滇中受水區(qū)用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演變態(tài)勢(shì)分析

甘亞斌，張代青，于國(guó)榮，徐麗華，鄒 進(jìn)

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人口的快速增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，一些地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展布局不合理，使得水資源逐步成為限制區(qū)域發(fā)展的重要因素之一。目前，針對(duì)用水結(jié)構(gòu)的研究方法主要有信息熵與均衡度[1- 4]、生態(tài)位[5]、線性回歸模型[6]、區(qū)位熵與基尼系數(shù)[7- 8]、水足跡[9]等方法；但這些方法多著眼于用水結(jié)構(gòu)整體在時(shí)間尺度上的變化分析，而對(duì)研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)的空間變化及分布的研究卻屈指可數(shù)。

基于此，本文利用熵理論和改進(jìn)的基尼系數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)云南省滇中受水區(qū)的用水結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特點(diǎn)及其空間分布情況進(jìn)行量化分析，為區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展布局以及用水結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供科學(xué)的依據(jù)，對(duì)云南省的水資源優(yōu)化配置及高效節(jié)約集約利用具有重要意義。

1 研究方法

1.1 信息熵理論

熵的概念最早起源于物理學(xué)，用于度量一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的無(wú)序程度?，F(xiàn)代信息學(xué)之父Shannon于1948年將熵的概念引入信息論，用來(lái)度量系統(tǒng)信息和不確定性。此后，該理論不斷拓展，逐步運(yùn)用到水文頻率分析的參數(shù)估計(jì)、水文序列分析、站網(wǎng)布設(shè)評(píng)估、水質(zhì)評(píng)價(jià)、水資源評(píng)估等方面[10]。

設(shè)在一定的時(shí)間尺度內(nèi)，各用水子系統(tǒng)的用水總量為Q，共有n種用水類(lèi)型，{q1，q2，…，qn-1，qn}為相應(yīng)用水類(lèi)型的用水量，{p1，p2，…，pn-1，pn}為各用水類(lèi)型用水量在總水量中所占比例，pi=qi/Q。(其中i=1,2,…,n-1,n；∑pi=1，且pi≠0)，則用水結(jié)構(gòu)的信息熵

(1)

信息熵雖可反映各變量間的平衡性，但卻不能夠反映系統(tǒng)本身的發(fā)展。鑒于此，引入水資源均衡度J的概念，則有

(2)

式中，Hmax為各用水子系統(tǒng)用水相等時(shí)用水結(jié)構(gòu)的最大信息熵，等于lnn。可以看出，水資源系統(tǒng)的均衡度與信息熵呈正比且0≤J≤1。即，均衡度J越大，表示水資源利用過(guò)程中單一用水類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)性越弱，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，水資源系統(tǒng)越均衡[11-12]。

1.2 洛倫茲曲線與基尼系數(shù)

1.2.1 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線是美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家洛倫茲為研究國(guó)民收入在國(guó)民之間的范圍內(nèi)分配問(wèn)題于1905年而提出用于計(jì)算社會(huì)財(cái)富分配是否公平的一種方式，表達(dá)式為

(3)

式中，F(xiàn)(x)為有序個(gè)體的積累分布函數(shù)；μ為一均值。洛倫茲曲線如圖1所示[13]。

圖1 洛倫茲曲線

1.2.2 基尼系數(shù)

洛倫茲曲線雖能直觀反映出社會(huì)收入分配的公平化程度,但不能進(jìn)行定量描述。意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家基尼在此基礎(chǔ)上定義了基尼系數(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題，從而取得了較好的效果。基尼系數(shù)是一個(gè)用于定量分析收入分配差異程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，其值在0-1之間[14]，對(duì)應(yīng)公式如

(4)

式中，f(x)為洛倫茲曲線方程；G為基尼系數(shù)，其大小可以直接反映出收入分配的平均程度。

部分學(xué)者將基尼系數(shù)借用于用水結(jié)構(gòu)中水量分配的公平性評(píng)價(jià)中[7- 8,15]，取得了不錯(cuò)的效果?；嵯禂?shù)的主要計(jì)算法有：幾何法、基尼平均差法、協(xié)方差法和矩陣法。各種計(jì)算法的精度均不同，如幾何法[16-17]要求分組達(dá)到一定數(shù)量計(jì)算結(jié)果才能達(dá)到一定精度。由于精度對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響較大，本文采用改進(jìn)的幾何算法來(lái)提高計(jì)算精度，具體公式為

