趙菲菲，劉 東，2，于 苗，于新偉

（1.東北農(nóng)業(yè)大學 水利與建筑學院，哈爾濱150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)林經(jīng)濟管理博士后科研流動站，哈爾濱150030）

用水結(jié)構(gòu)是指一定時期內(nèi)某用水系統(tǒng)中各類用水量的比例關系[1]。隨著溫室氣體的增加、臭氧層的破壞、土地荒漠化的蔓延、酸雨的頻繁發(fā)生、全球經(jīng)濟的進一步發(fā)展、科學技術(shù)水平的不斷提高、城市化進程快速推進以及人口規(guī)模的不斷擴大，導致區(qū)域水資源利用結(jié)構(gòu)演變復雜性特征日益凸顯。要了解區(qū)域水資源利用結(jié)構(gòu)演變的復雜性，就必須對水資源利用結(jié)構(gòu)驅(qū)動機制進行研究，以揭示水資源利用結(jié)構(gòu)變化的原因、內(nèi)部機制。Jenerette[2]認為世界未來用水形式的驅(qū)動因子是人口的聚散情況、單個牲畜的水使用、氣候及生態(tài)供水條件等；Marios Sophocleous[3]認為導致用水需求上升的驅(qū)動因子包括人口增長、經(jīng)濟增長、技術(shù)進步、土地利用與城市化進程、環(huán)境退化速度、政府決策環(huán)境變化以及其他因素。在用水結(jié)構(gòu)的演變過程中，社會經(jīng)濟因素、人口因素、自然因素等都將成為影響用水結(jié)構(gòu)變化的制約因素。本文以建三江分局為例，分析用水結(jié)構(gòu)的演變過程，并試圖找出導致該地區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動力。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

建三江分局位于祖國北部邊陲的三江平原腹地，與同江、富錦、撫遠、饒河兩市兩縣相鄰，系黑龍江、松花江、烏蘇里江匯流的河間地帶，是我國的主要糧食產(chǎn)區(qū)?？偯娣e1.24萬km2，占整個黑龍江省墾區(qū)面積的22%[4]。多年平均氣溫1.0～2.0℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫－41.6℃，多年平均降水量為383.5～886.1mm。近年來，隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，建三江分局水資源面臨著嚴峻的考驗。面對日益嚴重的水資源危機，從建三江分局水資源利用結(jié)構(gòu)變化來分析其變化的驅(qū)動機制，為合理調(diào)整水資源結(jié)構(gòu)，建立高效的水資源可持續(xù)利用機制提供決策依據(jù)。

1.2 研究區(qū)近12a的用水結(jié)構(gòu)演變

1.2.1 用水現(xiàn)狀 2010年，建三江分局水資源總量為25.76億m3，其中地表水資源量10.39億 m3，地下水資源量為14.83億m3；地下水可開采量為11.08億m3，地下水總補給量為14.83億m3，每年過境地表水資源量大約為2 483億m3。從用水部門分析，2010年建三江分局總用水量27.89億m3，其中農(nóng)業(yè)用水27.78億m3，占總用水量的99.61%；工業(yè)用水為0.01億 m3，占0.04%；生活用水量0.10億 m3，占0.36%。

1.2.2 近12a用水結(jié)構(gòu)的變化

（1）用水總量。用水資料主要來源于建三江農(nóng)墾統(tǒng)計年報（1999—2010）。1999—2010年，建三江分局用水總量呈增長趨勢，由1999年的12.31億m3增加到2010年的27.88億 m3，增加15.58億 m3。在用水總量增長過程中，階段性變化較明顯。主要可以分為3個階段：①1999—2002年，用水總量呈基本穩(wěn)定階段，年均約12.34億m3；②2003—2007年，用水總量呈快速增長階段，由2003年的10.49億m3增長到2007年的23.27億m3，年均用水量13.22億m3；③2008—2010年，用水總量呈緩慢的增長趨勢，年均用水量約26.13億m3。

（2）農(nóng)業(yè)用水。農(nóng)業(yè)用水作為建三江分局的用水大戶，其用水量變化極大地影響著總用水量，其演變趨勢與總用水量的變化基本一致，呈上升趨勢。1999—2002年農(nóng)業(yè)用水保持為年均12.32億m3；2003—2010年農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)增長，其中2003—2007年農(nóng)業(yè)用水量快速增長，由10.46億m3上升到23.13億m3；2008—2010年農(nóng)業(yè)用水量年均為26.01億 m3。農(nóng)業(yè)用水量在起伏變化的同時其用水比重在總用水量中一直處于領先地位，始終高于99%。

（3）工業(yè)用水。建三江分局工業(yè)用水量1999—2010年呈增長的趨勢，工業(yè)用水量由56萬m3增長到103萬m3。而工業(yè)用水比重很小并且也沒有大的波動，始終維持在0.05%左右。

