石家莊市用水結構演變分析**

董 森 ，呂樹峰，方宏陽

（1.河北工程大學水電學院，河北 邯鄲 056038；2.邯鄲市漳滏河灌溉供水管理處，河北 邯鄲 056001）

0 引言

進入 21 世紀以來，隨著社會經濟的快速發展，我國北方大部分地區的實際供水量往往難以滿足區域日益增長的水資源需求[1]，水資源短缺已成為限制區域社會發展的重要因素。在此背景下，掌握用水結構的演變過程是科學調整區域用水結構、貫徹落實新時代治水方針的重要基礎[2]。

當前對于用水結構的研究，主要分為兩類。一是著眼于宏觀的區域產業結構變化對用水結構的影響。如焦士興等[3]運用生態位理論，分析了安陽市產業結構和用水結構間的耦合關系。二是探究影響用水結構演變的驅動力因素。如呂翠美等[4]分析得出工業重復利用率、灌溉面積和城鎮化水平是影響鄭州市工業、農業和生活的主要驅動力因子等。就研究方法而言，目前，常用的用水結構分析方法有洛倫茲曲線法[5]、生態位理論[6]、量化水足跡法[7]和信息熵理論[8]等，其中信息熵理論因能夠系統性量化區域用水結構系統穩定程度，被廣泛應用。

近年來，華北地區水資源管理政策調整較大，一定程度上影響了區域的用水結構。立足上述背景，本研究選取石家莊市為研究區域，選用信息熵理論分析研究區域2009—2018年用水結構演變規律，以期為區域未來用水結構調整提供參考。

1 區域概況與研究方法

1.1 區域概況

石家莊市位于河北省中部地區，華北平原腹地，為河北省省會，全市面積1.45萬km2，西部地區位于太行山脈東段，東部地區位于華北平原，山地面積和平原面積各占市域面積的50%。全市年平均氣溫13.2 ℃，年日照時數達1 916.4 h～2 571.2 h。近年來，石家莊市不斷發揮作為河北省經濟文化中心的優勢，經濟大幅增長，經濟架構大幅優化，三次產業比重由2009年的10.3∶49.6∶40.1轉變為2018年的6.9∶37.6∶55.5，第一、第二產業占比有所下降，第三產業占比明顯上升，產業結構已由“二、三、一”轉變為“三、二、一”結構。

石家莊市水資源匱乏，2018年石家莊市人均用水量為270.86 m3，僅為當年全國平均水平的60%。2009—2018年石家莊市用水情況如圖1所示。2009年以來，石家莊市用水量呈“上升—下降—上升”的波動狀，用水量變化較大且變化趨勢不單一，其變化趨勢節點為2011年和2016年。各行業用水中，農業用水量除2009—2010年小幅上升外，其余時間內均處于下降態勢，由2009年的22.83億 m3下降至2018年的16.68億 m3；工業用水則是在2009—2012年期間不斷上升，2012年后直接下降至2.84億 m3，2017年出現陡增的極值點，達到3.19億 m3，隨后2018年回落至2.57億m3；生活用水量除在2012年有向下的小幅波動情況外，其余時間均不斷上升，由2009年的3.63億 m3上升至2018年的4.49億m3；生態用水量在2009—2017年間始終上下波動，于2018年出現陡增現象，由2017年的1.79億 m3大幅上升至2018年的5.74億 m3。

圖1 2009—2018年石家莊市用水量趨勢

1.2 研究方法

信息熵理論最早是由Shannon將熱力學中熵的概念引入信息論而創立，用以描述系統的穩定程度。由于信息熵理論與用水結構系統比較契合，由劉燕等[9]引入水資源領域用以評價區域用水結構均衡性。信息熵公式表達如下：

式中：H為信息熵值，其值越大表明用水系統越穩定；i為用水類型，一般按照水資源公報統計分為農業用水、工業用水、生活用水和生態用水；n為區域用水類型的總個數，按上述統計類型，其值取4；Pi為各類用水比重。本研究所用數據來源于2009—2018 年《河北省水資源公報》，2009年、2018年《河北省統計年鑒》。

2 區域信息熵值演變分析

根據公式（1）計算得出石家莊市2009—2018年信息熵值，如圖2所示?？梢钥闯觯仪f市信息熵值總體呈上升態勢，表明區域用水結構不斷優化，用水系統穩定性不斷增強。其中，信息熵值于2011年、2013年2016年和2018年出現明顯上升現象，結合圖1各行業用水量變化剖析四個上升節點年份的驅動因素如下。

