江西省用水結(jié)構(gòu)變化及影響因素分析

秦歡歡，賴冬蓉，萬(wàn) 衛(wèi)，3

(1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013；3.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引 言

水資源在人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中起著舉足輕重的作用，為人類的發(fā)展提供了基本的物質(zhì)基礎(chǔ)和條件[1]。隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)于水資源的需求在不斷增大，同時(shí)由于人類對(duì)于水資源的過(guò)度開發(fā)利用及污染，世界各地均出現(xiàn)了不同程度的缺水問題，人類對(duì)水資源需求的增長(zhǎng)與水資源有限性之間的矛盾愈發(fā)突出，因此，水資源的合理利用是人類社會(huì)面臨的最重要的問題之一[2-6]。用水結(jié)構(gòu)是指農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境用水量之間相互關(guān)聯(lián)及依存的結(jié)合方式及其比例關(guān)系[1]。農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境用水量占總用水量的比重能在一定程度上反映區(qū)域的經(jīng)濟(jì)水平、文明程度及科技水平。用水結(jié)構(gòu)具有顯著的地域差異，和區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及水資源狀況有很大關(guān)系，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技水平的進(jìn)步而處在不斷變化之中[1，7-9]。用水結(jié)構(gòu)變化對(duì)于區(qū)域用水總量及其合理性有著至關(guān)重要且直接的影響，而且會(huì)進(jìn)一步影響區(qū)域水資源的可持續(xù)利用及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[10，11]。因此，對(duì)用水結(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)進(jìn)行深入研究，合理分析用水結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律，探求影響用水結(jié)構(gòu)變化的因素，對(duì)于區(qū)域水資源的合理配置及有效管理，發(fā)揮水資源的最大潛力，保障區(qū)域水資源的可持續(xù)利用，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值[2，5，11-13]。

我國(guó)水資源的分布具有“南多北少”的空間不均勻性，缺水問題在我國(guó)的北部、西部等地區(qū)比較突出[14]，目前針對(duì)華北、西北等干旱半干旱地區(qū)的用水結(jié)構(gòu)及影響因素的研究較多，而對(duì)南方富水地區(qū)用水結(jié)構(gòu)及影響因素的研究則較少[2，7，10，12，15-20]。馮天梅等[2]利用信息熵理論對(duì)包頭市用水結(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明包頭市以農(nóng)業(yè)用水為主，生活和工業(yè)用水占較小比例。包頭市用水結(jié)構(gòu)的信息熵呈增加的趨勢(shì)，說(shuō)明包頭市用水結(jié)構(gòu)有較小的向無(wú)序化方向發(fā)展的趨勢(shì)。雷歡等[12]分析了陜西省2001～2010年農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)用水的結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明，陜西省用水總量在波動(dòng)中緩慢上升，農(nóng)業(yè)用水量和比重都在下降，工業(yè)用水量變化較緩，生活和生態(tài)用水量呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

江西省地處中國(guó)東南部、長(zhǎng)江中下游南岸，北緯24°29′14″～30°04′41″，東經(jīng)113°34′36″～118°28′58″之間，面積1.669×105km2，與閩、浙、粵、湘、鄂、皖等省份相鄰，屬于經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的省份[21]。江西省水資源豐富，多年(1999～2016)平均降水量為1 674.6 mm，多年平均水資源量為1.60×1011m3。2016年江西省年平均降水量1 996.1 mm，較常年偏多19.2%；平均氣溫18.9℃，較常年偏高0.9℃；平均日照時(shí)數(shù)1 485.8小時(shí)，較常年偏少15:22 2018/11/29%。雖然江西省屬于多水的省份，但從整體來(lái)看，江西省在水資源的利用過(guò)程中存在諸如降水時(shí)空分布不均、水資源供需矛盾較突出、水資源開發(fā)利用率偏低、水環(huán)境問題日益突出等問題[22]。本文在搜集江西省1999～2016年農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境用水量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于信息熵原理，計(jì)算江西省各年份用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度，探究江西省用水結(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)，總結(jié)影響江西省各部門用水量變化的因素。

