建三江分局用水結構演變及其驅動機制研究

趙菲菲，劉 東，2，于 苗，于新偉

（1.東北農業大學 水利與建筑學院，哈爾濱150030；2.東北農業大學 農林經濟管理博士后科研流動站，哈爾濱150030）

用水結構是指一定時期內某用水系統中各類用水量的比例關系[1]。隨著溫室氣體的增加、臭氧層的破壞、土地荒漠化的蔓延、酸雨的頻繁發生、全球經濟的進一步發展、科學技術水平的不斷提高、城市化進程快速推進以及人口規模的不斷擴大，導致區域水資源利用結構演變復雜性特征日益凸顯。要了解區域水資源利用結構演變的復雜性，就必須對水資源利用結構驅動機制進行研究，以揭示水資源利用結構變化的原因、內部機制。Jenerette[2]認為世界未來用水形式的驅動因子是人口的聚散情況、單個牲畜的水使用、氣候及生態供水條件等；Marios Sophocleous[3]認為導致用水需求上升的驅動因子包括人口增長、經濟增長、技術進步、土地利用與城市化進程、環境退化速度、政府決策環境變化以及其他因素。在用水結構的演變過程中，社會經濟因素、人口因素、自然因素等都將成為影響用水結構變化的制約因素。本文以建三江分局為例，分析用水結構的演變過程，并試圖找出導致該地區用水結構變化的主要驅動力。

1 研究區概況

1.1 研究區概況

建三江分局位于祖國北部邊陲的三江平原腹地，與同江、富錦、撫遠、饒河兩市兩縣相鄰，系黑龍江、松花江、烏蘇里江匯流的河間地帶，是我國的主要糧食產區。總面積1.24萬km2，占整個黑龍江省墾區面積的22%[4]。多年平均氣溫1.0～2.0℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫－41.6℃，多年平均降水量為383.5～886.1mm。近年來，隨著農業經濟的發展，建三江分局水資源面臨著嚴峻的考驗。面對日益嚴重的水資源危機，從建三江分局水資源利用結構變化來分析其變化的驅動機制，為合理調整水資源結構，建立高效的水資源可持續利用機制提供決策依據。

1.2 研究區近12a的用水結構演變

1.2.1 用水現狀 2010年，建三江分局水資源總量為25.76億m3，其中地表水資源量10.39億 m3，地下水資源量為14.83億m3；地下水可開采量為11.08億m3，地下水總補給量為14.83億m3，每年過境地表水資源量大約為2 483億m3。從用水部門分析，2010年建三江分局總用水量27.89億m3，其中農業用水27.78億m3，占總用水量的99.61%；工業用水為0.01億 m3，占0.04%；生活用水量0.10億 m3，占0.36%。

1.2.2 近12a用水結構的變化

（1）用水總量。用水資料主要來源于建三江農墾統計年報（1999—2010）。1999—2010年，建三江分局用水總量呈增長趨勢，由1999年的12.31億m3增加到2010年的27.88億 m3，增加15.58億 m3。在用水總量增長過程中，階段性變化較明顯。主要可以分為3個階段：①1999—2002年，用水總量呈基本穩定階段，年均約12.34億m3；②2003—2007年，用水總量呈快速增長階段，由2003年的10.49億m3增長到2007年的23.27億m3，年均用水量13.22億m3；③2008—2010年，用水總量呈緩慢的增長趨勢，年均用水量約26.13億m3。

（2）農業用水。農業用水作為建三江分局的用水大戶，其用水量變化極大地影響著總用水量，其演變趨勢與總用水量的變化基本一致，呈上升趨勢。1999—2002年農業用水保持為年均12.32億m3；2003—2010年農業用水量持續增長，其中2003—2007年農業用水量快速增長，由10.46億m3上升到23.13億m3；2008—2010年農業用水量年均為26.01億 m3。農業用水量在起伏變化的同時其用水比重在總用水量中一直處于領先地位，始終高于99%。

