華北地區用水結構時空動態演變特征分析
——以邯鄲市為例

吳 旭， 陶 濤， 吳潤澤， 王曉琳,4*

(1.河北工程大學水利水電學院， 邯鄲 056038； 2.河北省邯鄲水文勘測研究中心， 邯鄲 056001； 3.海河水利委員會漳河上游管理局， 邯鄲 056006； 4.河北省智慧水利重點實驗室， 邯鄲 056038)

水資源匱乏、時空分布不均是困擾京津冀地區當前社會經濟發展的重點難題之一。隨著各行業產業化進程的全面提速，“節水優先，空間均衡，系統治理，兩手發力”這十六字治水方針是破解水資源短缺和落實綠色發展的根本途徑[1-2]，而深入分析區域用水結構及其均衡性的空間分布和演變規律，則是其中的首要任務和基礎性工作。通過區域用水結構重心移動軌跡以及區域經濟重心移動軌跡，可以判斷區域用水與經濟之間是否真的存在很大的相關性，進一步可以研究該區域不同部門用水量與三大產業之間的相關性。現實意義上，通過區域用水結構重心以及經濟重心移動軌跡的時空研究，能更準確地把握水資源利用與經濟協調發展路徑，同時，通過GIS(global information system)軟件能夠將各重心的計算結果更加直觀地表現在地圖上，充分實現空間可視化，為區域未來水資源合理開發利用能、經濟政策、產業政策的制定提供參考依據。

目前有關用水結構的研究在內容上，主要集中在用水結構演變趨勢及驅動因子分析[3-4]、用水結構變化及預測分析[5]、產業結構與用水結構協調性分析[6-8]、區域用水差異性變化分析[9-10]等方面，在研究方法上主要采用主成分分析[11]、灰色關聯分析[12]、生態位法[13]、信息熵[14]、基尼系數等。現有的研究成果，大多著眼于單一區域層面的用水結構在時間尺度上的變化分析，較少涉及空間演變過程的研究，缺乏空間各區域間對比分析。水資源作為推動經濟發展的主導力量之一，在地區經濟增長方式轉變以及產業結構調整的背景下，水資源的可持續發展是保持區域經濟健康平穩發展的重要因素。因此，有必要聯合經濟因素綜合分析研究區域用水結構空間分布演變過程。

邯鄲市地處晉冀魯豫四省交界，地勢地貌類型復雜多樣，水資源空間分布不均，用水結構長期處于不夠合理的狀態。在國家宏觀調控下，邯鄲的產業布局正處于不斷優化、傳統產業升級轉型階段，產業發展水平在空間上呈現明顯的聚集特征，用水結構時空演變復雜，而現有的研究較少涉及不同子區域之間的空間對比分析，且未能因地制宜地反映邯鄲的用水結構變化規律與社會經濟發展要素之間的關系。

鑒于此，現采用信息熵原理、洛倫茲曲線和基尼系數等方法，探討2008—2017年邯鄲及11縣1市6區間的用水結構時間演變規律和空間分布特征，并在此基礎上，引入重心模型，通過區域經濟重心移動的軌跡對其用水結構空間演變特征進行驗證，更準確地揭示近年來區域用水結構演變路徑和發展趨勢，以期能夠為區域水資源合理開發利用和產業結構優化提供依據，從而促進地方經濟與區域水資源的和諧發展。

1 研究方法

1.1 信息熵理論

利用信息熵的原理來描述區域用水結構的演變特征，為了比較和衡量不同類型用水的均衡性，故引入均衡度的概念[15]。計算公式為

(1)

(2)

式中：pi為某種類型用水的比重，pi=qi/Q，pi≥0,且∑pi=1。其中，qi為某種類型的用水量，假設某區域用水總量由n種不同類型用水組成，則q1+q2+…+qn=Q。J為均衡度，即為實際熵值H與最大熵值Hmax的比值。其值越大，表明用水類型多樣化，且各類型用水分布越均勻，系統的均衡性越強。

1.2 洛倫茲曲線和基尼系數

洛倫茲曲線和基尼系數最初主要用來研究收入分配的均勻性。后被應用到水資源領域中，描述區域用水結構空間分布的差異程度[16-17]。以邯鄲市為例進行介紹。

首先，計算各個區縣不同用水類型的區位熵，用以反映某類型用水在空間分布上的相對集中程度[18-20]。計算公式[21]為

Dij=(Yij/Yj)/(Wi/W)，

i=1,2,…，m，j=1,2,…，n

(3)

