區(qū)域用水結(jié)構(gòu)演化及其驅(qū)動因素識別

劉 美

(廣東省水文局梅州水文分局，廣東 梅州 514000)

目前水資源問題已逐漸從一些缺水國家和地區(qū)發(fā)展為全球性問題[1]。全球氣候變化和人類活動影響下現(xiàn)有環(huán)境存在的非平穩(wěn)性[2-3]，使得水資源開發(fā)利用將面臨新的挑戰(zhàn)[4-5]。人多水少、水資源時空分布不均是我國的基本國情和水情，水資源短缺、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)惡化等問題十分突出，已成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。在水資源總量有限、用水需求又不斷增長的背景下，2011年中央一號文件[6]明確提出了“三條紅線”，確定了未來一個時期“三條紅線”管理的目標(biāo)。三條紅線已經(jīng)成為各區(qū)域水資源開發(fā)利用的剛性約束。只有守住這“三條紅線”，實行最嚴(yán)格的水資源管理制度，才能夠壓縮和限制現(xiàn)有的水資源荷載，騰出一定的水資源承載能力，滿足經(jīng)濟社會快速發(fā)展。

廣東省作為全國第一經(jīng)濟大省，其水資源面臨巨大的壓力，水資源供求關(guān)系與水資源內(nèi)外部環(huán)境均發(fā)生了變化：

① 人類活動影響下下墊面變化顯著，例如植被變化、水環(huán)境污染、水資源補給等都發(fā)生變化，造成水資源可利用量時空分布發(fā)生變化[7]。

② 隨著廣東省人口迅速增加，經(jīng)濟社會持續(xù)快速發(fā)展，社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，區(qū)域水資源的供需關(guān)系發(fā)生變化，供需矛盾日益突出；同時，人們對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的要求不斷提高，生態(tài)環(huán)境需水大量增加，水資源開發(fā)利用面臨新的形勢。

摸清廣東省水資源利用結(jié)構(gòu)特征，揭示水資源利用結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，識別其驅(qū)動因素可為指導(dǎo)廣東省水資源開發(fā)利用，實施最嚴(yán)格水資源管理制度提供基礎(chǔ)支撐和保障。基于此，本文采用信息熵探討用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，運用智能算法隨機森林(Random Forest，RF)識別用水影響因素的重要度，為區(qū)域應(yīng)對新常態(tài)下的水資源開發(fā)利用管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與資料來源

廣東省(如圖1)地處北緯20°08′～25°32′、東經(jīng)109°40′～117°20′之間，陸地面積為17.98萬km2。廣東省地勢總體北高南低，北部多為山地和高丘陵，南部則為平原和臺地。廣東省由于地處東亞季風(fēng)區(qū)范圍內(nèi)，整體上降水較為充沛，年平均降水量在1 300～1 500 mm，但降水年內(nèi)分布極其不均，年際間變化也較大，易形成洪旱災(zāi)害(見圖2)。全省多年平均地表水資源量約為1 828億m3，地下水資源量約為450億m3，水資源總量約為1 829億m3。截止到2014年，廣東省常住人口已達(dá)到10 644萬人，城鎮(zhèn)化水平達(dá)到67.76%。2013年廣東省GDP總量達(dá)62 163.97億元，廣東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，第三產(chǎn)業(yè)比例不斷上升，第一產(chǎn)業(yè)比例下降，第二產(chǎn)業(yè)比重緩慢上升(本文的用水量數(shù)據(jù)來源于《廣東省水資源公報》；經(jīng)濟與人口數(shù)據(jù)來源與《廣東省統(tǒng)計年鑒》，降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)http:∥cdc.nmic.cn/home.do)。

圖1 廣東省地理位置與高程分布示意

圖2 廣東省降雨空間分布示意與暴雨中心

2 研究方法

2.1 用水結(jié)構(gòu)的信息熵

1948年，Shannon[8]的《通信的數(shù)學(xué)理論》首先在信息論中引入了熵的概念，將其定義為“信息熵”。用隨機變量S表示其狀態(tài)特征，設(shè)X的取值為X=(x1，x2，…xn)，對應(yīng)的概率為P=(p1，p2，…pn)。且有∑Pi=1，則該系統(tǒng)的信息熵為：

(1)

系統(tǒng)無序度可通過熵值H表示，熵值越大，相對的系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性越高。熵理論被廣泛應(yīng)用在存在不確定性和復(fù)雜性的學(xué)科中。用水結(jié)構(gòu)的信息熵，是以各用水行業(yè)的用水量為隨機變量X，以各行業(yè)用水比例(用水結(jié)構(gòu))表示隨機變量對應(yīng)的概率P，信息熵的高低反映了用水系統(tǒng)的均衡性和系統(tǒng)功能性，信息熵越大則說明用水越均衡，用水系統(tǒng)的功能越高，用水量的差異越小。

