瑪納斯河流域用水結構時空演化及水資源空間匹配分析

2021-11-02 06:37:50薛聯青王桂芳沈海岑覃金蘭

水資源保護 2021年5期

魏卿，薛聯青,2，王桂芳，沈海岑，倪濤，覃金蘭

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098； 2.皖江工學院，安徽馬鞍山 243031；3.費縣水利工程保障中心，山東臨沂 273400)

用水結構是指一定時期某水系統中各類用水水量組成，而水資源空間匹配程度反映了不同地區的水短缺狀況。在水資源的約束條件下，確定合理的用水結構，有利于社會持續、穩定和協調發展。社會經濟、人口、自然要素等都將影響用水結構的變化[1]。目前用水演變分析以定性為主，相關的定量分析包括回歸分析、因子分析、相關分析等[2-3]。雷歡[4]引入信息熵分析了陜西省用水結構的演變趨勢，并采用灰色關聯度進行驅動力分析。洪思揚等[5]利用洛倫茲曲線探討了水資源與人口、GDP、土地利用和降水量的空間匹配度。張洪波等[6]依據榆林市用水結構空間分布特點，利用生態位及其熵值分析了不同分區用水變化特征。瑪納斯河流域由于大規模進行水土資源開發，引發了包括地下水位下降、泉流量減小等一系列的生態災害，而研究用水演變和水資源的空間均衡狀況可以指導經濟建設向更加合理的方向發展。目前已有的研究大部分僅對用水結構進行分析，或者揭示變化環境下的水文響應機理等，忽略了各地區的水資源時空匹配狀況。因此，本文基于2000—2018年的用水資料，引入信息熵理論，分析各地區用水結構變化情況，采用洛倫茲曲線和基尼系數探究多年的水資源與人口、工業產值、耕地面積及降水量之間的空間匹配程度，為協調水資源約束下的產業結構布局和優化流域的水資源配置提供決策依據。

1 研究區概況與數據來源

瑪納斯河流域是我國西北典型的內陸河流域，位于新疆準噶爾盆地南部，是全疆最大的農耕綠洲區，處于北緯43°20′～45°55′、東經84°70′～86°67′之間，河道全長400 km，包括沙灣、瑪納斯和石河子等縣市，面積約3.4萬km2[7](圖1)。由于地質作用、水流及風沙作用，地形南高北低，形成了不同的地形地貌，大致可分為上游山區、山前平原區和下游荒漠區[8]。山區是主體產流區，平原綠洲為徑流耗散區，流域綠洲總面積約為1.08萬km2，是新疆重要的糧棉生產基地[9-10]。

圖1 瑪納斯河流域各縣市空間分布

本文基礎數據來源于2000—2018年的《石河子市統計年鑒》《瑪納斯縣統計年鑒》《沙灣統計年鑒》《新疆統計年鑒》《中國統計年鑒》等。為保證數據的準確性、連續性和一致性，以便進行時空對比分析，其中，用水數據由瑪納斯河流域管理處提供，氣象站點分布如圖1所示，并結合產業發展特點分析用水格局的時空演化特征。

2 研究方法

2.1 信息熵

熵屬于熱力學的概念，可用于描述任何體系的混亂度和無序度水平。應用信息熵理論可分析用水結構復雜性及演變規律，具有較高的合理性。熵值的大小反映了用水結構類別多少和用水量分布的均勻程度[11]。信息熵越大，用水量使用越均勻，用水結構演化趨勢也越合理；信息熵越小，則說明用水量分布不均。信息熵可描述不同社會發展階段下的用水結構特點。

對于一個不確定性系統，若離散型隨機變量x的取值為x1、x2、…、xn(n≥2)，每一取值的概率為p1、p2、…、pn(0≤pi≤1,i=1,2,…,n)且∑pi=1，則該離散系統信息熵可表示為

H(x)=-∑pilnpi

(1)

式中：H為用水信息熵值；當pi=1/n時，Hmax=lnn，n為用水類型數量。

同時考慮用水類型的影響，使信息熵對用水結構分析具有可比性，引入均衡度進行橫向比較。均衡度越大，用水系統穩定性和均衡性越強，單一用水類型優勢度越弱，狀態越理想。均衡度J與H變化一致，其計算公式為

(2)

2.2 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線原本為1905年Lorenz提出的經濟學概念，可用于研究國家或地區國民經濟收入分配均衡問題，經濟均衡性越高，洛倫茲曲線越趨于直線，經濟均衡性越差，則曲線越接近橫軸[12]。基尼系數G為定量收入分配差異程度的重要指標，給出了收入分配差距的數值界限，可表示為

(3)

式中：A1為絕對公平線y=x和洛倫茲曲線圍成的面積；A1+A2為絕對公平線下的直角三角形面積；f(x)為洛倫茲曲線方程。

2.3 基尼系數

為了簡化計算，本文采用梯形面積法計算基尼系數，簡化后的公式為

(4)

