區(qū)域用水結(jié)構(gòu)演變研究進(jìn)展

魏 榕，王素芬，訾 信

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083)

當(dāng)今社會(huì)水資源供需不平衡問(wèn)題突出，水資源配置管理已成為社會(huì)治理中最受關(guān)注的問(wèn)題之一。根據(jù)2018年世界水資源開發(fā)報(bào)告，受人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及消費(fèi)模式的變化等因素影響，未來(lái)20 a全球水資源需求量將繼續(xù)顯著增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2025年，生活、工業(yè)、家畜方面的水資源需求量將上升50%，各行業(yè)用水矛盾進(jìn)一步加劇，水資源管理問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻復(fù)雜。用水結(jié)構(gòu)是某一地區(qū)在一定時(shí)期內(nèi)各行業(yè)用水比重的反映，是水資源管理進(jìn)程中的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)。通過(guò)優(yōu)化水資源使用結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑺Y源的利用效益發(fā)揮到最大。從微觀角度而言，深入分析用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)要素，是了解人類用水過(guò)程、緩解水資源利用矛盾的前提和基礎(chǔ)；從宏觀角度而言，用水結(jié)構(gòu)是區(qū)域水資源條件、社會(huì)政策、經(jīng)濟(jì)狀況等多重因素作用下的結(jié)果，合理規(guī)劃用水結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)水資源高效配置，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的支撐和保障。

1 用水結(jié)構(gòu)分類

用水結(jié)構(gòu)研究可分為2個(gè)層次，第1層為常規(guī)意義上按用水部門劃分的用水結(jié)構(gòu)，國(guó)外的分類方式通常為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、市政用水和水庫(kù)蓄存，國(guó)內(nèi)學(xué)者通常將用水結(jié)構(gòu)分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水，或者按照用戶特征分為生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)用水[1]。第2層為各部門用水結(jié)構(gòu)內(nèi)部的劃分，比如，基于我國(guó)農(nóng)業(yè)用水占比大的現(xiàn)實(shí)情況，有學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)研究，進(jìn)一步將農(nóng)業(yè)用水劃分為農(nóng)、林、牧、漁用水和糧、經(jīng)、飼作物用水[2,3]，還有學(xué)者將流域生態(tài)用水又細(xì)分為農(nóng)田生態(tài)用水和城市綠化用水，并分別歸入到農(nóng)業(yè)用水和生活用水中進(jìn)行分析[4]。

2 用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演變研究

早期的用水結(jié)構(gòu)演變研究主要集中于統(tǒng)計(jì)學(xué)等定量分析方法[5]對(duì)城市各部門的用水現(xiàn)狀分析和用水時(shí)間過(guò)程量化研究。用水結(jié)構(gòu)時(shí)序選取主要有1 a和多年2種方式，時(shí)間序列長(zhǎng)短因分析方法而異。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，用水結(jié)構(gòu)問(wèn)題關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域用水結(jié)構(gòu)與種植結(jié)構(gòu)[6]、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)研究[7]，用水結(jié)構(gòu)與人口、耕地、經(jīng)濟(jì)等多要素的時(shí)空協(xié)調(diào)分析[8,9]。演變結(jié)果的表達(dá)也更加豐富直觀，例如王樹旺在分析安徽省用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律時(shí)，引入信息熵的概念，并利用GIS軟件繪制信息熵空間變化圖，使計(jì)算結(jié)果可視化[10]。近年來(lái)，隨著對(duì)虛擬水貿(mào)易研究的深化，傳統(tǒng)的依靠工程措施和技術(shù)措施的水資源管理模式得到轉(zhuǎn)變，為地區(qū)水資源危機(jī)提供了新的解決思路[11,12]。田貴良等基于虛擬水貿(mào)易理論建立了區(qū)域虛擬水貿(mào)易量計(jì)算模型[13]，其結(jié)論對(duì)于中國(guó)缺水城市的用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)作用；Zhi等通過(guò)構(gòu)建GRIT-IO-WAD框架對(duì)海河流域的水足跡變化進(jìn)行了分解分析，并建議通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以達(dá)到節(jié)水目標(biāo)[14]。