(5)

式中，n代表用水類(lèi)型數(shù)；ai為某種類(lèi)型用水量；fi為各用水累計(jì)量。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)主要包括云南省滇中受水區(qū)的昆明、玉溪、紅河、楚雄、麗江、大理6個(gè)子區(qū)域，它們橫跨東經(jīng)98°52′～104°16′，北緯22°26′～26°86′，主要屬于低緯度亞熱帶高原型季風(fēng)氣候，總面積14 750 km2，多年平均氣溫為13～24 ℃，變化較大，多年平均降水817～1 688 mm，年內(nèi)分配不均。由于地形、海拔等因素的影響，各子區(qū)域的氣溫、降雨等差距較大，各區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)情況也存在一定差異。這些區(qū)域由于氣候、地形原因或其他社會(huì)發(fā)展原因存在季節(jié)性干旱和缺水等情況，為緩解此種窘境，由云南省政府牽頭，向國(guó)務(wù)院申請(qǐng)開(kāi)啟了滇中引水工程，進(jìn)一步拉近了6個(gè)區(qū)域的聯(lián)系。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文昆明、玉溪、紅河、楚雄、麗江、大理6州市用水結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分別由生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)用水構(gòu)成?；A(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于2009年～2018年的《云南省統(tǒng)計(jì)年鑒》《云南省水資源公報(bào)》《云南省各州市統(tǒng)計(jì)年鑒》等。

3 結(jié)果分析

3.1 用水結(jié)構(gòu)時(shí)間演變分析

由各分區(qū)各年度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，據(jù)式(1)、(2)分別計(jì)算出各分區(qū)各年度的信息熵和均衡度，繪制對(duì)應(yīng)的變化過(guò)程圖(見(jiàn)圖2)。

圖2 各分區(qū)2009年～2018年用水結(jié)構(gòu)信息熵及均衡度變化過(guò)程

從圖2可以看出，在受水分區(qū)中昆明市用水結(jié)構(gòu)的信息熵和均衡度各年年均為最大，玉溪市緊隨其后。而麗江作為典型的農(nóng)旅城市，在2012年前各類(lèi)型的用水量大體上要比其他分區(qū)小，因此其用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度都是最小的；2012年以后由于其生態(tài)用水量上升較快，所以信息熵和均衡度超過(guò)楚雄。紅河州的用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度在2012年前后也發(fā)生變化，主要是因?yàn)槠涔I(yè)用水比例有所提升。整個(gè)受水區(qū)中發(fā)展態(tài)勢(shì)最好的當(dāng)屬紅河州，該地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水在地區(qū)整個(gè)用水系統(tǒng)中占比大，工業(yè)用水波動(dòng)不大，生態(tài)用水也呈逐年增加態(tài)勢(shì)，2014年后其用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度大小僅次于昆明和玉溪市，這也從側(cè)面說(shuō)明了紅河州能成為云南省第三大經(jīng)濟(jì)體的原因。從上述結(jié)果中不難看出，在用水結(jié)構(gòu)類(lèi)別中農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水在整個(gè)用水系統(tǒng)中占比大致為65%～85%，所以信息熵和均衡度的大小很大程度受農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水的影響。一般來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水所占比越大，信息熵和均衡度也就越大，表明用水類(lèi)別結(jié)構(gòu)也越平衡。昆明市的用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度分別在(1.1～1.3)Nat和(0.78～0.89)之內(nèi)變化，表明昆明市的用水結(jié)構(gòu)相對(duì)平衡，水量分配相對(duì)合理，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所增加。而麗江市在(0.5～0.8)Nat和(0.56～0.78)之內(nèi)變化，數(shù)值較小，這與麗江市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有關(guān)。因?yàn)辂惤鳛榈湫偷霓r(nóng)旅城市，其工業(yè)發(fā)展規(guī)模相對(duì)要小于其他分區(qū)，相反農(nóng)旅業(yè)是其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律。近十年來(lái)旅游業(yè)GDP占總GDP的40%～50%，所以生態(tài)用水所占比例有逐年提高的趨勢(shì)，這也符合麗江以旅游業(yè)為主要的發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)。自2014年后，各分區(qū)的均衡度變化趨勢(shì)緩慢，波動(dòng)性不大，處于一種相對(duì)平穩(wěn)的變化狀態(tài)。這說(shuō)明各分區(qū)的用水結(jié)構(gòu)正在逐年調(diào)整，向著平衡狀態(tài)演變和發(fā)展。

