朱淑霖

（新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000）

新疆瑪納斯河的水主要來自冰雪融水及降水補給，水資源結(jié)構(gòu)極不均勻、水系統(tǒng)極為薄弱。隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及城市化建設(shè)，水資源開發(fā)將達到上限，水資源匱乏成了影響地區(qū)社會、經(jīng)濟發(fā)展的主要問題。由于農(nóng)業(yè)用水相較于生活及工業(yè)用水占有較大的比重，生活及工業(yè)用水呈現(xiàn)逐漸上升趨勢。通過信息熵理論對瑪納斯河流域不同年份用水結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律進行分析，并使用GRA 法進行驅(qū)動力分析。通過水資源匱乏地區(qū)用水結(jié)構(gòu)演變驅(qū)動力的分析，為合理開發(fā)水資源提供決策依據(jù)。

1 瑪納斯河流域概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 瑪納斯河流域概況

新疆瑪納斯河流域位于天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南側(cè)，流域的總面積為3.1 萬km2，年徑流量為1.28 億m3，灌溉面積5 476 km2，是目前我國特大的綜合灌溉區(qū)之一。瑪納斯河流域為溫帶大陸性氣候，區(qū)域內(nèi)降水量具有較大的時空差異，年均降水量達到115～200 mm，全年日照充足，年均氣溫在4.7℃～5.7℃，流域年均蒸發(fā)量為1 500～2 100 mm。目前，流域的地表水引用率為98%，地下水引用率為58%，屬水資源嚴重開發(fā)過度狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究以水資源管理、水資源供需分區(qū)為基準(zhǔn)，通過分析瑪納斯河流域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，并將14 個農(nóng)牧團作為研究區(qū)域，利用瑪河流域管理處、石河子氣象站所提供的水文、氣象資料，分析研究區(qū)域2005—2018 年的用水結(jié)構(gòu)演變發(fā)展以及驅(qū)動力。

2 研究方法

2.1 用水結(jié)構(gòu)分析

流域中的生態(tài)用水主要是農(nóng)田及城市綠化的生態(tài)用水，并且往往將其歸入到農(nóng)業(yè)、生活用水之中。故此次研究將區(qū)域的水系統(tǒng)劃分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水三個用水子系統(tǒng)，不再將生態(tài)用水進行單獨劃分。

根據(jù)相關(guān)研究資料顯示，用水結(jié)構(gòu)演變的驅(qū)動因子包含自然及社會因子，具有多元化的特征。本研究將采用19 項驅(qū)動因子對新疆瑪納斯河流域的用水子系統(tǒng)的驅(qū)動力進行分析。其中，農(nóng)業(yè)用水的驅(qū)動因子，包括農(nóng)業(yè)占有人口、灌溉面積、作物種植面積、牲畜出欄數(shù)量、棉花種植占比、節(jié)水灌溉占比、土地鹽堿化狀況、環(huán)境溫度對作物灌溉的影響以及作物的需水量；工業(yè)用水的驅(qū)動因子，主要包括工業(yè)產(chǎn)值、重工業(yè)占比情況、水資源重復(fù)利用率以及工業(yè)廢水的排放量；生活用水的驅(qū)動因子，主要包括農(nóng)村人口基數(shù)、城市人口基數(shù)、人民可支配收入情況、城鎮(zhèn)化發(fā)展程度、城市建設(shè)用地情況以及綠化面積。

2.2 信息熵分析

本研究中將采用離散型隨機變量，依據(jù)香農(nóng)第一定律，若離散型隨機變量x 取值（x1，x2…，xn）（n≥2），則相對應(yīng)的概率值則為P=（p1，p2，…，pn），（0≤pi≤1，i=1，2，3，…，n）并且∑pi=1，那么離散系統(tǒng)信息量可以表示為：

通過信息熵可以得知H（x）≥0，若系統(tǒng)中的事件概率為1 則H（x）min=0，反之，H（x）min=1n（n），但在現(xiàn)實中則不會出現(xiàn)以上兩種情況，通常信息熵會保持在二者之間。

