張志彬，丁 瑩，陸明偉，楊延強(qiáng)，張玉芳

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東 泰安271018；2.山東水利技師學(xué)院，山東 淄博255130；3.淄博師范高等?？茖W(xué)校，山東 淄博255130；4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安271018；5.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東 泰安271018)

0 引言

水資源既是一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，又是21世紀(jì)的戰(zhàn)略性資源，而水資源的利用在區(qū)域間存在明顯的差異[1-4]。

用水結(jié)構(gòu)是以用水比例來反映一定時(shí)期內(nèi)各部門的實(shí)際用水情況，用水分析及預(yù)測(cè)是水資源管理和規(guī)劃的前提，也是水資源合理配置的基礎(chǔ)[5-8]。近年來，不少學(xué)者在用水結(jié)構(gòu)分析方面做了大量研究，早期用水結(jié)構(gòu)分析主要從農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活這3個(gè)方面進(jìn)行分析，農(nóng)業(yè)一直是耗水最多的部門，甚至在水資源匱乏的華北都出現(xiàn)過地下水超采現(xiàn)象，但隨著農(nóng)業(yè)用水效益的提高、糧食安全保障、農(nóng)作物生產(chǎn)效益以及蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面的技術(shù)研究，水利設(shè)施的發(fā)展及政策的落實(shí)，農(nóng)業(yè)用水效率有了明顯提高[9-13]。科技的發(fā)展使得工業(yè)方面水資源利用效率及重復(fù)利用率均有明顯提升，服務(wù)業(yè)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化的加快導(dǎo)致生活用水量明顯增加[14]。生態(tài)文明的提倡、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)環(huán)境的治理及維護(hù)使得生態(tài)用水量不斷攀升[15-16]。因此，近年來用水結(jié)構(gòu)的研究多是從農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)4個(gè)方面進(jìn)行分析。

水環(huán)境是一個(gè)循環(huán)體，為使其利用結(jié)構(gòu)分析更具客觀性，研究者的分析方法不斷精益求精[17-18]。趙楠芳等[19]運(yùn)用信息熵分析了撫河流域的用水結(jié)構(gòu)及影響因素。張玲玲等[20]在對(duì)用水量模擬預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上對(duì)影響系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，動(dòng)態(tài)模擬了用水結(jié)構(gòu)的變化。劉洋等[21]運(yùn)用線性回歸的方法對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水結(jié)構(gòu)的相關(guān)性做了分析。更有學(xué)者運(yùn)用其他方法來分析用水結(jié)構(gòu)[22]。在用水結(jié)構(gòu)的分析上，大多是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法或模型針對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行分析，對(duì)區(qū)域間的用水結(jié)構(gòu)演變的對(duì)比及影響因素的分析比較少見。

區(qū)域經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)和社會(huì)的健康發(fā)展都離不開合理的用水結(jié)構(gòu)，但在中國(guó)行業(yè)間存在用水效益低、產(chǎn)值低、污水排放量過大和水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，針對(duì)以上問題，本研究在空間上分別由北向南、由東向西從中國(guó)東北部、東部、中部和西部4大經(jīng)濟(jì)區(qū)中選取吉林、浙江、山東、湖南、四川和新疆6省(自治區(qū))作為研究對(duì)象，對(duì)其用水結(jié)構(gòu)演變過程及影響因子展開研究，進(jìn)而為不同區(qū)域間用水結(jié)構(gòu)和水資源的優(yōu)化配置提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)年限范圍為2004—2018年，其中水資源總量、地下水總量、用水總量、生態(tài)用水總量、降雨量來源于各省(自治區(qū))水資源公報(bào)，各省(自治區(qū))的一二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、廢水排放量、城市綠地面積、城鎮(zhèn)人口數(shù)量、鄉(xiāng)村人口數(shù)量來源于各省(自治區(qū))每年的統(tǒng)計(jì)年鑒，節(jié)水灌溉和灌溉面積來源于布瑞克農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 不同區(qū)域用水結(jié)構(gòu)變化

由圖1可知，2004—2018年以來，6省(自治區(qū))中吉林、新疆兩地農(nóng)業(yè)用水量在2004—2012年呈現(xiàn)明顯走高趨勢(shì)，而后幾年又略有下降，同時(shí)新疆也是幾個(gè)省(自治區(qū))中農(nóng)業(yè)用水量最大的區(qū)域，這與其種植農(nóng)作物的種類息息相關(guān)。

圖1 2004—2018年6省(自治區(qū))農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水量變化Fig.1 Changes of agricultural，industrial，domestic and ecological water consumption in six provinces(autonomous regions)from 2004 to 2018

