吳 旭， 陶 濤， 吳潤澤， 王曉琳,4*

(1.河北工程大學水利水電學院， 邯鄲 056038； 2.河北省邯鄲水文勘測研究中心， 邯鄲 056001； 3.海河水利委員會漳河上游管理局， 邯鄲 056006； 4.河北省智慧水利重點實驗室， 邯鄲 056038)

水資源匱乏、時空分布不均是困擾京津冀地區(qū)當前社會經濟發(fā)展的重點難題之一。隨著各行業(yè)產業(yè)化進程的全面提速，“節(jié)水優(yōu)先，空間均衡，系統(tǒng)治理，兩手發(fā)力”這十六字治水方針是破解水資源短缺和落實綠色發(fā)展的根本途徑[1-2]，而深入分析區(qū)域用水結構及其均衡性的空間分布和演變規(guī)律，則是其中的首要任務和基礎性工作。通過區(qū)域用水結構重心移動軌跡以及區(qū)域經濟重心移動軌跡，可以判斷區(qū)域用水與經濟之間是否真的存在很大的相關性，進一步可以研究該區(qū)域不同部門用水量與三大產業(yè)之間的相關性?，F(xiàn)實意義上，通過區(qū)域用水結構重心以及經濟重心移動軌跡的時空研究，能更準確地把握水資源利用與經濟協(xié)調發(fā)展路徑，同時，通過GIS(global information system)軟件能夠將各重心的計算結果更加直觀地表現(xiàn)在地圖上，充分實現(xiàn)空間可視化，為區(qū)域未來水資源合理開發(fā)利用能、經濟政策、產業(yè)政策的制定提供參考依據。

目前有關用水結構的研究在內容上，主要集中在用水結構演變趨勢及驅動因子分析[3-4]、用水結構變化及預測分析[5]、產業(yè)結構與用水結構協(xié)調性分析[6-8]、區(qū)域用水差異性變化分析[9-10]等方面，在研究方法上主要采用主成分分析[11]、灰色關聯(lián)分析[12]、生態(tài)位法[13]、信息熵[14]、基尼系數(shù)等。現(xiàn)有的研究成果，大多著眼于單一區(qū)域層面的用水結構在時間尺度上的變化分析，較少涉及空間演變過程的研究，缺乏空間各區(qū)域間對比分析。水資源作為推動經濟發(fā)展的主導力量之一，在地區(qū)經濟增長方式轉變以及產業(yè)結構調整的背景下，水資源的可持續(xù)發(fā)展是保持區(qū)域經濟健康平穩(wěn)發(fā)展的重要因素。因此，有必要聯(lián)合經濟因素綜合分析研究區(qū)域用水結構空間分布演變過程。

邯鄲市地處晉冀魯豫四省交界，地勢地貌類型復雜多樣，水資源空間分布不均，用水結構長期處于不夠合理的狀態(tài)。在國家宏觀調控下，邯鄲的產業(yè)布局正處于不斷優(yōu)化、傳統(tǒng)產業(yè)升級轉型階段，產業(yè)發(fā)展水平在空間上呈現(xiàn)明顯的聚集特征，用水結構時空演變復雜，而現(xiàn)有的研究較少涉及不同子區(qū)域之間的空間對比分析，且未能因地制宜地反映邯鄲的用水結構變化規(guī)律與社會經濟發(fā)展要素之間的關系。

鑒于此，現(xiàn)采用信息熵原理、洛倫茲曲線和基尼系數(shù)等方法，探討2008—2017年邯鄲及11縣1市6區(qū)間的用水結構時間演變規(guī)律和空間分布特征，并在此基礎上，引入重心模型，通過區(qū)域經濟重心移動的軌跡對其用水結構空間演變特征進行驗證，更準確地揭示近年來區(qū)域用水結構演變路徑和發(fā)展趨勢，以期能夠為區(qū)域水資源合理開發(fā)利用和產業(yè)結構優(yōu)化提供依據，從而促進地方經濟與區(qū)域水資源的和諧發(fā)展。

1 研究方法

1.1 信息熵理論

利用信息熵的原理來描述區(qū)域用水結構的演變特征，為了比較和衡量不同類型用水的均衡性，故引入均衡度的概念[15]。計算公式為

(1)

(2)