1 江西省1999～2016年用水結(jié)構(gòu)變化分析

江西省用水部門包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水，其中農(nóng)業(yè)用水包括農(nóng)田灌溉用水和林牧漁畜用水兩部分，生態(tài)環(huán)境用水從2003年開始納入用水統(tǒng)計(jì)。用水資料搜集自1999～2016年的《江西省水資源公報(bào)》，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水量數(shù)據(jù)跨度從1999～2016年，而生態(tài)環(huán)境用水量數(shù)據(jù)跨度則從2003至2016年。

1.1 總用水結(jié)構(gòu)變化分析

圖1是江西省1999～2016年各用水部門的用水量和總用水量的變化情況。從圖中可以看出，1999～2016年江西省總用水量整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，由1999年的217.08×108m3上升為2016年的245.40×108m3，年均增長(zhǎng)1.67×108m3。總用水量在增長(zhǎng)的過(guò)程中，階段性變化不是很明顯，其中1999～2003年整體呈下降趨勢(shì)，而2003～2016年整體呈上升趨勢(shì)，2003年總用水量最小(172.50×108m3)，2013年總用水量最大(264.81×108m3)。全省分地區(qū)來(lái)統(tǒng)計(jì)(表1)，贛中地區(qū)(宜春、新余、吉安、萍鄉(xiāng)和撫州五市)用水量(102.79×108m3)最大，約占江西省總用水量的45%，其次為贛北地區(qū)(南昌和九江兩市)(用水量53.14×108m3)和贛東北地區(qū)(上饒、景德鎮(zhèn)和鷹潭三市)(用水量43.58×108m3)，分別占全省總用水量的23%和19%，贛南地區(qū)(贛州市)用水量(29.41×108m3)最少，約占全省總用水量的13%。

圖1 江西省1999～2016年各部門用水量的變化

年份贛北贛東北贛中贛南用水量占比用水量占比用水量占比用水量占比199944.9220.6946.7921.5596.3644.3929.0113.36200045.6520.9846.3021.2794.4443.3931.2514.36200147.9622.7445.1421.4088.4541.9429.3713.92200248.2024.2544.2922.2883.3441.9322.9211.53200343.8825.4431.5518.2972.9642.3024.1113.98200449.4624.3040.4319.8789.3543.9024.2811.93200552.7825.3742.2620.3188.3842.4824.6311.84200654.2926.4040.9119.8986.7942.2023.6811.51200757.9724.6840.8717.40106.8245.4829.2112.44200854.3223.1943.8818.74106.8345.6129.1712.46200957.4222.3544.3217.25122.6947.7532.5212.66201057.7524.0940.1616.75113.5847.3728.2611.79201161.0223.2145.0717.15123.4846.9833.2912.66201256.3023.2141.0516.93113.6046.8431.5913.02201358.8622.2348.3218.25121.6545.9435.9813.59201457.3022.1048.4418.68117.9845.5035.5813.72201554.1622.0347.6119.37111.6645.4332.3813.17201654.2722.1146.9719.14111.9445.6232.1813.11平均53.1423.3043.5819.14102.7944.7229.4112.84

1.2 農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化分析

農(nóng)業(yè)作為江西省的用水大戶，其用水量在1999～2016年呈波動(dòng)略微上升的趨勢(shì)，平均在151×108m3左右波動(dòng)(圖1)，由1999年的152.86×108m3增為2016年的154.20 ×108m3。其中1999～2003年呈現(xiàn)非常明顯的下降趨勢(shì)，而2003～2016年則呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，2003年農(nóng)業(yè)用水量最小(106.79×108m3)，而2009年農(nóng)業(yè)用水量最大(176.24×108m3)。農(nóng)業(yè)用水量對(duì)總用水量有著較大的影響，由圖2可以看出，江西省農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的比例呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，由1999年的70.42%下降為2016年的62.84%，年均下降約0.45%。其中1999～2001年農(nóng)業(yè)用水比例略微上升，2001～2003年農(nóng)業(yè)用水比例明顯下降，而2003～2016農(nóng)業(yè)用水比例呈波動(dòng)略微下降的趨勢(shì)。江西省農(nóng)業(yè)用水包括農(nóng)田灌溉用水和林牧漁畜用水兩部分，其中農(nóng)田灌溉用水(年均142.14×108m3)是主要用水部分，占農(nóng)業(yè)用水量的90%以上，基本在94%左右波動(dòng)；而林牧漁畜用水量(年均9.07×108m3)占農(nóng)業(yè)用水量的比例很小，基本在6%左右波動(dòng)(表2)。

