（新疆瑪納斯河流域管理局）

我國(guó)西北干旱區(qū)是水資源十分缺乏的地區(qū)，其主要水資源來(lái)自山區(qū)少量降水和冰雪融化水，各地水資源分布極不均勻。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，水資源嚴(yán)重不足現(xiàn)已成為“瓶頸”。針對(duì)此，要想真正解決該地區(qū)的水資源不足問(wèn)題，需要以用水結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動(dòng)力為基礎(chǔ)，優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，合理開發(fā)利用水資源，促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本項(xiàng)研究以新疆瑪納斯河流域?yàn)槔眯畔㈧乩碚摷盎疑P(guān)聯(lián)分析法，通過(guò)分析該流域近幾年來(lái)的用水量熵值、均衡度動(dòng)態(tài)演變，量化水結(jié)構(gòu)演變和主要影響因素之間的響應(yīng)關(guān)系。

1 區(qū)域概況

瑪納斯河流域源于天山北麓，位于新疆維吾爾自治區(qū)南部準(zhǔn)噶爾盆地。流域總土地面積2.655×104km2，其中灌溉面積5 470 km2，主要包括石河子市、沙灣縣、瑪納斯縣等14個(gè)農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)灌溉區(qū)，屬于我國(guó)特大型綜合灌溉區(qū)域。流域水系主要由6條內(nèi)陸河組成，分別為大南溝河、寧家河、塔西河、瑪納斯河、金溝河、巴音溝河等?，敿{斯河流域位于盆地中央，四周均有高山，海洋氣流受高山阻擋，形成了溫帶大陸性氣候。一年四季溫差均比較大，日照充足，年平均降雨量150 mm左右，年蒸發(fā)量1.3×103mm。流域內(nèi)可用水資源總量25.43×108m3，水量補(bǔ)充主要依靠少量降雨和冰雪融化水。

2 研究方法

為了研究新疆瑪納斯河流域用水結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動(dòng)力，分析了近十幾年的相關(guān)氣象、水文數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)資料，對(duì)用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律和驅(qū)動(dòng)力因素進(jìn)行了具體分析。涉及到的用水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算采用Hargreaves法（H-S）進(jìn)行，該方法是加利福尼亞州學(xué)者利用牛毛草蒸滲儀，分析推導(dǎo)出估算ET0（蒸發(fā)蒸騰量）的計(jì)算方法。

2.1 研究區(qū)域主要用水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究區(qū)域水資源的傳統(tǒng)利用方式，可分為生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水三大部分。隨著人們對(duì)自然資源保護(hù)意識(shí)的提高和廣大居民對(duì)良好生態(tài)環(huán)境的新要求，在傳統(tǒng)用水結(jié)構(gòu)方式基礎(chǔ)上，增加了生態(tài)用水。所以，應(yīng)把生態(tài)用水作為主要用水計(jì)劃中的一部分，進(jìn)行水資源統(tǒng)計(jì)。就目前情況而言，生態(tài)用水提出的時(shí)間較短，也沒(méi)有具體分類，所以在本項(xiàng)研究分析中，將農(nóng)田灌溉作為農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將城市綠化灌溉作為生活用水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

影響用水結(jié)構(gòu)演變的驅(qū)動(dòng)因子很多，且呈現(xiàn)多角度、多元化的特點(diǎn)。研究引用呂翠美等學(xué)者《關(guān)于用水結(jié)構(gòu)變化主要驅(qū)動(dòng)力因子灰色關(guān)聯(lián)度分析》一文中的19項(xiàng)主要驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)研究區(qū)域生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水三大用水系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析。主要驅(qū)動(dòng)因子見表1。

2.2 信息熵理論

信息熵在數(shù)學(xué)上是對(duì)信息進(jìn)行量化，對(duì)信息統(tǒng)計(jì)具有劃時(shí)代的意義。本項(xiàng)研究依據(jù)信息熵理論，統(tǒng)計(jì)分析隨機(jī)變量分散變化程度，主要目的是描述信息含量多少。針對(duì)不確定性系統(tǒng)，隨機(jī)變量主要分為連續(xù)型隨機(jī)變量和離散性隨機(jī)變量，用符合X表示隨機(jī)變量的狀態(tài)特征。本文研究新疆瑪納斯河流域用水結(jié)構(gòu)演變及驅(qū)動(dòng)力，主要涉及離散性隨機(jī)變量。依據(jù)信息熵理論，假若離散性隨機(jī)變量x有n種取值，分別為：x1、x2、x3，…，xn，其中n≥2，則相應(yīng)的概率值P為p1、p2、p3，…，pn，其中0≤pi≤1，i=1，2，3…，n，且要符合∑pi=1。此時(shí)，所分析的離散性隨機(jī)變量信息熵符合以下公式：

