胡紅亮，劉華平，耿勝慧

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410131）

2020 年是湖南省實施最嚴(yán)格水資源管理制度以來的中期考核年，用水總量控制紅線是各地區(qū)用水的主要考核指標(biāo)。湖南省多年平均降水量1 450 mm，多年平均水資源總量為1 842 億m3，多年平均地下水資源量391.5 億m3，地表水資源量1 682 億m3[1]。湖南水資源相對比較豐富，人均占有量為2 600 m3，高于全國人均占有量2 300 m3的水平。作為水資源總量相對豐富的南方省份，如何落實“節(jié)水優(yōu)先”方針，抓住區(qū)域節(jié)水重點，全面提升水資源利用效率，建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的節(jié)水型社會是重要的議題。

1 湖南省用水概況

近5 年，湖南全省平均用水量330.5 億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量平均為195.6 億m3，占總用水量的59%；工業(yè)用水量為89.4 億m3，占總用水量的27%；居民生活用水量為30.6 億m3，占比9%；城鎮(zhèn)公共用水量為12.1億m3，占比4%；生態(tài)環(huán)境用水量為2.8 億m3，占比1%[1]。全省主要的用水行業(yè)為農(nóng)業(yè)和工業(yè)，其用水量占總用水量的86%。

2018 年，省內(nèi)14 個市州中，用水總量超出總量控制紅線的有4 個，另有3 個逼近紅線[2]，各市州用水情況與2020 年用水總量控制目標(biāo)比較見圖1。

圖1 湖南省各市州用水情況與2020 年用水總量控制目標(biāo)比較圖

根據(jù)2020 年9 月全國節(jié)約用水辦公室發(fā)布的我國用水效率統(tǒng)計分析成果，2019 年湖南省萬元GDP 用水量83.8 m3，萬元工業(yè)增加值用水量78.1 m3，農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)0.535。2015—2020 年間，湖南省用水效率有明顯提升，但仍落后于全國平均水平。2019年全國平均萬元GDP 平均用水量和萬元工業(yè)增加值用水量分別為60.8 m3和38.4 m3。與水資源條件相近、經(jīng)濟更發(fā)達的浙江、江蘇、廣東、湖北相比，也有較大差距，湖南省工農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大。主要用水效率指標(biāo)比較見表1。

表1 2019 年各省級行政區(qū)主要用水效率指標(biāo)比較

2 主要用水行業(yè)節(jié)水分區(qū)

湖南省地形地貌復(fù)雜，區(qū)域水資源及開發(fā)利用、水利建設(shè)特點、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、城市規(guī)模與類型、社會經(jīng)濟發(fā)展階段存在明顯差異，不同行業(yè)之間用水差距明顯，因此節(jié)水型社會建設(shè)應(yīng)分行業(yè)、按不同區(qū)域類型進行。通過分區(qū)，可建立有針對性的建設(shè)目標(biāo)、內(nèi)容與措施，為合理制定節(jié)水型社會建設(shè)策略提供指導(dǎo)，為節(jié)水型社會建設(shè)真正落到實處提供保障。

2.1 節(jié)水分區(qū)原則

湖南省現(xiàn)有的水資源分區(qū)主要是按水資源稟賦、地理位置、生態(tài)環(huán)境壓力進行的分區(qū)，不足之處在于存在偏定性，缺少定量指標(biāo)。本研究中的分區(qū)在總原則“清晰反映節(jié)水思路、突出區(qū)域建設(shè)重點、劃分標(biāo)準(zhǔn)易量化”的基礎(chǔ)上遵循如下原則：

1）結(jié)合《湖南省節(jié)水型社會建設(shè)“十三五”規(guī)劃》，根據(jù)湖南省產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點，著重農(nóng)業(yè)、工業(yè)分區(qū)。

2）參考經(jīng)濟發(fā)展情況和產(chǎn)業(yè)特點，重點考慮水資源供需矛盾和節(jié)水需求。

3）水資源和生態(tài)環(huán)境的壓力負(fù)荷。

4）考慮實施特點，以地級行政區(qū)為分區(qū)單元。

5）兼顧未來發(fā)展，考慮節(jié)水潛力和可持續(xù)發(fā)展對節(jié)約用水的要求。

6）定量分區(qū)，以求易于推廣。

2.2 農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)

1）農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)指標(biāo)選取及原始數(shù)據(jù)獲取。本研究中的分區(qū)指標(biāo)力求能夠滿足全面性、概括性、易于或能夠取得的要求。根據(jù)節(jié)水型農(nóng)業(yè)的特點，擬采用地貌形態(tài)指標(biāo)L、復(fù)種指數(shù)F、稻田比例D、缺水程度B、產(chǎn)水模數(shù)E 等5 項指標(biāo)[3]。根據(jù)原始數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并計算出14 個市、州的農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)5 項原始指標(biāo)值，見表2。