2.2 RF算法

用水的影響因素較為復(fù)雜，目前篩選主要選取因子分析法，而本文嘗試采用RF衡量影響因素的重要度[9]，可按式(2)計算：

(2)

式中m、n、t分別是總指標(biāo)個數(shù)、分類樹棵數(shù)和單棵樹的節(jié)點數(shù)；DGkij表示第k個指標(biāo)在第i棵樹的第j個節(jié)點的殘差平方和減少值；Pk為第k個指標(biāo)的在所有指標(biāo)中的重要程度；Pk值越大則表示第k個指標(biāo)越重要；DGkij表示第k個指標(biāo)在第i棵樹的第j個節(jié)點的殘差平方和減少值[10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 廣東省用水量的變化

自1980年以來，廣東省流域總用水量總體上呈快速增加，從圖3中可以看出：居民生活用水量從1980年的19.8億m3上升到2013年的67.58億m3，主要是這期間廣東省經(jīng)濟快速發(fā)展，外來人口大量涌入，常住人口從5 230萬人增加到10 644萬人，并且隨著生活水平的提高，人均用水量增加，促使生活用水量快速增長；隨著人口的增加與城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，第三產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)公共用水從1980年的1.69億m3增加到2013年的27.17億m3；工業(yè)用水呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，主要是因為1980—2007年間，廣東省大力發(fā)展工業(yè)企業(yè)，而在2007年后，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)整，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)比例上升，逐漸成為廣東省的第一大產(chǎn)業(yè)，此外，由于技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新，以及循環(huán)利用與節(jié)約用水，工業(yè)用水穩(wěn)中下降。農(nóng)業(yè)用水量與當(dāng)年的降水量息息相關(guān)，年降水量處于波動狀態(tài)，由于農(nóng)業(yè)用水效率提高，農(nóng)業(yè)用水量呈逐年遞減的趨勢。2011年中央1號文件和中央水利工作會議明確要求實行最嚴(yán)格水資源管理制度， 2012年1月，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，要求加強用水總量控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污紅線管理。因此，2011—2013年，廣東用水總量有所下降，工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、居民生活用水下降較為明顯。

圖3 廣東省各用水部門用水量變化示意

3.2 廣東省用水結(jié)構(gòu)變化與信息熵分析

用水結(jié)構(gòu)變化則由用水比例來反映，從圖4中可以看出，廣東省農(nóng)業(yè)用水比例顯著下降，從1980年的88.67%下降到2013年的50.47%，而工業(yè)用水比例逐漸升高，從1980年的4.67%上升到2011年的26.98%。同時可以看出，1980年廣東省以農(nóng)業(yè)用水為主，隨著廣東省近30 a的經(jīng)濟發(fā)展，優(yōu)先保障居民生活用水，廣東省從1980年以農(nóng)業(yè)用水為主轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水相對均衡的狀態(tài)，隨著城市經(jīng)濟發(fā)展，特別是經(jīng)濟不發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)業(yè)用水比例進(jìn)一步下降，第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，居民生活水平的進(jìn)一步提高，城鎮(zhèn)公共用水比例穩(wěn)步上升，而近幾年建設(shè)廣東省生態(tài)文明城市，居民生態(tài)環(huán)保意識提高，對生態(tài)用水量需求大大增加，綜上對各種用水行業(yè)的分析，可得相對于1980年，近幾年廣東省的用水比例趨于均衡。

圖4 廣東省不同部門用水比例的年際變化

從時間角度上分析(見表1所示)，廣東省信息熵從1980年的0.45增加到2013年的1.21，總體呈穩(wěn)步上升趨勢，表明廣東省用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均衡性提高。分別選取廣州市，東莞、揭陽、湛江、云浮、韶關(guān)6個城市代表廣東省不同用水強度階段，并分別計算其信息熵，以分析廣東省各區(qū)系統(tǒng)均衡性與用水結(jié)構(gòu)信息熵的時間演變特征。

