徐保坤，劉鳳麗，李亞龍，袁念念

（長江科學(xué)院 農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢 430010）

1 研究背景

水是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是生態(tài)環(huán)境的控制性因素。用水結(jié)構(gòu)反映了一個(gè)區(qū)域的水資源利用、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及生態(tài)文明建設(shè)水平[1]。厘清區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和時(shí)空演變規(guī)律，可以為區(qū)域水資源的合理配置提供參考依據(jù)。

國內(nèi)外研究人員對區(qū)域用水結(jié)構(gòu)演變趨勢的研究主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是用水結(jié)構(gòu)的時(shí)間變化及驅(qū)動(dòng)因素分析，常用的研究方法有因子分析法、主成分分析法、回歸分析法、灰色關(guān)聯(lián)方法和對數(shù)平均迪氏指數(shù)法等[2]。二是用水結(jié)構(gòu)的空間均衡分析，區(qū)位熵、洛倫茲曲線、基尼系數(shù)和洛倫茲不對稱系數(shù)等本屬于經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念被廣泛應(yīng)用于水資源的空間均衡研究[3]。

目前對用水結(jié)構(gòu)的研究以時(shí)間演變?yōu)橹鳎C合考慮用水結(jié)構(gòu)時(shí)間和空間演變特征的研究很少。關(guān)于用水結(jié)構(gòu)演變的研究主要集中在我國北方和西部等缺水地區(qū)，而針對南方降水豐富的地區(qū)用水結(jié)構(gòu)演變方面的研究較少。武漢市同時(shí)面臨著“水量型缺水”和“水質(zhì)型缺水”的局面[4]，關(guān)于武漢市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀、水資源與湖泊保護(hù)、雨水綜合利用和水資源承載力等方面，研究人員進(jìn)行了深入的研究[5-6]，但是，武漢地區(qū)用水結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律還鮮有報(bào)道。為此，本文選取武漢市2013—2020 年各類用水?dāng)?shù)據(jù)，采用信息熵、均衡度、區(qū)位熵、洛倫茲曲線、基尼系數(shù)等研究方法，對武漢市用水結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行分析，厘清武漢市用水結(jié)構(gòu)特征，為武漢市水資源合理配置和有效利用提供理論支撐和指導(dǎo)。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)域概況

武漢位于我國中部，是長江中下游特大城市，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，常年陽光充足，雨量充沛。武漢市江河縱橫，湖港交織，長江、漢水交匯，且接納南北支流匯入，共有水域面積2 205.06 km2，占全市總面積的25.79%，居中國大城市之首，地表水資源十分豐富。

2.2 時(shí)間序列演變分析方法

在時(shí)間序列演變規(guī)律分析中，信息熵被廣泛應(yīng)用于描述系統(tǒng)的不確定性、穩(wěn)定程度和信息量，馬黎華等[7]將信息熵理論引入用水結(jié)構(gòu)的演變分析，其計(jì)算方法如下：

假定區(qū)域用水總量為W，共有n 種用水類型（x1，x2，…，xn），每個(gè)用水類型的用水量為w1，w2，…，wn，那么w1+w2+…+wn=W。第j 種用水類型的用水量占用水總量的比重為Pj=wj/W，對所有的用水類型Pj＞0，且∑Pj＞1。用水結(jié)構(gòu)的信息熵H通過式（1）計(jì)算得到：

在不同的發(fā)展階段，用水系統(tǒng)包含的用水部門數(shù)量是不同的。為了實(shí)現(xiàn)熵值的標(biāo)準(zhǔn)化，使用水結(jié)構(gòu)的分析具有可比性，引用均衡度的概念，其計(jì)算公式如下：

式中，Hmax=lnn，表示當(dāng)各類用水類型占比一致時(shí)，用水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不再具有優(yōu)勢類別，此時(shí)系統(tǒng)信息熵最大，系統(tǒng)達(dá)到最均衡最穩(wěn)定狀態(tài)。均衡度反映用水結(jié)構(gòu)分布的演變特征，均衡度越小，用水量的分布越不均勻；相反，均衡度越大，用水量的分布就越均勻，系統(tǒng)越穩(wěn)定，水資源的開發(fā)利用越具有合理性。

