區域用水結構演化及其驅動因素識別

劉 美

(廣東省水文局梅州水文分局，廣東 梅州 514000)

目前水資源問題已逐漸從一些缺水國家和地區發展為全球性問題[1]。全球氣候變化和人類活動影響下現有環境存在的非平穩性[2-3]，使得水資源開發利用將面臨新的挑戰[4-5]。人多水少、水資源時空分布不均是我國的基本國情和水情，水資源短缺、水污染嚴重、水生態惡化等問題十分突出，已成為制約經濟社會可持續發展的主要瓶頸。在水資源總量有限、用水需求又不斷增長的背景下，2011年中央一號文件[6]明確提出了“三條紅線”，確定了未來一個時期“三條紅線”管理的目標。三條紅線已經成為各區域水資源開發利用的剛性約束。只有守住這“三條紅線”，實行最嚴格的水資源管理制度，才能夠壓縮和限制現有的水資源荷載，騰出一定的水資源承載能力，滿足經濟社會快速發展。

廣東省作為全國第一經濟大省，其水資源面臨巨大的壓力，水資源供求關系與水資源內外部環境均發生了變化：

① 人類活動影響下下墊面變化顯著，例如植被變化、水環境污染、水資源補給等都發生變化，造成水資源可利用量時空分布發生變化[7]。

② 隨著廣東省人口迅速增加，經濟社會持續快速發展，社會產業結構的調整，區域水資源的供需關系發生變化，供需矛盾日益突出；同時，人們對生態環境質量的要求不斷提高，生態環境需水大量增加，水資源開發利用面臨新的形勢。

摸清廣東省水資源利用結構特征，揭示水資源利用結構演化規律，識別其驅動因素可為指導廣東省水資源開發利用，實施最嚴格水資源管理制度提供基礎支撐和保障。基于此，本文采用信息熵探討用水結構演變規律，運用智能算法隨機森林(Random Forest，RF)識別用水影響因素的重要度，為區域應對新常態下的水資源開發利用管理提供科學依據。

1 研究區域與資料來源

廣東省(如圖1)地處北緯20°08′～25°32′、東經109°40′～117°20′之間，陸地面積為17.98萬km2。廣東省地勢總體北高南低，北部多為山地和高丘陵，南部則為平原和臺地。廣東省由于地處東亞季風區范圍內，整體上降水較為充沛，年平均降水量在1 300～1 500 mm，但降水年內分布極其不均，年際間變化也較大，易形成洪旱災害(見圖2)。全省多年平均地表水資源量約為1 828億m3，地下水資源量約為450億m3，水資源總量約為1 829億m3。截止到2014年，廣東省常住人口已達到10 644萬人，城鎮化水平達到67.76%。2013年廣東省GDP總量達62 163.97億元，廣東省產業結構進一步優化，第三產業比例不斷上升，第一產業比例下降，第二產業比重緩慢上升(本文的用水量數據來源于《廣東省水資源公報》；經濟與人口數據來源與《廣東省統計年鑒》，降雨數據來源于中國氣象科學數據共享服務網http:∥cdc.nmic.cn/home.do)。

圖1 廣東省地理位置與高程分布示意

圖2 廣東省降雨空間分布示意與暴雨中心

2 研究方法

2.1 用水結構的信息熵

1948年，Shannon[8]的《通信的數學理論》首先在信息論中引入了熵的概念，將其定義為“信息熵”。用隨機變量S表示其狀態特征，設X的取值為X=(x1，x2，…xn)，對應的概率為P=(p1，p2，…pn)。且有∑Pi=1，則該系統的信息熵為：

(1)

系統無序度可通過熵值H表示，熵值越大，相對的系統功能和穩定性越高。熵理論被廣泛應用在存在不確定性和復雜性的學科中。用水結構的信息熵，是以各用水行業的用水量為隨機變量X，以各行業用水比例(用水結構)表示隨機變量對應的概率P，信息熵的高低反映了用水系統的均衡性和系統功能性，信息熵越大則說明用水越均衡，用水系統的功能越高，用水量的差異越小。