吉林生活及生態(tài)用水量逐步升高，新疆的生態(tài)用水量變化呈現(xiàn)先降低后升高的態(tài)勢(shì)。山東和浙江的農(nóng)業(yè)用水量呈逐步走低趨勢(shì)，山東的工業(yè)用水量無明顯變化，而生活及生態(tài)用水量逐步升高，浙江的生活用水量逐步升高，生態(tài)用水量呈逐步降低趨勢(shì)。四川的農(nóng)業(yè)用水量逐步走高，工業(yè)用水量呈逐步降低的趨勢(shì)，生活、生態(tài)用水量逐步升高。湖南農(nóng)業(yè)用水量無明顯變化、工業(yè)用水量略見升高趨勢(shì)、生活及生態(tài)用水量無明顯變化。從以上分析來看，浙江生態(tài)用水量是唯一呈逐步降低趨勢(shì)的地區(qū)，除湖南生活用水量無明顯變化外，其他省份(自治區(qū))均呈上升趨勢(shì)。

3 基于信息熵的用水結(jié)構(gòu)演變

3.1 信息熵

信息熵源自于熱力學(xué)中的物理概念，稱之為熱力學(xué)熵，后來有學(xué)者在統(tǒng)計(jì)學(xué)上賦予了其新的解釋，稱為統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)熵。1948年，香農(nóng)提出了“信息熵”的概念，解決了對(duì)信息度量的問題。很多學(xué)者解決水資源問題時(shí)，在建模、優(yōu)化及預(yù)測(cè)等方面都運(yùn)用了信息熵，其中包括了對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)等方面用水比例的演變分析問題。

若水資源總量為W，并假設(shè)各個(gè)用水部門為{x1，x2，x3，…，xn}，各個(gè)部門用水量為{w1，w2，w3，…，wn}，則W=w1+w2+w3+…+wn，各個(gè)部門用水量比例為Pi=wi·W，且

(1)

對(duì)照Shannon的公式，某一區(qū)域內(nèi)用水結(jié)構(gòu)的信息熵用H表示，單位是奈特(net)，反映整個(gè)用水結(jié)構(gòu)的分配狀況，其值越大表明各部門的用水結(jié)構(gòu)愈均勻。信息熵公式為

(2)

不同時(shí)間段內(nèi)，用水部門類型不完全一樣，在整個(gè)用水系統(tǒng)中，若只有一個(gè)用水戶時(shí)，Hmin=0，但相反，當(dāng)w1=w2=w3=…=wn=W/n，即用水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最混亂時(shí)，Hmax=ln(n)。但在現(xiàn)實(shí)中這兩種情況屬于極端的狀況，一般信息熵是介于兩者之間的，即Hmin≤H≤Hmax。為避免因不同時(shí)間段所選取的用水部門數(shù)據(jù)的差異性，用E表示區(qū)域用水系統(tǒng)均衡度。E為信息熵與最大信息熵的比值，取值范圍(0，1)，其值越大表明用水結(jié)構(gòu)愈均衡，系統(tǒng)愈穩(wěn)定；其值越小，說明用水結(jié)構(gòu)偏向單一用水類型愈嚴(yán)重。用水結(jié)構(gòu)均衡度計(jì)算公式為

(3)

3.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，2004—2018年6省(自治區(qū))用水結(jié)構(gòu)均衡度如表1所示，山東的用水結(jié)構(gòu)均衡度由0.56增長(zhǎng)到0.74，呈持續(xù)上升趨勢(shì)，表明其用水系統(tǒng)越來越趨于合理；吉林(0.64～0.75)和新疆(0.17～0.32)變化幅度較大；而四川(0.72～0.75)、湖南(0.68～0.72)和浙江(0.81～0.89)變化幅度均不大。

表1 2004—2018年6省(自治區(qū))用水結(jié)構(gòu)均衡度值Tab.1 Balance degree of water use structure in six provinces(autonomous regions)from 2004 to 2018

從空間上看，用水結(jié)構(gòu)均衡度由北向南(吉林、山東、浙江)呈逐漸上升趨勢(shì)，由東向西(浙江、湖南、四川、新疆)呈逐漸下降趨勢(shì)；但吉林(0.64～0.75)、湖南(0.68～0.72)在2004—2015年間用水結(jié)構(gòu)均衡度均大于山東省(0.56～0.69)，而在此后2016—2018年山東省(0.69～0.74)則領(lǐng)先于吉林(0.64～0.67)、湖南(0.70～0.72)，說明吉林、湖南在用水結(jié)構(gòu)方面具有一定的調(diào)整空間。

