徐方圓, 石家豪, 韓宇平,2, 趙衡,2, 王富強(qiáng),2

(1.華北水利水電大學(xué) 水資源學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.河南省黃河流域水資源節(jié)約集約利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)

水資源既是自然演化的基礎(chǔ)資源,也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略資源,直接或間接地控制著生態(tài)延續(xù)與環(huán)境維持[1]。隨著我國人口增長、經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、工業(yè)化和城市化進(jìn)程加快,水資源短缺、用水結(jié)構(gòu)不合理等問題已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的主要障礙。用水結(jié)構(gòu)與用水量、用水水平之間密切相關(guān),對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的良性發(fā)展具有重要的驅(qū)動(dòng)、制約和導(dǎo)向作用。積極合理地調(diào)整用水結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、化解用水矛盾的重要途徑。黃河流域在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位,但流域內(nèi)水資源較為貧乏、用水競(jìng)爭(zhēng)激烈,故開展黃河流域用水結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律和空間均衡研究對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

目前,用水結(jié)構(gòu)演變的研究方法主要有:基于信息學(xué)理論的信息熵和均衡度模型[2-5]、基于經(jīng)濟(jì)學(xué)理論的洛倫茨曲線和基尼系數(shù)模型[6-9]、基于生態(tài)學(xué)原理的生態(tài)位及其熵值模型[10-11]和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[12]等。以往與區(qū)域用水結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究對(duì)象多為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省市或干旱缺水地區(qū),而以流域?yàn)閷?duì)象的研究較少[13]。針對(duì)黃河流域的研究,孫思奧等[14]采用對(duì)數(shù)均值迪氏指數(shù)方法分析了黃河流域用水量的時(shí)空演變特征,揭示了流域用水時(shí)空變化的主要影響因素;陳穎杰等[15]基于生態(tài)位理論分析了黃河流域內(nèi)主要省區(qū)用水結(jié)構(gòu)的演變特征,并與發(fā)達(dá)國家的用水結(jié)構(gòu)相比較,提出了黃河流域水資源利用的相關(guān)建議;王雁林等[16]在分析黃河流域陜西段農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水等在結(jié)構(gòu)上的變化及其規(guī)律的基礎(chǔ)上,闡明了造成這種變化的主要驅(qū)動(dòng)力因子,并探討了未來用水結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)水資源供需形勢(shì)的影響。近年來,隨著黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,水資源供需矛盾突出、水安全保障形勢(shì)嚴(yán)峻,系統(tǒng)分析黃河流域用水結(jié)構(gòu)及其演變特征,對(duì)于區(qū)域水資源合理開發(fā)利用具有重要意義。

綜上所述,已有學(xué)者對(duì)黃河流域用水結(jié)構(gòu)變化特征展開研究,并取得了階段性成果,然而將用水結(jié)構(gòu)演變特征與空間均衡程度相結(jié)合的研究相對(duì)較少。本文運(yùn)用信息熵、洛倫茨曲線和基尼系數(shù)等方法,定量分析了河南省黃河流域用水結(jié)構(gòu)2010—2019年的演變特征和空間均衡程度,研究成果可為統(tǒng)籌區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水結(jié)構(gòu)布局提供科學(xué)依據(jù),對(duì)優(yōu)化區(qū)域水資源利用結(jié)構(gòu),節(jié)約集約利用水資源具有指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域概況

黃河從陜西潼關(guān)進(jìn)入河南省境內(nèi),西起靈寶市,東到臺(tái)前縣,流經(jīng)三門峽、洛陽、濟(jì)源、焦作、鄭州、新鄉(xiāng)、開封、濮陽8個(gè)市28個(gè)縣(市、區(qū))。黃河河南段全長711 km,流域面積3.62萬km2,占黃河流域總面積的5.1%,占河南省總面積的21.7%。河南省大部分地處暖溫帶,南部跨亞熱帶,屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風(fēng)氣候,同時(shí)還具有自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡的特征,具有四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣的特點(diǎn)。為保證數(shù)據(jù)的完整性和統(tǒng)計(jì)方便,選取河南省黃河流經(jīng)的8個(gè)市為單元開展研究。河南省黃河流域位置分布如圖1所示。

