建三江分局用水結(jié)構(gòu)演變及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究

趙菲菲，劉 東，2，于 苗，于新偉

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，哈爾濱150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理博士后科研流動(dòng)站，哈爾濱150030）

用水結(jié)構(gòu)是指一定時(shí)期內(nèi)某用水系統(tǒng)中各類用水量的比例關(guān)系[1]。隨著溫室氣體的增加、臭氧層的破壞、土地荒漠化的蔓延、酸雨的頻繁發(fā)生、全球經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展、科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高、城市化進(jìn)程快速推進(jìn)以及人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致區(qū)域水資源利用結(jié)構(gòu)演變復(fù)雜性特征日益凸顯。要了解區(qū)域水資源利用結(jié)構(gòu)演變的復(fù)雜性，就必須對(duì)水資源利用結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究，以揭示水資源利用結(jié)構(gòu)變化的原因、內(nèi)部機(jī)制。Jenerette[2]認(rèn)為世界未來(lái)用水形式的驅(qū)動(dòng)因子是人口的聚散情況、單個(gè)牲畜的水使用、氣候及生態(tài)供水條件等；Marios Sophocleous[3]認(rèn)為導(dǎo)致用水需求上升的驅(qū)動(dòng)因子包括人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、技術(shù)進(jìn)步、土地利用與城市化進(jìn)程、環(huán)境退化速度、政府決策環(huán)境變化以及其他因素。在用水結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、人口因素、自然因素等都將成為影響用水結(jié)構(gòu)變化的制約因素。本文以建三江分局為例，分析用水結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程，并試圖找出導(dǎo)致該地區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)力。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

建三江分局位于祖國(guó)北部邊陲的三江平原腹地，與同江、富錦、撫遠(yuǎn)、饒河兩市兩縣相鄰，系黑龍江、松花江、烏蘇里江匯流的河間地帶，是我國(guó)的主要糧食產(chǎn)區(qū)?？偯娣e1.24萬(wàn)km2，占整個(gè)黑龍江省墾區(qū)面積的22%[4]。多年平均氣溫1.0～2.0℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫－41.6℃，多年平均降水量為383.5～886.1mm。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建三江分局水資源面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。面對(duì)日益嚴(yán)重的水資源危機(jī)，從建三江分局水資源利用結(jié)構(gòu)變化來(lái)分析其變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為合理調(diào)整水資源結(jié)構(gòu)，建立高效的水資源可持續(xù)利用機(jī)制提供決策依據(jù)。

1.2 研究區(qū)近12a的用水結(jié)構(gòu)演變

1.2.1 用水現(xiàn)狀 2010年，建三江分局水資源總量為25.76億m3，其中地表水資源量10.39億 m3，地下水資源量為14.83億m3；地下水可開(kāi)采量為11.08億m3，地下水總補(bǔ)給量為14.83億m3，每年過(guò)境地表水資源量大約為2 483億m3。從用水部門分析，2010年建三江分局總用水量27.89億m3，其中農(nóng)業(yè)用水27.78億m3，占總用水量的99.61%；工業(yè)用水為0.01億 m3，占0.04%；生活用水量0.10億 m3，占0.36%。

1.2.2 近12a用水結(jié)構(gòu)的變化

（1）用水總量。用水資料主要來(lái)源于建三江農(nóng)墾統(tǒng)計(jì)年報(bào)（1999—2010）。1999—2010年，建三江分局用水總量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，由1999年的12.31億m3增加到2010年的27.88億 m3，增加15.58億 m3。在用水總量增長(zhǎng)過(guò)程中，階段性變化較明顯。主要可以分為3個(gè)階段：①1999—2002年，用水總量呈基本穩(wěn)定階段，年均約12.34億m3；②2003—2007年，用水總量呈快速增長(zhǎng)階段，由2003年的10.49億m3增長(zhǎng)到2007年的23.27億m3，年均用水量13.22億m3；③2008—2010年，用水總量呈緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，年均用水量約26.13億m3。

（2）農(nóng)業(yè)用水。農(nóng)業(yè)用水作為建三江分局的用水大戶，其用水量變化極大地影響著總用水量，其演變趨勢(shì)與總用水量的變化基本一致，呈上升趨勢(shì)。1999—2002年農(nóng)業(yè)用水保持為年均12.32億m3；2003—2010年農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)增長(zhǎng)，其中2003—2007年農(nóng)業(yè)用水量快速增長(zhǎng)，由10.46億m3上升到23.13億m3；2008—2010年農(nóng)業(yè)用水量年均為26.01億 m3。農(nóng)業(yè)用水量在起伏變化的同時(shí)其用水比重在總用水量中一直處于領(lǐng)先地位，始終高于99%。

（3）工業(yè)用水。建三江分局工業(yè)用水量1999—2010年呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，工業(yè)用水量由56萬(wàn)m3增長(zhǎng)到103萬(wàn)m3。而工業(yè)用水比重很小并且也沒(méi)有大的波動(dòng)，始終維持在0.05%左右。