式中：Xi、Yi分別為用水總量累計百分比和各類型用水累計百分比，其中X0=0，Y0=0；n為行政單元總數。根據聯合國有關組織規定，不同的G值對應不同收入匹配程度[13]，基尼系數低于0.2，表示收入高度匹配；0.2～0.3表示收入比較匹配；0.3～0.4表示收入相對匹配；0.4～0.5表示收入不匹配；0.5以上表示極不匹配。

3 結果與分析

3.1 用水量及用水結構變化

3.1.1用水量多年變化

瑪納斯河流域的用水總量整體呈上升趨勢(圖2)，由2000年的25.32億m3增加到2018年的 28.31億m3，用水量增加了11.7%，整體變化程度較小，其增長過程中的階段性變化較為明顯，具體表現為：2000—2004年用水總量有下降的趨勢，下降率為10.6%，2005—2008年用水總量明顯增加，2008年用水量達最大值27.23億m3，2009—2015年用水總量相對之前趨于平穩，其中2012年用水增長較快，增長率為9.2%，在2016—2018年用水量平穩增加。

圖2 瑪納斯河流域用水總量歷年變化情況

3.1.2用水結構演變分析

圖3為瑪納斯河流域的歷年各類用水比例變化。農業用水作為流域主要用水部門，受耕地擴張和大規模節水的共同影響，用水自主變化性變化較大，且呈現漸進式增長，其平均比重占用水總量的92.1%，變化趨勢與用水總量趨勢基本一致，平均用水量為23.11億m3。由于工業經濟水平的提高，工業用水量也從2000年的0.39億m3增加到2018年的1.77億m3，平均用水量為1.05億m3，多年來呈明顯增加趨勢，生活用水比例由2000年的1.6%增加到2018年的2.8%，平均占比僅為2.3%。生態用水量占比仍較低，用水量較為穩定。總體上看，工業用水、生活用水和生態用水雖然均有明顯增加，但農業依然是主要用水部門，因此控制用水總量的關鍵仍是節約農業用水。要調整產業結構，在保障糧食生產和用水效益的基礎上，高效利用水資源，才能有效緩解對水資源不斷增長的需求。

圖3 瑪納斯河流域的歷年各類用水比例變化

根據信息熵值的取值變化情況(圖4)，流域的用水結構信息熵總體呈持續增長趨勢，大致可以劃分為4個階段：2000—2003年的上升速度較快，從2000年的0.209增加到2003年的0.254，伴隨西部大開發的推行，工業經濟發展，工業取用水也逐漸增加，其用水比例也有所提升；2004—2008年，信息熵大致維持在0.278～0.314，用水結構較為穩定，由于農業灌溉用水量的快速增加，信息熵增速變化減緩；2008—2013年的信息熵保持平穩增長，2014年達到0.445；2014—2018年的信息熵基本維持穩定，信息熵值在2016年達到0.466，此后略有降低，這表明流域的用水總量得到一定控制，并且流域的用水系統均衡度也逐漸增加。

(a) 用水結構的信息熵變化

分地區來看，瑪納斯縣的信息熵始終高于其他地區，且波動幅度較大，在2006—2008年呈一定的陡增趨勢，2008—2015年變化較為平緩，2015年以后熵值緩慢增加；石河子市的信息熵在2000—2008年基本保持穩定，2008年后呈現明顯上升，2016后的熵值維持在0.395左右；沙灣縣熵值在2000—2003年基本維持在0.457～0.499，2004年達到最大為0.499，2004—2014年呈階段性上升，此后變化趨于平緩。但從全流域來看，用水結構的信息熵和均衡度仍較低，信息熵的前期增速也較為緩慢，由于農業用水所占比重較大，工業以及第三產業發展程度仍較低，與其他地區相比，流域的用水結構仍較為不均，受單一因素影響較大，水資源開發利用向著更穩定和均衡方向發展的模式并不明顯[3]。

3.2 不同用水類型空間分布均衡度

圖5為瑪納斯河流域的2000年、2010年、2018年不同用水量類型的洛倫茲曲線，其中黑色虛線為絕對平均線，對應的基尼系數如圖6所示。

(a) 2000年

圖6 瑪納斯河流域不同用水類型的基尼系數

由圖5可知，瑪納斯河流域在2000—2018年的農業用水洛倫茲曲線離絕對平均線較近，工業用水和生活用水次之，生態用水的洛倫茲曲線離絕對平均線較遠。這說明目前流域的農業用水、工業用水和生活用水空間分布較為均衡，而生態用水在空間分布上最不均衡。2010年流域工業用水、生活用水、生態用水的洛倫茲曲線的彎曲度呈現一定程度的下降，其中生態用水和生活用水的彎曲度降幅較大，工業用水的彎曲度降幅較小，這說明2000—2010年工業用水、生活用水、生態用水在空間上逐漸趨于均衡分布。農業用水的曲線彎曲度在2018年有所升高，工業用水曲線的彎曲度基本不變，生活用水、生態用水的曲線彎曲度略有升高，這說明隨著干旱區的工業化發展，農業用水、生活用水、生態用水的空間分布不均衡程度有所增加，而工業用水的空間分布卻呈一定的集中趨勢[17]。