（3）工業用水。建三江分局工業用水量1999—2010年呈增長的趨勢，工業用水量由56萬m3增長到103萬m3。而工業用水比重很小并且也沒有大的波動，始終維持在0.05%左右。

（4）生活用水。總體上看，1999—2008年，生活用水量呈持續增長態勢，由1999年的145萬m3一路攀升至2008年的1 389萬m3，2009年和2010年生活用水量有下降的趨勢。生活用水比重由1999年的0.12%增長到2008年的0.58%，2009年和2010年的生活用水比重分別為0.38%和0.35%。

總之，根據1999—2010年建三江分局各部門用水量變化圖可知（圖1），總用水量與農業用水量保持一致的變化趨勢，農業用水比重占主導地位。在建三江分局，總用水量大部分消耗于農業用水，控制總用水量的關鍵是制約農業用水。

圖1 1999－2010年建三江分局各部門用水量

2 基于信息熵的用水結構演變規律分析

2.1 信息熵理論

“熵”原是一個熱力學概念，用以描述自發過程不可逆性的狀態函數[5]。為了與熱力學過程有所區別，1908年，Shannon首先在信息論中引入了熵的概念，將其定義為信息熵。即對于一個不確定性系統，用隨機變量S表示其狀態特征；對于離散型隨機變量，設x的取值為X＝｛x1，x2，…，xn｝，每一取值對應的概率為P＝｛p1，p2，…，pn｝，且有∑pi＝1，則該系統的信息熵表達式[6]：

用信息熵描述任何一種體系或物質運動的混亂度和無序度[7]。將信息熵概念引入水資源系統來描述系統的結構演化規律。設在一定時間尺度內，用水比例pi＝Hi／H，并滿足條件：∑pi＝1，pi≠0。其中H為總用水量，Hi為各種類型的用水量。一般地，信息熵越小，系統就越有序，結構性就越強；反之，信息熵越大，系統就越無序，結構性就越差[8]。理論上當各種用水類型的用水量相等，即p1＝p2＝…＝pn＝1／n時，熵值達到最大，這表明區域內用水量達到了均衡狀態，此時熵值達到最大值：

在實際應用中，由于不同區域或同一區域不同發展階段所包含的水資源利用類型有多有少，水資源利用結構的信息熵往往缺乏可比性。因此，基于信息熵函數引入水資源利用結構的均衡度公式：

顯然，均衡度的取值范圍為J∈[0，1]，即當J＝0時，水資源利用處于最不均勻狀態，J值越大，均質性越強，當J＝1時，則用水類型達到理想平衡狀態，均衡度較信息熵的直觀性和可比性均有所增強。

2.2 建三江分局用水結構演變的信息熵分析

建三江分局近12a不同年份的用水結構信息熵、均衡度見表1。由表1可知，建三江分局用水結構信息熵、均衡度自1999年以來都很小，表明該地區水資源利用系統的有序程度非常高，結構性很強，用水量在各個用水部門的分配極不均勻，這與建三江分局農業用水比例過大的事實相符。但用水結構信息熵在這12a里總體呈上升趨勢。表明建三江分局用水結構趨向無序。1999—2008年信息熵有小幅度的上升，表明該地區農業用水比例在下降，而工業、生活用水比例進一步提高，但減少農業用水比例的效果并不顯著，農業用水在總用水中所占比例很大；在2009年和2010年信息熵開始有下降的趨勢，表明建三江分局用水系統中單一用水結構類型所占比例開始增大，系統均質性減弱。

表1 建三江分局近12a年用水結構信息熵、均衡度計算

3 用水結構變化的驅動機制分析

驅動機制著重分析區域用水結構變化過程的主要自然和社會經濟驅動因素及其驅動機理。根據1999—2010年的社會經濟統計數據序列，應用因子分析方法研究十幾年間建三江分局用水結構變化的驅動機制，分析用水結構變化的主要驅動因子。