因此，針對不同時間尺度中含有的水資源類型的差異，以及對子系統(tǒng)對信息熵的作用，采用Shannon公式為基準(zhǔn)，加入均衡度J。根據(jù)信息熵的定義可知，其數(shù)值越大，系統(tǒng)的無序狀態(tài)也大、結(jié)構(gòu)分配越平均；均衡度J 越大則說明單一用水的優(yōu)勢越不明顯、平衡度越強。本研究中1n（3）值為1.099。

2.3 GRA 法分析

瑪納斯河流域的驅(qū)動因子分析中，將設(shè)定待研究系統(tǒng)的用水量作為輸出的時間序列X0，使用公式可以表示為：

而用水系統(tǒng)中的m 個驅(qū)動因子作為輸出的時間序列Xi，使用公式可以表示為：

根據(jù)X0、Xi，可將第k 個時刻的比較序列Xi，作為參考序列X0的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi（k），使用公式可以表示為：

式中：θ 為關(guān)聯(lián)參數(shù)值，取值為θ∈（0，1），但現(xiàn)實中通常θ≤0.5。

通過以上的計算，關(guān)聯(lián)度γ 計算公式為：

根據(jù)計算數(shù)值的結(jié)果進行驅(qū)動因子的排序。GRA中關(guān)聯(lián)度數(shù)值越大說明比較序列對參照序列的作用就越大，反之作用越小。

3 瑪納斯河流域用水結(jié)構(gòu)演變分析

3.1 用水量變化分析

從2005 年開始，瑪納斯河流域的總用水量均保持在25.65 億m3，并在2013 年出現(xiàn)了最大用水量26.98 億m3，隨后便呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，由2005 年的95.85%下降到了2018 年的93.25%，不過整體比重依然較高；工業(yè)、生活用水的比重卻逐年上升，分別由2005 年的2.32%、2.08%上升到了2018 年的3.65%、3.02%。瑪納斯河流域各子系統(tǒng)歷年用水占比如圖1 所示。

流域水資源開發(fā)主要由初級開發(fā)、低效開發(fā)、合理開發(fā)三個階段構(gòu)成。為了更好地保持瑪納斯河流域的水資源發(fā)展，經(jīng)過多年的不懈努力，全社會已經(jīng)形成良好的節(jié)水觀念，農(nóng)業(yè)種植面積得到了較好的控制，農(nóng)業(yè)用水綜合利用率得到顯著的提升。截止到目前，農(nóng)業(yè)灌溉率已經(jīng)達到95%以上。目前瑪納斯河流域的用水指導(dǎo)思想是，加強用好地表水、合理開發(fā)地下水、提升水資源利用率、改革創(chuàng)新節(jié)水技術(shù)、科學(xué)增加農(nóng)業(yè)種植面積、增加生態(tài)用水量、改善生態(tài)環(huán)境。

圖1 瑪納斯河流域各子系統(tǒng)歷年用水占比情況

3.2 用水結(jié)構(gòu)演變信息熵分析

根據(jù)瑪納斯河流域歷年用水結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度趨勢（見圖2），可知瑪納斯河流域用水結(jié)構(gòu)中信息熵與均衡度之間呈現(xiàn)同步上升趨勢。根據(jù)信息熵理論可將這個過程分為三個階段：2005—2008 年信息熵具有較快的上升勢頭，其原因是由于國家部署了西部開發(fā)戰(zhàn)略，國家增加了對該地區(qū)工業(yè)發(fā)展的支持，因此，工業(yè)用水量隨著流域工業(yè)的快速發(fā)展得到了提升；2009—2012 年受到棉花市場價格上漲的影響，農(nóng)業(yè)灌溉用水量突增，進而影響信息熵值的增長；2013—2018 年，由于流域農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)得到合理的調(diào)整，整體的用水量得到有效的控制，并且工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也得到了極好的優(yōu)化，因此，信息熵得到了增長。