（4）生活用水?？傮w上看，1999—2008年，生活用水量呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，由1999年的145萬(wàn)m3一路攀升至2008年的1 389萬(wàn)m3，2009年和2010年生活用水量有下降的趨勢(shì)。生活用水比重由1999年的0.12%增長(zhǎng)到2008年的0.58%，2009年和2010年的生活用水比重分別為0.38%和0.35%。

總之，根據(jù)1999—2010年建三江分局各部門用水量變化圖可知（圖1），總用水量與農(nóng)業(yè)用水量保持一致的變化趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)用水比重占主導(dǎo)地位。在建三江分局，總用水量大部分消耗于農(nóng)業(yè)用水，控制總用水量的關(guān)鍵是制約農(nóng)業(yè)用水。

圖1 1999－2010年建三江分局各部門用水量

2 基于信息熵的用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律分析

2.1 信息熵理論

“熵”原是一個(gè)熱力學(xué)概念，用以描述自發(fā)過(guò)程不可逆性的狀態(tài)函數(shù)[5]。為了與熱力學(xué)過(guò)程有所區(qū)別，1908年，Shannon首先在信息論中引入了熵的概念，將其定義為信息熵。即對(duì)于一個(gè)不確定性系統(tǒng)，用隨機(jī)變量S表示其狀態(tài)特征；對(duì)于離散型隨機(jī)變量，設(shè)x的取值為X＝｛x1，x2，…，xn｝，每一取值對(duì)應(yīng)的概率為P＝｛p1，p2，…，pn｝，且有∑pi＝1，則該系統(tǒng)的信息熵表達(dá)式[6]：

用信息熵描述任何一種體系或物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的混亂度和無(wú)序度[7]。將信息熵概念引入水資源系統(tǒng)來(lái)描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。設(shè)在一定時(shí)間尺度內(nèi)，用水比例pi＝Hi／H，并滿足條件：∑pi＝1，pi≠0。其中H為總用水量，Hi為各種類型的用水量。一般地，信息熵越小，系統(tǒng)就越有序，結(jié)構(gòu)性就越強(qiáng)；反之，信息熵越大，系統(tǒng)就越無(wú)序，結(jié)構(gòu)性就越差[8]。理論上當(dāng)各種用水類型的用水量相等，即p1＝p2＝…＝pn＝1／n時(shí)，熵值達(dá)到最大，這表明區(qū)域內(nèi)用水量達(dá)到了均衡狀態(tài)，此時(shí)熵值達(dá)到最大值：

在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同區(qū)域或同一區(qū)域不同發(fā)展階段所包含的水資源利用類型有多有少，水資源利用結(jié)構(gòu)的信息熵往往缺乏可比性。因此，基于信息熵函數(shù)引入水資源利用結(jié)構(gòu)的均衡度公式：

顯然，均衡度的取值范圍為J∈[0，1]，即當(dāng)J＝0時(shí)，水資源利用處于最不均勻狀態(tài)，J值越大，均質(zhì)性越強(qiáng)，當(dāng)J＝1時(shí)，則用水類型達(dá)到理想平衡狀態(tài)，均衡度較信息熵的直觀性和可比性均有所增強(qiáng)。

2.2 建三江分局用水結(jié)構(gòu)演變的信息熵分析

建三江分局近12a不同年份的用水結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度見(jiàn)表1。由表1可知，建三江分局用水結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度自1999年以來(lái)都很小，表明該地區(qū)水資源利用系統(tǒng)的有序程度非常高，結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，用水量在各個(gè)用水部門的分配極不均勻，這與建三江分局農(nóng)業(yè)用水比例過(guò)大的事實(shí)相符。但用水結(jié)構(gòu)信息熵在這12a里總體呈上升趨勢(shì)。表明建三江分局用水結(jié)構(gòu)趨向無(wú)序。1999—2008年信息熵有小幅度的上升，表明該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水比例在下降，而工業(yè)、生活用水比例進(jìn)一步提高，但減少農(nóng)業(yè)用水比例的效果并不顯著，農(nóng)業(yè)用水在總用水中所占比例很大；在2009年和2010年信息熵開(kāi)始有下降的趨勢(shì)，表明建三江分局用水系統(tǒng)中單一用水結(jié)構(gòu)類型所占比例開(kāi)始增大，系統(tǒng)均質(zhì)性減弱。

表1 建三江分局近12a年用水結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度計(jì)算

3 用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

驅(qū)動(dòng)機(jī)制著重分析區(qū)域用水結(jié)構(gòu)變化過(guò)程的主要自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理。根據(jù)1999—2010年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)序列，應(yīng)用因子分析方法研究十幾年間建三江分局用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，分析用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

3.1 驅(qū)動(dòng)因素的選取

鑒于用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜，各個(gè)部門用水量的變化受到各種因素變化的影響[9]，本研究中驅(qū)動(dòng)因素的選取遵循數(shù)據(jù)可獲取、綜合性、代表性、可量化的原則，主要選取影響用水結(jié)構(gòu)變化的因子包括總?cè)丝?、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值、畜產(chǎn)品產(chǎn)量、耕地面積、有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量、GDP、降水量、氣溫等。

