珠江區用水量及用水結構時空演變分析

關鍵詞：用水量；用水結構；信息熵；重心；時空演變；珠江區

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）11-0087-10

水資源是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源，是經濟社會發展的基礎性、先導性、控制性要素。水資源開發利用情況體現在供用水量及供用水結構，其中用水結構的合理與否關系著區域社會經濟的可持續發展，影響著區域用水量和用水水平，調整用水結構可有效緩解水資源供需矛盾及優化水資源配置［1］。科學地分析經濟社會發展供用水量及供用水結構及變化趨勢，是編制水資源開發利用規劃的前提和基礎，是最嚴格水資源管理水量指標分配的重要支撐，對實現區域水資源合理配置乃至保障經濟社會高質量發展均具有重要意義。

眾多學者對用水量［2-5］和用水結構［1，5-14］演變趨勢進行了研究。張之穎等［2］采用BFAST趨勢檢驗法和空間自相關分析法探究了1965—2013年中國用水量的時空演變規律，中國用水量趨勢變化的突變點主要在1990年后，用水量的分布存在空間集聚特征，基本以胡煥庸線為界，用水量的集聚度東高西低，集聚區域也隨時間變化，研究成果為水資源保護及用水效率的提升提供科學依據。易晶晶等［6］采用信息熵理論研究了廣東省1980—2015年用水結構時空演變特征，廣東省用水結構信息熵總體呈上升趨勢，用水系統的穩定性和均衡性增強，用水結構信息熵重心逐步向珠三角地區轉移，農業用水重心逐步向粵北地區轉移，工業用水、生活用水和城鎮公共用水重心逐步向珠三角地區轉移，研究成果對區域最嚴格水資源管理具有重要意義。陳曉清等［1］采用信息熵、均衡度、洛倫茲曲線和基尼系數等研究方法，對中國七大地理分區的用水結構時空演變特征進行對比分析，中國用水總量在波動后呈先增后減趨勢，各類型用水均衡性也在平緩上升，其中珠江區涉及的華南、西南等地區均衡度緩慢增加，用水結構系統均朝著更加穩定的方向發展，研究成果為水資源更合理和高效利用提供一定依據。

珠江區是中國最南端的水資源一級區，涉及云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西、福建、海南等8省（自治區）以及香港、澳門特別行政區，總面積57. 91萬km2。隨著氣候變化和經濟社會發展，珠江區內用水量和用水結構也發生了變化。目前，多數研究聚焦全國以及部分省區，長江流域、黃河流域也有學者進行了研究［15-17］，對于珠江區全區的用水量與用水結構變化趨勢的研究相對較少。運用信息熵理論和重心模型對珠江區的用水量和用水結構時空演變特征進行分析，為優化珠江區用水結構、指導珠江區水資源高效利用、更好地服務區域經濟社會高質量發展提供一定的技術支撐。

1研究分區及數據來源

1. 1研究分區根據水資源

分區來確定研究分區。研究范圍為水資源一級區珠江區，研究分區根據水資源二級分區確定，包括南北盤江、紅柳江、郁江、西江、北江、東江、珠江三角洲、韓江及粵東諸河、粵西桂南沿海諸河、海南島及南海各島諸河等10個水資源二級分區，見圖1。

1. 2數據來源

為分析珠江區用水量和用水結構變化情況，本文對各分項用水數據進行了整理分析，本次研究的的數據主要包括總用水量及生活、工業、農業、生態環境用水量數據，數據來源于全國第二次水資源調查評價成果、全國第三次水資源調查評價成果［18］、《珠江片水資源公報》（2017—2019）［19-21］。目前珠江區水資源公報更新至2021年，但由于新冠疫情影響，2020、2021年用水量在系列中不具備代表性，本次僅研究1980—2019年用水量的時空演變特性。