表2 各市、州農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)原始指標(biāo)值

2）層次聚類分析。農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)指標(biāo)的計算采用的是層次聚類分析法，其基本思想是：根據(jù)樣本特性指標(biāo)的親疏程度聚類。

①數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。層次聚類分析中，以分類的對象為樣本，共有n 個樣本，m 個特征指標(biāo)，則構(gòu)成以下原始矩陣：

指標(biāo)進行指數(shù)化處理：消除原始矩陣指標(biāo)間數(shù)量級差異過大和具有量綱的指標(biāo)，使各指標(biāo)在同一層次具有可比性，用下式計算：

Eii=Ei/Emax

式中 Eii——處理后的指標(biāo)值；

Ei——原始指標(biāo)值；

Emax——指標(biāo)最大值。

指標(biāo)的同趨勢化：采用指標(biāo)轉(zhuǎn)置，將指標(biāo)通過整理變換，使所有指標(biāo)轉(zhuǎn)化為同一方向，用下式計算：

Eii=Emax+Emin-Ei

式中 Emin——指標(biāo)最小值。

②建立層次關(guān)系（距離）矩陣。樣本標(biāo)準(zhǔn)化后，用被分類（分區(qū)）對象間的相似程度rij來建立層次關(guān)系矩陣，rij=0 表明樣本i 與樣本j 毫不相似，rij=1 表示這兩個樣本完全相同。

③計算樣本之間的距離。采用歐氏距離平方法，計算公式為：

式中 k——每個樣本有k 個變量；

Xi——第一個樣本在第i 個變量上的取值；

Yi——第二個樣本在第i 個變量上的取值。

3）分區(qū)結(jié)果分析計算。通過以上聚類分析方法計算出14 個地區(qū)的距離矩陣，運用SPSS 層次聚類分析模塊，將分區(qū)指標(biāo)進行計算，得出層次聚類分析樹形圖，見圖2。全省14 個市州按農(nóng)業(yè)節(jié)水劃分，共分為3大類，見表3。

圖2 農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)層次聚類分析樹形圖

將農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)結(jié)果與《湖南省節(jié)水型社會建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中的五大節(jié)水分區(qū)進行對比，并對照《湖南省水資源調(diào)查評價》（2008）中的產(chǎn)水模數(shù)，見表3。本研究分區(qū)結(jié)果突破了純按地域或水資源量分區(qū)的局限，從農(nóng)業(yè)節(jié)水緊迫性的角度得到的分區(qū)結(jié)果更有指導(dǎo)意義。

基于以上分析，在大豆根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)程序設(shè)計中要充分考慮主根的三維可視化效果，主根的繪制可以利用OpenGL提供的畫圓柱函數(shù)進行實現(xiàn)，其基本語法格式為：

2.3 工業(yè)節(jié)水分區(qū)

1）分區(qū)指標(biāo)。目前我國關(guān)于工業(yè)節(jié)水評價研究的指標(biāo)體系可歸納為兩大類七種指標(biāo)[4]。兩大類是工業(yè)用水復(fù)用類指標(biāo)和工業(yè)取水水量類指標(biāo)。工業(yè)取水水量類指標(biāo)包括：工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量、單位產(chǎn)品取水量、附屬生產(chǎn)人均日取水量等。工業(yè)用水復(fù)用類指標(biāo)包括：工業(yè)用水重復(fù)利用率、間接冷卻水循環(huán)率、工藝水回用率、蒸汽冷凝水回用率等。但該指標(biāo)體系中的指標(biāo)，重復(fù)且不全面，如工業(yè)用水重復(fù)利用率就包含了間接冷卻水循環(huán)率、工藝水回用率等指標(biāo)，但對于工業(yè)節(jié)水投資及工業(yè)廢水方面的指標(biāo)，卻沒有提及。

表3 各市州農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)與“十三五分區(qū)”對比表

結(jié)合建立指標(biāo)體系的原則以及城市工業(yè)節(jié)水的特點，為了全面考慮湖南省工業(yè)節(jié)水水平，在總結(jié)工業(yè)節(jié)水分區(qū)模式時，依然沿用此指標(biāo)體系作為分區(qū)模式指標(biāo)體系。采用萬元產(chǎn)值取水量、萬元增加值取水量、單位產(chǎn)品取水量、工業(yè)用水重復(fù)利用率、單方工業(yè)節(jié)水投資和萬元工業(yè)廢水排放量作為工業(yè)節(jié)水綜合評價指標(biāo)體系。

2）工業(yè)節(jié)水分區(qū)結(jié)果。把分區(qū)指標(biāo)及原始數(shù)據(jù)輸入SPSS 軟件，按照離差平方和聚類法操作，經(jīng)過39 次聚類，輸出聚類分析樹形圖見圖3。