目前，用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演變的研究對(duì)象多為經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的省市，針對(duì)流域和灌區(qū)尺度開展的研究較少[15]。從時(shí)間上看，由于區(qū)域部分長(zhǎng)序列資料缺乏完備性，可能導(dǎo)致實(shí)證結(jié)果與實(shí)際情況出現(xiàn)偏差，且對(duì)各水平年的橫向?qū)Ρ妊芯枯^少。常用的研究方法有協(xié)調(diào)度模型[16]、信息熵理論[17]、基尼系數(shù)與洛倫茲曲線[18]以及水足跡理論。每種方法各有利弊，比如熵權(quán)法和基尼系數(shù)法均有計(jì)算簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)、評(píng)價(jià)結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，但熵權(quán)法的權(quán)數(shù)確定依賴于樣本，缺乏各指標(biāo)間的橫向比較；在用洛倫茲曲線和基尼系數(shù)法劃分用水不均衡等級(jí)時(shí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)比較模糊，缺乏統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn)；協(xié)調(diào)度理論雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同時(shí)間、空間及用途的用水協(xié)同分析，但復(fù)合系統(tǒng)的復(fù)雜性會(huì)使計(jì)算工作任務(wù)量加重。水足跡理論的出現(xiàn)豐富并拓展了傳統(tǒng)的水資源管理理念，它將糧食安全、水安全和生態(tài)安全納入一個(gè)統(tǒng)一的體系，結(jié)合我國(guó)基本國(guó)情，具有戰(zhàn)略意義，但由于目前我國(guó)的虛擬水交易量尚小，理論和經(jīng)驗(yàn)存在不足。

3 用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)因素分析

用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)因子主要分為2大類，分別是包括人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和政策行為等在內(nèi)的社會(huì)驅(qū)動(dòng)因子及自然環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子，或按照用水部門分為農(nóng)業(yè)用水變化驅(qū)動(dòng)力因子、工業(yè)用水變化驅(qū)動(dòng)力因子及生活用水變化驅(qū)動(dòng)力因子。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法是目前分析用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)因子主要采用的方法，主要包括回歸分析法、相關(guān)分析法、主成分分析法等。例如，劉兵等[19]分別以干旱灌區(qū)為研究對(duì)象，利用主成分分析法，篩選并確定了用水結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動(dòng)因子。這一類方法的共同特點(diǎn)是對(duì)樣本數(shù)量要求較高，且要求數(shù)據(jù)具有典型的概率分布，計(jì)算復(fù)雜，有時(shí)在實(shí)際工作中難以實(shí)現(xiàn)，經(jīng)常會(huì)由于系統(tǒng)發(fā)展的“不確定性”趨勢(shì)而導(dǎo)致實(shí)證結(jié)果發(fā)生“偽回歸”。此外，灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析也是一種常用的量化用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)因素影響度的方法，這種方法建立在灰色系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上，通過(guò)序列相似程度來(lái)判斷驅(qū)動(dòng)因素與用水結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián)程度[20,21]。相比于數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，該方法對(duì)處理小樣本、數(shù)據(jù)規(guī)律性不強(qiáng)、信息不完備、經(jīng)驗(yàn)缺乏的問(wèn)題具有優(yōu)勢(shì)，較適合復(fù)雜的用水結(jié)構(gòu)演變動(dòng)態(tài)歷程分析，但也存在主觀性強(qiáng)、最優(yōu)值難以確定等方法應(yīng)用上的局限性。因此，在實(shí)際分析中，還應(yīng)根據(jù)不同情況作出不同選擇。

4 用水結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

在準(zhǔn)確分析用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)因子的基礎(chǔ)上，建立模型對(duì)用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)主要具有如下意義：①為供水、配水及相關(guān)部門提供參考依據(jù)，從而提前制定用水管理計(jì)劃；②為區(qū)域水資源的優(yōu)化調(diào)度提供理論依據(jù)，提高水資源的配置效率。

