董 森 ，呂樹峰，方宏陽

（1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.邯鄲市漳滏河灌溉供水管理處，河北 邯鄲 056001）

0 引言

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國北方大部分地區(qū)的實(shí)際供水量往往難以滿足區(qū)域日益增長的水資源需求[1]，水資源短缺已成為限制區(qū)域社會(huì)發(fā)展的重要因素。在此背景下，掌握用水結(jié)構(gòu)的演變過程是科學(xué)調(diào)整區(qū)域用水結(jié)構(gòu)、貫徹落實(shí)新時(shí)代治水方針的重要基礎(chǔ)[2]。

當(dāng)前對(duì)于用水結(jié)構(gòu)的研究，主要分為兩類。一是著眼于宏觀的區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化對(duì)用水結(jié)構(gòu)的影響。如焦士興等[3]運(yùn)用生態(tài)位理論，分析了安陽市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水結(jié)構(gòu)間的耦合關(guān)系。二是探究影響用水結(jié)構(gòu)演變的驅(qū)動(dòng)力因素。如呂翠美等[4]分析得出工業(yè)重復(fù)利用率、灌溉面積和城鎮(zhèn)化水平是影響鄭州市工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活的主要驅(qū)動(dòng)力因子等。就研究方法而言，目前，常用的用水結(jié)構(gòu)分析方法有洛倫茲曲線法[5]、生態(tài)位理論[6]、量化水足跡法[7]和信息熵理論[8]等，其中信息熵理論因能夠系統(tǒng)性量化區(qū)域用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定程度，被廣泛應(yīng)用。

近年來，華北地區(qū)水資源管理政策調(diào)整較大，一定程度上影響了區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)。立足上述背景，本研究選取石家莊市為研究區(qū)域，選用信息熵理論分析研究區(qū)域2009—2018年用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，以期為區(qū)域未來用水結(jié)構(gòu)調(diào)整提供參考。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 區(qū)域概況

石家莊市位于河北省中部地區(qū)，華北平原腹地，為河北省省會(huì)，全市面積1.45萬km2，西部地區(qū)位于太行山脈東段，東部地區(qū)位于華北平原，山地面積和平原面積各占市域面積的50%。全市年平均氣溫13.2 ℃，年日照時(shí)數(shù)達(dá)1 916.4 h～2 571.2 h。近年來，石家莊市不斷發(fā)揮作為河北省經(jīng)濟(jì)文化中心的優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)大幅增長，經(jīng)濟(jì)架構(gòu)大幅優(yōu)化，三次產(chǎn)業(yè)比重由2009年的10.3∶49.6∶40.1轉(zhuǎn)變?yōu)?018年的6.9∶37.6∶55.5，第一、第二產(chǎn)業(yè)占比有所下降，第三產(chǎn)業(yè)占比明顯上升，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已由“二、三、一”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭?、二、一”結(jié)構(gòu)。

石家莊市水資源匱乏，2018年石家莊市人均用水量為270.86 m3，僅為當(dāng)年全國平均水平的60%。2009—2018年石家莊市用水情況如圖1所示。2009年以來，石家莊市用水量呈“上升—下降—上升”的波動(dòng)狀，用水量變化較大且變化趨勢不單一，其變化趨勢節(jié)點(diǎn)為2011年和2016年。各行業(yè)用水中，農(nóng)業(yè)用水量除2009—2010年小幅上升外，其余時(shí)間內(nèi)均處于下降態(tài)勢，由2009年的22.83億 m3下降至2018年的16.68億 m3；工業(yè)用水則是在2009—2012年期間不斷上升，2012年后直接下降至2.84億 m3，2017年出現(xiàn)陡增的極值點(diǎn)，達(dá)到3.19億 m3，隨后2018年回落至2.57億m3；生活用水量除在2012年有向下的小幅波動(dòng)情況外，其余時(shí)間均不斷上升，由2009年的3.63億 m3上升至2018年的4.49億m3；生態(tài)用水量在2009—2017年間始終上下波動(dòng)，于2018年出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，由2017年的1.79億 m3大幅上升至2018年的5.74億 m3。

圖1 2009—2018年石家莊市用水量趨勢

1.2 研究方法

信息熵理論最早是由Shannon將熱力學(xué)中熵的概念引入信息論而創(chuàng)立，用以描述系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。由于信息熵理論與用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)比較契合，由劉燕等[9]引入水資源領(lǐng)域用以評(píng)價(jià)區(qū)域用水結(jié)構(gòu)均衡性。信息熵公式表達(dá)如下：

式中：H為信息熵值，其值越大表明用水系統(tǒng)越穩(wěn)定；i為用水類型，一般按照水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水；n為區(qū)域用水類型的總個(gè)數(shù)，按上述統(tǒng)計(jì)類型，其值取4；Pi為各類用水比重。本研究所用數(shù)據(jù)來源于2009—2018 年《河北省水資源公報(bào)》，2009年、2018年《河北省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 區(qū)域信息熵值演變分析

根據(jù)公式（1）計(jì)算得出石家莊市2009—2018年信息熵值，如圖2所示?？梢钥闯?，石家莊市信息熵值總體呈上升態(tài)勢，表明區(qū)域用水結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，用水系統(tǒng)穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)。其中，信息熵值于2011年、2013年2016年和2018年出現(xiàn)明顯上升現(xiàn)象，結(jié)合圖1各行業(yè)用水量變化剖析四個(gè)上升節(jié)點(diǎn)年份的驅(qū)動(dòng)因素如下。