式(3)中：D為區位熵；Yij為某i區縣第j種用水量；Yj為邯鄲市第i種用水量；Wi為某區縣總用水量；W為邯鄲市總用水量；m為縣區的個數；n為用水類型數。

然后，按區位熵值由小到大排序，計算不同類型用水量的百分比和總用水量的百分比，再分別計算其累計百分比。最后，根據計算結果繪制不同類型用水的洛倫茲曲線。曲線的彎曲程度反映不同類型用水空間分布的差異性。區域用水結構空間分布均衡的最理想狀態是洛倫茲曲線為一條y=x的直線，此直線又被稱為絕對均勻線，通常被用以定性分析判斷實際用水結構空間分布的均衡性。

基尼系數則是從定量的角度描述用水空間分布的狀況，計算公式為

(4)

式(4)中：G為基尼系數，0≤G≤1。Mi為某區縣某一類型用水量的累計百分比；Pi為某區縣用水總量占全市用水總量的百分比。

選擇邯鄲市下轄的11縣1市6區進行研究，考慮到數據統計口徑的一致性，將復興區、邯山區和叢臺區數據合并組成主城區，故1≤i≤16，i為整數。國際上基尼系數評價的取值標準見表1。

表1 基尼系數與評價結果間的關系Table 1 The relationship between Gini coefficient and evaluation results

1.3 重心模型

(5)

將邯鄲市16個區縣作為平面單元，將各區縣級政府所在地的地理位置作為該平面單元的經緯度坐標。當某種屬性量值發生改變，則代表該屬性的區域重心發生移動，重心移動的方向指向屬性值增長的區域，重心移動的距離表征該屬性值在空間分布的不均衡程度，通過重心變動軌跡則能夠反映某屬性值在區域內的空間差異性。

為更直觀描述重心分布的趨勢方向，采用Lefever所提出的標準差橢圓(方向分布)進行分析[23]。所謂的標準差橢圓是以所有點的平均中心為中心新建一個橢圓面，該橢圓的長軸和短軸分別表示重心分布的方向和范圍。橢圓長短軸的差距表征重心分布或方向性的明顯程度。

2 分析與討論

2.1 用水結構現狀

依據水資源公報數據的統計方法，將用水類型劃分為農業用水、工業用水、生活用水、生態用水等四方面進行統計分析，統計數據則摘自2008—2017年《邯鄲市水資源公報》[24]，邯鄲市用水結構現狀如圖1所示。由圖1可知：2008—2017年，邯鄲市的多年平均總用水量為18.78億m3，整體呈先上升后下降的趨勢。各部門用水比例均有不同程度的變化，其中，農業、工業用水占比受節水灌溉措施的實施和產業結構調整等因素的影響，均呈不斷下降的趨勢，分別由72.6%、14.1%降到69.7%、11.8%，生活、生態用水占比則主要受城鎮化率和社會經濟水平的提高均呈上升趨勢，分別由13.0%、0.3%提高到16.4%、2.2%。

圖1 2008—2017年邯鄲市用水結構Fig.1 Water consumption in Handan City from 2008—2017

2.2 用水結構時間變化趨勢分析

圖2所示為邯鄲市2008—2017年用水結構的信息熵和均衡度變化情況，由圖2可知，邯鄲市用水結構整體上均呈緩慢增長趨勢。其中，2008—2010年期間，信息熵值和均衡度分別由0.789和0.569緩慢增長至0.792和0.571，信息熵值的增長率為0.07%；2011年之后，信息熵和均衡度呈波動逐漸增長的趨勢，熵值增長率平均為0.35%。根據信息熵和均衡度的基本內涵，其數值與單一用水類型的優勢性成反比，即信息熵值和均衡度越大，則各用水類型所占比例的差別就越小，系統的均衡性和穩定性就越強。經分析，可知2008—2017年邯鄲市用水結構正在由以農業用水占比為主的模式向著各部門用水比例更為均衡、穩定的方向發展。

圖2 邯鄲市用水結構信息熵和均衡度Fig.2 The information entropy and banlance degree of water utilization structure in Handan City

2.3 用水結構空間變化趨勢分析

為分析研究不同時間節點邯鄲市用水結構在空間上的變化特征，選取2008、2010、2017年為代表年，由式(3)、式(4)計算得到全市各地區不同類型用水量的區位熵和基尼系數，并繪制邯鄲市各分區用水類型的洛倫茲曲線，結果如圖3～圖5、表2所示。

圖3 2008、2010、2017年邯鄲市各用水類型的洛倫茲曲線Fig.3 Lorentz curves of different types of water use in different regions of Handan City in 2008, 2010 and 2017

