白偉樺

(遼寧省河庫管理服務中心,沈陽 110003)

水資源與生態(tài)環(huán)境保護及經濟發(fā)展密切相關,這種自然資源甚至具有決定性作用[1]。人類活動及自然變化產生的疊加影響應與水資源開發(fā)相適應,從而采取人為措施促進人水協(xié)調發(fā)展。由于特殊的氣候條件,遼寧省生態(tài)環(huán)境脆弱,林草覆蓋率不高,人水關系不協(xié)調且溫度變化劇烈,亟須掌握水資源開發(fā)利用的時空演變特征,并制定適應性利用對策。目前,許多學者研究了水資源在人類活動和氣候變化共同影響下的適應性及時空演變規(guī)律,如趙娜娜以若爾蓋濕地流域為例,探究了濕地徑流受氣候變化的影響及其變化趨勢;王國慶等以嵐河流域為例,應用水文模型分析了河川徑流受人類干擾及氣候變化的影響;張慧等利用奎屯河流域近50a水文氣相資料和遙感數(shù)據(jù),探究了水資源及冰川受氣候變化的影響。也有學者探究了水資源空間均衡性和利用對策,如克里木等結合水資源利用現(xiàn)狀及稟賦條件,探究了新疆地區(qū)的長期戰(zhàn)略對策?？傮w而言,水資源開發(fā)利用的影響因素較多,而有關研究大多從某一方面分析其時空演變特征,難以從本質上揭示其發(fā)展特征[2-7]。因此,文章從水資源開發(fā)利用結構、效率和利用量3個方面,較為全面地研究遼寧省2011—2020年水資源開發(fā)利用時空特征,以期為區(qū)域水資源的高效合理性開發(fā)利用、規(guī)劃提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于E118°53′～125°46′,N38°43′～43°26′之間,屬溫帶半干旱半濕潤季風氣候區(qū),雨熱同期,四季分明,經濟基礎較好,自然環(huán)境優(yōu)越。多年平均降水量600～1100mm,具有明顯的區(qū)域性、季節(jié)性降水特征,從時間上主汛期(6～9月)降雨集中,占全年的60%,從空間上東部較高接近1100mm,西部降水偏少只有400mm,中部適中達到600mm。入海河流有沿海諸河、太子河、遼河和渾河,出境河流有、青龍河、柳河、渾江、老哈河、大凌河支流和東、西遼河等,入國際河流有叆河、鴨綠江、蒲石河等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于水資源調查評價、2011—2020年統(tǒng)計年鑒和水資源公報等資料,使用2011—2020年社會經濟及用水數(shù)據(jù)分析水資源開發(fā)利用效率和利用量,受數(shù)據(jù)系列長度限制僅分析2012—2020年區(qū)域用水效率。

2.2 計算方法

針對水資源開發(fā)利用的用水結構、用水效率和用水量選擇相應的方法分析其時空演變特征,其中變異系數(shù)可以反映數(shù)列的離散狀況,評價各行業(yè)用水量的時間變化及空間差異性;洛倫茲曲線能夠定性分析存在一定聯(lián)系的兩組數(shù)據(jù)不均等狀況,基尼系數(shù)可以定量評價區(qū)域人口、第二產業(yè)、耕地與水資源的匹配性,從而評定區(qū)域用水的空間差異性及其合理性[8]。采用Arc GIS軟件和直觀、易懂的空間分級分類法,從時空變化上分析區(qū)域用水效率;均衡度和信息熵能夠反映信息系統(tǒng)的不確定性、穩(wěn)定性及用水結構的時空變化,但無法評價時間變化與用水結構布局合理性[9-12],具體如下:

1)變異系數(shù)C。定義數(shù)組平均值與標準差的比值為用水量變異系數(shù)C,即:

(1)

2)基尼系數(shù)G和洛倫茲曲線。采用公式(2)和表1中的評價標準計算確定:

(2)

式中:Xu、W為單元u的某一經濟指標和水資源量占所有單元該指標的百分比;Su為u單元之前的累積水資源量百分比。

表1 基尼系數(shù)匹配性標準

3)均衡度和信息熵。定義用水結構的信息熵和均衡度為H、J,用水行業(yè)數(shù)量及行業(yè)n的用水量占比為N、pn,其計算方法為:

(3)

3 結果與分析

3.1 用水量分析

2011—2020年遼寧省用水總量年均值為335×108m3,最大、最小年用水量為347×108m3和320×108m3,2011～2016年全省用水量變化明顯,2016—2020年呈波動上升的變化趨勢。采用公式(1)計算2011—2020年居民生活、第二產業(yè)、農業(yè)用水量及用水總量年變異系數(shù),如圖1所示。

圖1 2011—2020年各類用水變異系數(shù)

由圖1可知,2011—2019年從低到高各類用水量變異系數(shù)排序為用水總量<農業(yè)<生活<第三產業(yè),第二產業(yè)遠高于生活、農業(yè)用水量和用水總量的變異系數(shù),其變異系數(shù)處于0.82～0.90之間,說明從空間分布上遼寧省第二產業(yè)用水量存在明顯差異。2011—2020年生活、農業(yè)用水量和用水總量的變異系數(shù)取值區(qū)間為0.6～0.7,三者的空間差異相近,而第二產業(yè)呈明顯變化特征。

一般地,水文頻率年不同則區(qū)域水資源量也不盡相同,為降低基尼系數(shù)計算結果受水文頻率年變化的影響程度,并進一步保證基尼系數(shù)的年際可比性,在計算匹配原象基尼系數(shù)時取近10a水資源均值,2011—2020年遼寧省第二產業(yè)增加值、耕地面積、人口與水資源匹配的基尼系數(shù)如圖2所示。