3.2 用水結(jié)構(gòu)空間演變分析

計(jì)算出各分區(qū)區(qū)位熵和各用水累積百分比[8]，繪制出圖3所示洛倫茲曲線。

圖3 受水區(qū)2009年和2018年不同類(lèi)型用水洛倫茲曲線

從圖3可以看出，2009年生活用水的洛倫茲曲線距離絕對(duì)均勻線最近；其次是農(nóng)業(yè)用水；再次是工業(yè)用水；距離絕對(duì)均勻線最遠(yuǎn)的是生態(tài)環(huán)境用水。這說(shuō)明受水區(qū)的工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水分布較均勻，各個(gè)分區(qū)的利用程度差別不大；生態(tài)環(huán)境用水距離絕對(duì)均勻線的最遠(yuǎn)，表明生態(tài)用水的空間分布集中，各分區(qū)生態(tài)用水的利用程度差異性大。2018年農(nóng)業(yè)用水洛倫茲曲線成為距離絕對(duì)均勻線最近的曲線，其他依次是生活、工業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水。2018年與2009年相比除了生活用水洛倫茲曲線外，其他類(lèi)型用水距離絕對(duì)均勻線的距離都有不同程度的變近。其中，變化最大的當(dāng)屬生態(tài)環(huán)境用水，這說(shuō)明各分區(qū)進(jìn)一步注重生態(tài)環(huán)境用水，進(jìn)行了相應(yīng)的政策研究制定，把生態(tài)環(huán)境保護(hù)擺在首位。伴隨著時(shí)間的推移，科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整也更加綠色、科學(xué)，各分區(qū)的工業(yè)用水更加科學(xué)合理，所以2018年工業(yè)用水洛倫茲曲線與2009年相比，距離絕對(duì)均勻線的距離進(jìn)一步變近；生活用水洛倫茲曲線距離絕對(duì)均勻線的距離變化并不大，雖各分區(qū)的人口在增加，農(nóng)業(yè)用地面積也隨之增長(zhǎng)，但由于各種新興農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和各種灌溉技術(shù)的普及，農(nóng)業(yè)用水的效率進(jìn)一步提高，所以農(nóng)業(yè)用水處于一個(gè)穩(wěn)定變化的態(tài)勢(shì)；生活用水上雖然進(jìn)行了各種節(jié)水器具的推廣使用，節(jié)水知識(shí)的科普，生活用水循環(huán)利用等措施，但由于人口增加，城鎮(zhèn)化加快，人均用水定額也有所提高，所以2018年相對(duì)于2009年生活用水洛倫茲曲線距離絕對(duì)均勻線的距離稍有變遠(yuǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，從2009年到2018年間各種類(lèi)型的用水空間分布穩(wěn)中向好，基本符合區(qū)域發(fā)展需求。

由上述文中所提及的式(5)并結(jié)合圖3求出2009年和2018年各類(lèi)型用水的基尼系數(shù)，如表1所示。

表1 2009年和2018年各類(lèi)型用水基尼系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

據(jù)相關(guān)研究[18-19]可知，當(dāng)0≤G≤0.2時(shí)，表示各分區(qū)某類(lèi)型用水空間分布絕對(duì)平均；當(dāng)0.2