2研究方法

2. 1信息熵模型

信息熵的概念由美國科學家Shannon于1948年提出，將此概念運用于用水結構分析，構建信息熵模型研究珠江區用水結構的演變情況。將生活、工業、農業、生態環境用水看作一個統一的系統，系統越均衡，信息熵就越大。信息熵的大小可反映系統中各用水戶用水量的均衡程度。

2. 3灰色關聯度分析

灰色關聯度可以反映變量之間的關聯程度。通過灰色關聯度的計算，可以得到各個變量之間的關聯情況，進而進行數據分析和決策支持。灰色關聯度分析可比較參考數列和若干比較數列集合的相似程度，而非參考數列與單一比較數列分析，結果具備系統性。采用灰色關聯度分析法分析用水量與降水量及社會經濟指標的關聯程度，研究用水量及用水結構變化的驅動因素。

根據關聯度數值大小，可分為弱關聯（0～0. 35）、中等關聯（0. 35～0. 70）、強關聯（0. 7～1. 0）3類［22］。

3珠江區用水量時空演變分析

3. 1用水量變化分析

3. 1. 1用水量變化情況

珠江區及區內各二級區用水量變化情況見圖2。1980—2019年，珠江區總用水量總體呈增長趨勢，增加了156. 06億m3，年均增長率為0. 55%。其中，1980—2005年呈增長趨勢，年均增長率為1. 14%，2005—2019年呈下降趨勢，年均增長率為-0. 50%。各分項用水量中，生活用水量、工業用水量、生態與環境補水量分別增加至165. 18億、162. 46億、10. 92億m3，年均增長率分別為3. 82%、4. 91%、9. 41%，農業用水量由594. 64億m3大幅降低至475. 86億m3。

3. 1. 2驅動因素分析

用水量的變化與經濟社會發展緊密聯系，在供給側受氣候變化、工程建設及相關政策調控影響，在需求側則與人口、GDP、工業增加值和農田實灌面積有關。珠江區人口、GDP變化見圖3。

近40 a，珠江區人口連年增長，2019年常住人口較1980年增加了80. 2%，常住人口城鎮化率也由14. 8%提高至63. 2%，人民的生活水平大幅提高，人口的大幅增長驅動生活用水連年增長，同時城鎮化的加劇則導致許多農業用地轉化為其他類型用地，2000年及以前，珠江區耕地面積超16000萬畝（1畝約等于666. 67m2），2000年以后，耕地面積連年減少，加之灌溉節水水平的不斷提升，灌溉水需求降低，農業用水量持續降低。珠江區的產業發展經歷了勞動密集型產業主導發展階段、資本密集型產業主導發展階段、技術密集型產業主導發展階段，發展模式也由粗放式發展逐漸向集約型發展轉變，2010年以前，工業產業粗放式發展模式下，工業用水量大幅增長，2010年以后隨著產業不斷迭代升級及節水力度的提升，工業用水量平穩降低。此外，隨著生態文明建設的深入，生態環境用水需求大幅提高，生態環境用水量持續增長。

為進一步分析用水量變化的驅動因素，供給側選取可量化的降水量、大中型水庫興利庫容等指標，需求側選取人口、GDP、工業增加值、農田實灌面積等指標，進行灰色關聯度分析，分析結果見表1。由表1可知，珠江區用水量變化與所選取的指標均呈中等及以上關聯程度，其中降水量、大中型水庫興利庫容、人口、農田灌溉面積變化是影響用水量的主要驅動因素。總用水量、生活用水量、農業用水量變化均與降水量、大中型水庫興利庫容、人口、農田實灌面積呈強關聯；工業用水量變化2010年以前與6個指標均呈強關聯，2010年以后與大中型水庫興利庫容、人口呈強關聯；生態與環境補水量變化2010年以前與大中型水庫興利庫容、GDP、工業增加值呈強關聯，2010年以后與大中型水庫興利庫容、人口、農田實灌面積呈強關聯。2010年后，總用水量變化與降水量、人口、GDP、農田實灌面積的關聯度較2010年前降幅超0. 1，其中與降水量關聯度降幅超0.2，這與供水工程不斷完善、城鎮化水平和節水水平不斷提升有關。