近年來，四川和浙江兩省的用水結(jié)構(gòu)均衡度在6省(自治區(qū))中處于領(lǐng)先地位，但無明顯變化，四川的平均用水結(jié)構(gòu)均衡度約為0.73，浙江的平均用水結(jié)構(gòu)均衡度約為0.84。新疆的用水結(jié)構(gòu)均衡度在2004—2018年間持續(xù)偏低，且呈下降趨勢(shì)，說明我國(guó)西北部用水結(jié)構(gòu)有較大調(diào)整空間。以上用水結(jié)構(gòu)均衡度均與各區(qū)域的地理位置、水資源稟賦、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)狀況等因素有關(guān)。

4 基于主成分分析的影響因子分析

4.1 主成分分析

主成分分析是為了更全面地、系統(tǒng)地分析問題，通過降維的方式將眾多關(guān)聯(lián)變量轉(zhuǎn)換為少量綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)方法。若n個(gè)樣品，每個(gè)樣品有p個(gè)指標(biāo)，則每個(gè)樣品有x1、x2、…、xp個(gè)變量，經(jīng)過主成分分析，將它們綜合成p個(gè)綜合變量，且使這些綜合指標(biāo)重要程度逐漸減弱并彼此間不相關(guān)。

4.2 分析過程及選取影響因子

區(qū)域用水結(jié)構(gòu)受到諸多因素的影響，從自然稟賦、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、人口環(huán)境等方面選取14個(gè)影響因子，分別是水資源總量(108m3)、地下水量(108m3)、降雨量(mm)、用水總量(108m3)、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(108元)、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(108元)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(108元)、節(jié)水灌溉面積(103hm2)、灌溉面積(103hm2)、生態(tài)用水總量(108m3)、廢水排放量(104t)、城市綠地面積(104hm2)、城鎮(zhèn)人口數(shù)量(104人)和鄉(xiāng)村人口數(shù)量(104人)。

4.3 分析結(jié)果

運(yùn)用SPSS軟件，將14個(gè)影響因子代入，為便于計(jì)算分別將用水總量、生態(tài)用水總量、水資源總量、地下水量、廢水排放量、城市綠地、城鎮(zhèn)人口、鄉(xiāng)村人口、降雨量、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、節(jié)水灌溉和灌溉面積14個(gè)影響因子設(shè)置為x1、x2、x3……、x14。

選取累計(jì)貢獻(xiàn)率>85%的主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率越大說明包含的信息利用率越高。計(jì)算結(jié)果如表2所示，吉林、新疆、湖南3省(自治區(qū))的第一、第二和第三主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率均>88%，其余3省的第一和第二主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率也均>88%，因此符合分析要求。各省所選取14個(gè)影響因子在各省主成分上的載荷如表3所示。

表2 特征值和主成分貢獻(xiàn)率Tab.2 Eigenvalues and principal component contribution rates

由表3可知，在6省(自治區(qū))中，第一主成分與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、廢水排放量、城市綠地、城鎮(zhèn)人口、鄉(xiāng)村人口、節(jié)水灌溉等有較大相關(guān)性，這些影響因子體現(xiàn)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)和節(jié)水技術(shù)的發(fā)展以及人口增長(zhǎng)。第二主成分與水資源總量、地下水量和降雨量等有較大相關(guān)性，體現(xiàn)為區(qū)域內(nèi)水資源自然稟賦。第三主成分與生態(tài)用水總量有較大相關(guān)性，與近年來我國(guó)對(duì)環(huán)境治理及維護(hù)的重視，致使生態(tài)用水量逐年增加，引起了用水結(jié)構(gòu)的變化。

表3 主成分載荷矩陣Tab.3 Principal component load matrix

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

據(jù)2004—2018年用水?dāng)?shù)據(jù)分析，浙江用水總量逐年遞減，四川用水總量逐年遞增，湖南用水總量沒有明顯變化，吉林、山東和新疆用水總量均是先遞增后遞減的趨勢(shì)，由此可知，近年來在我國(guó)東北部，西北部及東部水資源較匱乏的地區(qū)節(jié)水效益顯著。用水結(jié)構(gòu)方面，僅山東的用水結(jié)構(gòu)均衡度是持續(xù)上升趨勢(shì)，表明用水結(jié)構(gòu)越來越趨于合理，除新疆的用水結(jié)構(gòu)均衡度持續(xù)偏低外，其他四省均無明顯變化。