2.3 空間序列演變分析方法

近年來，區(qū)位熵、洛倫茲曲線和基尼系數(shù)等經(jīng)濟(jì)學(xué)概念逐漸被引入?yún)^(qū)域用水結(jié)構(gòu)的研究中。

2.3.1 區(qū)位熵

區(qū)位熵，又稱專門化率，用于衡量某分區(qū)某類型用水在整個(gè)研究區(qū)域中的空間分布狀況和相對集中程度，其計(jì)算方法為：假定研究區(qū)域有m 個(gè)分區(qū)，第i 分區(qū)（i=1，2，…，m）有n 種用水類型，第j種（j=1，2，…，n）用水類型的區(qū)位熵Dji 計(jì)算公式為：

2.3.2 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線是用來描述社會(huì)財(cái)富分配是否公平的一種手段，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：F（x）為有序個(gè)體的累積分布函數(shù)； 為一個(gè)均值。

借助各分區(qū)用水類型的洛倫茲曲線的彎曲程度，可以定性地反映出不同區(qū)域的空間均衡性，彎曲程度越大，相應(yīng)用水類型在區(qū)域的空間分布越不均衡，反之，彎曲程度越小，相應(yīng)用水類型在區(qū)域的空間分布差異越?。ㄒ妶D1）。

圖1 洛倫茲曲線

2.3.3 基尼系數(shù)

基尼系數(shù)可以定量描述不同區(qū)域的空間均衡程度，表示的是絕對平均線與洛倫茲曲線間的面積，用G 來表示，其值在0～1 之間[1]，計(jì)算公式為：

實(shí)際的洛倫茲曲線函數(shù)f（x）很難用數(shù)學(xué)表達(dá)式準(zhǔn)確描述，因此，本文選擇最簡便公式進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算公式為：

式中：Ai，Ai+1分別為第i、i+1 分區(qū)的總用水量累積百分比；Bi、Bi+1分別為第i、i+1 分區(qū)的各類用水量累積百分比；n 為分區(qū)的個(gè)數(shù)。

基尼系數(shù)G 越大表示用水結(jié)構(gòu)越不平均，反之則越平均。參照聯(lián)合國有關(guān)組織規(guī)定，基尼系數(shù)大小與其評(píng)價(jià)結(jié)果存在以下關(guān)系（見表1）。

表1 基尼系數(shù)與評(píng)價(jià)結(jié)果關(guān)系

2.4 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)為2013—2020 年武漢市及武漢市各行政區(qū)歷年用水量數(shù)據(jù)，來源于《武漢市水資源公報(bào)》（2013—2020）。

3 結(jié)果與分析

3.1 武漢市用水結(jié)構(gòu)分析

受疫情影響，2020 年用水量相比往年有所下降，因此，本文重點(diǎn)分析2013—2019 年用水量變化規(guī)律。從用水量看，2013—2019 年武漢市總用水量總體呈下降趨勢，由2013 年的40.13 億m3減少至2019 年的37.99 億m3，減少了5.34%；其中，工業(yè)用水量下降顯著，從2013 年的20.04 億m3減少至2019 年的15.77 億m3，減少了21.31%；農(nóng)業(yè)用水量也呈下降趨勢，從2013 年的11.89 億m3減少至2019 年的9.61億m3，減少了19.19%；而生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量呈增加趨勢，生活用水量從2013 年的8.03 億m3增加至2019 年的12.11 億m3，增加了50.82%；生態(tài)環(huán)境用水量從2013 年的0.17 億m3增加至2019 年的0.56 億m3，增加了194.70%。從各類型用水量占比來看，農(nóng)業(yè)用水量占比先下降后增加，其變化范圍是19.6～29.6%；工業(yè)用水量占比穩(wěn)步下降，從2013 年的49.94%下降至2019 年的41.52%；而生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量占比呈增加趨勢，生活用水量占比從2013 年的20.00%增加至2019 年的31.88%；生態(tài)環(huán)境用水量占比從2013 年的0.42%增加至2019年的1.30%。

