王延起, 李 雙, 孔 珂, 徐 晶

(1. 濟南大學 水利與環(huán)境學院, 山東 濟南 250022; 2. 濟南市水利工程服務中心錦繡川水庫服務處, 山東 濟南 250013)

用水系統(tǒng)結構能夠體現(xiàn)水資源分配狀況,其合理性影響著區(qū)域用水量與供水水平,進而決定區(qū)域經濟能否持續(xù)發(fā)展,通過對其進行調整可以有效地優(yōu)化水資源配置及緩解水資源矛盾[1]。山東省作為經濟發(fā)達的省份,經濟發(fā)展速度較快;但是水資源短缺與用水系統(tǒng)結構的不協(xié)調的問題阻礙了經濟的持續(xù)發(fā)展,所以對山東省用水系統(tǒng)結構進行研究,可以為用水系統(tǒng)結構的調整提供理論支持,更好地促進全省的經濟發(fā)展。

目前主要使用生態(tài)位、洛倫茲曲線與基尼系數和信息熵等方法分析用水系統(tǒng)結構的特征與演化情況。焦士興等[2]采用生態(tài)位等模型系統(tǒng)分析了河南省安陽市用水系統(tǒng)結構與產業(yè)結構的生態(tài)位動態(tài)演化及其耦合協(xié)調狀況,表明產業(yè)結構與用水系統(tǒng)結構處于失調狀態(tài)。陳穎杰等[3]基于生態(tài)位理論構建了用水系統(tǒng)結構生態(tài)位及其熵值模型,分析了黃河流域及流域內主要省區(qū)用水系統(tǒng)結構演化趨勢和特征,說明農業(yè)用水在黃河流域占主導地位,同時生活用水的占比也在穩(wěn)步提升。蘇海波[4]、 陳良等[5]運用區(qū)位熵、洛倫茲曲線及基尼系數等方法分析西部地區(qū)近年來用水系統(tǒng)結構變化特征及水資源利用水平,得到了用水系統(tǒng)結構存在顯著差異,需要提高水資源利用和配置效率的結論。劉燕等[6]將信息熵與水資源利用結構相結合,利用信息熵反映系統(tǒng)無序度的特點,給出了水資源系統(tǒng)結構演化的判別標準,以此表征水資源開發(fā)利用的合理性。吳孝情等[7]引入信息熵理論對東江流域的用水系統(tǒng)結構進行定量分析,通過研究信息熵年變化情況提出了區(qū)域用水系統(tǒng)結構分階段演化的特點。易晶晶等[8]通過信息熵理論研究廣東省區(qū)域用水系統(tǒng)結構時空演化特征,得到用水系統(tǒng)結構信息熵重心轉移的結論。

其中信息熵理論的應用較多,不僅是水利行業(yè),其他領域對信息熵理論的應用也較為廣泛[9-10]。該理論通過熵值描述用水系統(tǒng)整體混亂度,反映各用水部門之間的比例關系。當信息熵越大時,系統(tǒng)整體的混亂度越小,各用水部門之間的比例越平均,此時用水系統(tǒng)結構合理性較好;但是,由于不同地區(qū)產業(yè)發(fā)展不均衡導致用水側重不同,因此不能簡單認為各用水部門用水分配越平均、越合理越好,要結合區(qū)域實際情況進行分析,以適合地區(qū)發(fā)展的用水比例為標準進行評價。

本文中利用2004—2019年《山東省水資源公報》中各行業(yè)用水數據,利用信息熵性質,結合山東省最佳用水比例對信息熵原公式進行改進,并提出改進熵的概念。相較于信息熵原公式,改進熵更能體現(xiàn)用水系統(tǒng)結構的演化與區(qū)域發(fā)展的關系,以改進熵對山東省用水系統(tǒng)結構的演化進行定量的分析,不僅對水資源的合理開發(fā)利用提供依據,而且改進熵也能夠為其他地區(qū)分析用水系統(tǒng)結構的演化提供思路。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