圖2 2009—2018年石家莊市信息熵值演變

1）2011年：石家莊市用水結構信息熵值由2010年的0.81上升至2011年的0.86。2011年中央一號文件明確提出要實施最嚴格水資源管理制度[10]，為區域的用水結構優化起到良好的帶動作用，根據圖1可知，2011年石家莊市農業用水由2010年的23.91億m3下降至23.66億 m3，生態用水由2010年的1.16 億m3上升至1.59億 m3，二者的變化構成該年度信息熵值上升的主要驅動力。

2）2013年：石家莊市用水結構信息熵值由2012年的0.85上升至2013年的0.92。2013年最嚴格水資源管理制度正式在各行政區域實施，由于華北地區普遍存在需水量遠超供水量的現象，因此“三條紅線”[11]的設立很好地約束了用水粗放、水資源過度開采等現象，從而倒逼區域用水效率的提高。此外，水資源管理和考核制度也加強了用水管理部門的工作積極性，同時規范了各用水部門的用水模式，以企業用水方面整改力度最大，石家莊市工業用水由2012年的3.34億 m3下降至2013年的2.83億 m3。

3）2016年：石家莊市用水結構信息熵值由2015年的0.92上升至2016年的1.00。一方面，為推進地下水超采綜合治理，河北省不斷推行噴灌、高標準管灌等農業節水措施，并優化農業種植結構；另一方面，2016年河北省作為水資源稅費改革試點省份[12]，農業用水量直接與稅務掛鉤，調動了農戶的節水積極性。另外，2016年石家莊市遭遇“7·19”暴雨，多數耕地積水嚴重導致灌溉次數減少，各方面影響下使石家莊市該年度農業用水大幅下降，由2015年的19.32億 m3下降至2016年的17.28億 m3，降幅達10.56%。同時，受暴雨影響，石家莊市生態用水量在2016年大幅增加，由2015年的1.50億 m3增長至2.07億 m3。

4）2018年：石家莊市用水結構信息熵值由2017年的1.00上升至2018年的1.14，漲幅較大，達14%。2018年，河北省繼續加大推行農業節水措施的力度，著重推廣節水農作物品種，并配套實施節水工藝，使得農業用水再次下降，由2017年的17.40億 m3下降至2018年的16.68億 m3；同時，2018年南水北調中線工程發揮其綜合效益，為石家莊市生態補水效果顯著，滹沱河多處斷流段恢復過流，促使該年度石家莊市生態用水量大幅增加，由2017年的1.79億 m3上升至2018年的5.74億 m3，漲幅達220.67%。綜上，該年度石家莊市信息熵值的陡增主要是由于農業用水的小幅下降和生態用水的大幅上升。

3 討論

分析區域的用水結構信息熵值演變過程無法得出相較于其他區域的用水結構調整速率。為此，需與同區位其他城市的相關研究結果對比分析。與吳旭等[13]對邯鄲市和鄧歐等[14]對張家口市用水結構分析的研究成果對比來看，邯鄲市的用水結構信息熵值上升幅度明顯不如石家莊市，表明邯鄲市產業結構調整幅度、用水結構優化速率較石家莊市有一定差距，印證了石家莊市作為省會城市的政治和經濟優勢；而與楊碩[15]對北京市用水結構分析的研究成果對比來看，石家莊市的用水結構信息熵值上升速率明顯與北京市有較大差距，且同一年份下信息熵值均落后0.3以上，印證了北京市作為京津冀一體化核心城市的獨特優勢。以上對比分析表明，石家莊市用水結構穩定性雖領先于河北省其他城市，但較同區位的北京市而言遠遠落后。

未來，石家莊市的用水結構調整應著重落腳于加大生態用水比例[16]，繼續推行高效農業節水措施和構建節水型社會。

4 結論

本文采用信息熵理論分析了石家莊市2009—2018年用水結構的演變特征，結論如下：

1）2009—2018年間，石家莊市用水結構的信息熵值總體呈上升趨勢，其中2011年、2013年、2016年和2018年信息熵值出現明顯增長。

2）石家莊市用水結構的信息熵值增長主要由優勢行業用水（農業用水）的削減和劣勢行業用水（生態用水）的上升所驅動，信息熵值的變化印證了最嚴格水資源管理制度等政策的頒布和實施、區域推行的各項農業節水措施、典型年份的極端天氣影響以及南水北調中線工程的生態補水效益。