圖2 江西省各用水部門用水量占總用水量的比例

1.3 工業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化分析

江西省工業(yè)用水量呈明顯的波動(dòng)上升趨勢(shì)(圖1)，從1999年的45.01×108m3上升到2016年的60.50×108m3，年均增長(zhǎng)0.91×108m3，其中2001、2006和2009這三年工業(yè)用水量出現(xiàn)了下降的波動(dòng)，其余年份則保持持續(xù)的增長(zhǎng)。2003年工業(yè)用水量最小(42.45× 108m3)，2015年工業(yè)用水量最大(61.62×108m3)。過(guò)去的18年，江西省工業(yè)用水變化保持平穩(wěn)的狀態(tài)，其占總用水量的比例保持在24%左右(圖2)，其中1999～2003年工業(yè)用水量占總用水量的比例有小幅上升，2009年該比例有小幅下降，其余年份該比例保持較穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)。

1.4 生活用水結(jié)構(gòu)變化分析

和農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量不同，生活用水量在1999～2016年呈直線增長(zhǎng)的趨勢(shì)(圖1)，從1999年的19.21×108m3快速增長(zhǎng)到2016年的28.50×108m3，年均增長(zhǎng)0.55×108m3，且這種增長(zhǎng)的趨勢(shì)無(wú)停止的跡象。2000年生活用水量最小(17.35×108m3)，2016年生活用水量最大(28.50×108m3)。生活用水量占總用水量的比例呈穩(wěn)定小幅上升的趨勢(shì)，從1999年的8.85%上升到2016年的11.61%，年均上漲0.16%(圖2)。

生活用水可分為城鎮(zhèn)公共用水和居民生活用水兩部分(從2003年開始單獨(dú)統(tǒng)計(jì)這兩部分用水)，前者保持了持續(xù)增長(zhǎng)，從2003年的2.56×108m3(占生活用水量的14%)快速上升為2016年的6.20×108m3(占生活用水量的22%)，年均增長(zhǎng)0.28×108m3，其占生活用水量的比例增長(zhǎng)了8%；而后者則從2003年的15.31×108m3(占生活用水量的86%)增長(zhǎng)為2016年的22.30×108m3(占生活用水量的78%)，年均增長(zhǎng)0.54×108m3，其占生活用水量的比例下降了8%。

表2 江西省1999～2016年農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)(108 m3，%)

1.5 生態(tài)環(huán)境用水結(jié)構(gòu)變化分析

生態(tài)環(huán)境的重要性日益凸顯，亦受到國(guó)家和江西省的重視，江西省從2003年開始把生態(tài)環(huán)境用水單列統(tǒng)計(jì)。生態(tài)環(huán)境用水量整體上呈穩(wěn)中有升的趨勢(shì)，平均在2.16×108m3左右波動(dòng)，由2003年的1.09×108m3變化為2016年的2.2×108m3，年均增長(zhǎng)0.09×108m3(圖1)。其中2003～2009年生態(tài)環(huán)境用水量呈上升的趨勢(shì)，而2009～2016年則呈下降的趨勢(shì)。2003年的生態(tài)環(huán)境用水量最小(1.09×108m3)，而2009年的生態(tài)環(huán)境用水量最大(4.77×108m3)。生態(tài)環(huán)境用水量占總用水量的比例很小，在波動(dòng)中呈穩(wěn)定的變化狀態(tài)，從2003年開始，該比例基本保持在0.9%左右，由2003年的0.6%變化到2016年的0.9%(圖2)。

2 基于信息熵的江西省1999～2016年用水結(jié)構(gòu)變化分析

信息熵是熱力學(xué)概念的熵在信息學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，用來(lái)描述信源的不確定度(混亂度和無(wú)序度)，指的是信息中排除了冗余后的平均信息量。鑒于用水結(jié)構(gòu)變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)、近似不可逆的過(guò)程，信息熵在用水結(jié)構(gòu)變化的研究中有諸多應(yīng)用[5，9，10，12，18，23，24]。因此，本文采用信息熵的理論對(duì)江西省1999～2016年的用水結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行研究。