山東省地處我國東部、黃河下游,分為半島和內陸兩部分。半島接臨黃海、渤海,內陸部分從北向南依次與河北、河南、安徽、江蘇省接壤。氣候為暖溫帶季風氣候,四季分明,溫度變化大,雨熱同期,降雨有較強季節(jié)性,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥。山東省農業(yè)產值處于全國領先的地位,為我國最重要的農業(yè)產區(qū),同時積極發(fā)展其他產業(yè),促進傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代農業(yè)的轉變,工業(yè)發(fā)展也十分迅速,形成了以能源、化工、冶金等為支柱產業(yè)的工業(yè)體系。由于不同地區(qū)的經濟發(fā)展水平與城鎮(zhèn)化的進程不同,因此形成了東部地區(qū)的第三產業(yè)發(fā)展強于西部地區(qū)的態(tài)勢。社會發(fā)達程度從東到西呈梯度分布:東部沿海地區(qū),經濟活躍,發(fā)展迅猛;中部地區(qū)經濟發(fā)展速度稍減;西部地區(qū)經濟發(fā)展與東部地區(qū)相差甚大[11]。

山東省水資源的主要來源為大氣降水,全省水文現(xiàn)象時空分布變化較大。降雨量從東南沿海地區(qū)至魯西北內陸地區(qū)遞減,全年接近80%的降雨集中在6—9月。全省平均降水量為838.1 mm,折合年降水總量為1 313.04×108m3。地表水資源量為259.83×108m3,地下水資源量為201.79×108m3,扣除重復計算量,水資源總量為375.30×108m3,人均水資源占有量為370.3 m3,僅占全國的16.53%,因此山東省被列為極度缺水的地區(qū)[12]。此外,山東省是農業(yè)大省,農業(yè)用水占據主導地位,常年占總用水量60%以上,隨著產業(yè)結構的轉變,這種單一用水優(yōu)勢性強的局面會阻礙整體經濟的發(fā)展,因此,分析山東省用水系統(tǒng)結構的變化特征,對合理分配利用水資源,促進社會經濟的協(xié)調發(fā)展具有重要的參考意義。

1.2 研究方法

1.2.1 信息熵

信息熵是用來描述系統(tǒng)或者物質運動的混亂度和無序度的物理量,許多學者將其引入水資源系統(tǒng)的研究中[13-15],通過信息熵值變化來判定水資源系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài),各用水部門之間的分配是否平均,從而確定水資源系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性,其計算原理如下:

設在一定時間尺度內,水資源系統(tǒng)總用水量為Q,共有N種水資源利用類型{x1,x2,,xN},每一種利用類型相應的用水量為{q1,q2,,qN},每個類型用水的比例為{p1,p2,,pN},可見

(1)

(2)

式中H為用水系統(tǒng)結構信息熵。

用水系統(tǒng)結構信息熵判定標準為信息熵值越大反映系統(tǒng)內部混亂度越大,各成分之間越平均,此時系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性越好,當各成分所占比例相同時,此時系統(tǒng)結構最穩(wěn)定,信息熵值最大。

1.2.2 信息熵的改進

依據信息熵描繪系統(tǒng)混亂度的性質,體現(xiàn)各成分比例的接近程度,結合區(qū)域最佳的用水比例對原公式進行改進,其改進思路如下:

1)結合最佳的用水比例,反映各用水比例與最佳用水比例的接近程度,使熵值計算結果能體現(xiàn)“各類用水量都普遍接近最佳用水為佳”,而不是“各類用水量越平均越佳”。接近度表達式為

(3)

2)對各用水部門用水比例按照其對系統(tǒng)的影響程度賦予其權重,避免某些不重要的用水數據對評價結果產生較大影響。加權后表達式為

T=Vβ,

(4)

式中:β為各用水部門對應的權重,由多年平均用水比例求得;T為加權后各用水比例與最佳的比例的差值,由于原公式中各比例之和為1,因此需對各用水部門加權后各項用水比例與最佳比例的差值Ti進行歸一化處理,即

(5)

3)p′體現(xiàn)了接近程度,但還不能直接用于熵值的計算,原因是熵值法的原理是變量分布越平均越高。雖然所有指標都離最佳值比較遠;但偏離程度比較平均,計算得到的熵值也會很大,顯然是不合理的,因此需要在計算公式中加入偏離總量α。如果各變量偏離總量大,盡管分布平均,熵值也不會太大,偏離變量計算公式為

(6)

為了使公式滿足信息熵值越大越合理的性質,引入常數系數k,保證k-α>0,則完整的改進熵計算公式為

(7)