近年來工業(yè)用水量的下降得益于武漢市節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)，工業(yè)部門節(jié)水意識(shí)及用水效率有所提高，水資源管理制度日益完善，但工業(yè)用水占比仍高于全國平均水平[8]。一方面，與全國大多數(shù)地區(qū)相比，武漢工業(yè)化程度相對較高，導(dǎo)致工業(yè)用水量占比相對較高；另一方面，與國內(nèi)北京、深圳、南京、廣州、鄭州等大城市相比，武漢市工業(yè)節(jié)水潛力還需進(jìn)一步挖掘，應(yīng)更加深入開展工業(yè)節(jié)水。農(nóng)業(yè)用水量的下降，一方面得益于農(nóng)業(yè)節(jié)水工作的推進(jìn)，另一方面，農(nóng)作物種植面積和種植方式的變化也是影響農(nóng)業(yè)用水量的主要因素。而生活用水和生態(tài)環(huán)境用水量均在上升，主要原因是人口的增加和人民對生活質(zhì)量要求的提高。2003—2018 年我國總用水量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，其中，農(nóng)業(yè)用水量和工業(yè)用水量占比雖然存在波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)減少趨勢；生活用水占比持續(xù)增加，生態(tài)用水占比雖然存在波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)上升趨勢[8]。對比發(fā)現(xiàn)：武漢市生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量與我國總體生活用水量、生態(tài)環(huán)境用水量的變化呈現(xiàn)相同的增加趨勢，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國平均水平。

表2 2013—2020 年武漢市各類型用水量及其占比

3.2 武漢市用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演變分析

3.2.1 武漢市用水結(jié)構(gòu)時(shí)間演變分析

總體上看，武漢市用水結(jié)構(gòu)相對比較均衡，且逐年提高（如圖2 所示），但其用水結(jié)構(gòu)均衡度低于南京、廣州等城市的同期值[9]。具體到不同行政區(qū)，其用水結(jié)構(gòu)均衡度差異很大，相同行政區(qū)在不同年份的均衡度差異也很大，用水結(jié)構(gòu)合理性有待提高。東西湖區(qū)的用水結(jié)構(gòu)最為均衡，與全市平均水平接近；隨后是東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)、武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、江夏區(qū)、蔡甸區(qū)、武昌區(qū)、青山區(qū)、東湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)和漢陽區(qū)，這些行政區(qū)的年平均均衡度都大于0.6。相比較而言，江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)較差，主要原因是這些區(qū)域城市化水平高、人口密集，幾乎不存在農(nóng)業(yè)用水，工業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水量也比較低，用水量集中在生活用水上。建議江岸區(qū)、江漢區(qū)和硚口區(qū)等行政區(qū)增加生態(tài)環(huán)境用水量的使用，改善用水結(jié)構(gòu)。

圖2 武漢市各行政區(qū)用水結(jié)構(gòu)均衡度時(shí)空變化

3.2.2 武漢市用水結(jié)構(gòu)空間演變分析

關(guān)于武漢市用水結(jié)構(gòu)空間演變，以區(qū)位熵、洛倫茲曲線和基尼系數(shù)來分析。由于篇幅有限，以2013 年和2019 年為例進(jìn)行分析，計(jì)算全市各行政區(qū)各類型用水量的區(qū)位熵，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 2013 年和2019 年武漢市各行政區(qū)用水結(jié)構(gòu)區(qū)位熵

由圖3 可知：黃陂區(qū)農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵最高，2013 年、2019 年分別為2.57、2.87；其次是江夏區(qū)、蔡甸區(qū)和東西湖區(qū)，其農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵也高于1。工業(yè)用水區(qū)位熵與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)密不可分，新洲區(qū)的工業(yè)用水區(qū)位熵最高，2013 年、2019 年分別達(dá)到1.51、1.86；此外，武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、漢陽區(qū)、青山區(qū)、東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)和東西湖區(qū)的工業(yè)用水區(qū)位熵也遠(yuǎn)高于全市平均水平，主要是因?yàn)檫@些行政區(qū)工業(yè)相對發(fā)達(dá)。生活用水與當(dāng)?shù)氐某鞘谢潭群徒?jīng)濟(jì)發(fā)展水平有關(guān)。2013 年，不同行政區(qū)的生活用水區(qū)位熵相差顯著，其中江岸區(qū)、江漢區(qū)和硚口區(qū)超過4，這些行政區(qū)均屬于武漢中心城區(qū)，人民生活水平比較高，人口密集。2019 年全市絕大部分行政區(qū)的生活用水區(qū)位熵都比較高，僅有蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)和新洲區(qū)的生活用水區(qū)位熵低于1，但不同行政區(qū)之間的差異有所減小。2013 年生態(tài)用水區(qū)位熵大于1 的有東湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)、江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、青山區(qū)和洪山區(qū)，其中東湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)高達(dá)22.96；2019 年，生態(tài)用水區(qū)位熵最大的也是東湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)，高達(dá)19.26。