表1 三大用水系統(tǒng)主要驅(qū)動(dòng)因子

式中：H（x）——離散性隨機(jī)變量的信息熵；

E——不確定-logpi的平均值。

從上述公式可以得出：如果某一件事發(fā)生的概率為0，則信息熵H（x）為1；如果某一件事發(fā)生的概率為1，則信息熵H（x）為0。正常情況下，這兩種極端情況均不會(huì)出現(xiàn)，信息熵值常介于H（x）max和H（x）min之間。綜合分析在不同時(shí)間范圍內(nèi)水資源利用類型的不一致，所以，在香農(nóng)公式的基礎(chǔ)上引入均衡度（J）概念，即：

根據(jù)本項(xiàng)研究涉及的ln（3）取值為1.099。由上述公式可以得出結(jié)論：離散性隨機(jī)變量信息熵值隨著無(wú)序程度變化而變化，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)序程度越高，信息熵值就越大，這時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均衡度越趨于穩(wěn)定；均衡度J越大，單一用水系統(tǒng)影響值越小，這時(shí)系統(tǒng)均衡度較好，系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法又叫灰色關(guān)聯(lián)度，主要用于分析兩個(gè)或多個(gè)因素之間相似或相異程度，是衡量多種因素之間關(guān)聯(lián)度的主要分析方法。在因素變化過(guò)程中，若因素之間變化趨勢(shì)一致，則同步變化趨勢(shì)較高，可以證明因素之間關(guān)聯(lián)度較高；反之，則可以認(rèn)定因素之間關(guān)聯(lián)度較低。本項(xiàng)研究在用水結(jié)構(gòu)演變數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，量化生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水的主要驅(qū)動(dòng)要素，通過(guò)因素之間的關(guān)聯(lián)度分析，確定用水結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動(dòng)因子，從而確定用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，為水資源綜合利用提供重要數(shù)據(jù)參考。

3 用水結(jié)構(gòu)演變分析

新疆瑪納斯河流域用水結(jié)構(gòu)演變主要包括兩部分：一是各用水系統(tǒng)用水比例調(diào)整；二是用水系統(tǒng)總用水量變化。用水系統(tǒng)比例可以反映城市發(fā)展情況：若工業(yè)用水比例較高，則可以確定區(qū)域城市發(fā)展較快，經(jīng)濟(jì)水平較高；若農(nóng)業(yè)用水占比較大，則可以說(shuō)明農(nóng)業(yè)是此區(qū)域發(fā)展的主要產(chǎn)業(yè)，從側(cè)面體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較落后。

3.1 用水量變化

根據(jù)新疆瑪納斯河流域水資源管理處、氣象站等機(jī)構(gòu)提供的2005-2018年相關(guān)數(shù)據(jù)資料，統(tǒng)計(jì)出石河子市、沙灣縣、瑪納斯縣等14個(gè)農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)生產(chǎn)總用水量維持在24.37×108-25.79×108m3之間。隨著環(huán)境保護(hù)力度的加大，水資源總用量呈緩慢降低趨勢(shì)。分析三大主要用水系統(tǒng)數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)是該地區(qū)的主要生產(chǎn)方式，總用水量最大，工業(yè)用水、生活用水均較少；但隨著城市化進(jìn)程的加快，該區(qū)域農(nóng)業(yè)用水逐漸下降，工業(yè)用水、生活用水逐漸上升（圖1）。

圖1 2005-2018年用水系統(tǒng)比例變化

3.2 基于信息熵理論的用水結(jié)構(gòu)演變分析

信息熵和用水均衡度變化趨勢(shì)見圖2。從圖2數(shù)據(jù)變化可以看出，信息熵?cái)?shù)值變化趨勢(shì)和均衡度的變化趨勢(shì)一致，都是呈逐漸上升趨勢(shì)。主要原因是我國(guó)對(duì)新疆地區(qū)開展經(jīng)濟(jì)支持，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，該區(qū)域工業(yè)化程度不斷提高，工業(yè)用水增加。另外，隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣，使農(nóng)業(yè)用水量不斷減少。從整體信息熵和用水均衡度變化趨勢(shì)來(lái)看，近十幾年增長(zhǎng)速度較為緩慢，說(shuō)明用水結(jié)構(gòu)依舊存在不合理現(xiàn)象。