式中M為改進熵,其數值越大表明用水比例與最佳用水比例越接近,各用水部門接近程度越平均,此時用水系統(tǒng)結構較為合理。

與原公式相比,改進后的公式考慮了產業(yè)與用水之間關系導致區(qū)域用水重心不同存在的差異,增強區(qū)域用水系統(tǒng)結構分析的合理性。

1.2.3 最佳用水比例

由于用水系統(tǒng)較為復雜,影響用水的因素較多,因此,為了求得最佳用水比例,本文中選擇產業(yè)結構、生活用水定額與綠化面積等用水的主要影響因素,通過區(qū)域協(xié)調評價模型[16-18]與線性回歸分析[19-21]方法來進行預測。

由于農業(yè)、 工業(yè)用水與產業(yè)結構的聯(lián)系較為密切,因此本文中選擇區(qū)域協(xié)調評價模型,求得與經濟發(fā)展相協(xié)調的農業(yè)、 工業(yè)用水比例,以此作為最佳的用水比例。區(qū)域協(xié)調評價模型采用區(qū)域產業(yè)結構偏水度P[22]與區(qū)域用水系統(tǒng)結構的粗放度C的概念對農業(yè)用水比例、 工業(yè)用水比例進行評價,表達式見式(8)—(10)。它們的物理意義分別是以產值比例或用水比例為權重,求出產業(yè)部門的平均位置,即0

(8)

(9)

(10)

式中:Di為第i產業(yè)部門的相對水資源生產率;Yi為第i產業(yè)部門產值;Wi為第i產業(yè)部門用水量;Y為部門總產值;W為部門總用水量;i*為第i產業(yè)部門的位置值,由式(8)求出的Di值確定,將相對水資源生產率最高的部門賦值1,最低的賦值為N。

由于單一的指標無法對協(xié)調性進行衡量,因此需要同時考慮P、C。為了避免P、C因變化不同步導致協(xié)調程度不變的情況,對它們進行乘積處理,并定義為區(qū)域產業(yè)結構與用水系統(tǒng)結構的協(xié)調度Z[23-24],即

Z=(PC)0.5。

(11)

將式(9)、 (10)代入式(11)中,整理得

(12)

很顯然,0

生活用水比例與生態(tài)用水比例則是通過它們的主要影響因素,通過線性回歸擬合分析,并結合政府公布的標準,對生活、 生態(tài)用水比例進行預測,以預測比例為最佳用水比例。

1.3 數據來源

本文中農業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、生態(tài)用水量等數據取自于2004—2019年《山東省水資源公報》,農業(yè)產值、工業(yè)產值、綠化面積等數據均取自于2004—2019年《山東統(tǒng)計年鑒》。

2 計算過程

2.1 農業(yè)用水、 工業(yè)用水最佳比例計算

為了計算最協(xié)調狀態(tài)下農業(yè)、 工業(yè)用水比例,將式(12)中的Z賦值為1,并獲取2008—2017年《山東統(tǒng)計年鑒》中的相關數據,見表1。對產值比例與用水比例進行擬合處理,以農業(yè)、 工業(yè)為產業(yè)部門,即N=2,計算協(xié)調狀態(tài)下的用水比例與產值比例,結果見表2。

表1 2008—2017年山東省農業(yè)與工業(yè)產值、 用水比例

表2 協(xié)調狀態(tài)下產值比例與用水比例計算結果

2.2 生活用水與生態(tài)用水最佳比例計算

對多年生活用水數據研究發(fā)現(xiàn),生活用水比例y1與生活用水定額x1呈明顯的線性關系,利用統(tǒng)計產品與服務解決方案(SPSS)軟件進行線性擬合,得到其關系式(13),擬合結果見表3。其中,相關系數為0.961,判定系數為0.924,調整后的判定系數為0.918,擬合程度較好。

表3 生活用水比例線性回歸模型擬合度檢驗

y1=0.002x1-0.04。

(13)

根據山東省最新發(fā)布的生活用水定額標準結合《規(guī)劃和建設項目節(jié)水評價技術要求》,農村居民每人每天用水應為70～110 L,城鎮(zhèn)居民每人每天用水為85～120 L,為了滿足居民日常生活需要并盡可能提升生活品質,提升居民幸福感,因此選定最佳生活用水狀態(tài)下居民用水定額為120 L,代入式(13)得此時的生活用水比例為0.210 27。

