遼寧省用水結構時空演變特征分析

姜 丹

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

城市化的快速推進，伴隨著第二、三產業比重的增加、用水總量與經濟總量的持續增長、耕地林地的不斷縮減以及人口的不斷聚集等，用水結構受政策導向、用水效率、經濟社會、資源稟賦和科技水平等多要素的交互作用已發生顯著改變，水資源系統的不確定性突出。針對不同發展階段的城市化進程，國內外學者越來越注重對用水結構及其演變特征的研究[1]。

目前，已經歷了從定性分析到定量識別的用水結構演變趨勢研究，如翟遠征等[2]從用水結構與用水總量的角度分析了北京市經濟社會的變化特征，依據各部門用水情況識別了關鍵性驅動要素，并預測了未來用水結構與用水量的演變情況；金菊良等[3]運用向量自回歸模型，揭示了山東省用水總量與用水結構之間的動態變化關系；Zhang等[4]采用灰色關聯度法和信息熵理論識別分析了驅動因子及用水結構演變特征；Wang等[5]針對用水結構利用綜合指標信息熵加以量化，提出海河流域的用水結構呈穩定性和均衡性增強的趨勢。針對用水結構與產業結構調整之間的相互變動關系，許多學者運用集對分析和灰色關聯法進行定量分析，為協調兩者之間的關系奠定了基礎，而國外學者側重于水資源可持續利用受產業供需水預測及其相關要素的影響研究。

綜上分析，從時間尺度上探討用水結構演變特征的相關成果較多，而涉及空間演變過程的研究還鮮有報道。本文依據遼寧地區1985—2018年的用水數據，針對區域用水結構時空變化特征利用信息熵評判指標加以分析，并對研究成果選用重心模型驗證，以期為水資源可持續利用和最嚴格水資源管理提供科學的指導依據。

1 研究方法

1.1 區域概況

遼寧省地處我國東北地區南部，位于E118°53′～125°46′，N38°43′～43°26′之間，屬于東北地區既沿邊又沿海重要的多外開放門戶，從空間結構上劃分為沈陽、遼東、遼西和遼北四大片區。該區域為大陸性季風氣候，年均氣溫7.0～11.5℃，年降水量600～1100mm，境內分布饒陽河、大凌河、太子河、渾河、遼河等河流，島嶼有大鹿島、長興島、石城列島及里長山列島等266個，全省島岸線長627km。水資源利用以地下水為主，局部地區的地下水過度開采且水資源浪費嚴重，水資源存在邊際效益低、可開發總量少、開采成本高等特點，城市化建設和經濟社會發展使得水資源問題更加突出。調查顯示，現階段已形成以沈陽為核心依次向四周遞減的產業結構發展格局[6- 18]。1985—2018年期間，遼寧地區的三產結構從33.5∶41.2∶25.3調整為4.7∶44.2∶51.1，第三產業逐漸轉變為支柱產業，三產結構中第一產業比重不斷減少。用水結構因用水對象的改變現已發生較大變化，總體呈工業用水比例上升而農業用水比例大幅下降的特征，該區域1985年生活、城鎮公共、工業和農業用水比例6.0∶0.5∶4.6∶88.9逐漸轉變為2018年的15.8∶6.4∶25.5∶52.3。

1.2 研究方法

1.2.1信息熵理論

為了更好的衡量系統的不確定性、穩定程度和信息量，1948年Shannon在信息論中引入了熱力學中熵的概念，從而反映復雜系統的演變情況。我國用水結構隨著社會經濟的發展已發生較為顯著的改變，初級階段以農業用水為主并逐漸發展為生活、工業、農業用水更加合理的高級階段。為了更加直觀地反映系統演變特征，利用信息熵原理探討遼寧地區的用水結構演化規律。

(1)

在用水類型不變的情況下，各計算單元有p1=p2+…=pN=1/N，此時Hmax=lnN且系統狀態為最有序；反之，若用水類型僅存在一種情況，則系統信息熵最小Hmin=0，其狀態極為簡單。此種情形在實際工況中并不存在，所以應按照標準Hmin≤H≤Hmax反映用水結構信息熵，通過標準化熵獲取均衡度指數J，其數學式如下：

J=H/Hmax

(2)

各部門用水量在均衡度J不斷增大的情況下趨于平衡，而用水系統結構在單一用水類別優勢度減少的情況下更加穩定和復雜，良性循環為用水系統演化的主要方向。采用下式求解均衡度指數

1.2.2重心模型

在前后左右各方向上空間中某一點始終保持相對均衡的力量即為重心的概念，其理論基礎為物理學。在時程上用水結構重心的空間移動方向及其空間位置利用重心模型確定，通過解析各部分用水比例的空間格局變動規律以及用水結構信息熵進一步揭示用水結構空間演變特征，探討用水結構的均衡程度與變化軌跡。設n個平面單元組成某一評價區域，重心坐標(Xi，Yi)與平面單元i相對應，區域i在第j年的屬性值為Tij，則利用下式反映重心坐標：

(3)

(4)

式中，Tij—反映空間單元面積的屬性值；(Xi，Yi)—區域幾何中心。通過對用水比例的調整獲取空間單元屬性值，即第j年區域i的重力坐標。通過移動方向、距離來客觀重心的移動軌跡，文中n取研究區的14個地市。

1.3 數據來源

選取遼寧省水資源公報、水資源綜合規劃提取1985—2018年的用水數據，按原口徑分類研究區1985—2010年的用水數據，以每5年一個數據分類統計生活、農業、農業用水；根據生態、生產、生活3個類型，分類統計2010—2018年的逐年數據?？紤]行業用水分析實際情況，以新口經轉化1985—2010年的數據。

