徐蘊(yùn)韻，吳 昊，李永泰，任智慧，王臘春

(1.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210023；3.江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇 南京 210036)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展深受水資源短缺的影響。用水結(jié)構(gòu)錯(cuò)位是導(dǎo)致水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻的重要因素，因此平衡用水結(jié)構(gòu)是解決水資源短缺問(wèn)題的迫切需求。用水結(jié)構(gòu)通常從農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水情況進(jìn)行分析[1-3]，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水比例可以從側(cè)面反映出區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。一般來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)用水占比大側(cè)面說(shuō)明農(nóng)業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)科技較為落后；工業(yè)用水占比大，說(shuō)明工業(yè)化較為發(fā)達(dá)；生活用水占比大，說(shuō)明城市化水平較高[1]。我國(guó)水資源公報(bào)顯示，2001—2016年，我國(guó)用水總量從 5 567億m3增長(zhǎng)至6 040億m3，農(nóng)業(yè)用水占比由68.70%下降到62.40%。近期我國(guó)年供水能力不會(huì)有過(guò)大的增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)用水占比將維持在60%以上，工業(yè)用水和生活用水占比較小，保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。在水資源稀缺且用水情況不合理的條件下，我國(guó)學(xué)者對(duì)用水結(jié)構(gòu)開(kāi)展了深入研究，主要以系統(tǒng)分析理論、相關(guān)分析方法、灰色系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學(xué)等理論和方法為基礎(chǔ)，描述用水結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，分析用水結(jié)構(gòu)變化的經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響因素[4-10]。

我國(guó)水資源在空間分布上呈現(xiàn)南多北少的規(guī)律，南水北調(diào)工程是解決這一問(wèn)題的重大工程[11]。南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段從揚(yáng)州市江都水利樞紐開(kāi)始，依托境內(nèi)已有的江水北調(diào)工程，將長(zhǎng)江水逐級(jí)北調(diào)，解決蘇北地區(qū)以及山東等北方區(qū)域的缺水問(wèn)題。其沿線(xiàn)的5個(gè)地級(jí)市：淮安市、連云港市、宿遷市、鹽城市、揚(yáng)州市(圖1)是江蘇省主要產(chǎn)糧區(qū)，糧食產(chǎn)量占全省糧食總產(chǎn)量的60%左右，長(zhǎng)期以來(lái)形成以農(nóng)業(yè)用水為主的用水結(jié)構(gòu)。但由于各城市水資源條件、經(jīng)濟(jì)體量、人口規(guī)模等自身?xiàng)l件的不同，用水結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出不同的演變趨勢(shì)。本文以南水北調(diào)東線(xiàn)江蘇段沿線(xiàn)淮安市、連云港市、宿遷市、鹽城市、揚(yáng)州市這5個(gè)城市為研究對(duì)象，通過(guò)收集2001—2016年研究區(qū)各部門(mén)用水量，運(yùn)用信息熵原理，計(jì)算用水結(jié)構(gòu)均衡度時(shí)空變化情況；采用灰色關(guān)聯(lián)理論，分析用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)因素，以期為農(nóng)業(yè)水資源高效利用與區(qū)域用水調(diào)控提供對(duì)策。

圖1 研究區(qū)位置

1 研究方法

1.1 信息熵與均衡度

Shannon借鑒了熱力學(xué)概念提出了信息熵的概念，用以表征系統(tǒng)的不確定性、穩(wěn)定程度和信息量定量情況，將信息中排除了冗余后的平均信息量稱(chēng)為信息熵，并給出了計(jì)算信息熵的數(shù)學(xué)表達(dá)式[12]。我國(guó)用水結(jié)構(gòu)正處于從以農(nóng)業(yè)用水為主轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水趨于均衡的多元化用水結(jié)構(gòu)，因此這一階段體現(xiàn)在用水結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)中，信息熵的值越大，則表明用水量在各個(gè)用水部門(mén)分配越平均，用水結(jié)構(gòu)越合理。在本次研究中，用水系統(tǒng)的信息熵H計(jì)算公式為

(1)

式中：n為用水類(lèi)型的個(gè)數(shù)；pi為各類(lèi)用水量占總用水量的比例。

考慮不同年份不同地級(jí)市統(tǒng)計(jì)口徑差異，用水類(lèi)型個(gè)數(shù)不盡相同，導(dǎo)致信息熵不具備可比性，故而引入均衡度M進(jìn)行比較：

M=H/Hmax

(2)