圖4 2008、2010、2017年邯鄲市不同類型用水洛倫茲曲線Fig.4 Lorentz curves of different types of water use in Handan City in 2008, 2010 and 2017

圖5 2017年邯鄲市各縣不同類型用水量區位熵Fig.5 Location entropy of water consumption in various regions of Handan in 2017

表2 邯鄲市典型年不同類型用水基尼系數及評價結果Table 2 Gini coefficient and evaluation results of water consumption in typical years in Handan City

由圖3可知，2008、2010和2017年邯鄲各類用水的空間分布變化幅度不一，但總體均向均衡性發展。通過圖4并結合表2，可知農業用水的洛倫茲曲線在2008、2010和2017年間變化幅度小，三條曲線基本重合，且均與絕對平均線最為接近，其基尼系數從2008年的0.158減少到2010年的0.156又增加到2017年的0.158，平均變化率僅為0.001%，整體處于“絕對平均”的狀態。表明各地區農業用水比例和利用程度大致相同，空間分布非常均衡；其次較接近絕對平均線的是生活用水，其基尼系數逐年減小，由“相對合理”轉變為“比較平均”的狀態。表明全市各地區的生活用水量空間分布趨于均衡，差異性趨于減小；工業用水的洛倫茲曲線距離絕對平均線較遠，其基尼系數在各年份均大于0.5且有逐年增大的趨勢，處于“差距懸殊”的狀態。表明工業用水趨于不均衡性方向發展，而這與邯鄲工業結構有密切的關系；相比之下，雖然生態用水的基尼系數表現出的也是“差距懸殊”的狀態，但它的洛倫茲曲線卻逐年向絕對均勻線靠近，其基尼系數也呈減小趨勢，表明隨著各地區對生態文明建設和水生態修復與防治重視程度的提高，生態用水量有了顯著增加。

全市各地區不同年份各類型用水的分布較為穩定，以2017年為例，分析各類型用水在各個地區的分布情況。

由圖5可知，武安市工業用水區位熵最高，達5.53，峰峰礦區次之，為3.65，涉縣、邯鄲市區的區位熵也均在1.0以上。結果表明，工業用水量主要集中分布在邯鄲市中西部，其原因是該區域蘊藏有豐富的優質煤炭和礦石資源，主要工業以煤炭、鋼鐵等為主，是邯鄲重工業集中地。農業用水區位熵除了以上四個重工業集中地之外，其他地區的區位熵均在1.0以上，其中肥鄉區、成安縣、廣平縣、館陶縣、大名縣的農業用水區位熵在1.2以上。邯鄲有著適宜農業發展的氣候條件，而這些地區又主要分布在邯鄲東部，屬于華北平原，為農業發展提供了廣闊的地理條件。生活用水區位熵大于1.0的有邯鄲市區、峰峰礦區、武安市和涉縣，其中邯鄲市區的生活用水區位熵超過了2.0。這些地區具有人口數量多、城鎮化率高、經濟水平相對較發達等特點。生態用水區位熵值最高的是曲周縣，高達4.71，其次是涉縣、永年區、邱縣、大名縣和磁縣等地，區位熵值均在1.0以上。究其原因，主要是因為這些地區近年來分別開展了河渠治理、蓄水植綠、景觀打造等一系列全域水系生態修復工程，使生態用水量有了大幅增加。

2.4 用水結構重心與經濟重心的動態關系分析

一個區域的用水結構重心軌跡演變會受到諸多因素影響，除了與該區域水資源稟賦有關，還與經濟發展水平密切相關。本文中試圖從GDP、三次產業產值等經濟角度實證研究邯鄲市用水結構重心的變化。經濟重心移動軌跡表征了各地區人口、產業結構布局、土地利用等各領域綜合發展水平在地理空間上的差異。用水結構重心則是各地區經濟發展對水資源承載力影響程度綜合作用的結果。經濟重心發生轉移說明某些地區經濟發展迅速，增大了該區域水資源承載力的壓力。同時，區域為實現經濟的穩定發展進而加大了水資源量的開發利用，因此經濟重心軌跡與用水結構重心軌跡存在相互作用關系。經濟指標數據源于《邯鄲市統計年鑒》和《河北經濟年鑒》，由于經濟統計數據中沒有單獨、對應生態用水量的經濟指標，而生態用水主要服務于社會，故將生態用水量計入生活用水量，對應第三產業產值開展分析。運用重心模型對2008—2017年邯鄲市不同部門用水的年重心，邯鄲市各行業經濟產值年重心以及重心空間位置移動距離和方向進行測算，并利用ArcGIS10.2對測算結果進行可視化處理，如圖6所示。