3.1 驅動因素的選取

鑒于用水結構系統復雜，各個部門用水量的變化受到各種因素變化的影響[9]，本研究中驅動因素的選取遵循數據可獲取、綜合性、代表性、可量化的原則，主要選取影響用水結構變化的因子包括總人口、農業總產值、工業總產值、畜產品產量、耕地面積、有效灌溉面積、糧食產量、GDP、降水量、氣溫等。

3.2 基于主成分因子分析的驅動機制

為了更加直觀地反映各驅動因子對用水結構變化的影響程度，采用因子分析法對驅動力因子的近12a資料進行分析計算，篩選出關鍵驅動因子。

主成分因子分析是從眾多的原始變量中構造出少數幾個具有代表意義的因子變量，這里面存在一個潛在的要求，即原有變量之間要有比較強的相關性[10]。如果原有變量之間相關關系較弱，那么就無法從中綜合出能反映某些變量共同特性的少數公共因子變量來。因此，在主成分因子分析時，需要對原有變量作相關分析檢驗。本文采用KMO檢驗方法來判斷原有變量是否適于做主成分因子分析。首先進行樣本充足度（KMO）檢驗，KMO指數越接近于1越適于進行因子分析。用SPSS計算得出該組數據的KMO值為0.784，可以進行因子分析。

由表2中特征值和主成分貢獻率可知前兩個因子是主要因子，且其累計貢獻率已經達到87.176%，而其它因子相對來說次要一些。

表2 主成分分析貢獻率

由表3因子分析結果來看，第一主成分對下列指標具有較強的解釋力，它們依次是農業總產值（萬元）、GDP（萬 元）、糧 食 產 量 （t）、有 效 灌 溉 面 積（hm2）、畜產品產量（t）、耕地面積（hm2）、總人口（人）和工業總產值（萬元）。這幾個指標主要反映社會經濟發展水平的，命名為農業經濟發展水平因子。

表3 驅動力因子旋轉主成分荷載矩陣

根據表4可知，其貢獻率為71.633%。第二主成分對氣溫和降雨量具有較強的解釋力，其貢獻率占到總因子的15.544%，氣溫、降雨量對第二主成分的貢獻量分別為－0.897和0.762，其中氣溫前的荷載是負數，說明與第二主成分因子呈反比，氣溫越高，用水結構演變的就越慢。

因子分析結果表明：①在影響建三江分局用水結構長期演變的驅動力因子中，總人口、農業總產值、糧食產量、GDP、有效灌溉面積、畜產品產量、耕地面積和工業總產值等社會經濟因子是主要的驅動力因子。社會經濟的發展程度，特別是該地區農業發展程度對于建三江用水結構的發展變化起到決定性作用；②氣溫和降水量等自然環境因子的變化直接影響農業用水量，從而對用水結構演變產生直接影響；總之，社會經濟和自然環境因子是建三江分局用水結構演變的主要驅動力。

表4 不同因子的貢獻計量值

4 結論

（1）建三江分局用水結構的顯著特點是以農業用水為主。由于該地區以水田為主，農業用水比例占總用水的比例非常大，農業用水比例占99%以上。工業用水比例比生活用水比例還小。由用水量以及用水比例的分析來看，該地區農業用水量持續上升，生活用水比例上升，但工業用水比例持穩定狀態。

（2）用水結構信息熵結果表明，從整體看，建三江分局用水分配及其不均勻，用水系統中單一用水結構類型所占比例很大。

（3）通過SPSS軟件的主成分因子分析，以農業發展為主的社會經濟因子是影響建三江分局用水結構演變的主要驅動力，總人口、農業總產值、糧食產量、GDP、有效灌溉面積、畜產品產量、耕地面積和工業總產值等社會經濟因子是影響建三江分局用水結構長期演變的主要驅動力因子；降水量和氣溫等自然環境因子對用水結構演變有重要的影響?；谝陨辖Y論，要改變建三江分局農業用水比例過大的現狀，實現水資源的可持續利用，就必須提高經濟效益與優化灌溉制度相結合，促使該地區用水結構朝向合理均衡的方向發展。

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