圖2 2011—2020年社會經濟指標與水資源匹配基尼系數(shù)

由圖2可知,2011—2020年遼寧省第二產業(yè)增加值與水資源匹配的基尼系數(shù)處于0.31～0.35之間,總體達到相對均衡狀態(tài),說明研究區(qū)第二產業(yè)布局與水資源空間稟賦相對匹配,但接近0.4的警戒值,并且該基尼系數(shù)呈波動下降趨勢,說明第二產業(yè)布局在發(fā)展用水層面有所改善。2011—2020年遼寧省耕地面積、人口與水資源匹配的基尼系數(shù)處于0.06～0.115之間,總體達到絕對均衡狀態(tài)。

3.2 用水效率分析

文章參考相關研究成果選擇各行業(yè)用水定額評價用水效率,其中生活、第二產業(yè)、農業(yè)用水效率評價指標為居民生活、工業(yè)萬元增加值和農業(yè)綜合灌溉的用水定額,計算分析2012—2020年以上行業(yè)用水定額變化特征。

1)農業(yè)綜合灌溉用水定額。2012—2020年該指標表現(xiàn)出明顯的波動變化特征,其最大差距達到1800m3/hm2,在空間上各地市農業(yè)用水效率也具有顯著差異。具體而言,朝陽市、阜新市歷年均值為7826m3/hm2和7561m3/hm2,相較于其它地區(qū)其用水效率達到領先水平;丹東市、鞍山市歷年均值為9205m3/hm2和9168m3/hm2,相對于其它地區(qū)其用水效率最差。從空間分布上,遼寧省東南部較其它地區(qū)的農業(yè)綜合灌溉用水定額更大。

2)工業(yè)萬元增加值用水定額。2012—2020年該指標表現(xiàn)出波動下降的變化特征,其中大連市的工業(yè)用水效率增幅最大,2020年相較于2012年用水定額下降近60%,同期經濟較發(fā)達的沈陽市、本溪市、營口市也分別下降58%、35%、37%;全省只有鐵嶺市、撫順市2020年較2012年增大了31%和8%。從空間分布上,遼東、遼南地區(qū)較其它區(qū)域的工業(yè)萬元增加用水定額較小,具有更高的用水效率。

3)城鄉(xiāng)居民生活用水定額。2012—2020年該指標表現(xiàn)出先增大后減小的變化特征,其中鐵嶺市和沈陽市2020年相比于2015年下降了15%、12%,錦州市2020年相比于2014年下降8%,只有本溪市2020年相比于2014年增大1%。2013—2018年遼北高于遼南的生活用水定額,但2019—2020年遼北地區(qū)用水定額明顯減小,表明該地區(qū)生活用水效率不斷提升。

3.3 用水結構分析

從生態(tài)環(huán)境、生活、農業(yè)、第二和第三產業(yè)用水的角度上分析全省用水結構時空變化,遼寧省各地市2011—2020年用水結構均衡度值如表2所示。

表2 2011—2020年用水結構均衡度

由表2可知,遼寧省各地市2011—2020年均衡度總體表現(xiàn)出先上升后下降再波動變化的特征,其中2011—2014年波動增加,2014—2017年波動減小,而2017—2020年的波動變化明顯,并且各地市的轉折變化點略有差異。研究時段內本溪市均衡度歷年均值最小為0.46,該地區(qū)均衡度最大和最小值為0.48、0.41。2011—2020年本溪市歷年第二產業(yè)、農業(yè)用水量占總用水量的9%～12%和76%～81%,生態(tài)環(huán)境、第三產業(yè)、生活合計用水量在總用水量中的比例為9%～12%,相對于其它行業(yè)農業(yè)用水量具有主導地位。鞍山市均衡度歷年均值最大為0.74,該地區(qū)均衡度最大和最小值為0.76、0.70,說明該市具有較好用水結構均衡性[13-15]。2011～2020年鞍山市歷年第二產業(yè)、農業(yè)用水量占總用水量的26%～28%和52%～58%,生態(tài)環(huán)境、第三產業(yè)、生活合計用水量在總用水量中的比例為16%～20%。

4 結 論

文章依據(jù)2011—2020年遼寧省社會經濟和用水數(shù)據(jù),從水資源開發(fā)利用結構、效率和利用量的角度上分析了其時空演變特征,主要結論如下:

1)2011—2020年,遼寧省水資源空間稟賦與人口、農業(yè)的匹配性較好,具有較為均衡的發(fā)展布局;水資源空間稟賦與第二產業(yè)的匹配性最差,具有較差的空間均衡性。但研究時段內全省水資源與第二產業(yè)的匹配度不斷提升,空間差異性呈波動減小趨勢,在受到水資源空間稟賦約束的條件下全省第二產業(yè)發(fā)展布局開始注重水資源因素。

2)遼寧省生活、農業(yè)和第二產業(yè)用水效率的空間差異較為明顯。從空間分布上,遼寧省東南部較其它地區(qū)的農業(yè)綜合灌溉用水定額更大,遼東、遼南地區(qū)較其它區(qū)域的工業(yè)萬元增加用水定額較小,遼北高于遼南的生活用水定額,但近年來表現(xiàn)出減小趨勢。

3)2011—2020年本溪市均衡度歷年均值最小為0.46,說明其用水結構非常不均衡;鞍山市均衡度歷年均值最大為0.74,表明該市具有較好用水結構均衡性。生態(tài)環(huán)境、第三產業(yè)用水量占比小而農業(yè)用水量占比大是影響研究區(qū)用水結構均衡性的重要因素。