將武漢市2013—2020 年各類型用水累積百分比及總用水累積百分比繪制出不同類型的洛倫茲曲線，如圖4 所示。近年來，武漢市農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的洛倫茲曲線，有遠(yuǎn)離最優(yōu)分配線的趨勢，說明農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水在空間分布上朝著不均勻的方向發(fā)展；而生活用水和生態(tài)環(huán)境用水的洛倫茲曲線，越來越靠近最優(yōu)分配線，說明生活用水和生態(tài)環(huán)境用水在空間分布上朝著均勻的方向發(fā)展。

圖4 2013—2020 年武漢市各類型用水洛倫茲曲線

基尼系數(shù)用來定量分析洛倫茲曲線所反映的空間均衡性，武漢市近年來用水結(jié)構(gòu)基尼系數(shù)如表3所示。

表3 武漢市2013—2020 年各類型用水基尼系數(shù)

由表3 可知，從2013 年到2020 年，農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)總體呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢，農(nóng)業(yè)用水的空間均衡性評(píng)價(jià)結(jié)果從“差距較大”變?yōu)椤安罹鄳沂狻保还I(yè)用水基尼系數(shù)總體上呈現(xiàn)遞增的分布規(guī)律，評(píng)價(jià)結(jié)果從“比較平均”變?yōu)椤跋鄬侠怼保簧钣盟幕嵯禂?shù)總體上呈遞減趨勢，評(píng)價(jià)結(jié)果由“差距懸殊”變?yōu)椤安罹噍^大”；生態(tài)環(huán)境用水基尼系數(shù)總體上逐年減低，評(píng)價(jià)結(jié)果從“差距懸殊”變?yōu)椤安罹噍^大”。

基于洛倫茲曲線和基尼系數(shù)的用水結(jié)構(gòu)分析表明：隨著時(shí)間的推移，農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水在全市的空間分布差異增加，而生活用水和生態(tài)環(huán)境用水在全市的空間分布差異縮小。

4 結(jié)論

基于經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域中的信息熵、均衡度、區(qū)位熵、洛倫茲曲線和基尼系數(shù)理論，對2013—2020 年武漢市各行政區(qū)用水結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

（1）得益于節(jié)水型社會(huì)建設(shè)成效，2013—2019年武漢市總用水量總體呈下降趨勢。

（2）武漢市用水結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定，但生態(tài)環(huán)境用水占比偏低。農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水比例隨時(shí)間的推移略有下降；而生活用水不論是用水量還是占總用水量的比例，均呈現(xiàn)增加趨勢，這主要由于人民生活水平提高導(dǎo)致用水量增加；生態(tài)環(huán)境用水量及其占總用水量的比例均呈現(xiàn)增加趨勢，但占總用水量的比例仍然偏低。

（3）總體上看，武漢市用水結(jié)構(gòu)相對比較均衡，且逐年提高。具體到每個(gè)行政區(qū)的用水結(jié)構(gòu)差異顯著，不同行政區(qū)用水結(jié)構(gòu)均衡度差異很大，相同行政區(qū)在不同年份的均衡度差異也很大，用水結(jié)構(gòu)合理性有待提高。

（4）武漢市用水結(jié)構(gòu)空間分布存在顯著差異，工業(yè)用水空間分布相對合理，但農(nóng)業(yè)用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水基尼系數(shù)均大于0.4，超過了“警戒線”，空間分布極不均勻。