根據(jù)各類城市的經(jīng)濟發(fā)展水平和工業(yè)產(chǎn)業(yè)特征，按工業(yè)節(jié)水建設(shè)條件可把各類城市概括為三類，分類結(jié)果見表4。

3 分區(qū)節(jié)水模式（表5）

節(jié)水型社會建設(shè)是一項系統(tǒng)性工程，它以節(jié)水為中心，是節(jié)水技術(shù)、管理措施與水資源合理開發(fā)綜合集成的統(tǒng)一體系，其建設(shè)應(yīng)分區(qū)、有重點的進行。通過分行業(yè)節(jié)水分區(qū)，可根據(jù)各區(qū)特點，分區(qū)指導(dǎo)節(jié)水型社會建設(shè)活動的開展，使其更加符合當(dāng)?shù)氐膶嶋H，提高水資源利用率，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟和社會效益。

圖3 工業(yè)節(jié)水分區(qū)樹形圖

表4 湖南省工業(yè)節(jié)水分區(qū)結(jié)果表

3.1 農(nóng)業(yè)分區(qū)節(jié)水模式

I 類行政區(qū)為農(nóng)業(yè)節(jié)水非常緊迫區(qū)，主要分布于湘中地區(qū)以及部分湘南地區(qū)。邵陽、衡陽、婁底屬于“湘中地區(qū)”，永州屬于“湘南地區(qū)”，是湖南省的干旱走廊，其區(qū)域水資源非常短缺，同時又是湖南省的重要能源基地，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，農(nóng)業(yè)發(fā)展較為滯后，故節(jié)水工作的重點應(yīng)節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，加強水利設(shè)施建設(shè)，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。

表5 各市州用水紅線與主要用水行業(yè)綜合節(jié)水分區(qū)節(jié)水模式

II 類行政區(qū)為農(nóng)業(yè)節(jié)水較為緊迫區(qū)，主要分布于長株潭地區(qū)、洞庭湖區(qū)以及部分湘西湘南區(qū)。其水資源較豐富，但是由于農(nóng)業(yè)用水需求量較高，故還存在一定的缺水問題，且由于人口密集，水污染問題較嚴(yán)重。因此應(yīng)在進一步提高其農(nóng)業(yè)水效率的同時，加強節(jié)水和生態(tài)保護的宣傳教育，應(yīng)用群眾的力量推行全民節(jié)水全民減排。

III 類行政區(qū)為農(nóng)業(yè)節(jié)水一般緊迫區(qū)，張家界、湘西州主要分布于“湘西地區(qū)”，是湖南省重要的生態(tài)屏障區(qū)，水資源較豐富，水環(huán)境較好。該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展相對滯后，農(nóng)業(yè)發(fā)展也較落后，應(yīng)充分利用當(dāng)?shù)刎S富的水資源，加強農(nóng)業(yè)發(fā)展，支持貧困地區(qū)基本口糧田和特色林果業(yè)規(guī)模發(fā)展，在提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的同時保護好水環(huán)境。

3.2 工業(yè)分區(qū)節(jié)水模式

工業(yè)III 類行政區(qū)：工業(yè)主導(dǎo)型經(jīng)濟欠發(fā)達、工業(yè)節(jié)水建設(shè)基礎(chǔ)較差，其節(jié)水應(yīng)重點在節(jié)約、減漏兩個角度進行。

工業(yè)II 類行政區(qū)：有一定工業(yè)基礎(chǔ)、經(jīng)濟欠發(fā)達、工業(yè)節(jié)水建設(shè)基礎(chǔ)一般，工業(yè)節(jié)水建設(shè)不足，節(jié)水重點除了節(jié)約、減漏外，應(yīng)加強節(jié)水型生產(chǎn)設(shè)備的引入和提高工業(yè)水重復(fù)利用率。

工業(yè)I 類行政區(qū)：工業(yè)型經(jīng)濟發(fā)達、工業(yè)節(jié)水建設(shè)基礎(chǔ)好的重點行政區(qū)。在節(jié)約、減漏、加強節(jié)水型生產(chǎn)設(shè)備引入、工業(yè)水重復(fù)利用率提高的同時，建議開發(fā)再生水資源。

4 結(jié)論與展望

在區(qū)域水資源條件、用水現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以指示水資源承載能力的用水總量控制紅線為約束[5]，按主要用水行業(yè)分區(qū)節(jié)水模式為指導(dǎo)，為區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展制定有針對性的節(jié)水策略提供依據(jù)，各市州主要節(jié)水模式見表5。

在后期研究中應(yīng)深入到工業(yè)用水行業(yè)中，工業(yè)用水中行業(yè)類型及結(jié)構(gòu)對用水量影響較大，如高耗水行業(yè)，但由于數(shù)據(jù)的缺乏，此次分區(qū)中未從行業(yè)結(jié)構(gòu)分析，在后期研究中應(yīng)深入到工業(yè)用水行業(yè)中。