圖2 用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度變化

4 用水結(jié)構(gòu)演變主要驅(qū)動(dòng)因子關(guān)聯(lián)分析

4.1 生活用水主要驅(qū)動(dòng)因子分析

在進(jìn)行生活用水主要驅(qū)動(dòng)因子分析時(shí)，將城市綠化用水納入生活用水中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將人均每年可支配收入、城市人口、農(nóng)村人口、城鎮(zhèn)化建設(shè)用地面積、城鎮(zhèn)化率、城鎮(zhèn)建設(shè)綠地覆蓋率等驅(qū)動(dòng)因子作為比較序列，將生活總用水量作為參考序列，進(jìn)行各驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)聯(lián)度分析。分析結(jié)果見表2。

4.2 農(nóng)業(yè)用水主要驅(qū)動(dòng)因子分析

農(nóng)業(yè)用水驅(qū)動(dòng)因子主要分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子（棉花種植比例、灌溉面積、農(nóng)業(yè)人口、年末養(yǎng)殖牲畜存欄數(shù)、林果種植面積、節(jié)水灌溉比例）和自然環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子（氣溫、可耕地鹽堿化面積、ET0），將兩者作為比較序列，農(nóng)業(yè)總用水量序列作為參考序列，進(jìn)行各驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)聯(lián)度分析。分析結(jié)果見表3。

表2 生活用水主要驅(qū)動(dòng)因子關(guān)聯(lián)度分析

表3 農(nóng)業(yè)用水主要驅(qū)動(dòng)因子關(guān)聯(lián)度分析

4.3 工業(yè)用水主要驅(qū)動(dòng)因子分析

工業(yè)用水主要是指在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)的總用水量，用水主要以新鮮自來(lái)水為主，本文分析的工業(yè)用水不包含重復(fù)循環(huán)利用的水資源。在進(jìn)行工業(yè)用水主要驅(qū)動(dòng)因子分析時(shí)，將工業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)用水重復(fù)利用率、工業(yè)廢水排放量、重工業(yè)比例作為比較序列，將工業(yè)總用水量序列作為參考序列，進(jìn)行各驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)聯(lián)度分析。分析結(jié)果見表4。

表4 工業(yè)用水主要驅(qū)動(dòng)因子關(guān)聯(lián)度分析

5 結(jié)論

5.1 用水結(jié)構(gòu)變化

新疆瑪納斯河流域，農(nóng)業(yè)用水逐漸下降，工業(yè)用水、生活用水逐漸上升，但信息熵和用水均衡度變化較為緩慢，說(shuō)明用水結(jié)構(gòu)依舊存在不合理現(xiàn)象。

5.2 生活用水變化驅(qū)動(dòng)因子

在生活用水變化驅(qū)動(dòng)因子中，城市人口、城鎮(zhèn)化建設(shè)用地面積、城鎮(zhèn)建設(shè)綠地覆蓋率、城鎮(zhèn)化率是主要驅(qū)動(dòng)因子。這四項(xiàng)驅(qū)動(dòng)因子是城鎮(zhèn)化的主要特征，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，生活用水量發(fā)生明顯變化。

5.3 農(nóng)業(yè)用水變化驅(qū)動(dòng)因子

在農(nóng)業(yè)用水變化驅(qū)動(dòng)因子中，自然環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子明顯高于社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子。除了林果種植面積外，其他多項(xiàng)農(nóng)業(yè)用水驅(qū)動(dòng)因子關(guān)聯(lián)度數(shù)值均大于0.6，說(shuō)明這些因子對(duì)農(nóng)業(yè)用水量影響亦較大。

5.4 工業(yè)用水變化驅(qū)動(dòng)因子

在工業(yè)用水驅(qū)動(dòng)因子中，工業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)用水重復(fù)利用率、工業(yè)廢水排放量、重工業(yè)比例關(guān)聯(lián)度數(shù)值均大于0.8，說(shuō)明工業(yè)總用水量是這四個(gè)因子聯(lián)合作用的結(jié)果。工業(yè)廢水排放量、重工業(yè)比例關(guān)聯(lián)度數(shù)值均大于0.85，是工業(yè)用水的主要驅(qū)動(dòng)因子。