（4）生活用水?？傮w上看，1999—2008年，生活用水量呈持續(xù)增長態(tài)勢，由1999年的145萬m3一路攀升至2008年的1 389萬m3，2009年和2010年生活用水量有下降的趨勢。生活用水比重由1999年的0.12%增長到2008年的0.58%，2009年和2010年的生活用水比重分別為0.38%和0.35%。

總之，根據(jù)1999—2010年建三江分局各部門用水量變化圖可知（圖1），總用水量與農(nóng)業(yè)用水量保持一致的變化趨勢，農(nóng)業(yè)用水比重占主導地位。在建三江分局，總用水量大部分消耗于農(nóng)業(yè)用水，控制總用水量的關鍵是制約農(nóng)業(yè)用水。

圖1 1999－2010年建三江分局各部門用水量

2 基于信息熵的用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律分析

2.1 信息熵理論

“熵”原是一個熱力學概念，用以描述自發(fā)過程不可逆性的狀態(tài)函數(shù)[5]。為了與熱力學過程有所區(qū)別，1908年，Shannon首先在信息論中引入了熵的概念，將其定義為信息熵。即對于一個不確定性系統(tǒng)，用隨機變量S表示其狀態(tài)特征；對于離散型隨機變量，設x的取值為X＝｛x1，x2，…，xn｝，每一取值對應的概率為P＝｛p1，p2，…，pn｝，且有∑pi＝1，則該系統(tǒng)的信息熵表達式[6]：

用信息熵描述任何一種體系或物質(zhì)運動的混亂度和無序度[7]。將信息熵概念引入水資源系統(tǒng)來描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。設在一定時間尺度內(nèi)，用水比例pi＝Hi／H，并滿足條件：∑pi＝1，pi≠0。其中H為總用水量，Hi為各種類型的用水量。一般地，信息熵越小，系統(tǒng)就越有序，結(jié)構(gòu)性就越強；反之，信息熵越大，系統(tǒng)就越無序，結(jié)構(gòu)性就越差[8]。理論上當各種用水類型的用水量相等，即p1＝p2＝…＝pn＝1／n時，熵值達到最大，這表明區(qū)域內(nèi)用水量達到了均衡狀態(tài)，此時熵值達到最大值：

在實際應用中，由于不同區(qū)域或同一區(qū)域不同發(fā)展階段所包含的水資源利用類型有多有少，水資源利用結(jié)構(gòu)的信息熵往往缺乏可比性。因此，基于信息熵函數(shù)引入水資源利用結(jié)構(gòu)的均衡度公式：

顯然，均衡度的取值范圍為J∈[0，1]，即當J＝0時，水資源利用處于最不均勻狀態(tài)，J值越大，均質(zhì)性越強，當J＝1時，則用水類型達到理想平衡狀態(tài)，均衡度較信息熵的直觀性和可比性均有所增強。

2.2 建三江分局用水結(jié)構(gòu)演變的信息熵分析

建三江分局近12a不同年份的用水結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度見表1。由表1可知，建三江分局用水結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度自1999年以來都很小，表明該地區(qū)水資源利用系統(tǒng)的有序程度非常高，結(jié)構(gòu)性很強，用水量在各個用水部門的分配極不均勻，這與建三江分局農(nóng)業(yè)用水比例過大的事實相符。但用水結(jié)構(gòu)信息熵在這12a里總體呈上升趨勢。表明建三江分局用水結(jié)構(gòu)趨向無序。1999—2008年信息熵有小幅度的上升，表明該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水比例在下降，而工業(yè)、生活用水比例進一步提高，但減少農(nóng)業(yè)用水比例的效果并不顯著，農(nóng)業(yè)用水在總用水中所占比例很大；在2009年和2010年信息熵開始有下降的趨勢，表明建三江分局用水系統(tǒng)中單一用水結(jié)構(gòu)類型所占比例開始增大，系統(tǒng)均質(zhì)性減弱。

表1 建三江分局近12a年用水結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度計算

3 用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動機制分析

驅(qū)動機制著重分析區(qū)域用水結(jié)構(gòu)變化過程的主要自然和社會經(jīng)濟驅(qū)動因素及其驅(qū)動機理。根據(jù)1999—2010年的社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)序列，應用因子分析方法研究十幾年間建三江分局用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動機制，分析用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動因子。

3.1 驅(qū)動因素的選取

鑒于用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復雜，各個部門用水量的變化受到各種因素變化的影響[9]，本研究中驅(qū)動因素的選取遵循數(shù)據(jù)可獲取、綜合性、代表性、可量化的原則，主要選取影響用水結(jié)構(gòu)變化的因子包括總?cè)丝?、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值、畜產(chǎn)品產(chǎn)量、耕地面積、有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量、GDP、降水量、氣溫等。