2 結果分析

2.1 用水結構演變特征分析

遼寧地區的生態、生活、城鎮公共、農業及工業5大類用水情況，如圖1所示。從圖1可知，遼寧地區的總用水量呈不斷上升的變化趨勢，從最初的421億m3不斷提升至2018年的435億m3，用水總量增長率達到0.88%；1985—2018年的用水結構發生顯著的改變，1985年的生活、城鎮公共、工業、農業用水比例6.0∶0.5∶4.6∶88.9逐漸轉變為2018年的15.8∶6.4∶25.5∶52.3。由于用水對象的變化，總體上呈工業用水比例增大而農業用水比例大幅下降的特征，占據主導地位的逐漸轉變為生活用水，其它行業用水區域均衡。沈陽地區的工業較為發達，農業用水比例逐漸小于工業用水。

2.2 用水結構時空演變特征

(1)用水結構時間變化特征。圖2反映了遼寧地區1985—2018年期間的用水結構信息熵變化情況，整體表現出先增大后區域穩定的特征。1985年用水結構均衡度和信息熵為0.261、0.452，截止2010年增長至0.672和1.150，此期間信息熵平均增長率達到0.047/a；用水結構均衡度、信息熵自2010年后逐漸增長至0.780和1.131。結合信息熵的基本內涵，單一用水結構在用水系統中的比例隨著信息熵值的增大而減少，系統穩定性與均衡性不

圖1 遼寧地區歷年用水量變化

圖2 用水結構均衡度和信息上

斷增強。通過對1985—2018年遼寧地區用水結構變化狀況的分析，總用水量中各部門均衡用水逐漸替代單一的以農業用水為主的模式，同樣信息熵呈不斷上升趨勢。

(2)用水結構空間變化特征。根據不同時間點上各片區用水結構信息熵可知，由于其它部分用水比例較小而農業用水比重較大，使得結構信息熵在遼寧省各片區總體處于較低水平；2010—2018年，用水結構信息熵在4個片區內總體呈緩慢增大趨勢，其中用水結構信息熵達到高值的有遼東地區和沈陽片區。相對而言，遼西和遼北這兩個區域為用水結構信息熵低值區，此區域信息熵增長幅度較小且長期處于相對穩定狀態；2018年，用水結構信息熵值在遼東和沈陽片區已超過1為1.086、1.327，而在遼西和遼北地區為0.781、0.860。根據區域用水情況，沈陽地區的工業、農業用水比例呈先上升后穩定和不斷減少的趨勢，變化幅度為從5.2%上升至38.2%、從88.0%減少至32.7%，城鎮公共用水和生活用水比重呈不斷增大的變化特征；遼東地區生活用水占比高且人口規模較大，從最初的8.1%不斷增大至2018年的20.5%，各行業用水比例逐漸區域平衡；農業用水比例在遼北和遼西地區仍占據主導地位，這兩個片區的農業用水和工業用水比例分別為72.6%、76.1%與14.3%、6.8%，信息熵評判結果仍處于較低水平。

2.3 用水結構重心轉移過程

通過對城鎮公共、生活、工業、農業用水的年重心、用水結構信息熵以及重心移動的方向與距離的分析，進一步檢驗在時空上的用水結構演變情況，結果見表1。

1985—2018年期間，逐漸向南轉移為遼寧地區用水結構信息熵的典型變化特征，不同領域的用水比重呈均衡發展趨勢。用水結構信息熵在沈陽片區從最初的0.45不斷增大至2020年的0.97，進一步分析原因為該時期沈陽片區的工業發展迅速，從而導致農業用水不斷減少而工業用水急劇增大。1985—2000年期間，沈陽片區的工業用水比例從6.1%快速上升至30.4%，而農業用水比例從最初

表1 1985—2018年四大片區信息熵和用水比例

的86.2%迅速減少至57.6%；信息熵重心在2000—2010年折返北移，這主要與沈陽地區的產業空間結構優化、人口聚集、技術革新和城市升級等因素相關，農業和工業用水比例從57.0%減少到32.4%、自30.4%上升至43.1%。2010年后，向南移動并區域相對穩定狀態為用水結構信息熵表現出的典型特征。從2010—2018年沈陽片區、遼東、遼西和遼東的用水結構信息熵變化幅度總體減弱。通過對原因的分析發現，遼寧地區2010年的產業結構調整以服務業加速發展、工業內部升級加快等為主。城鎮公共、工業和農業用水比例均呈現出小幅度的變化特征，由此表明不同年代之間的用水信息熵重心呈一定的空間轉移特征，能夠較為準確的反映在時空變化上各部門用水的變化情況。

3 結語

區域用水結構的演變受政策導向、資源稟賦、經濟發展和科技水平等條件作用，其不確定性呈不斷增強趨勢。本文依據遼寧省1985—2018年的用水數據，對研究區用水結構時空演變特征利用信息熵理論進行研究分析，對相關結論的準確性利用重心模型加以驗證，得出的結論如下：

(1)1985—2018年，遼寧地區的工業用水比例和用水量不斷增大，而農業用水比例及用水量呈明顯的減少趨勢，城鎮公共和生活用水比例的上升幅度較為緩慢，用水比例趨于均衡認定而用水結構信息熵呈上升趨勢。

(2)顯著的區域性差異為遼寧地區用水結構演變的典型特征，用水結構受經濟輻射影響形成了以沈陽片區為核心的聚集區。沈陽片區為信息熵高值區并逐漸成為用水重心，城鎮公共、生活和工業用水中心逐漸轉移至沈陽片區，而遼北地區為農業用水重心轉移區。