目前較為成熟的用水結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法有趨勢(shì)法、用水定額法[22]和灰色預(yù)測(cè)法[23,24]。灰色預(yù)測(cè)法適合預(yù)測(cè)時(shí)序短、數(shù)據(jù)資料少且波動(dòng)不大的數(shù)據(jù)列預(yù)測(cè)，短期預(yù)測(cè)精度高，且計(jì)算方法簡(jiǎn)便，而趨勢(shì)法和用水定額法雖然適用性較強(qiáng)、模型處理簡(jiǎn)單，但不能夠充分反映不確定的社會(huì)因素對(duì)用水量的影響，必然導(dǎo)致模型與實(shí)際情況存在一定偏差。此外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[25-27]、馬爾可夫模型[28]在用水量分析預(yù)測(cè)方面也得到了廣泛應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)勢(shì)是充分考慮了不確定的社會(huì)因素對(duì)用水量的影響，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)于有限樣本訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問(wèn)題，而馬爾可夫鏈對(duì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)中隨機(jī)波動(dòng)性較大的問(wèn)題預(yù)測(cè)精度較高，對(duì)需水量預(yù)測(cè)中的不確定性具有較好的適用性。隨著預(yù)測(cè)方法的不斷發(fā)展和完善，模型的構(gòu)建已不再拘泥于單一方法，而是開始嘗試組合預(yù)測(cè)或通過(guò)組合模型對(duì)原方法進(jìn)行修正[29-31]。組合預(yù)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)在于可以充分利用各種信息，且預(yù)測(cè)精度均優(yōu)于單一模型的預(yù)測(cè)精度，但由于狀態(tài)的劃分具有主觀性，須進(jìn)行多次比較檢驗(yàn)，對(duì)組合權(quán)系數(shù)的確定也有待探索。但目前在這方面開展的研究主要集中在城市居民生活用水量需求方面，少有在區(qū)域或流域范圍開展的研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演變、用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)因素及用水結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀和方法進(jìn)行了總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于用水結(jié)構(gòu)方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果，主要集中于數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、信息熵法、基尼系數(shù)與洛倫茲曲線、主成分分析法等定量分析方法對(duì)用水結(jié)構(gòu)時(shí)間演變和驅(qū)動(dòng)要素的量化研究，以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)和馬爾可夫模型的城市需水量預(yù)測(cè)，研究對(duì)象多集中在省域或經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的地級(jí)市，針對(duì)流域和灌區(qū)開展的研究有限，缺乏對(duì)用水結(jié)構(gòu)在時(shí)空上的動(dòng)態(tài)演變研究，且對(duì)各地區(qū)的研究方法與研究成果間的異同和關(guān)聯(lián)并未作深入探討。

對(duì)用水結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)問(wèn)題的研究具有耦合多學(xué)科模型的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)果的表達(dá)也更加多元化、直觀化。擁有較高預(yù)測(cè)精度的組合預(yù)測(cè)模型為研究提供了新的思路，不僅能反映出數(shù)據(jù)序列發(fā)展變化的總體趨勢(shì)，還能夠描述系統(tǒng)各狀態(tài)之間的內(nèi)在規(guī)律，但對(duì)于組合權(quán)系數(shù)的確定以及模型的普適性等問(wèn)題還需作深入研究。在生態(tài)文明建設(shè)和節(jié)水型社會(huì)的大環(huán)境下，用水結(jié)構(gòu)與水足跡，水資源的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問(wèn)題的一體化問(wèn)題[32]都將成為研究熱點(diǎn)。同時(shí)，從以經(jīng)濟(jì)和法律為主的社會(huì)科學(xué)視角開展研究，例如不同用水部門間的水權(quán)轉(zhuǎn)換也是水資源管理者關(guān)注的重點(diǎn)。如何在最嚴(yán)格水資源管理制度的背景下實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的合理規(guī)劃配置是我們今后要思考的問(wèn)題。

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