表3是江西省1999～2016年用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度的計(jì)算結(jié)果，從中可以看出，江西省1999～2016年用水結(jié)構(gòu)信息熵整體上呈小幅波動(dòng)且緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，變化范圍是0.774 0～0.929 5 nat，18年間增長(zhǎng)了18%；均衡度整體上在波動(dòng)中呈緩慢下降的趨勢(shì)，變化范圍是0.622 8～0.756 4，18年間減少了6.5%。計(jì)算結(jié)果表明，江西省在1999～2016年之間用水結(jié)構(gòu)緩慢向無(wú)序的方向發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分配愈發(fā)平均；均衡度的變化比較小，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)，說(shuō)明江西省用水系統(tǒng)的均衡度趨向于穩(wěn)定。

表3 江西省1999～2016年用水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度計(jì)算結(jié)果

在過(guò)去的18年，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，江西省工業(yè)和生活用水在總用水中的比重在逐漸加大，農(nóng)業(yè)用水的重心地位在下降，這使得江西省用水系統(tǒng)的功能變得更加全面；而以2003年開始生態(tài)環(huán)境用水單列統(tǒng)計(jì)為代表的用水類型的增加，使得用水結(jié)構(gòu)比例得到了平衡，提高了系統(tǒng)的均衡度，亦表現(xiàn)了江西省政府和江西民眾對(duì)水資源生態(tài)功能重要性的充分認(rèn)識(shí)，表明江西省目前正由單目標(biāo)開發(fā)利用水資源向多目標(biāo)開發(fā)利用水資源的方向發(fā)展，同時(shí)亦在逐步考慮水資源綜合利用范圍的擴(kuò)大和水資源生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。從信息熵演化和均衡度這兩個(gè)角度來(lái)看，江西省水資源開發(fā)利用結(jié)構(gòu)向著更均衡、更穩(wěn)定的方向發(fā)展。

3 江西省1999～2016年用水結(jié)構(gòu)變化的影響因素分析

3.1 農(nóng)業(yè)用水影響因素分析

根據(jù)前文的分析，江西省農(nóng)業(yè)用水中90%以上是農(nóng)田灌溉用水。影響農(nóng)田灌溉用水量的因素包括降水量、灌溉面積、灌溉方式等。降水量對(duì)農(nóng)田灌溉用水量及農(nóng)業(yè)用水量有很大影響，從圖3可以看出，2007、2009、2011和2013年的降水量分別為1 298 mm、1 392 mm、1 304 mm和1 464 mm，是降水量較少的年份，而這幾年的農(nóng)業(yè)用水量分別為154.22×108m3、176.24×108m3、175.32×108m3和175.68×108m3，是用水量較多的幾個(gè)年份。降水量變化與農(nóng)業(yè)用水量變化基本呈相反的趨勢(shì)，降水量多，農(nóng)業(yè)用水量少，降水量少，農(nóng)業(yè)用水量則多。

江西省是全國(guó)13個(gè)主要產(chǎn)糧區(qū)之一，江西省糧食生產(chǎn)不僅能滿足本省的需求，而且每年向國(guó)家提供數(shù)億公斤商品糧。在過(guò)去的18年，江西省耕地面積呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)(圖4)，這在一定程度上也增加了農(nóng)業(yè)用水量。另外，隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用，江西省農(nóng)田灌溉用水量在一定程度上有所減少，同時(shí)也提高了用水效率。與此同時(shí)，農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整也導(dǎo)致農(nóng)業(yè)內(nèi)部用水結(jié)構(gòu)的變化，隨著國(guó)家和江西省對(duì)本省水利行業(yè)投入的增加，有效灌溉面積在穩(wěn)定中保持了一定的增長(zhǎng)(圖4)，這不僅保證了江西省糧食產(chǎn)量的增長(zhǎng)，也在一定程度上增加了農(nóng)田灌溉用水量。