農業用水、工業用水和生活用水的基尼系數均較小，而生態用水基尼系數較大，這與洛倫茲曲線結果較為一致(圖6)。2000—2018年的農業用水基尼系數一直小于0.2，說明其空間分布上屬于絕對平均，各地區的農業用水基尼系數略有減小；工業用水基尼系數由0.183增加到0.243，這表明其用水消耗空間分布由絕對平均變為比較平均，各地區工業耗水情況差異度增加，石河子市的人口最為密集，工業最發達，水資源總體較為匱乏；生活用水的基尼系數增加較明顯，且用水消耗空間分布由比較平均變為相對合理，這與流域人口分布的差異性和各縣市城市化進程的不同有關。生態用水的基尼系數不斷減小，說明其空間分布均衡性有所加強，正逐漸從差距較大變為相對合理。各縣市的工業化進程差異不斷擴大，隨著節水灌溉、填埋溝渠等措施的實施，生態用水空間分布逐漸趨于均衡。

整體上瑪納斯河流域的農業用水比例仍處于90%以上，工業用水相對較少，生態用水占比較低。根據我國內陸河水資源開發現狀，要使生態趨于改善，經濟耗水須保持在30%～50%范圍內才較為合理，且不宜超過60%[14]。因此，需要加大調整用水結構的力度，更好推動社會經濟的發展。

3.3 水資源量空間匹配分析

圖7為瑪納斯河流域水資源與各要素洛倫茲曲線，相應的基尼系數如圖8所示。

(a) 2000年

圖8 瑪納斯河流域各要素的基尼系數

從全流域來看，由圖7可知，2000年、2010年和2018年的水資源量-人口的洛倫茲曲線離絕對平均線最近，說明流域人口分布較為集中，且與水資源分布匹配程度較高，流域人口大部分集中于中游綠洲區。水資源量-工業產值的洛倫茲曲線離絕對平均線最遠，且彎曲程度有所下降，說明水資源對流域的工業產值的空間分布差異影響較大。水資源量-耕地和水資源量-降水洛倫茲曲線下降較小，說明盡管近年來流域節水灌溉興起，但由于耕地規模擴大，水資源分配在耕地空間分布影響較小，全流域的水資源量空間分布與降水分配較為匹配。水資源量-耕地、水資源量-降水量的洛倫茲曲線介于另外兩者之間，其空間分布差異性介于兩者之間，且多年內無顯著變化。

分縣區來看，不同地區人口的空間分布有較大差別，石河子市人口密度最大，城鎮化率在2018年達到80.6%，水資源量僅占總體的9.2%，人口數量約占流域的62.4%，而工業產值占流域工業總產值的64.9%，降水較為稀少，而耕地面積占流域的55.7%。沙灣縣的水資源量占比為65.3%，降水相對較多，且人口占比為20.5%，而工業產值僅為總體的15.1%，且所占比例逐漸下降，沙灣縣的耕地擴張較明顯，水資源與耕地的空間匹配程度逐漸增加。瑪納斯縣人口占流域的16.9%，水資源量為24.9%，而工業產值多年增長較為明顯，2018年達到流域總產值的24.7%，水資源與工業產值差異程度較為明顯。

從圖8可知，總體來看，水資源量與人口總數和降水量較為匹配，與耕地相對匹配，工業產值對應的基尼系數最大，這說明流域的水資源量與工業總產值的不匹配程度最高。在2000—2018年水資源相對于各要素的基尼系數均呈不同程度的下降，均未超過國際上以0.4為標準的“警戒水平”[15-16]，水資源量-降水量的基尼系數變化較小，匹配程度較高。

要提高水資源空間分布均衡程度，首先，需施行退耕還林(草)，控制耕地擴大規模，繼續發展節水工程，提高流域水資源的綜合利用率；其次，需要統籌配置，加強對各類水資源的合理利用，使農業發展規模和水資源的合理容量相匹配，推進重點水源工程建設，加強飲用水源地的保護，進行城鄉水資源共享，緩解水資源短缺狀況[17-18]；調整產業經濟結構，縮減高耗水企業數量，發展低耗水產業，促進食品、紡織等行業發展；注意節水技術的推廣，對水資源進行集約利用，重視生態保護工作，完善水管理機制，從而最大限度實現水資源空間分布的均衡[19]。