圖1 河南省黃河流域位置示意圖

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取2010—2019年《河南省水資源公報(bào)》《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》及各市水資源公報(bào)中農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水?dāng)?shù)據(jù)。同時(shí),參考了各市水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果、水資源綜合規(guī)劃成果等資料。

2.2 研究方法

2.2.1 信息熵

在信息學(xué)理論中,信息熵和信息絕對(duì)值相等,符號(hào)相反,前者用來衡量系統(tǒng)無序程度,后者用來衡量系統(tǒng)有序程度。為分析用水結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化過程,將信息熵概念與水資源利用系統(tǒng)相結(jié)合,最終通過熵值體現(xiàn)用水結(jié)構(gòu)的種類數(shù)量和各類用水量的分布均勻性。

在一定時(shí)間范圍內(nèi),Q為水資源系統(tǒng)的總用水量,x1、x2、…、xn為n種用水類型,q1、q2、…、qn為每種用水類型對(duì)應(yīng)的用水量,p1、p2、…、pn為每種用水類型的用水量占總用水量的比重,即:

(1)

(2)

信息熵反映了水資源利用的多樣性與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異性,借助其可探討用水結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。

2.2.2 洛倫茨曲線

20世紀(jì)初,美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家LORENZ M O[17]為刻畫收入和財(cái)富在不同區(qū)域之間分配的不均勻性,提出了洛倫茨曲線的概念。隨著學(xué)科間的不斷交叉融合與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,這一概念在許多研究領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用[18-21]。在洛倫茨曲線中,橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)皆為累積百分比,研究對(duì)象決定了百分比的含義。不同研究對(duì)象的累積曲線(y=f(x))與絕對(duì)平均線(y=x)的距離表示各個(gè)研究對(duì)象空間分配的均衡程度。y=f(x)距離y=x越近,研究對(duì)象的空間分配越均衡;y=f(x)距離y=x越遠(yuǎn),空間分配的差距越大。

2.2.3 區(qū)位熵

為了繪制出洛倫茨曲線,首要步驟就是計(jì)算每個(gè)分區(qū)的區(qū)位熵[22]。區(qū)位熵的數(shù)值含義為各研究分區(qū)各類用水百分比與總用水百分比的比值,幾何意義表示洛倫茨曲線中的斜率,具體公式為:

(3)

式中:Lij為第i分區(qū)第j類用水區(qū)位熵;Qij為第i分區(qū)第j類用水量,m3;Qj為整個(gè)區(qū)域的第j類用水量,m3;Qi為第i分區(qū)的各類用水總量,m3;Q為整個(gè)區(qū)域的各類用水總量,即總用水量,m3。

通過式(3)即可計(jì)算出各分區(qū)的區(qū)位熵,按照區(qū)位熵從小到大分別列出Qij/Qj和Qi/Q,即各類用水百分比與總用水百分比,分別將其逐個(gè)累加得到各類用水和總用水的累積百分比,以總用水累積百分比為橫坐標(biāo),各類用水累積百分比為縱坐標(biāo),并按照Lij由小到大的順序描點(diǎn)繪制洛倫茨曲線。多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在同一條洛倫茨曲線上代表多個(gè)分區(qū),將各點(diǎn)用平滑的曲線依次相連,形成一條傾向于橫坐標(biāo)的弧線。

2.2.4 基尼系數(shù)

盡管洛倫茨曲線能夠直觀地顯示區(qū)域用水的空間均衡程度,但無法用于定量分析,特別是當(dāng)曲線圖中包含多種用水類型時(shí),對(duì)于多條近似重合的凹型曲線,無法確定其中的哪一條均衡程度更好,因此引入基尼系數(shù)來定量分析區(qū)域用水的空間均衡程度。1922年,意大利科學(xué)家基尼為分析收入分配的均衡程度,提出了基尼系數(shù)的概念。如今它已被廣泛應(yīng)用于資源配置和土地利用等多個(gè)領(lǐng)域[23-25],基尼系數(shù)的幾何含義為絕對(duì)平均線y=x與實(shí)際累積曲線y=f(x)所圍成面積和絕對(duì)平均線下直角三角形面積的比值,其計(jì)算公式為:

(4)

式中:G為基尼系數(shù);f(x)為各研究對(duì)象累積曲線的函數(shù)。本文橫坐標(biāo)x為總用水累積百分比,縱坐標(biāo)f(x)為各類用水累積百分比。

然而在具體運(yùn)算中,難以知曉累積曲線f(x)準(zhǔn)確的函數(shù)表達(dá)式。本文使用較為常見的三角形面積法估算基尼系數(shù),具體公式為

(5)

式中:I為基尼系數(shù)的估計(jì)值;Mi、Mi+1分別為第i、i+1分區(qū)的總用水累積百分比;Pi、Pi+1分別為第i、i+1分區(qū)的各類用水累積百分比;n為分區(qū)總數(shù),本文中n=8,即河南省黃河流域流經(jīng)的8個(gè)市。

本次評(píng)價(jià)分析采用國際公認(rèn)的評(píng)價(jià)區(qū)間劃分標(biāo)準(zhǔn)[26-27],詳見表1。

表1 基尼系數(shù)評(píng)價(jià)區(qū)間劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 實(shí)例分析

3.1 熵值演變特征

運(yùn)用信息熵分析2010—2019年河南省黃河流域用水結(jié)構(gòu)的整體演變特征,計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可看出:①2010—2019年,河南省黃河流域農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水比例分別減少了4.95%和6.75%,而生活用水、生態(tài)用水比例分別增長了5.57%和6.14%,說明河南省黃河流域的水資源開發(fā)利用正由單目標(biāo)向多目標(biāo)開發(fā)方向轉(zhuǎn)變,在擴(kuò)大綜合利用范圍的同時(shí)也兼顧考慮生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與發(fā)展;②信息熵總體呈先波動(dòng)后緩慢上升的變化趨勢(shì),與用水總量的階段變化基本一致,由2010年的1.137 nat增加至2019年的1.253 nat,其中2014年之前呈波動(dòng)變化,2015年之后穩(wěn)步上升,說明河南省黃河流域的用水結(jié)構(gòu)正在向無序方向發(fā)展,用水類型間差別減小,用水結(jié)構(gòu)的均衡性和穩(wěn)定性上升。

表2 2010—2019年河南省黃河流域用水結(jié)構(gòu)比例與信息熵

由數(shù)據(jù)分析可知,河南省黃河流域的用水結(jié)構(gòu)朝著良性循環(huán)的方向演化,由原來的以農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水為主,逐漸調(diào)整為各部門用水類型間協(xié)調(diào)分配。具體表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水比例減少,而生活用水和生態(tài)用水比例增加,信息熵值逐步增大。因此各用水類型不再具備單一的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),用水結(jié)構(gòu)不斷向兼顧生態(tài)安全的綜合發(fā)展方向調(diào)整,水資源開發(fā)利用整體趨向多元化與合理化。

3.2 時(shí)空演變特征

河南省黃河流域2010年和2019年各類用水洛倫茨曲線如圖2所示。由圖2可以看出,相比于2010年,2019年工業(yè)用水和生活用水空間分布的均衡程度沒有顯著變化,而農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水空間分布的均衡程度明顯下降。

圖2 2010和2019年河南省黃河流域各類用水洛倫茨曲線

2010—2019年河南省黃河流域各類用水基尼系數(shù)與評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。由表3可知:①河南省黃河流域農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)從2010年的0.178增加至2011年的0.229,并在2015、2016年回落到初始值附近后,上升至2019年的0.218;②工業(yè)用水基尼系數(shù)多年呈現(xiàn)小幅度波動(dòng),2014年存在一次明顯下降,最終由2010年的0.234變?yōu)?019年的0.224;③生活用水基尼系數(shù)從2010年的0.262激增至2011年的0.370,2013年回落到初始值,并在2019年上升至0.255;④生態(tài)用水基尼系數(shù)從2010年的0.267陡降至2011年的0.207,后在2016年達(dá)到峰值0.370,最終回落到2019年的0.320。

