江西省2011-2020 年用水結(jié)構(gòu)變化分析

高 俊

（江西省南昌縣聯(lián)圩河道堤防中心，江西 南昌，330200）

0 引 言

水是生命之本，文明之源。水資源是基礎性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源，是生態(tài)環(huán)境演變的重要載體，是經(jīng)濟社會發(fā)展的限制因素，是文化文明傳承的主要紐帶[1，2]。區(qū)域用水結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟社會發(fā)展對水資源需求差異的主要表現(xiàn)[3]，也是區(qū)域水資源優(yōu)化配置的核心問題[4]。區(qū)域經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展往往伴隨著人口的不斷聚集以及區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重整，從而導致用水量的持續(xù)增加。

近年來，結(jié)合信息熵理論研究區(qū)域用水結(jié)構(gòu)為開展區(qū)域水資源相關(guān)研究提供了新的思路。陳美玲[5]基于多區(qū)域LMDI 方法和信息熵原理，對廣東省生產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律進行研究；魏卿[6]基于信息熵理論、基尼系數(shù)等理論研究分析了瑪納斯河流域水資源空間匹配程度；陳穎杰[7]基于生態(tài)位理論構(gòu)建了用水結(jié)構(gòu)生態(tài)位及其熵值模型，對黃河流域及流域內(nèi)主要省區(qū)用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律進行研究；白鵬[8]對未來北京市用水結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的變化及其對水資源供給的影響進行了相關(guān)研究。國外研究者更關(guān)注相關(guān)用水行業(yè)供需水預測以及相關(guān)影響變量對水資源可持續(xù)利用的影響[9，10]。

綜上所述，國內(nèi)外研究學者在區(qū)域用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律上做了大量研究，本文收集整理了2011-2020 年江西省用水數(shù)據(jù)，基于江西省本地水資源條件，運用信息熵和均衡度研究“十二五”（2011-2015 年）以及“十三五”（2016-2020 年）期間江西省用水結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和均衡性，以期為江西省水資源管理、水資源配置以及水權(quán)分配等工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 區(qū)域概況

江西省位于長江中下游南岸，東鄰浙江省、福建省，西接湖南省，地處北緯24°29′～30°04′、東經(jīng)113°34′～118°28′之間，總面積為16.69 萬km2。江西全境地形以山地丘陵為主，山地面積占全省總面積36%，丘陵占42%。江西省共有2 400 多條河流，主要河流為贛江、撫河、信江、修河以及饒河，此外還擁有全國最大淡水湖——鄱陽湖。江西全年氣候溫暖，光照充足，雨量充沛，無霜期長，具有亞熱帶濕潤氣候特征。

1.2 研究方法

1.2.1 信息熵理論

信息熵理論來源于熱力學中熵在信息學領(lǐng)域的應用，常被用來衡量系統(tǒng)的不確定度（主要包括信息量、穩(wěn)定性以及不確定性）[11-14]。區(qū)域用水由于具備不確定性，因此信息熵被廣泛應用于區(qū)域用水結(jié)構(gòu)分析中[3，15-19]。

假設某時段內(nèi)研究區(qū)域的用水總量為W，該區(qū)域共有n 個用水行業(yè)，每個用水行業(yè)用水量（w1，w2，...，wi，...wn）占該研究區(qū)域用水總量的比例為pi，其中pi=wi/W。則該研究區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的信息熵H 的計算公式為：

信息熵反映了系統(tǒng)的不確定度，信息熵值越大系統(tǒng)的不確定度越大，與此對應的系統(tǒng)分配越均勻，應用于用水結(jié)構(gòu)分析時信息熵越大則代表該區(qū)域用水結(jié)構(gòu)越均勻。但不同研究時段系統(tǒng)的信息熵缺乏可比性，因此引入均衡度J 的概念。系統(tǒng)均衡度計算公式為：

式中：H 為研究區(qū)域的信息熵（單位：奈特nat）；Hmax為研究區(qū)域的最大信息熵，Hmax=ln（n）；系統(tǒng)均衡度J 越大，則表示該系統(tǒng)單一類別的優(yōu)勢性越弱，系統(tǒng)均衡性越強。