其中

Hmax=lnn

式中Hmax為最大信息熵，是用水系統(tǒng)內(nèi)各部門(mén)用水最為均衡時(shí)的信息熵。

1.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析的意義是在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)參考數(shù)列和若干比較數(shù)列集合的相似程度來(lái)判斷兩者的聯(lián)系，若同步變化程度較高，則可以認(rèn)為兩者關(guān)聯(lián)較大；反之，則兩者關(guān)聯(lián)度較小[13-14]。由于灰色關(guān)聯(lián)分析比較的是參考數(shù)列和若干比較數(shù)列的集合，而非僅僅將參考數(shù)列與比較數(shù)列單獨(dú)比較，故而得出的關(guān)聯(lián)性更具備系統(tǒng)性?；疑P(guān)聯(lián)分析克服了回歸分析和隨機(jī)過(guò)程理論的不足，對(duì)數(shù)據(jù)要求低，計(jì)算結(jié)構(gòu)較為全面、客觀(guān)。

設(shè)參考序列X0={x01,x02，…，x0N}和I個(gè)比較序列Xi={xi1，xi2，…，xiN}(i=1，2，…，I)。參考序列中x0k與其對(duì)應(yīng)比較序列中xik的點(diǎn)關(guān)聯(lián)系數(shù)ζ(x0k，xik)為

ζ(x0k,xjk)=

(3)

式中ρ為分辨系數(shù)，取值范圍(0，1)，本文取0.5。

比較序列Xi與參考序列X0的點(diǎn)關(guān)聯(lián)系數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度ζ(X0，Xi)為

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演變

水資源量、年降水量等水資源數(shù)據(jù)主要來(lái)源于各地級(jí)市2001—2016年《水資源公報(bào)》以及相關(guān)文獻(xiàn)[15-17]。人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)來(lái)源于2001—2016年《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)2001—2016年的農(nóng)業(yè)用水(灌溉用水、林木漁業(yè)用水)、工業(yè)用水(一般工業(yè)用水、火電工業(yè)用水)、生活用水(城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)村生活用水)以及生態(tài)用水共7個(gè)指標(biāo)，各城市用水結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用式(1)與式(2)計(jì)算用水結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度，結(jié)果如圖3所示。

(a) 淮安

(a) 2001年

根據(jù)圖2與圖3反映的用水結(jié)構(gòu)及其均衡度變化趨勢(shì)，從時(shí)間上分析，2001—2016年研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化總體可以劃分為3個(gè)階段：

a.2001—2003年，均衡度呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，平均值從0.504變?yōu)?.629。揚(yáng)州市增幅最大，增加量為0.152，淮安市增幅最小，為0.019。由圖2可看出，2003年各地級(jí)市用水均衡度到達(dá)第一個(gè)峰值點(diǎn)。這一階段，年平均灌溉用水量從23.09億m3降為15.34億m3，灌溉用水比例從73.25%降為66.55%，灌溉用水所占比例較大，但呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)；年平均一般工業(yè)用水量從3.67億m3增長(zhǎng)為5.14億m3，一般工業(yè)用水比例從11.5%增長(zhǎng)為13.2%，呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)；城鎮(zhèn)生活用水比例明顯增大，從2001年的3.56%增長(zhǎng)為2003年的5.77%，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，農(nóng)村生活用水從2001年的3.98%降為2016年的1.73%，生活用水結(jié)構(gòu)變化較大。表明2001—2003年灌溉用水比例、一般工業(yè)用水比例、生活用水比例是影響用水均衡度的主要因子。

2001—2016年各地級(jí)市按均衡度大小排序可以發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)州市、鹽城市、淮安市3個(gè)城市的用水結(jié)構(gòu)均衡度水平較高，連云港市、宿遷市的用水結(jié)構(gòu)均衡度水平較低。根據(jù)用水結(jié)構(gòu)均衡度的變化程度，可將各地級(jí)市分為3類(lèi)：①揚(yáng)州市和宿遷市2001—2016年均衡度分別提高了0.152和0.143，是用水結(jié)構(gòu)向均衡化發(fā)展最為明顯的兩個(gè)城市，用水結(jié)構(gòu)逐漸趨向多元化和均衡化；②鹽城市和連云港市2001—2016年均衡度分別提高了0.085和0.081，是用水結(jié)構(gòu)向均衡化發(fā)展較為明顯的兩個(gè)城市；③淮安市2001—2016年均衡度提高了0.019，用水結(jié)構(gòu)多元化和均衡化提升不明顯。