2.2 RF算法

用水的影響因素較為復雜，目前篩選主要選取因子分析法，而本文嘗試采用RF衡量影響因素的重要度[9]，可按式(2)計算：

(2)

式中m、n、t分別是總指標個數、分類樹棵數和單棵樹的節點數；DGkij表示第k個指標在第i棵樹的第j個節點的殘差平方和減少值；Pk為第k個指標的在所有指標中的重要程度；Pk值越大則表示第k個指標越重要；DGkij表示第k個指標在第i棵樹的第j個節點的殘差平方和減少值[10]。

3 結果與分析

3.1 廣東省用水量的變化

自1980年以來，廣東省流域總用水量總體上呈快速增加，從圖3中可以看出：居民生活用水量從1980年的19.8億m3上升到2013年的67.58億m3，主要是這期間廣東省經濟快速發展，外來人口大量涌入，常住人口從5 230萬人增加到10 644萬人，并且隨著生活水平的提高，人均用水量增加，促使生活用水量快速增長；隨著人口的增加與城市基礎設施的建設，第三產業迅速發展，城鎮公共用水從1980年的1.69億m3增加到2013年的27.17億m3；工業用水呈現先增加后減少的趨勢，主要是因為1980—2007年間，廣東省大力發展工業企業，而在2007年后，產業結構進一步調整，第三產業產業比例上升，逐漸成為廣東省的第一大產業，此外，由于技術進步與創新，以及循環利用與節約用水，工業用水穩中下降。農業用水量與當年的降水量息息相關，年降水量處于波動狀態，由于農業用水效率提高，農業用水量呈逐年遞減的趨勢。2011年中央1號文件和中央水利工作會議明確要求實行最嚴格水資源管理制度， 2012年1月，國務院發布了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，要求加強用水總量控制、用水效率控制、水功能區限制納污紅線管理。因此，2011—2013年，廣東用水總量有所下降，工業用水、農業用水、居民生活用水下降較為明顯。

圖3 廣東省各用水部門用水量變化示意

3.2 廣東省用水結構變化與信息熵分析

用水結構變化則由用水比例來反映，從圖4中可以看出，廣東省農業用水比例顯著下降，從1980年的88.67%下降到2013年的50.47%，而工業用水比例逐漸升高，從1980年的4.67%上升到2011年的26.98%。同時可以看出，1980年廣東省以農業用水為主，隨著廣東省近30 a的經濟發展，優先保障居民生活用水，廣東省從1980年以農業用水為主轉變為農業用水和工業用水相對均衡的狀態，隨著城市經濟發展，特別是經濟不發達地區農業用水比例進一步下降，第三產業的發展，居民生活水平的進一步提高，城鎮公共用水比例穩步上升，而近幾年建設廣東省生態文明城市，居民生態環保意識提高，對生態用水量需求大大增加，綜上對各種用水行業的分析，可得相對于1980年，近幾年廣東省的用水比例趨于均衡。

圖4 廣東省不同部門用水比例的年際變化

從時間角度上分析(見表1所示)，廣東省信息熵從1980年的0.45增加到2013年的1.21，總體呈穩步上升趨勢，表明廣東省用水結構系統均衡性提高。分別選取廣州市，東莞、揭陽、湛江、云浮、韶關6個城市代表廣東省不同用水強度階段，并分別計算其信息熵，以分析廣東省各區系統均衡性與用水結構信息熵的時間演變特征。