生態(tài)用水比例y2與綠化面積x2息息相關, 利用SPSS軟件進行擬合, 擬合關系式見式(14), 擬合結果見表4。 可以看出, 生態(tài)用水比例與綠化面積有較強的線性關系, 相關系數為0.916, 判定系數為0.839, 調整后判定系數為0.827。

表4 生態(tài)用水比例線性回歸模型擬合度檢驗

y2=0.002 3x2-0.017。

(14)

由于綠化面積x2呈逐年上升趨勢,因此其隨時間t的變化關系式為

x2=1.267t-2 529.747。

(15)

根據國務院發(fā)布的《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》, 至2030年我國用水效率達到或接近世界領先水平, 因此本文中選擇2030年時的生態(tài)用水比例達到最佳比例, 此時綠化面積為42.263×104hm2, 生態(tài)用水比例為0.080 21。

綜上所述,得到4個主要用水部門在滿足產業(yè)發(fā)展與居民幸福生活時的最佳用水比例,見表5。

表5 主要用水部門最佳用水比例

2.3 基于最佳用水比例的改進熵計算

表6 2004—2019年山東省用水系統(tǒng)結構的改進熵

3 結果與分析

3.1 山東省用水量變化

2004—2019年山東省用水量變化如圖1所示。

圖1 2004—2019年山東省用水量變化

從圖中可以看出,2004—2008年間,用水總量的變化趨勢與農業(yè)用水量變化相同,工業(yè)用水量、生活用水量與生態(tài)用水量基本沒有發(fā)生變化,此階段的農業(yè)用水量起主導作用,其變化趨勢影響著用水總量的變化。2008—2012年,農業(yè)用水量開始減少,其他3個部門用水量增加,用水總量也隨之輕微增加。2012年后,國務院發(fā)布《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》,要求控制用水總量,提高用水效率、灌溉有效利用系數,加強水功能區(qū)納污管理,導致農業(yè)用水量快速減少,工業(yè)用水量、生活用水量與生態(tài)用水量增加,但農業(yè)仍是最主要的用水部門,受其影響總用水量也呈減少趨勢。到2019年,除工業(yè)用水外,其他3個部門用水量均增加,導致用水總量激增。

圖2所示為2004—2019年山東省各部門用水比例變化。由圖可以看出,農業(yè)用水比例一直呈下降趨勢, 2012年后下降趨勢更加明顯, 從2004年0.747 9下降到2019年0.626 7,但其與最佳用水比例差距較大。隨著灌溉技術的升級,灌溉水有效利用系數提高, 農業(yè)用水比例仍會呈下降趨勢且下降速度會越來越快。工業(yè)用水、 生活用水比例的變化趨勢相同, 2006年后一直呈上升趨勢。 生態(tài)用水比例在2010年前較小,且變化幅度也不明顯, 隨著政府對生態(tài)環(huán)境的重視, 2010年后生態(tài)用水比例迅速上升, 由2004年的0.000 65上升至2019年的0.079 33。 雖然用水比例變化趨勢有快有慢, 但是總體上都在向著最佳比例發(fā)展。

圖2 2004—2019年山東省各部門用水比例變化

3.2 山東省用水系統(tǒng)結構的改進熵變化分析

圖3為2004—2019年山東省用水系統(tǒng)結構的改進熵變化。從改進熵變化規(guī)律來看, 山東省的用水系統(tǒng)結構的改進熵總體呈增長狀態(tài), 2004—2010年增長幅度較小, 這與用水比例的變化趨勢相符合, 這期間農業(yè)用水比例下降較其他3個用水部門的變化明顯, 此時農業(yè)用水單一優(yōu)勢性強的局面改變, 改進熵增加; 2010—2014年的改進熵處于波動狀態(tài), 雖然有減小趨勢, 但總體來說, 改進熵大于前幾年的, 用水系統(tǒng)結構也處于向合理狀態(tài)演化過程中; 2014年以后, 改進熵呈明顯增大趨勢, 增長幅度加大, 至2019年達到了1.035 7 nat。 改進熵的變化說明山東省的用水系統(tǒng)結構向著更加均衡化、 更加協(xié)調的方向演化, 各部門的用水比例逐漸接近最佳的用水比例。