3. 2用水量重心變化分析

基于珠江區各二級區用水量，應用重心模型計算各年度總用水量及各分項用水量重心，結果見圖4，各二級區總用水量及各分項用水量占珠江區用水量的比例見圖5，各二級區社會經濟指標占珠江區的比例見圖6。

珠江區總用水量重心位于西江二級區內，2010年前，總用水量重心東移，這與珠江區東部的珠江三角洲、東江2個二級區用水量大幅增長及占珠江區總用水量比重也連年增長的趨勢一致，與珠江區的經濟社會發展趨勢吻合，在該時期，珠江區東部廣東省經濟增速領先于區內其他省份，用水量增速較大。2010年以后，隨著最嚴格水資源管理制度的實施以及西部大開發等國家戰略的推進，珠江區內西部的云南、貴州、廣西等省（自治區）經濟社會發展提速，西部的二級區總用水量占珠江區用水總量比例回升，總用水量重心向西移動。

珠江區各分項用水量重心絕大部分位于西江二級區，僅有2010、2011年生態環境用水量重心偏移至西江與北江二級區交界處。除農業用水量重心向西側紅柳江和郁江二級區方向偏移外，其余分項用水量均呈向東側珠江三角洲地區偏移的趨勢，這與二級區分項用水量占珠江區分項用水量比例的變化趨勢一致。

生活用水量重心總體呈東移趨勢。2012年以前，珠江區人口大幅增長，而珠江三角洲人口占珠江區的比例由11. 5% 增長至23. 9%，增速顯著，東江二級區也略有增加，其他二級區人口比重減小，人口虹吸效應明顯，珠江三角洲生活用水量顯著增長，生活用水量占珠江區比例大幅提升，生活用水重心向東側移動。2012年以后，珠江三角洲人口比重趨于穩定，變化速度緩慢，生活用水重心趨于穩定而略有西移。

工業用水量重心總體呈東移趨勢。珠江區各二級區中，僅東部的珠江三角洲、東江2個二級區工業增加值占珠江區比例呈增長趨勢，其他二級區均有所降低，2000年以前比重增速高，工業用水重心大幅東移，2000年以后，雖然東部工業體量及比重仍在增加，但工業用水效率提升速率明顯高于西部，工業用水重心向西移動。

農業用水量重心總體呈西移趨勢。2005年以前，農業用水重心大幅西移，東部區域經濟社會發展較西部快，東部灌溉面積減小，農業用水比重大幅降低。2005年以后，農業用水重心呈震蕩西移趨勢。

生態環境用水量重心總體呈東移趨勢。2010年以前，生態環境用水量重心大幅東移，2010年以后則呈震蕩西移趨勢，這與各二級區生態環境用水量占珠江區用水量比例的變化趨勢一致。

4珠江區用水結構時空演變分析

4. 1用水結構變化情況

隨著行業用水量的變化，用水結構也在不斷發生變化。采用統計分析和信息熵模型對用水結構變化進行分析，采用重心模型對用水結構信息熵的空間變化情況進行分析。計算結果見圖7、8。40a來，2010年以前，人口年均增長率高達1. 69%，城鎮人口年均增長率高達6. 25%，城鎮化率年均增長率高達4. 48%，2010年以后，人口年均增長率僅0. 95%，城鎮人口年均增長率僅2. 47%，城鎮化率年均增長率僅1. 51%，結合圖8，2010年以前，用水結構、用水結構信息熵和均衡度、用水結構信息熵重心變化幅度大，2010年以后，變化幅度大幅減小，珠江區用水結構變化可以2010年為界分為2個階段。