圖3 江西省1999～2016年農(nóng)業(yè)用水量及降水量變化曲線圖

圖4 江西省1999～2016年耕地面積、有效灌溉面積和糧食產(chǎn)量變化曲線

3.2 工業(yè)用水影響因素分析

江西省工業(yè)用水量變化的影響因素主要是工業(yè)增加值、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、工業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整及工業(yè)節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步等。從1999～2016年，江西省工業(yè)保持了較高速度的增長(zhǎng)，工業(yè)增加值從1999年的503.79億元增長(zhǎng)為2016年的7219.11億元(表4)，增長(zhǎng)了約13.33倍，年均增長(zhǎng)約395.02億元，這對(duì)工業(yè)需水量的增長(zhǎng)產(chǎn)生了直接的影響。與此同時(shí)，江西省堅(jiān)持“節(jié)水、防污”并重的原則，把工業(yè)節(jié)水與防污有機(jī)結(jié)合，用水效率逐步提高，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量從1999年的893.43 m3/萬(wàn)元下降到2016年的83.81 m3/萬(wàn)元(表4)，下降了約90%，取得節(jié)水、減污、降低成本的多重效應(yīng)，表明江西省工業(yè)用水的效率在不斷提高，工業(yè)發(fā)展模式由高耗水模式向低耗高效的節(jié)水型模式邁進(jìn)。

表4 江西省1999～2016年工業(yè)增加值(億元)和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量(m3/萬(wàn)元)的變化

不同工業(yè)結(jié)構(gòu)下的用水規(guī)模及萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量相差很大，這是導(dǎo)致工業(yè)用水量變化的重要因素。近年來(lái)，江西省通過(guò)對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和高耗水企業(yè)擴(kuò)張的控制，在政策和資金方面進(jìn)行引導(dǎo)和投入，單位工業(yè)增加值的用水量和能源消耗均逐年下降，工業(yè)的發(fā)展和節(jié)水降耗取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。另外，在科技進(jìn)步的推動(dòng)下，江西省工業(yè)節(jié)水技術(shù)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，逐年提高了工業(yè)用水的重復(fù)利用率，由此緩解了工業(yè)用水量快速增加的趨勢(shì)。

3.3 生活用水影響因素分析

影響生活用水結(jié)構(gòu)變化的因素主要是人口、人均生活用水量及城鎮(zhèn)化率。江西省總?cè)丝趶?999年的4 231萬(wàn)增長(zhǎng)為2016年的4 592萬(wàn)，增長(zhǎng)了約8.5%，其中城鎮(zhèn)人口由1999年的1 133萬(wàn)(城鎮(zhèn)化率26.78%)增長(zhǎng)為2016年的2 438萬(wàn)(城鎮(zhèn)化率53.10%)，增長(zhǎng)了約1.15倍，這直接導(dǎo)致了生活用水量的增長(zhǎng)。同時(shí)，人均生活用水量由1999年的45.40 m3/人上升為2016年的62.06 m3/人，增長(zhǎng)了約36.7%，這也直接導(dǎo)致了江西省生活用水量的增長(zhǎng)。

3.4 生態(tài)環(huán)境用水影響因素分析

生態(tài)環(huán)境用水包括城鎮(zhèn)和農(nóng)村環(huán)境用水，前者包括河湖補(bǔ)水及綠化、清潔用水，后者是指人工措施對(duì)湖泊、洼地、沼澤的補(bǔ)水[1]。隨著國(guó)家、政府對(duì)水生態(tài)、水環(huán)境安全的重視及民眾對(duì)生活環(huán)境的日益關(guān)注，江西省的生態(tài)環(huán)境用水從2003年單列統(tǒng)計(jì)開始即保持了穩(wěn)定的增長(zhǎng)狀態(tài)(年均增長(zhǎng)0.09×108m3)，并且在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水都將維持持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

(1)江西省總用水量整體呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)1.67×108m3；農(nóng)業(yè)用水量呈波動(dòng)略微上升的趨勢(shì)，基本在151×108m3左右波動(dòng)；工業(yè)用水量呈明顯的波動(dòng)上升趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)0.91×108m3；生活用水量呈直線增長(zhǎng)的趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)0.55×108m3；生態(tài)環(huán)境用水量整體上呈穩(wěn)中有升的趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)0.09×108m3。

(2)從信息熵演化和均衡度這兩個(gè)角度來(lái)看，江西省水資源開發(fā)利用結(jié)構(gòu)向著更均衡、更穩(wěn)定的方向發(fā)展。

(3)江西省用水結(jié)構(gòu)變化的影響因素是多樣的，包括降水量、灌溉面積、灌溉方式、工業(yè)增加值、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、工業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整、工業(yè)節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步、人口、人均生活用水量、城鎮(zhèn)化率及政府和民眾對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視等。