由圖6可以看出，近10年來邯鄲市用水結構重心與經濟重心移動軌跡的區域不完全相互交叉，兩者存在不同程度的偏離，但在空間位置上仍能夠反映其相互之間存在的作用關系。用水總量重心分布在114.650 2°E～114.677 7°E，36.523 4°N～36.546 6°N，基本位于GDP重心東南側。從標準差橢圓形狀來看，用水總量重心的標準差橢圓近似為一個圓形，表明在研究期內邯鄲市用水總量分布較為均衡。GDP重心標準差橢圓的長軸長度約是短軸的3.8倍，表明經濟重心在東西方向分布較南北方向離散特征更明顯，即GDP分布不均衡，東西方向上的經濟差異遠大于南北方向上的。從移動方向上看，用水總量重心呈逆時針偏東南方向移動，GDP重心則整體由西向東，向偏南方移動。從移動距離上看，GDP重心變化劇烈程度大于用水總量重心，表明邯鄲東部地區社會經濟發展水平呈上升趨勢，為了緩解經濟社會帶來的水壓力，邯鄲市堅持節水優先，嚴格落實最嚴格水資源管理制度，使用水總量得到控制。

邯鄲市一產、工業、三產產業的年重心及重心移動軌跡分別主要分布在邯鄲東部、中西部和中部地區，反映了邯鄲市產業結構的空間布局和調整方向。從標準差橢圓形狀來看，三者的重心標準差橢圓的長軸均大于短軸，表明邯鄲市經濟發展在空間分布上不太均衡，尤其是工業產值重心，在東西方向上的區域差異要遠大于南北方向上的。

農業用水重心較第一產業重心偏南，主要位于邯鄲市成安縣與肥鄉縣交界處附近，兩者的重心移動軌跡較為相似，農業用水重心的標準差橢圓形狀接近圓形，表明邯鄲市以東部地區為主已形成了一定規模的農業，在實現農業經濟穩步增長的同時，對種植結構進行了優化，并以精細化農業發展為導向，不斷推動農業向低水耗和高產值的方向發展，提高了產業用水效率，使農業用水重心在空間分布上較為均衡。工業用水重心與工業產值重心有交叉重合，但兩者轉移軌跡有相悖發展的趨勢。從2008—2017年，工業產值重心整體由西向東移動，與GDP重心移動軌跡基本相同，表明東西部地區的工業差距正在縮小，工業依然是邯鄲市的主導產業。而工業用水重心在2008—2015年呈現集聚態勢，在2016—2017年則向西北方向移動，且移動距離較大，主要是因為邯鄲市在“十三五”規劃中對產業結構進行了調整和優化，東部地區經濟增長質量較高，與邯鄲中西部地區高耗水、高污染的鋼鐵產業相比，東部地區在經濟增長的同時用水效率高于其他地區，同時也表明邯鄲市工業用水重心空間分布不均衡，中西部地區工業用水具有一定的節水潛力。生活用水重心基本位于第三產業重心東南側，處于邯鄲市主城區附近，兩者的重心移動軌跡基本一致，在研究期內均呈螺旋聚攏態勢，表明第三產業的發展帶動了人力資本向城市轉移，增加了邯鄲中部地區常住人口數量，居民收入的水平的提高使得生活用水量增加，生活用水重心隨之發生轉移。

3 結論

(1)2008—2017年期間，邯鄲市農業用水和工業用水占比呈波動下降趨勢，生活用水和生態用水的占比則呈緩慢上升的趨勢，用水結構信息熵值總體呈緩慢上升趨勢，用水比例基本朝著均衡方向發展。從空間上來看，農業用水處于“絕對平均”的狀態，生活用水由“相對合理”變成了“比較平均”的狀態，工業用水和生態用水則處于“差距懸殊”的狀態，且工業用水空間分布的差異性有增大趨勢。

(2)基于ArcGIS的區域用水結構重心與經濟重心演變特征分析，直觀反映了不同部門用水量與各行業經濟產值變化的特征和趨勢，邯鄲東部地區為農業用水重心轉移區，中部地區為生活用水重心轉移區，工業用水重心則逐漸轉移至邯鄲中西部地區，其中，工業用水重心與工業產值重心移動軌跡有相悖發展的趨勢，進一步實證了邯鄲市用水結構時空演變的區域性差異較為顯著，為協調邯鄲市水資源與經濟協調發展，優化產業結構提供了宏觀參考依據。