式中：pi為某種類型用水的比重，pi=qi/Q，pi≥0,且∑pi=1。其中，qi為某種類型的用水量，假設某區(qū)域用水總量由n種不同類型用水組成，則q1+q2+…+qn=Q。J為均衡度，即為實際熵值H與最大熵值Hmax的比值。其值越大，表明用水類型多樣化，且各類型用水分布越均勻，系統(tǒng)的均衡性越強。

1.2 洛倫茲曲線和基尼系數(shù)

洛倫茲曲線和基尼系數(shù)最初主要用來研究收入分配的均勻性。后被應用到水資源領域中，描述區(qū)域用水結構空間分布的差異程度[16-17]。以邯鄲市為例進行介紹。

首先，計算各個區(qū)縣不同用水類型的區(qū)位熵，用以反映某類型用水在空間分布上的相對集中程度[18-20]。計算公式[21]為

Dij=(Yij/Yj)/(Wi/W)，

i=1,2,…，m，j=1,2,…，n

(3)

式(3)中：D為區(qū)位熵；Yij為某i區(qū)縣第j種用水量；Yj為邯鄲市第i種用水量；Wi為某區(qū)縣總用水量；W為邯鄲市總用水量；m為縣區(qū)的個數(shù)；n為用水類型數(shù)。

然后，按區(qū)位熵值由小到大排序，計算不同類型用水量的百分比和總用水量的百分比，再分別計算其累計百分比。最后，根據計算結果繪制不同類型用水的洛倫茲曲線。曲線的彎曲程度反映不同類型用水空間分布的差異性。區(qū)域用水結構空間分布均衡的最理想狀態(tài)是洛倫茲曲線為一條y=x的直線，此直線又被稱為絕對均勻線，通常被用以定性分析判斷實際用水結構空間分布的均衡性。

基尼系數(shù)則是從定量的角度描述用水空間分布的狀況，計算公式為

(4)

式(4)中：G為基尼系數(shù)，0≤G≤1。Mi為某區(qū)縣某一類型用水量的累計百分比；Pi為某區(qū)縣用水總量占全市用水總量的百分比。

選擇邯鄲市下轄的11縣1市6區(qū)進行研究，考慮到數(shù)據統(tǒng)計口徑的一致性，將復興區(qū)、邯山區(qū)和叢臺區(qū)數(shù)據合并組成主城區(qū)，故1≤i≤16，i為整數(shù)。國際上基尼系數(shù)評價的取值標準見表1。

表1 基尼系數(shù)與評價結果間的關系Table 1 The relationship between Gini coefficient and evaluation results

1.3 重心模型

(5)

將邯鄲市16個區(qū)縣作為平面單元，將各區(qū)縣級政府所在地的地理位置作為該平面單元的經緯度坐標。當某種屬性量值發(fā)生改變，則代表該屬性的區(qū)域重心發(fā)生移動，重心移動的方向指向屬性值增長的區(qū)域，重心移動的距離表征該屬性值在空間分布的不均衡程度，通過重心變動軌跡則能夠反映某屬性值在區(qū)域內的空間差異性。

為更直觀描述重心分布的趨勢方向，采用Lefever所提出的標準差橢圓(方向分布)進行分析[23]。所謂的標準差橢圓是以所有點的平均中心為中心新建一個橢圓面，該橢圓的長軸和短軸分別表示重心分布的方向和范圍。橢圓長短軸的差距表征重心分布或方向性的明顯程度。

2 分析與討論

2.1 用水結構現(xiàn)狀

依據水資源公報數(shù)據的統(tǒng)計方法，將用水類型劃分為農業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水等四方面進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計數(shù)據則摘自2008—2017年《邯鄲市水資源公報》[24]，邯鄲市用水結構現(xiàn)狀如圖1所示。由圖1可知：2008—2017年，邯鄲市的多年平均總用水量為18.78億m3，整體呈先上升后下降的趨勢。各部門用水比例均有不同程度的變化，其中，農業(yè)、工業(yè)用水占比受節(jié)水灌溉措施的實施和產業(yè)結構調整等因素的影響，均呈不斷下降的趨勢，分別由72.6%、14.1%降到69.7%、11.8%，生活、生態(tài)用水占比則主要受城鎮(zhèn)化率和社會經濟水平的提高均呈上升趨勢，分別由13.0%、0.3%提高到16.4%、2.2%。