3.2 基于主成分因子分析的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

為了更加直觀地反映各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)用水結(jié)構(gòu)變化的影響程度，采用因子分析法對(duì)驅(qū)動(dòng)力因子的近12a資料進(jìn)行分析計(jì)算，篩選出關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。

主成分因子分析是從眾多的原始變量中構(gòu)造出少數(shù)幾個(gè)具有代表意義的因子變量，這里面存在一個(gè)潛在的要求，即原有變量之間要有比較強(qiáng)的相關(guān)性[10]。如果原有變量之間相關(guān)關(guān)系較弱，那么就無(wú)法從中綜合出能反映某些變量共同特性的少數(shù)公共因子變量來(lái)。因此，在主成分因子分析時(shí)，需要對(duì)原有變量作相關(guān)分析檢驗(yàn)。本文采用KMO檢驗(yàn)方法來(lái)判斷原有變量是否適于做主成分因子分析。首先進(jìn)行樣本充足度（KMO）檢驗(yàn)，KMO指數(shù)越接近于1越適于進(jìn)行因子分析。用SPSS計(jì)算得出該組數(shù)據(jù)的KMO值為0.784，可以進(jìn)行因子分析。

由表2中特征值和主成分貢獻(xiàn)率可知前兩個(gè)因子是主要因子，且其累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到87.176%，而其它因子相對(duì)來(lái)說(shuō)次要一些。

表2 主成分分析貢獻(xiàn)率

由表3因子分析結(jié)果來(lái)看，第一主成分對(duì)下列指標(biāo)具有較強(qiáng)的解釋力，它們依次是農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值（萬(wàn)元）、GDP（萬(wàn) 元）、糧 食 產(chǎn) 量 （t）、有 效 灌 溉 面 積（hm2）、畜產(chǎn)品產(chǎn)量（t）、耕地面積（hm2）、總?cè)丝冢ㄈ耍┖凸I(yè)總產(chǎn)值（萬(wàn)元）。這幾個(gè)指標(biāo)主要反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的，命名為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平因子。

表3 驅(qū)動(dòng)力因子旋轉(zhuǎn)主成分荷載矩陣

根據(jù)表4可知，其貢獻(xiàn)率為71.633%。第二主成分對(duì)氣溫和降雨量具有較強(qiáng)的解釋力，其貢獻(xiàn)率占到總因子的15.544%，氣溫、降雨量對(duì)第二主成分的貢獻(xiàn)量分別為－0.897和0.762，其中氣溫前的荷載是負(fù)數(shù)，說(shuō)明與第二主成分因子呈反比，氣溫越高，用水結(jié)構(gòu)演變的就越慢。

因子分析結(jié)果表明：①在影響建三江分局用水結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期演變的驅(qū)動(dòng)力因子中，總?cè)丝?、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量、GDP、有效灌溉面積、畜產(chǎn)品產(chǎn)量、耕地面積和工業(yè)總產(chǎn)值等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子是主要的驅(qū)動(dòng)力因子。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展程度，特別是該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展程度對(duì)于建三江用水結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化起到?jīng)Q定性作用；②氣溫和降水量等自然環(huán)境因子的變化直接影響農(nóng)業(yè)用水量，從而對(duì)用水結(jié)構(gòu)演變產(chǎn)生直接影響；總之，社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境因子是建三江分局用水結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動(dòng)力。

表4 不同因子的貢獻(xiàn)計(jì)量值

4 結(jié)論

（1）建三江分局用水結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是以農(nóng)業(yè)用水為主。由于該地區(qū)以水田為主，農(nóng)業(yè)用水比例占總用水的比例非常大，農(nóng)業(yè)用水比例占99%以上。工業(yè)用水比例比生活用水比例還小。由用水量以及用水比例的分析來(lái)看，該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)上升，生活用水比例上升，但工業(yè)用水比例持穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）用水結(jié)構(gòu)信息熵結(jié)果表明，從整體看，建三江分局用水分配及其不均勻，用水系統(tǒng)中單一用水結(jié)構(gòu)類型所占比例很大。

（3）通過(guò)SPSS軟件的主成分因子分析，以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子是影響建三江分局用水結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動(dòng)力，總?cè)丝?、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量、GDP、有效灌溉面積、畜產(chǎn)品產(chǎn)量、耕地面積和工業(yè)總產(chǎn)值等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子是影響建三江分局用水結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期演變的主要驅(qū)動(dòng)力因子；降水量和氣溫等自然環(huán)境因子對(duì)用水結(jié)構(gòu)演變有重要的影響?；谝陨辖Y(jié)論，要改變建三江分局農(nóng)業(yè)用水比例過(guò)大的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，就必須提高經(jīng)濟(jì)效益與優(yōu)化灌溉制度相結(jié)合，促使該地區(qū)用水結(jié)構(gòu)朝向合理均衡的方向發(fā)展。

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