關(guān)于用水結(jié)構(gòu)的影響因子，首先體現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)和節(jié)水技術(shù)的發(fā)展及人口增長(zhǎng)。隨著服務(wù)業(yè)的興起，城鎮(zhèn)化的加快，人口的增長(zhǎng)致使第三產(chǎn)業(yè)和生活用水量明顯增加；農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)發(fā)展提高了農(nóng)田灌溉系數(shù)，工業(yè)節(jié)水技術(shù)也有了較大發(fā)展，因此用水結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了演變。其次體現(xiàn)了水資源的自然稟賦。中國(guó)北方和南方水資源擁有量和降雨量差距較大，這是用水結(jié)構(gòu)中不可避免的自然因素。最后體現(xiàn)了生態(tài)治理因素，環(huán)境整治力度的加大，使生態(tài)用水量呈上升趨勢(shì)。

5.2 用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

5.2.1 合理配置產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可作為減少水資源消耗及降低水污染物排放的有效途徑[23]。不同產(chǎn)業(yè)間，隨著第三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，根據(jù)資源的流動(dòng)性，會(huì)轉(zhuǎn)而流向利潤(rùn)相對(duì)較高的行業(yè)，特別是在水資源欠缺的北方，發(fā)展水資源利用效益低的農(nóng)業(yè)會(huì)造成水資源更加緊缺的狀況，為此應(yīng)鼓勵(lì)發(fā)展二、三產(chǎn)業(yè)中節(jié)水效益高及污水排放量少的行業(yè)。在產(chǎn)業(yè)內(nèi)部，首先，在不損害農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益前提下，采用節(jié)水農(nóng)藝及調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)以減少農(nóng)業(yè)用水量，為農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用做鋪墊。其次，增加工業(yè)生產(chǎn)科技投入，加快向新型工業(yè)化的轉(zhuǎn)型速度，以提高工業(yè)用水重復(fù)使用率并減少工業(yè)污水的排放量。最后，從信息化及智能化角度出發(fā)，帶動(dòng)第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以減少資源消耗量并減少污水的排放量。

5.2.2 優(yōu)化節(jié)水灌溉方式

6省(自治區(qū))中，僅山東和浙江在農(nóng)業(yè)用水方面有明顯減少趨勢(shì)，作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)農(nóng)業(yè)用水依然是各產(chǎn)業(yè)中的用水大項(xiàng)，總體水平上提高灌溉效率勢(shì)在必行，建議進(jìn)一步研發(fā)成本低、便于普及的節(jié)水灌溉方式。另外，加強(qiáng)可持續(xù)利用水資源重要性的宣傳、節(jié)水灌溉管理及微噴灌等節(jié)水灌溉補(bǔ)貼力度，為節(jié)水效益高的微噴灌等灌溉方式的推廣及實(shí)施提供的有利條件。

5.2.3 控制生活用水

2004—2018年6省(自治區(qū))生活用水均有明顯遞增趨勢(shì)，人口總量及城鎮(zhèn)化的加快使得生活用水不斷增加，嚴(yán)格執(zhí)行階梯式水價(jià)政策的同時(shí)，建議制定居民節(jié)水物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)制度。對(duì)第三產(chǎn)業(yè)中的高用水行業(yè)，如洗車、餐飲、學(xué)校及醫(yī)院等，加大節(jié)約用水的宣傳力度，并對(duì)安裝了節(jié)水設(shè)備或可利用水(如雨水等)蓄水設(shè)備的單位進(jìn)行補(bǔ)貼或嘉獎(jiǎng)，以此使生活用水量的增長(zhǎng)幅度得到控制。

5.2.4 多元化生態(tài)用水

近年來，除浙江、湖南以外，6省(自治區(qū))中其他省份生態(tài)用水均呈明顯上升趨勢(shì)，反映出中國(guó)北方水資源欠缺地區(qū)均因生態(tài)環(huán)境的維護(hù)和治理形成的生態(tài)用水量影響了用水結(jié)構(gòu)。隨著城鎮(zhèn)化的加快，綠化灌溉、景觀補(bǔ)水及環(huán)衛(wèi)清潔用水量也在不斷加大，雖屬于環(huán)境維護(hù)用水，但這部分用水量統(tǒng)計(jì)在生活用水中，而現(xiàn)實(shí)中多方面因素導(dǎo)致生活污水排放量不斷加大，因此建議利用生活污水處理后的再生水補(bǔ)充城區(qū)的環(huán)境維護(hù)用水，以達(dá)到節(jié)約用水目的。為維護(hù)生態(tài)環(huán)境，河湖水量補(bǔ)充及水土流失的治理等使生態(tài)環(huán)境的用水量也在逐年增加，建議加強(qiáng)海水淡化力度的研究，為生態(tài)環(huán)境用水另辟出路。