表1 廣東省及部分城市用水系統熵值變化過程

如表1所示，廣東省和各市近10 a的用水結構信息熵總體上呈上升趨勢，但增幅不同，這與王翔[10]研究結果一致。從6個城市的用水結構信息熵對比中可以看出，其變化與城市的經濟發展水平直接相關，廣州市和東莞市相對與其他4個城市，經濟發展水平高，工業化進程高，其信息熵大。兩市2001—2013年的用水量的增加主要受到兩個方面的影響：一是城市外來人口多，導致生活用水量增加；二是重視第三產業的發展，萬元GDP的用水量較小。韶關市和揭陽市近10 a的經濟快速發展，農業用水量減小，工業和生活的用水份額增加，信息熵值增加較多；而湛江和云浮市對比上述4個城市，經濟相對欠發達，用水行業主要還是以農業用水為主，用水行業比例分配不均，信息熵值小，而因為主要受到農業用水的影響，用水量受到自然條件特別是降雨的影響較大，因此其信息熵波動較大，并且其信息熵值也增加緩慢。

采用ArcGIS空間分析法對2001年、2005年、2010年以及2013年廣東省各市用水結構的信息熵進行分類(見圖5)。2001年，信息熵的高值區主要分布在廣州、佛山、中山、珠海、深圳、東莞等經濟發達地區，其他地區均處于低值區，低值區面積大，其中處于第一階梯(信息熵值小于0.8)的范圍大，說明2000年廣東省用水結構信息熵值的空間分布以第一階梯為主。2005年，信息熵的第一階梯范圍減小，集中在清遠市和粵西地區，主要原因為第一階梯邁向第二階梯(信息熵值在0.8～0.9之間)，因此第二階梯的范圍增大，同時信息熵高值區由珠三角向外擴張。而到了2010年和2013年，信息熵的高值區范圍進一步加大，低值區范圍減小，高值區集中在珠三角廣州、佛山、深圳、東莞、中山、珠海地區。總體上看，信息熵是以珠三角為中心，向外逐步減小，說明廣東省用水結構系統的穩定性從珠江口往外逐步減小。

圖5 廣東省信息熵的空間分布

3.3 廣東省用水量變化影響因素分析

通過對廣東省歷年各部門用水量與其各影響因子的時間序列做RF重要性分析，以衡量各個影響因子的重要度。由于生態用水的量值較小，故本次沒有對其做重要度分析。其他用水部門的重要度結果如圖6所示。可以看出，農業播種面積和有效灌溉面積重要度分別為13.23%和11.08%，是廣東省農業用水主要影響因子；工業用水主要受到了GDP(11.7%)、第二產業(10.6%)、城鎮化率(10.4%)以及工業產值(9.18%)的影響；城鎮公共用水主要受到城鎮人口(11.01%)、第三產業(10.4%)、GDP(9.19%)以及城鎮化率(9.15%)的影響；居民生活用水主要受到總人口(14.98%)、城鎮人口(14.5%)和城鎮化率(9.78%)的影響；總用水量主要受到工業產值(10.98%)，有效灌溉面積(10.94%)、城鎮化率(10.76%)以及播種面積(10.49%)的影響，而氣溫以及降雨是影響最小的因子，說明總用水量主要受到農業和工業影響。

(a) 農業用水

4 結語

通過分析廣東省用水量時空變化特征，利用信息熵探討用水結構演變規律，并在此基礎上，進一步采用隨機森林方法計算了影響廣東省用水量各因素的重要度。主要結論如下：

1) 1980年以來，廣東省農業用水明顯下降，工業比例波動中穩定上升，生活用水、城鎮公共用水以及生態用水比例均緩慢的增加。廣東省單一用水結構類型所占比例減小，各部門的用水比例更加均衡。

2) 廣東省的用水結構信息熵呈明顯的上升趨勢，高值區處于經濟相對發達的城市，用水結構的穩定性從珠三角往外逐步減小，說明信息熵的變化與城市的社會經濟發展水平直接相關；

3) 通過隨機森林智能算法對各用水部門進行影響因素重要度分析，總用水量中，工業產值、有效灌溉面積、城鎮化率等影響因子重要度排序較高，氣溫和降雨重要度排序則較低。總體而言，降雨和氣溫所代表的自然因素對廣東省用水的影響較小，而農業、工業和人口的社會因素對用水的重要度較大，是影響廣東省目前用水的主要因素。