圖1 2008—2017年邯鄲市用水結構Fig.1 Water consumption in Handan City from 2008—2017

2.2 用水結構時間變化趨勢分析

圖2所示為邯鄲市2008—2017年用水結構的信息熵和均衡度變化情況，由圖2可知，邯鄲市用水結構整體上均呈緩慢增長趨勢。其中，2008—2010年期間，信息熵值和均衡度分別由0.789和0.569緩慢增長至0.792和0.571，信息熵值的增長率為0.07%；2011年之后，信息熵和均衡度呈波動逐漸增長的趨勢，熵值增長率平均為0.35%。根據信息熵和均衡度的基本內涵，其數(shù)值與單一用水類型的優(yōu)勢性成反比，即信息熵值和均衡度越大，則各用水類型所占比例的差別就越小，系統(tǒng)的均衡性和穩(wěn)定性就越強。經分析，可知2008—2017年邯鄲市用水結構正在由以農業(yè)用水占比為主的模式向著各部門用水比例更為均衡、穩(wěn)定的方向發(fā)展。

圖2 邯鄲市用水結構信息熵和均衡度Fig.2 The information entropy and banlance degree of water utilization structure in Handan City

2.3 用水結構空間變化趨勢分析

為分析研究不同時間節(jié)點邯鄲市用水結構在空間上的變化特征，選取2008、2010、2017年為代表年，由式(3)、式(4)計算得到全市各地區(qū)不同類型用水量的區(qū)位熵和基尼系數(shù)，并繪制邯鄲市各分區(qū)用水類型的洛倫茲曲線，結果如圖3～圖5、表2所示。

圖3 2008、2010、2017年邯鄲市各用水類型的洛倫茲曲線Fig.3 Lorentz curves of different types of water use in different regions of Handan City in 2008, 2010 and 2017

圖4 2008、2010、2017年邯鄲市不同類型用水洛倫茲曲線Fig.4 Lorentz curves of different types of water use in Handan City in 2008, 2010 and 2017

圖5 2017年邯鄲市各縣不同類型用水量區(qū)位熵Fig.5 Location entropy of water consumption in various regions of Handan in 2017

表2 邯鄲市典型年不同類型用水基尼系數(shù)及評價結果Table 2 Gini coefficient and evaluation results of water consumption in typical years in Handan City

由圖3可知，2008、2010和2017年邯鄲各類用水的空間分布變化幅度不一，但總體均向均衡性發(fā)展。通過圖4并結合表2，可知農業(yè)用水的洛倫茲曲線在2008、2010和2017年間變化幅度小，三條曲線基本重合，且均與絕對平均線最為接近，其基尼系數(shù)從2008年的0.158減少到2010年的0.156又增加到2017年的0.158，平均變化率僅為0.001%，整體處于“絕對平均”的狀態(tài)。表明各地區(qū)農業(yè)用水比例和利用程度大致相同，空間分布非常均衡；其次較接近絕對平均線的是生活用水，其基尼系數(shù)逐年減小，由“相對合理”轉變?yōu)椤氨容^平均”的狀態(tài)。表明全市各地區(qū)的生活用水量空間分布趨于均衡，差異性趨于減小；工業(yè)用水的洛倫茲曲線距離絕對平均線較遠，其基尼系數(shù)在各年份均大于0.5且有逐年增大的趨勢，處于“差距懸殊”的狀態(tài)。表明工業(yè)用水趨于不均衡性方向發(fā)展，而這與邯鄲工業(yè)結構有密切的關系；相比之下，雖然生態(tài)用水的基尼系數(shù)表現(xiàn)出的也是“差距懸殊”的狀態(tài)，但它的洛倫茲曲線卻逐年向絕對均勻線靠近，其基尼系數(shù)也呈減小趨勢，表明隨著各地區(qū)對生態(tài)文明建設和水生態(tài)修復與防治重視程度的提高，生態(tài)用水量有了顯著增加。