2.2 用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力分析

區(qū)域用水結(jié)構(gòu)受社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的影響，直接取決于經(jīng)濟(jì)水平與結(jié)構(gòu)、人口總量與構(gòu)成以及各行業(yè)節(jié)水水平，驅(qū)動(dòng)因素包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、長(zhǎng)期人口演變規(guī)律、技術(shù)進(jìn)步趨勢(shì)等。通過(guò)比較篩選與用水結(jié)構(gòu)相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選取年降水量、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)(糧食作物面積與總播種面積比值)、工業(yè)增加值比例(工業(yè)增加值與GDP比值)、第三產(chǎn)業(yè)增加值比例(第三產(chǎn)業(yè)增加值與GDP比值)和人均日生活用水量等5個(gè)指標(biāo)作為分析用水結(jié)構(gòu)變化的影響因素，其中年降水量反映農(nóng)業(yè)氣候條件，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)反映糧食作物種植規(guī)模，工業(yè)增加值比例反映工業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模，第三產(chǎn)業(yè)增加值比例反映第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模，人均日生活用水量反映城市用水水平，基本覆蓋了氣候條件、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市用水水平等方面，具有較強(qiáng)的代表性。根據(jù)關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小，可分為弱關(guān)聯(lián)、中等關(guān)聯(lián)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)3類(lèi)，關(guān)聯(lián)度0～0.35屬于弱關(guān)聯(lián)，0.35～0.7屬于中等關(guān)聯(lián)，0.7～1屬于強(qiáng)關(guān)聯(lián)。各指標(biāo)與用水結(jié)構(gòu)均衡度的灰色關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果如表1所示。本文所選5個(gè)驅(qū)動(dòng)力因子與均衡度關(guān)聯(lián)性較大，均在0.35以上，屬于中等關(guān)聯(lián)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

表1 用水結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)力因子的灰色關(guān)聯(lián)度

為準(zhǔn)確區(qū)分用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力因子在空間上的分類(lèi)特征，以表1中5個(gè)城市為聚類(lèi)對(duì)象，運(yùn)用組間連接法進(jìn)行層次聚類(lèi)分析，得到的相似矩陣如表2所示，值越大說(shuō)明兩個(gè)城市的相似度越高。結(jié)果表明，研究區(qū)各地級(jí)市可劃分為3類(lèi)：第一類(lèi)揚(yáng)州市，第二類(lèi)宿遷市，第三類(lèi)淮安、連云港和鹽城市。

表2 聚類(lèi)相似矩陣

第一類(lèi)：揚(yáng)州市地處蘇中地帶，屬于研究區(qū)中經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的城市，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展占據(jù)主導(dǎo)地位。從用水情況來(lái)看，農(nóng)業(yè)用水比例占據(jù)約50%，處于研究區(qū)5個(gè)城市的最低水平，用水結(jié)構(gòu)的均衡度最高。從用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)力來(lái)看，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和第三產(chǎn)業(yè)增加值比例是揚(yáng)州市用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。第二類(lèi)：宿遷市位于江蘇省北部，從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上看，工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)占主導(dǎo)地位，2016年工業(yè)增加值比例與第三產(chǎn)業(yè)增加值比例分別為39.81%與41.55%，且增幅較大，2001—2016年累積增加12.40%與13.61%。而農(nóng)業(yè)用水比例較高，保持在75%以上(2016年為77.80%)，遠(yuǎn)高于工業(yè)用水與生活用水比例(2016年分別為6.39%，7.81%)，用水結(jié)構(gòu)的均衡度最低。農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、工業(yè)增加值比例、第三產(chǎn)業(yè)增加值比例和人均日生活用水量均是宿遷市用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，其中工業(yè)增加值比例的影響最為明顯。第三類(lèi)：淮安市、連云港市和鹽城市的工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)占主導(dǎo)地位，工業(yè)略高于第三產(chǎn)業(yè)，與宿遷市相比工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)比例較大，但增幅較小。從用水情況來(lái)看，農(nóng)業(yè)用水比例較高，2016年淮安市、連云港市和鹽城市農(nóng)業(yè)用水比例分別為78.05%、78.83%、79.93%，遠(yuǎn)高于工業(yè)用水與生活用水比例(2016年3個(gè)城市分別為11.18%和6.62%、10.83%和7.50%、13.86%和3.61%)，用水結(jié)構(gòu)的均衡度介于揚(yáng)州市和宿遷市之間。農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、工業(yè)增加值比例、第三產(chǎn)業(yè)增加值比例是3個(gè)城市用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，其中農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的影響最為明顯。