由表3的基尼系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果并結(jié)合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可知：2009年的農(nóng)業(yè)用水空間分布呈絕對(duì)平均。一般來(lái)說(shuō)各分區(qū)的農(nóng)業(yè)及其生產(chǎn)要素比較聚集；工業(yè)用水基尼系數(shù)表明地區(qū)差異性大，各分區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展參差不齊；生活用水則是處于絕對(duì)平均狀態(tài)，這是由于各地區(qū)部門(mén)對(duì)生活用水的分配利用進(jìn)行了較好的規(guī)劃；生態(tài)用水則是接近于基尼系數(shù)的上限1，說(shuō)明各分區(qū)生態(tài)用水差距懸殊。從表1也可以看出，該年份下各分區(qū)的生態(tài)用水量非常小，不同分區(qū)之間的最大差異可達(dá)56倍，這說(shuō)明在當(dāng)時(shí)的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)下，生態(tài)環(huán)境不到重視。而2018年的各類(lèi)型用水基尼系數(shù)都有一定程度上的下降(除生活用水)，尤以生態(tài)環(huán)境用水的基尼系數(shù)年際變化0.505而顯著。生態(tài)用水基尼系數(shù)的變化主要是云南省重視生態(tài)環(huán)境變化，堅(jiān)持綠水青山就是金山銀山的思想，各分區(qū)之間的合作交流加深。當(dāng)然，該年份下的生態(tài)環(huán)境用水基尼系數(shù)為0.407，表明各個(gè)分區(qū)的生態(tài)環(huán)境用水差異大；生活用水相較于2009年有一個(gè)較小的增長(zhǎng)，但總體趨勢(shì)依然穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文參考前人的研究成果，并對(duì)基尼系數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，將熵理論和洛倫茲曲線及基尼系數(shù)運(yùn)用到滇中受水區(qū)的用水結(jié)構(gòu)的時(shí)空態(tài)勢(shì)演變分析，以期為受水區(qū)各分區(qū)間的各類(lèi)型水資源利用差異性分析提供一定的依據(jù)，也為滇中引水工程在各分區(qū)的水量分配提供參考，具有現(xiàn)實(shí)意義。分析結(jié)果表明，該法的利用與受水區(qū)各分區(qū)的用水結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況基本相符；也由此表明，此方法用于區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變分析是可行的。相關(guān)結(jié)論如下：

(1)從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，各地區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵經(jīng)歷了兩個(gè)階段，一是從2009年～2014年無(wú)序變化，二是2014年～2018年的穩(wěn)定波動(dòng)變化。信息熵和均衡度的大小也直接表明用水結(jié)構(gòu)的規(guī)律性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在整個(gè)受水區(qū)中，昆明的此兩項(xiàng)指標(biāo)均是最大，說(shuō)明昆明在水量分配及利用上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，水資源利用過(guò)程中單一用水類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)性弱，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水資源系統(tǒng)區(qū)域均衡。

(2)2018年的各類(lèi)型用水洛倫茲曲線距離絕對(duì)均勻線的距離基本都有靠近，表明受水區(qū)的各類(lèi)型用水朝著穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)發(fā)展。尤其是生態(tài)用水年際變化巨大，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步得到重視，逐漸成為社會(huì)發(fā)展中突出的重要部分；但是，各分區(qū)生態(tài)用水差距仍較大，后續(xù)工作要進(jìn)一步分析研究如何減小這種差距。

(3)2018年的生態(tài)用水基尼系數(shù)表明，各分區(qū)的生態(tài)用水空間分布差異大，但相對(duì)與2009來(lái)說(shuō)已有較大的改觀；然而，此種不平衡的分布依然會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康穩(wěn)定發(fā)展造成一定的影響，要盡量縮小這種差距。農(nóng)業(yè)用水穩(wěn)中向好，地區(qū)差異不大，向著絕對(duì)平均趨勢(shì)發(fā)展；生活用水次之；工業(yè)用水空間分布相對(duì)合理。

(4)上述分析顯示，紅河州的農(nóng)業(yè)用水是整個(gè)受水區(qū)中最高的，工業(yè)用水波動(dòng)性不大，生態(tài)用水也逐年提高；由此看出，滇中引水工程的水量分配可著重考慮紅河州的經(jīng)濟(jì)社會(huì)情況，借助機(jī)會(huì)建立農(nóng)業(yè)集聚區(qū)，更好地利用農(nóng)業(yè)用水，在保護(hù)好生態(tài)環(huán)境的前提下進(jìn)一步發(fā)展工業(yè)。