全市各地區(qū)不同年份各類型用水的分布較為穩(wěn)定，以2017年為例，分析各類型用水在各個地區(qū)的分布情況。

由圖5可知，武安市工業(yè)用水區(qū)位熵最高，達5.53，峰峰礦區(qū)次之，為3.65，涉縣、邯鄲市區(qū)的區(qū)位熵也均在1.0以上。結果表明，工業(yè)用水量主要集中分布在邯鄲市中西部，其原因是該區(qū)域蘊藏有豐富的優(yōu)質煤炭和礦石資源，主要工業(yè)以煤炭、鋼鐵等為主，是邯鄲重工業(yè)集中地。農業(yè)用水區(qū)位熵除了以上四個重工業(yè)集中地之外，其他地區(qū)的區(qū)位熵均在1.0以上，其中肥鄉(xiāng)區(qū)、成安縣、廣平縣、館陶縣、大名縣的農業(yè)用水區(qū)位熵在1.2以上。邯鄲有著適宜農業(yè)發(fā)展的氣候條件，而這些地區(qū)又主要分布在邯鄲東部，屬于華北平原，為農業(yè)發(fā)展提供了廣闊的地理條件。生活用水區(qū)位熵大于1.0的有邯鄲市區(qū)、峰峰礦區(qū)、武安市和涉縣，其中邯鄲市區(qū)的生活用水區(qū)位熵超過了2.0。這些地區(qū)具有人口數(shù)量多、城鎮(zhèn)化率高、經濟水平相對較發(fā)達等特點。生態(tài)用水區(qū)位熵值最高的是曲周縣，高達4.71，其次是涉縣、永年區(qū)、邱縣、大名縣和磁縣等地，區(qū)位熵值均在1.0以上。究其原因，主要是因為這些地區(qū)近年來分別開展了河渠治理、蓄水植綠、景觀打造等一系列全域水系生態(tài)修復工程，使生態(tài)用水量有了大幅增加。

2.4 用水結構重心與經濟重心的動態(tài)關系分析

一個區(qū)域的用水結構重心軌跡演變會受到諸多因素影響，除了與該區(qū)域水資源稟賦有關，還與經濟發(fā)展水平密切相關。本文中試圖從GDP、三次產業(yè)產值等經濟角度實證研究邯鄲市用水結構重心的變化。經濟重心移動軌跡表征了各地區(qū)人口、產業(yè)結構布局、土地利用等各領域綜合發(fā)展水平在地理空間上的差異。用水結構重心則是各地區(qū)經濟發(fā)展對水資源承載力影響程度綜合作用的結果。經濟重心發(fā)生轉移說明某些地區(qū)經濟發(fā)展迅速，增大了該區(qū)域水資源承載力的壓力。同時，區(qū)域為實現(xiàn)經濟的穩(wěn)定發(fā)展進而加大了水資源量的開發(fā)利用，因此經濟重心軌跡與用水結構重心軌跡存在相互作用關系。經濟指標數(shù)據源于《邯鄲市統(tǒng)計年鑒》和《河北經濟年鑒》，由于經濟統(tǒng)計數(shù)據中沒有單獨、對應生態(tài)用水量的經濟指標，而生態(tài)用水主要服務于社會，故將生態(tài)用水量計入生活用水量，對應第三產業(yè)產值開展分析。運用重心模型對2008—2017年邯鄲市不同部門用水的年重心，邯鄲市各行業(yè)經濟產值年重心以及重心空間位置移動距離和方向進行測算，并利用ArcGIS10.2對測算結果進行可視化處理，如圖6所示。

由圖6可以看出，近10年來邯鄲市用水結構重心與經濟重心移動軌跡的區(qū)域不完全相互交叉，兩者存在不同程度的偏離，但在空間位置上仍能夠反映其相互之間存在的作用關系。用水總量重心分布在114.650 2°E～114.677 7°E，36.523 4°N～36.546 6°N，基本位于GDP重心東南側。從標準差橢圓形狀來看，用水總量重心的標準差橢圓近似為一個圓形，表明在研究期內邯鄲市用水總量分布較為均衡。GDP重心標準差橢圓的長軸長度約是短軸的3.8倍，表明經濟重心在東西方向分布較南北方向離散特征更明顯，即GDP分布不均衡，東西方向上的經濟差異遠大于南北方向上的。從移動方向上看，用水總量重心呈逆時針偏東南方向移動，GDP重心則整體由西向東，向偏南方移動。從移動距離上看，GDP重心變化劇烈程度大于用水總量重心，表明邯鄲東部地區(qū)社會經濟發(fā)展水平呈上升趨勢，為了緩解經濟社會帶來的水壓力，邯鄲市堅持節(jié)水優(yōu)先，嚴格落實最嚴格水資源管理制度，使用水總量得到控制。