圖2 瑪納斯河流域歷年用水結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度趨勢

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，瑪納斯河流域信息熵增長程度、增幅以及用水均衡度均偏低，用水結(jié)構(gòu)具有一定的不合理之處，農(nóng)業(yè)用水子系統(tǒng)對流域的用水結(jié)構(gòu)的演變產(chǎn)生了較大的影響。

4 瑪納斯河流域用水結(jié)構(gòu)的驅(qū)動因子分析

4.1 農(nóng)業(yè)用水驅(qū)動力因子分析

農(nóng)業(yè)用水在流域中占據(jù)著較大的比重，確保水資源有序開發(fā)的首要條件是農(nóng)業(yè)用水的合理開發(fā)利用。在農(nóng)業(yè)用水中主要是農(nóng)業(yè)灌溉及林業(yè)畜牧兩方面，農(nóng)業(yè)灌溉用水占農(nóng)業(yè)總用水量的90%以上?，敿{斯河流域是典型的荒漠綠洲以及灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源具有極大的依賴性，干旱缺水是農(nóng)業(yè)用水的內(nèi)在驅(qū)動因子。另外，流域內(nèi)經(jīng)濟作物棉花的種植面積呈逐年上升趨勢，也成為區(qū)域用水量大的驅(qū)動因素。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采取有效的節(jié)水技術(shù)與策略，可以極大地減少農(nóng)業(yè)的用水壓力。

4.2 工業(yè)用水驅(qū)動力因子分析

工業(yè)用水主要是產(chǎn)品加工、制造環(huán)節(jié)用水及企業(yè)、工程的生活用水，多以優(yōu)質(zhì)原水為主，不包括生產(chǎn)中的重復(fù)用水，工業(yè)用水中重工業(yè)占比最大。

用水影響因素包括水資源重復(fù)使用率、廢水排放量以及工業(yè)產(chǎn)值。其中，工業(yè)產(chǎn)值是工業(yè)用水量增加的首要誘發(fā)因素，重工業(yè)的工業(yè)結(jié)構(gòu)，是推動工業(yè)用水增加的主要原因；水資源的重復(fù)利用率、生產(chǎn)中采取的節(jié)水策略，則是緩解工業(yè)用水的重要措施。

經(jīng)濟發(fā)展必然會消耗水資源，尤其是西部大開發(fā)以及一帶一路戰(zhàn)略的實施，必然會觸及瑪納斯河流域未來水資源的可持續(xù)發(fā)展。

4.3 生活用水主要驅(qū)動力因子分析

生活用水主要是指居民生活、公共用水以及城市生態(tài)綠化用水。首先，農(nóng)村人口基數(shù)、城市人口基數(shù)、人民可支配收入情況、城鎮(zhèn)化發(fā)展程度、城市建設(shè)用地情況以及綠化面積，均是生活用水的主要影響因素；其次，是居民的人均年收入；影響最小的是農(nóng)業(yè)人口基數(shù)，因為生活用水需求量最大的是城鎮(zhèn)。瑪納斯河流域的城鎮(zhèn)化發(fā)展必然會導(dǎo)致用水需求量的增加。

5 結(jié)語

新疆瑪納斯河流域農(nóng)業(yè)用水占很大比重，造成流域用水結(jié)構(gòu)失衡，對農(nóng)業(yè)用水來說，自然環(huán)境的變化、作物需水量的增加、農(nóng)業(yè)土地鹽堿化都是農(nóng)業(yè)用水的內(nèi)在驅(qū)動力；而農(nóng)作物種植面積、農(nóng)業(yè)灌溉面積、工業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)比重的增加以及城市化建設(shè)的加速，則是外部驅(qū)動力。瑪納斯河流域水資源的開發(fā)總體情況不容樂觀，過度開發(fā)造成流域內(nèi)部分地區(qū)出現(xiàn)了嚴重的缺水。

未來，流域應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水工程，在政策的指引下，通過提升水資源的利用率，改善用水結(jié)構(gòu)，使瑪納斯河流域水資源的使用更加合理、高效。