表3 2010—2019年河南省黃河流域各類用水基尼系數(shù)與評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3更直觀地展示了2010—2019年河南省黃河流域各類用水基尼系數(shù)的變化趨勢(shì)。由圖3可知,2010—2019年河南省黃河流域各類用水的基尼系數(shù)均在0.15～0.40間波動(dòng)變化,即河南省黃河流域各類用水的空間均衡程度整體處于“絕對(duì)平均”與“相對(duì)合理”之間?？梢?自2010年起,河南省黃河流域用水結(jié)構(gòu)差異程度呈現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)。

圖3 2010—2019年河南省黃河流域各類用水基尼系數(shù)變化趨勢(shì)

可以看出,2010—2019年河南省黃河流域工業(yè)用水、生活用水的空間均衡狀態(tài)未出現(xiàn)較大改變,而農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水的空間均衡程度明顯下降。說明多年來各市對(duì)于工業(yè)用水和生活用水已形成一套長期穩(wěn)定的規(guī)劃分配方案,而部分地市逐漸意識(shí)到生態(tài)用水的重要性,開始探索生態(tài)治理與保護(hù)的科學(xué)方法,并嘗試與農(nóng)業(yè)用水分配形成有機(jī)聯(lián)系,由此產(chǎn)生了圖2、3與表3中的變化特征。未來需要多部門各行業(yè)對(duì)于水資源的統(tǒng)籌規(guī)劃與合理利用,才能充分把握空間格局的均衡標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 空間均衡度分析

為定量分析河南省黃河流域內(nèi)8個(gè)市各類用水的空間均衡程度,選取2019年用水量數(shù)據(jù)繪制洛倫茨曲線,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4和圖4。

表4 2019年河南省黃河流域用水量統(tǒng)計(jì)

圖4 2019年河南省黃河流域各類用水空間均衡程度分布情況

由圖4可以看出,在各類用水中,距離絕對(duì)平均線最近的是農(nóng)業(yè)用水曲線,工業(yè)用水曲線次之,生活和生態(tài)用水曲線距離絕對(duì)平均線較遠(yuǎn)。表明2019年河南省黃河流域的空間均衡程度從高到低依次是農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水,農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水在河南省黃河流域各市中空間分布比較均衡,生活用水和生態(tài)用水空間分布比較集中。借助基尼系數(shù)描述河南省黃河流域各市四類用水均衡程度的差異性,評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。2019年河南省黃河流域各市農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)為0.218,評(píng)價(jià)結(jié)果為“比較平均”;工業(yè)用水基尼系數(shù)為0.224,評(píng)價(jià)結(jié)果為“比較平均”;生活用水基尼系數(shù)為0.255,評(píng)價(jià)結(jié)果為“比較平均”;生態(tài)用水基尼系數(shù)為0.320,評(píng)價(jià)結(jié)果為“相對(duì)合理”,基尼系數(shù)值更加清晰地驗(yàn)證了洛倫茨曲線圖所得結(jié)論。

3.4 地區(qū)差異性分析

為進(jìn)一步探討河南省黃河流域各市用水空間均衡程度差異的原因,計(jì)算了2019年分區(qū)域各類型用水量的區(qū)位熵,計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 2019年河南省黃河流域各類用水區(qū)位熵

由表5可知,2019年河南省黃河流域農(nóng)業(yè)用水方面,新鄉(xiāng)、焦作、濮陽市的用水比重較高,其中新鄉(xiāng)市的農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵為1.436,已超過其余7個(gè)市。這是因?yàn)樾锣l(xiāng)市作為我國的商品糧基地和優(yōu)質(zhì)小麥生產(chǎn)基地,多年來依靠優(yōu)越的農(nóng)業(yè)資源和區(qū)位優(yōu)勢(shì),積極推動(dòng)農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。