邯鄲市一產、工業(yè)、三產產業(yè)的年重心及重心移動軌跡分別主要分布在邯鄲東部、中西部和中部地區(qū)，反映了邯鄲市產業(yè)結構的空間布局和調整方向。從標準差橢圓形狀來看，三者的重心標準差橢圓的長軸均大于短軸，表明邯鄲市經濟發(fā)展在空間分布上不太均衡，尤其是工業(yè)產值重心，在東西方向上的區(qū)域差異要遠大于南北方向上的。

農業(yè)用水重心較第一產業(yè)重心偏南，主要位于邯鄲市成安縣與肥鄉(xiāng)縣交界處附近，兩者的重心移動軌跡較為相似，農業(yè)用水重心的標準差橢圓形狀接近圓形，表明邯鄲市以東部地區(qū)為主已形成了一定規(guī)模的農業(yè)，在實現(xiàn)農業(yè)經濟穩(wěn)步增長的同時，對種植結構進行了優(yōu)化，并以精細化農業(yè)發(fā)展為導向，不斷推動農業(yè)向低水耗和高產值的方向發(fā)展，提高了產業(yè)用水效率，使農業(yè)用水重心在空間分布上較為均衡。工業(yè)用水重心與工業(yè)產值重心有交叉重合，但兩者轉移軌跡有相悖發(fā)展的趨勢。從2008—2017年，工業(yè)產值重心整體由西向東移動，與GDP重心移動軌跡基本相同，表明東西部地區(qū)的工業(yè)差距正在縮小，工業(yè)依然是邯鄲市的主導產業(yè)。而工業(yè)用水重心在2008—2015年呈現(xiàn)集聚態(tài)勢，在2016—2017年則向西北方向移動，且移動距離較大，主要是因為邯鄲市在“十三五”規(guī)劃中對產業(yè)結構進行了調整和優(yōu)化，東部地區(qū)經濟增長質量較高，與邯鄲中西部地區(qū)高耗水、高污染的鋼鐵產業(yè)相比，東部地區(qū)在經濟增長的同時用水效率高于其他地區(qū)，同時也表明邯鄲市工業(yè)用水重心空間分布不均衡，中西部地區(qū)工業(yè)用水具有一定的節(jié)水潛力。生活用水重心基本位于第三產業(yè)重心東南側，處于邯鄲市主城區(qū)附近，兩者的重心移動軌跡基本一致，在研究期內均呈螺旋聚攏態(tài)勢，表明第三產業(yè)的發(fā)展帶動了人力資本向城市轉移，增加了邯鄲中部地區(qū)常住人口數(shù)量，居民收入的水平的提高使得生活用水量增加，生活用水重心隨之發(fā)生轉移。

3 結論

(1)2008—2017年期間，邯鄲市農業(yè)用水和工業(yè)用水占比呈波動下降趨勢，生活用水和生態(tài)用水的占比則呈緩慢上升的趨勢，用水結構信息熵值總體呈緩慢上升趨勢，用水比例基本朝著均衡方向發(fā)展。從空間上來看，農業(yè)用水處于“絕對平均”的狀態(tài)，生活用水由“相對合理”變成了“比較平均”的狀態(tài)，工業(yè)用水和生態(tài)用水則處于“差距懸殊”的狀態(tài)，且工業(yè)用水空間分布的差異性有增大趨勢。

(2)基于ArcGIS的區(qū)域用水結構重心與經濟重心演變特征分析，直觀反映了不同部門用水量與各行業(yè)經濟產值變化的特征和趨勢，邯鄲東部地區(qū)為農業(yè)用水重心轉移區(qū)，中部地區(qū)為生活用水重心轉移區(qū)，工業(yè)用水重心則逐漸轉移至邯鄲中西部地區(qū)，其中，工業(yè)用水重心與工業(yè)產值重心移動軌跡有相悖發(fā)展的趨勢，進一步實證了邯鄲市用水結構時空演變的區(qū)域性差異較為顯著，為協(xié)調邯鄲市水資源與經濟協(xié)調發(fā)展，優(yōu)化產業(yè)結構提供了宏觀參考依據。