圖2 2009—2018年石家莊市信息熵值演變

1）2011年：石家莊市用水結(jié)構(gòu)信息熵值由2010年的0.81上升至2011年的0.86。2011年中央一號(hào)文件明確提出要實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度[10]，為區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到良好的帶動(dòng)作用，根據(jù)圖1可知，2011年石家莊市農(nóng)業(yè)用水由2010年的23.91億m3下降至23.66億 m3，生態(tài)用水由2010年的1.16 億m3上升至1.59億 m3，二者的變化構(gòu)成該年度信息熵值上升的主要驅(qū)動(dòng)力。

2）2013年：石家莊市用水結(jié)構(gòu)信息熵值由2012年的0.85上升至2013年的0.92。2013年最嚴(yán)格水資源管理制度正式在各行政區(qū)域?qū)嵤?，由于華北地區(qū)普遍存在需水量遠(yuǎn)超供水量的現(xiàn)象，因此“三條紅線”[11]的設(shè)立很好地約束了用水粗放、水資源過度開采等現(xiàn)象，從而倒逼區(qū)域用水效率的提高。此外，水資源管理和考核制度也加強(qiáng)了用水管理部門的工作積極性，同時(shí)規(guī)范了各用水部門的用水模式，以企業(yè)用水方面整改力度最大，石家莊市工業(yè)用水由2012年的3.34億 m3下降至2013年的2.83億 m3。

3）2016年：石家莊市用水結(jié)構(gòu)信息熵值由2015年的0.92上升至2016年的1.00。一方面，為推進(jìn)地下水超采綜合治理，河北省不斷推行噴灌、高標(biāo)準(zhǔn)管灌等農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，并優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)；另一方面，2016年河北省作為水資源稅費(fèi)改革試點(diǎn)省份[12]，農(nóng)業(yè)用水量直接與稅務(wù)掛鉤，調(diào)動(dòng)了農(nóng)戶的節(jié)水積極性。另外，2016年石家莊市遭遇“7·19”暴雨，多數(shù)耕地積水嚴(yán)重導(dǎo)致灌溉次數(shù)減少，各方面影響下使石家莊市該年度農(nóng)業(yè)用水大幅下降，由2015年的19.32億 m3下降至2016年的17.28億 m3，降幅達(dá)10.56%。同時(shí)，受暴雨影響，石家莊市生態(tài)用水量在2016年大幅增加，由2015年的1.50億 m3增長至2.07億 m3。

4）2018年：石家莊市用水結(jié)構(gòu)信息熵值由2017年的1.00上升至2018年的1.14，漲幅較大，達(dá)14%。2018年，河北省繼續(xù)加大推行農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的力度，著重推廣節(jié)水農(nóng)作物品種，并配套實(shí)施節(jié)水工藝，使得農(nóng)業(yè)用水再次下降，由2017年的17.40億 m3下降至2018年的16.68億 m3；同時(shí)，2018年南水北調(diào)中線工程發(fā)揮其綜合效益，為石家莊市生態(tài)補(bǔ)水效果顯著，滹沱河多處斷流段恢復(fù)過流，促使該年度石家莊市生態(tài)用水量大幅增加，由2017年的1.79億 m3上升至2018年的5.74億 m3，漲幅達(dá)220.67%。綜上，該年度石家莊市信息熵值的陡增主要是由于農(nóng)業(yè)用水的小幅下降和生態(tài)用水的大幅上升。

3 討論

分析區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)信息熵值演變過程無法得出相較于其他區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)調(diào)整速率。為此，需與同區(qū)位其他城市的相關(guān)研究結(jié)果對(duì)比分析。與吳旭等[13]對(duì)邯鄲市和鄧歐等[14]對(duì)張家口市用水結(jié)構(gòu)分析的研究成果對(duì)比來看，邯鄲市的用水結(jié)構(gòu)信息熵值上升幅度明顯不如石家莊市，表明邯鄲市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整幅度、用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化速率較石家莊市有一定差距，印證了石家莊市作為省會(huì)城市的政治和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；而與楊碩[15]對(duì)北京市用水結(jié)構(gòu)分析的研究成果對(duì)比來看，石家莊市的用水結(jié)構(gòu)信息熵值上升速率明顯與北京市有較大差距，且同一年份下信息熵值均落后0.3以上，印證了北京市作為京津冀一體化核心城市的獨(dú)特優(yōu)勢。以上對(duì)比分析表明，石家莊市用水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性雖領(lǐng)先于河北省其他城市，但較同區(qū)位的北京市而言遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

未來，石家莊市的用水結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)著重落腳于加大生態(tài)用水比例[16]，繼續(xù)推行高效農(nóng)業(yè)節(jié)水措施和構(gòu)建節(jié)水型社會(huì)。

4 結(jié)論

本文采用信息熵理論分析了石家莊市2009—2018年用水結(jié)構(gòu)的演變特征，結(jié)論如下：

1）2009—2018年間，石家莊市用水結(jié)構(gòu)的信息熵值總體呈上升趨勢，其中2011年、2013年、2016年和2018年信息熵值出現(xiàn)明顯增長。

2）石家莊市用水結(jié)構(gòu)的信息熵值增長主要由優(yōu)勢行業(yè)用水（農(nóng)業(yè)用水）的削減和劣勢行業(yè)用水（生態(tài)用水）的上升所驅(qū)動(dòng)，信息熵值的變化印證了最嚴(yán)格水資源管理制度等政策的頒布和實(shí)施、區(qū)域推行的各項(xiàng)農(nóng)業(yè)節(jié)水措施、典型年份的極端天氣影響以及南水北調(diào)中線工程的生態(tài)補(bǔ)水效益。