工業(yè)用水方面,除開封、新鄉(xiāng)、濮陽市外,河南省黃河流域其他市區(qū)位熵均在1.0以上,鄭州市的工業(yè)用水區(qū)位熵為1.120,與其他市未有明顯差距。相比之下,洛陽市的工業(yè)用水區(qū)位熵達(dá)到1.745,是其余7個(gè)市工業(yè)用水區(qū)位熵平均值的1.8倍。結(jié)合2019年的基尼系數(shù)可以看出,河南省黃河流域工業(yè)用水雖在整體格局下空間均衡程度較好,但各市的區(qū)位熵反映出一些實(shí)際問題,例如洛陽市和三門峽市的工業(yè)用水與其他市有很大差異,需要根據(jù)城市實(shí)際情況,對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行綠色改造,推進(jìn)工業(yè)節(jié)水,提高用水效率,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和循環(huán)利用。

生活和生態(tài)用水集中在鄭州、開封、三門峽、濟(jì)源等市,普遍具有較高的用水比例;而農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水在這些地區(qū)顯現(xiàn)出偏低的用水比例,這些地區(qū)內(nèi)部之間水資源利用特征相似。由于城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快,鄭州、開封、三門峽等市的人口增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展;而周邊如焦作、濮陽等市上述類型用水比例與用水總量逐年遞增,并伴有小幅波動(dòng),導(dǎo)致地區(qū)間差異性越來越大。

4 結(jié)論

1)從熵值演變特征來看,河南省黃河流域的用水結(jié)構(gòu)朝著良性循環(huán)的方向演化,由原來的以農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水為主,逐漸調(diào)整為各部門用水類型間協(xié)調(diào)分配。具體表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水比例減少,而生活用水和生態(tài)用水比例增加,信息熵值逐步增大。因此各用水類型不再具備單一的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),用水結(jié)構(gòu)不斷向兼顧生態(tài)安全的綜合發(fā)展方向調(diào)整,多元化與合理化發(fā)展成為水資源開發(fā)利用的主旋律。

2)從時(shí)空演變特征來看,2010—2019年河南省黃河流域工業(yè)用水、生活用水的空間均衡狀態(tài)未出現(xiàn)較大改變,而農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水的空間均衡程度明顯下降。說明多年來各市對(duì)于工業(yè)用水和生活用水已形成一套長期穩(wěn)定的規(guī)劃分配方案,而部分地市逐漸意識(shí)到生態(tài)用水的重要性,開始探索生態(tài)治理與保護(hù)的科學(xué)方法,并嘗試與農(nóng)業(yè)用水分配形成有機(jī)聯(lián)系。

3)從空間均衡度來看,農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水在河南省黃河流域各市中空間分布比較均衡,生活用水和生態(tài)用水空間分布比較集中。數(shù)據(jù)結(jié)果表明,2019年河南省黃河流域各市農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)為0.218,評(píng)價(jià)結(jié)果為“比較平均”;工業(yè)用水基尼系數(shù)為0.224,評(píng)價(jià)結(jié)果為“比較平均”;生活用水基尼系數(shù)為0.255,評(píng)價(jià)結(jié)果為“比較平均”;生態(tài)用水基尼系數(shù)為0.320,評(píng)價(jià)結(jié)果為“相對(duì)合理”。

4)從地區(qū)差異性來看,在河南省黃河流域8個(gè)市中,新鄉(xiāng)、焦作、濮陽市的農(nóng)業(yè)用水比例較高,其中新鄉(xiāng)市的農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵要高于其他市;工業(yè)用水雖在整體格局下空間均衡程度較好,但洛陽、三門峽市的工業(yè)用水顯著超過其他市;生活、生態(tài)用水集中在鄭州、開封、三門峽、濟(jì)源等市,用水比例整體較高,這些地區(qū)內(nèi)部之間具有相似的用水特征。各市在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水配置方面仍有優(yōu)化改進(jìn)的空間,未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)用水結(jié)構(gòu)的管理和監(jiān)督,合理引導(dǎo)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)布局,實(shí)現(xiàn)水資源利用效益最大化,推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。