a）第一階段。第一階段為1980—2010年，珠江區用水結構信息熵和均衡度大幅上升。農業用水比重大幅下降，從90. 3%下降到57. 8%，生活用水、工業用水比重大幅增長，分別從5. 8%、3. 8%增加到16. 1%、24. 8%；生態環境用水比重從0% 增加到1. 3%。珠江區用水結構信息熵重心逐步東移，該階段珠江區東部用水結構信息熵增長較快，東江、珠江三角洲、韓江及粵東諸河用水信息熵分別由0. 31、0. 49、0. 37增長到1. 11、1. 14、1. 00。

b）第二階段。第二階段為2010年以后，珠江區用水結構信息熵和均衡度基本趨于穩定，用水結構基本穩定，趨于更加均衡的狀態。該階段，珠江區用水結構略有調整，農業用水比重基本維持在58%左右；工業用水比重略有下降，從24. 8% 降至19. 9%；生活用水比重連年增大，從16. 1% 增至20. 3%；生態環境用水比重基本維持在1. 3%。珠江區用水結構信息熵重心略有西移，東部用水結構在該階段趨于穩定，西部區域用水結構變化較東部大。

4. 2驅動因素分析

采取3. 1中的方法分析用水結構變化的驅動因素，灰色關聯度分析結果見表2。由表2可知，珠江區用水結構變化與所選取的指標均呈中等及以上關聯程度，其中大中型水庫興利庫容、人口、農田灌溉面積變化是影響珠江區用水結構的主要驅動因素，與用水量驅動因素相比，降水量不再作為主要驅動因素。生活用水比重變化與人口呈強關聯；工業用水比重變化與大中型水庫興利庫容、人口呈強關聯，農業用水比重與降水量、大中型水庫興利庫容、人口、農田實灌面積呈強關聯，生態與環境補水量變化的驅動因素變化相對較大。2010年后，各用水比重變化與GDP的關聯度較2010年前降幅均超0. 1，其中工業用水比重與其關聯度降幅接近0. 2，這與2010年來節水水平不斷提升有很大關系。

5結論與展望

珠江區用水量總體呈增長趨勢，于2005年達到峰值后略有降低，用水總量重心以2010年為界呈現先東移、后西移趨勢；各分項用水量中，生活用水量、工業用水量、生態與環境補水量總體呈增長趨勢，農業用水量大幅降低，各分項用水量重心中除農業用水量重心西移外，其余分項用水量重心均呈東移趨勢，這與各二級區分項用水量占珠江區各分項用水量比例的變化趨勢一致，與珠江區經濟社會發展趨勢一致。

隨著行業用水量的變化，珠江區用水結構變化大致可分為1980—2010、2010 年以后2 個階段，第一階段用水結構信息熵和均衡度大幅上升，用水結構由極不均衡向偏均衡方向調整；第二階段用水結構信息熵和均衡度基本趨于穩定，用水結構基本穩定，趨于更加均衡的狀態。用水結構信息熵重心位置第一階段逐步東移，珠江區東部分區用水結構信息熵增長較快，第二階段略有西移，西部區域用水結構變化較東部大。

用水量與用水結構變化與自然條件及經濟社會發展緊密聯系，包括降水量、人口、經濟水平與結構、各行業節水水平及水利工程建設情況等，同時也受相關政策調控的影響。研究結果表明，在降水量、大中型水庫水庫興利庫容、人口、GDP、工業增加值、農田實灌面積中，降水量、大中型水庫興利庫容、人口和農田實灌面積是用水量和用水結構的主要驅動因素。

隨著珠江區經濟社會的發展，粵港澳大灣區等國家戰略的不斷推進，預測珠江三角洲等區域經濟社會發展速度仍將領先區內的其他區域，人口虹吸效應進一步加劇，生活、工業用水量重心將進一步東移，珠江區內水資源分配應在節水優先的前提下根據經濟社會發展情勢及預測情況合理調整，滿足經濟社會高質量發展需求。

在驅動因素分析中，選取的指標數量有限，后續研究中可進一步搜集相關指標，從供給側和需求側深入剖析用水量和用水結構變化的驅動因素，豐富研究成果，為珠江區水資源管理提供技術支撐。