3.2 基于主成分因子分析的驅(qū)動機制

為了更加直觀地反映各驅(qū)動因子對用水結(jié)構(gòu)變化的影響程度，采用因子分析法對驅(qū)動力因子的近12a資料進行分析計算，篩選出關鍵驅(qū)動因子。

主成分因子分析是從眾多的原始變量中構(gòu)造出少數(shù)幾個具有代表意義的因子變量，這里面存在一個潛在的要求，即原有變量之間要有比較強的相關性[10]。如果原有變量之間相關關系較弱，那么就無法從中綜合出能反映某些變量共同特性的少數(shù)公共因子變量來。因此，在主成分因子分析時，需要對原有變量作相關分析檢驗。本文采用KMO檢驗方法來判斷原有變量是否適于做主成分因子分析。首先進行樣本充足度（KMO）檢驗，KMO指數(shù)越接近于1越適于進行因子分析。用SPSS計算得出該組數(shù)據(jù)的KMO值為0.784，可以進行因子分析。

由表2中特征值和主成分貢獻率可知前兩個因子是主要因子，且其累計貢獻率已經(jīng)達到87.176%，而其它因子相對來說次要一些。

表2 主成分分析貢獻率

由表3因子分析結(jié)果來看，第一主成分對下列指標具有較強的解釋力，它們依次是農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值（萬元）、GDP（萬 元）、糧 食 產(chǎn) 量 （t）、有 效 灌 溉 面 積（hm2）、畜產(chǎn)品產(chǎn)量（t）、耕地面積（hm2）、總?cè)丝冢ㄈ耍┖凸I(yè)總產(chǎn)值（萬元）。這幾個指標主要反映社會經(jīng)濟發(fā)展水平的，命名為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平因子。

表3 驅(qū)動力因子旋轉(zhuǎn)主成分荷載矩陣

根據(jù)表4可知，其貢獻率為71.633%。第二主成分對氣溫和降雨量具有較強的解釋力，其貢獻率占到總因子的15.544%，氣溫、降雨量對第二主成分的貢獻量分別為－0.897和0.762，其中氣溫前的荷載是負數(shù)，說明與第二主成分因子呈反比，氣溫越高，用水結(jié)構(gòu)演變的就越慢。

因子分析結(jié)果表明：①在影響建三江分局用水結(jié)構(gòu)長期演變的驅(qū)動力因子中，總?cè)丝?、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量、GDP、有效灌溉面積、畜產(chǎn)品產(chǎn)量、耕地面積和工業(yè)總產(chǎn)值等社會經(jīng)濟因子是主要的驅(qū)動力因子。社會經(jīng)濟的發(fā)展程度，特別是該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展程度對于建三江用水結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化起到?jīng)Q定性作用；②氣溫和降水量等自然環(huán)境因子的變化直接影響農(nóng)業(yè)用水量，從而對用水結(jié)構(gòu)演變產(chǎn)生直接影響；總之，社會經(jīng)濟和自然環(huán)境因子是建三江分局用水結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動力。

表4 不同因子的貢獻計量值

4 結(jié)論

（1）建三江分局用水結(jié)構(gòu)的顯著特點是以農(nóng)業(yè)用水為主。由于該地區(qū)以水田為主，農(nóng)業(yè)用水比例占總用水的比例非常大，農(nóng)業(yè)用水比例占99%以上。工業(yè)用水比例比生活用水比例還小。由用水量以及用水比例的分析來看，該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)上升，生活用水比例上升，但工業(yè)用水比例持穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）用水結(jié)構(gòu)信息熵結(jié)果表明，從整體看，建三江分局用水分配及其不均勻，用水系統(tǒng)中單一用水結(jié)構(gòu)類型所占比例很大。

（3）通過SPSS軟件的主成分因子分析，以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的社會經(jīng)濟因子是影響建三江分局用水結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動力，總?cè)丝凇⑥r(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量、GDP、有效灌溉面積、畜產(chǎn)品產(chǎn)量、耕地面積和工業(yè)總產(chǎn)值等社會經(jīng)濟因子是影響建三江分局用水結(jié)構(gòu)長期演變的主要驅(qū)動力因子；降水量和氣溫等自然環(huán)境因子對用水結(jié)構(gòu)演變有重要的影響。基于以上結(jié)論，要改變建三江分局農(nóng)業(yè)用水比例過大的現(xiàn)狀，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，就必須提高經(jīng)濟效益與優(yōu)化灌溉制度相結(jié)合，促使該地區(qū)用水結(jié)構(gòu)朝向合理均衡的方向發(fā)展。

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