圖3 2004—2019年山東省用水系統(tǒng)結構的改進熵變化

為了分析山東省用水系統(tǒng)結構改進熵的空間分布,本文中選取2011、 2019年山東省17個城市改進熵列于表7,分析其空間分布規(guī)律。

表7 2011、 2019年山東省各城市用水系統(tǒng)結構的改進熵

由山東省整體的用水系統(tǒng)結構的改進熵分布來看,全省用水系統(tǒng)結構地區(qū)差異更加明顯,改進熵由東部向西部呈階梯狀減小,東部的改進熵明顯大于西部的,隨著節(jié)水政策的實行與各地用水的調整,各地改進熵不斷發(fā)生變化。膠東地區(qū)與魯中地區(qū)的改進熵增長明顯,魯南、 魯北部分地區(qū)的變化不大,仍呈現(xiàn)東大西小的態(tài)勢。總體來說,山東省的用水系統(tǒng)結構的改進熵呈增大趨勢,整體的用水結構與各部門用水量正向更合理的方向演化,與用水比例的變化所反映的趨勢相吻合。

3.3 山東省用水系統(tǒng)結構演化成因分析

山東省用水系統(tǒng)結構可以由農業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)4個用水部門的比例關系和改進熵來反映。山東省是農業(yè)大省,所以農業(yè)用水量長期居高不下,用水比例占總用水量60%以上,但近幾年一直呈下降趨勢,原因是積極發(fā)展節(jié)水灌溉技術,有效地提高了灌溉水的有效利用系數,用水效率大大提升,單位面積耕地平均用水量大幅減少,同時農業(yè)生產正從粗放、低效向精細化過渡,大水漫灌的耕作模式成為歷史。工業(yè)用水則是一直處于增長狀態(tài),目前山東省的工業(yè)類型多為資源消耗型,產業(yè)多處于為價值鏈的中低端,均為資源加工型產業(yè),對資源的依賴性比較高,導致對水資源的需求量較大,工業(yè)用水量也逐年增加。隨著國家人口政策的實施與人民生活水平的提高,山東省人口數量逐年增長,同時為了在滿足居民正常生活用水的基礎上提升居民生活幸福感,因此生活用水配額逐年增加。生態(tài)用水增長的原因是全社會對生態(tài)環(huán)境的重視,以及各種環(huán)保政策的實施;但是,由于基礎較弱,因此生態(tài)用水仍為占比最小的用水部門。

4 結論

根據用水系統(tǒng)結構的改進熵的變化,分析了2004—2019年山東省用水系統(tǒng)結構的演化特征,揭示了用水系統(tǒng)結構演化的影響因素,得到如下主要結論:

1)2004—2019年期間, 山東省通過農業(yè)技術進步正逐步改善農業(yè)單一用水優(yōu)勢性強的局面, 全省整體的用水比例越來越協(xié)調, 用水系統(tǒng)結構愈加合理。

2)改進熵整體呈上升趨勢,2014年后增長速度加快,表明山東省的用水系統(tǒng)結構正在向著有利于區(qū)域發(fā)展的方向發(fā)展,各部門的用水比例逐漸接近最佳用水比例。

3)受地區(qū)產業(yè)發(fā)展的影響,山東省各地區(qū)產業(yè)發(fā)展不同步,使得各地區(qū)用水系統(tǒng)結構改進熵值及其變化未呈現(xiàn)出一致性,出現(xiàn)明顯的東西差異。

4)為了使用水系統(tǒng)結構更加合理,產業(yè)需進一步調整。農業(yè)要調整種植結構和灌溉方式,改變高耗水、 低產值的局面;工業(yè)要促進企業(yè)由資源消耗向著高、 精、 尖方向轉變;居民在日常生活中要提高節(jié)水意識,避免水資源的浪費,同時注重環(huán)境保護,提高水資源的利用率。

本文中所得結論都是在原有理論基礎上,通過考慮現(xiàn)實情況對原有信息熵公式進行改進,結合現(xiàn)有數據得出的,能夠為未來用水系統(tǒng)結構的調整與規(guī)劃提供理論依據,但是最佳用水比例的研究涉及自然條件、 社會經濟、 人文等不確定因素,此方法仍有進一步探討的空間。