隨著工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟(jì)中的比例不斷提高，研究區(qū)以農(nóng)業(yè)用水為主的單一用水結(jié)構(gòu)有所改善，用水特征更趨向于多元化與均衡化，但主要的驅(qū)動(dòng)因素仍存在空間差異。農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)比例是研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)演變的共同驅(qū)動(dòng)因素；淮安市、連云港市和鹽城市用水結(jié)構(gòu)變化的共同驅(qū)動(dòng)因素還包括工業(yè)增加值比例；人均日生活用水量對(duì)宿遷市用水結(jié)構(gòu)變化也有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的影響。

年降水量和農(nóng)作物結(jié)構(gòu)與農(nóng)業(yè)用水均有直接聯(lián)系。前者可以表征農(nóng)業(yè)用水自然驅(qū)動(dòng)力，后者為糧食作物耕種面積與總耕地面積的比例，糧食作物相比經(jīng)濟(jì)作物更為耗水，需水量更大，可以表征人工驅(qū)動(dòng)力。由用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力因子的灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可知，年降水量對(duì)研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化的影響未達(dá)到強(qiáng)關(guān)聯(lián)水平。這說(shuō)明自然條件對(duì)農(nóng)業(yè)用水影響較小，而人工種植方式成為農(nóng)業(yè)用水的主要影響因素。研究區(qū)為南水北調(diào)東線(xiàn)江蘇段工程所在地，農(nóng)業(yè)灌溉工程與設(shè)施較為先進(jìn)，因此大大降低了農(nóng)業(yè)用水對(duì)降水等自然條件的依賴(lài)。

工業(yè)增加值比例與工業(yè)用水有直接聯(lián)系，第三產(chǎn)業(yè)增加值比例和人均日生活用水量與生活用水有直接聯(lián)系。從表1中可以看出，工業(yè)增加值比例和第三產(chǎn)業(yè)增加值比例與研究區(qū)各城市的用水結(jié)構(gòu)變化均有較高的關(guān)聯(lián)度。這表明以工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，尤其是第三產(chǎn)業(yè)已成為拉動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要產(chǎn)業(yè)，用水需求不斷提高，同時(shí)促使城市工業(yè)用水和生活用水比例不斷提高，用水結(jié)構(gòu)趨向均衡化。此外，人均日生活用水量對(duì)研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)的影響較小，僅在宿遷市達(dá)到強(qiáng)關(guān)聯(lián)水平。2001—2016年宿遷市常住人口增加80.76萬(wàn)人，增幅達(dá)15.81%。隨著城市化發(fā)展與人口持續(xù)增長(zhǎng)，生活用水呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這也表明宿遷市城市生活節(jié)水潛力較大，節(jié)水水平可以進(jìn)一步提高。

3 結(jié) 論

a.2001—2016年研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，表明用水結(jié)構(gòu)趨向多元化和均衡化。從空間角度看，用水均衡度總體呈現(xiàn)從南向北遞減的特征。揚(yáng)州市用水結(jié)構(gòu)均衡度最高，鹽城市、淮安市、連云港市均衡度依次減小，宿遷市均衡度最小。從均衡度變化程度來(lái)看，揚(yáng)州市、宿遷市均衡度增幅最大，分別增加0.152和0.143，用水結(jié)構(gòu)變化最明顯，其次為鹽城市和連云港市，均衡度分別增加0.085和0.081，淮安市用水結(jié)構(gòu)變化最小，均衡度僅增加0.019。

b.農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)比例是研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化的共同驅(qū)動(dòng)因素，而其他驅(qū)動(dòng)因素存在空間差異；淮安市、連云港市和鹽城市用水結(jié)構(gòu)變化的共同驅(qū)動(dòng)因素還包括工業(yè)增加值比例；人均日生活用水量對(duì)宿遷市用水結(jié)構(gòu)變化也有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的影響。年降水量對(duì)研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化沒(méi)有顯著的影響，表明自然條件對(duì)農(nóng)業(yè)用水影響較小。

c.南水北調(diào)東線(xiàn)江蘇段沿線(xiàn)城市的用水特征目前仍以農(nóng)業(yè)灌溉用水為主。研究區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉工程與設(shè)施較為先進(jìn)，降低了農(nóng)業(yè)用水對(duì)降水等自然條件的依賴(lài)。因此不斷提高農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)水平，優(yōu)化農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，是農(nóng)業(yè)用水高效利用的重要措施。另一方面，隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，研究區(qū)5個(gè)城市的用水結(jié)構(gòu)逐漸趨向多元化和均衡化。因此不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，仍是優(yōu)化城市用水結(jié)構(gòu)的主要策略。