表1 廣東省及部分城市用水系統(tǒng)熵值變化過程

如表1所示，廣東省和各市近10 a的用水結(jié)構(gòu)信息熵總體上呈上升趨勢，但增幅不同，這與王翔[10]研究結(jié)果一致。從6個城市的用水結(jié)構(gòu)信息熵對比中可以看出，其變化與城市的經(jīng)濟發(fā)展水平直接相關(guān)，廣州市和東莞市相對與其他4個城市，經(jīng)濟發(fā)展水平高，工業(yè)化進(jìn)程高，其信息熵大。兩市2001—2013年的用水量的增加主要受到兩個方面的影響：一是城市外來人口多，導(dǎo)致生活用水量增加；二是重視第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，萬元GDP的用水量較小。韶關(guān)市和揭陽市近10 a的經(jīng)濟快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量減小，工業(yè)和生活的用水份額增加，信息熵值增加較多；而湛江和云浮市對比上述4個城市，經(jīng)濟相對欠發(fā)達(dá)，用水行業(yè)主要還是以農(nóng)業(yè)用水為主，用水行業(yè)比例分配不均，信息熵值小，而因為主要受到農(nóng)業(yè)用水的影響，用水量受到自然條件特別是降雨的影響較大，因此其信息熵波動較大，并且其信息熵值也增加緩慢。

采用ArcGIS空間分析法對2001年、2005年、2010年以及2013年廣東省各市用水結(jié)構(gòu)的信息熵進(jìn)行分類(見圖5)。2001年，信息熵的高值區(qū)主要分布在廣州、佛山、中山、珠海、深圳、東莞等經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)，其他地區(qū)均處于低值區(qū)，低值區(qū)面積大，其中處于第一階梯(信息熵值小于0.8)的范圍大，說明2000年廣東省用水結(jié)構(gòu)信息熵值的空間分布以第一階梯為主。2005年，信息熵的第一階梯范圍減小，集中在清遠(yuǎn)市和粵西地區(qū)，主要原因為第一階梯邁向第二階梯(信息熵值在0.8～0.9之間)，因此第二階梯的范圍增大，同時信息熵高值區(qū)由珠三角向外擴張。而到了2010年和2013年，信息熵的高值區(qū)范圍進(jìn)一步加大，低值區(qū)范圍減小，高值區(qū)集中在珠三角廣州、佛山、深圳、東莞、中山、珠海地區(qū)。總體上看，信息熵是以珠三角為中心，向外逐步減小，說明廣東省用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性從珠江口往外逐步減小。

圖5 廣東省信息熵的空間分布

3.3 廣東省用水量變化影響因素分析

通過對廣東省歷年各部門用水量與其各影響因子的時間序列做RF重要性分析，以衡量各個影響因子的重要度。由于生態(tài)用水的量值較小，故本次沒有對其做重要度分析。其他用水部門的重要度結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯r(nóng)業(yè)播種面積和有效灌溉面積重要度分別為13.23%和11.08%，是廣東省農(nóng)業(yè)用水主要影響因子；工業(yè)用水主要受到了GDP(11.7%)、第二產(chǎn)業(yè)(10.6%)、城鎮(zhèn)化率(10.4%)以及工業(yè)產(chǎn)值(9.18%)的影響；城鎮(zhèn)公共用水主要受到城鎮(zhèn)人口(11.01%)、第三產(chǎn)業(yè)(10.4%)、GDP(9.19%)以及城鎮(zhèn)化率(9.15%)的影響；居民生活用水主要受到總?cè)丝?14.98%)、城鎮(zhèn)人口(14.5%)和城鎮(zhèn)化率(9.78%)的影響；總用水量主要受到工業(yè)產(chǎn)值(10.98%)，有效灌溉面積(10.94%)、城鎮(zhèn)化率(10.76%)以及播種面積(10.49%)的影響，而氣溫以及降雨是影響最小的因子，說明總用水量主要受到農(nóng)業(yè)和工業(yè)影響。

(a) 農(nóng)業(yè)用水

4 結(jié)語

通過分析廣東省用水量時空變化特征，利用信息熵探討用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用隨機森林方法計算了影響廣東省用水量各因素的重要度。主要結(jié)論如下：

1) 1980年以來，廣東省農(nóng)業(yè)用水明顯下降，工業(yè)比例波動中穩(wěn)定上升，生活用水、城鎮(zhèn)公共用水以及生態(tài)用水比例均緩慢的增加。廣東省單一用水結(jié)構(gòu)類型所占比例減小，各部門的用水比例更加均衡。

2) 廣東省的用水結(jié)構(gòu)信息熵呈明顯的上升趨勢，高值區(qū)處于經(jīng)濟相對發(fā)達(dá)的城市，用水結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性從珠三角往外逐步減小，說明信息熵的變化與城市的社會經(jīng)濟發(fā)展水平直接相關(guān)；

3) 通過隨機森林智能算法對各用水部門進(jìn)行影響因素重要度分析，總用水量中，工業(yè)產(chǎn)值、有效灌溉面積、城鎮(zhèn)化率等影響因子重要度排序較高，氣溫和降雨重要度排序則較低。總體而言，降雨和氣溫所代表的自然因素對廣東省用水的影響較小，而農(nóng)業(yè)、工業(yè)和人口的社會因素對用水的重要度較大，是影響廣東省目前用水的主要因素。