水的主要影響因素。研究區為南水北調東線江蘇段工程所在地，農業灌溉工程與設施較為先進，因此大大降低了農業用水對降水等自然條件的依賴。

工業增加值比例與工業用水有直接聯系，第三產業增加值比例和人均日生活用水量與生活用水有直接聯系。從表1中可以看出，工業增加值比例和第三產業增加值比例與研究區各城市的用水結構變化均有較高的關聯度。這表明以工業和第三產業為主導的產業規模不斷增長，尤其是第三產業已成為拉動城市經濟增長的主要產業，用水需求不斷提高，同時促使城市工業用水和生活用水比例不斷提高，用水結構趨向均衡化。此外，人均日生活用水量對研究區用水結構的影響較小，僅在宿遷市達到強關聯水平。2001—2016年宿遷市常住人口增加80.76萬人，增幅達15.81%。隨著城市化發展與人口持續增長，生活用水呈現上升趨勢，這也表明宿遷市城市生活節水潛力較大，節水水平可以進一步提高。

3 結 論

a.2001—2016年研究區用水結構信息熵與均衡度總體呈現增加趨勢，表明用水結構趨向多元化和均衡化。從空間角度看，用水均衡度總體呈現從南向北遞減的特征。揚州市用水結構均衡度最高，鹽城市、淮安市、連云港市均衡度依次減小，宿遷市均衡度最小。從均衡度變化程度來看，揚州市、宿遷市均衡度增幅最大，分別增加0.152和0.143，用水結構變化最明顯，其次為鹽城市和連云港市，均衡度分別增加0.085和0.081，淮安市用水結構變化最小，均衡度僅增加0.019。

b.農作物種植結構和第三產業產業比例是研究區用水結構變化的共同驅動因素，而其他驅動因素存在空間差異；淮安市、連云港市和鹽城市用水結構變化的共同驅動因素還包括工業增加值比例；人均日生活用水量對宿遷市用水結構變化也有強關聯的影響。年降水量對研究區用水結構變化沒有顯著的影響，表明自然條件對農業用水影響較小。

c.南水北調東線江蘇段沿線城市的用水特征目前仍以農業灌溉用水為主。研究區農業灌溉工程與設施較為先進，降低了農業用水對降水等自然條件的依賴。因此不斷提高農業灌溉技術水平，優化農作物種植結構，是農業用水高效利用的重要措施。另一方面，隨著城市經濟的快速發展與產業結構的優化，研究區5個城市的用水結構逐漸趨向多元化和均衡化。因此不斷調整產業結構，仍是優化城市用水結構的主要策略。