1.2.2 數(shù)據(jù)來源

江西省水資源量數(shù)據(jù)以及用水量資料來自2011-2020 年《江西省水資源公報》，各行業(yè)生產(chǎn)總值資料以及人口數(shù)據(jù)來自于2012-2021 年的《江西省統(tǒng)計年鑒》，江西省用水主要分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、生活以及生態(tài)環(huán)境用水五部分。

2 江西省近十年水資源量分析

圖1 為江西省2011-2020 年水資源量變化情況。從圖1 中可以得到2011-2020 年十年中2011 年的水資源總量最小，為1 037.88 億m3，2016 的水資源總量最大，為2 221.06 億m3。江西省2011-2020 年多年平均水資源總量為1 703.17 億m3，多年平均地表水資源量為1 684.60 億m3，多年平均地下水資源量為406.64 億m3（其中多年平均地下水資源與地表水資源不重復量為18.57 億m3）。

圖1 江西省2011-2020 年水資源量

圖2 為江西省各行政分區(qū)2011-2020 多年平均水資源量，其中贛州市多年平均水資源總量最多（340.24億m3），占全省多年平均水資源總量19.98%。

圖2 江西省各行政分區(qū)2011-2020 多年平均水資源量

3 江西省近十年用水結(jié)構(gòu)分析

3.1 江西省用水總量變化趨勢分析

近十年來江西省用水量總體呈下降趨勢，由表1可知，“十二五”期間多年平均用水量為255.06 億m3，“十三五”期間多年平均用水量為248.33 億m3。

表1 江西省2011-2020 年用水量 108m3

圖3 所示為江西省人均綜合用水量，“十二五”期間全省人均綜合用水量較高，該時期多年平均人均綜合用水量為564.0m3，“十三五”期間人均綜合用水量顯著降低，該時期多年平均人均綜合用水量降低至538.8m3。

圖3 江西省近十年人均綜合用水量

3.2 江西省近十年各行業(yè)用水分析

3.2.1 工業(yè)用水分析

江西省工業(yè)行業(yè)主要包括電力熱力的生產(chǎn)和供應業(yè)、化學原料及化學制品制造業(yè)等六大高耗能行業(yè)[20，21]。“十二五”以及“十三五”期間江西省工業(yè)生產(chǎn)總值一直呈顯著上升趨勢，“十二五”期間多年平均工業(yè)生產(chǎn)總值為6 366.35 億元，“十三五”期間多年平均工業(yè)生產(chǎn)總值為8 261.99 億元。江西省2011-2020 年多年平均工業(yè)用水量為59.19 億m3，江西省近十年工業(yè)用水量總體呈下降趨勢，“十二五”期間多年平均工業(yè)用水量為60.47 億m3，“十三五”期間多年平均工業(yè)用水量為57.91 億m3。

“十二五”以及“十三五”期間江西省積極推進工業(yè)節(jié)水技術(shù)改造，2011-2020 年萬元GDP 用水量以及萬元工業(yè)增加值用水量這兩項指標均處于下降趨勢，其中萬元GDP 用水量從2011 年的227m3降低至2020 年的95m3，萬元工業(yè)增加值用水量從2011 年的108m3降低至2020 年的56m3，2011-2020 年全省萬元GDP 用水量以及萬元工業(yè)增加值用水量多年平均年下降率分別為9.12%以及6.96%。

3.2.2 農(nóng)業(yè)用水分析

江西省作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大省[22，23]，2011-2020 年多年平均農(nóng)業(yè)用水量為162.49 億m3，多年平均農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的64.53%。由于2012 年江西省年降水量為3 614.53 億m3，遠超過多年平均降水量（2 902.10 億m3），因此2012 年農(nóng)業(yè)用水量較2011 年以及2013 年有大幅度下降，“十二五”期間多年平均農(nóng)業(yè)用水量為165.88 億m3，“十三五”期間多年平均農(nóng)業(yè)用水量為159.10 億m3，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，可見江西省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已趨于平穩(wěn)。此外根據(jù)表2 可知江西省近十年農(nóng)林漁業(yè)生產(chǎn)總值呈顯著增長趨勢，2014-2018 年農(nóng)林漁業(yè)生產(chǎn)總值年增長率維持在2.51%～5.69%之間，2019以及2020 年農(nóng)林漁業(yè)生產(chǎn)總值年增長率分別為9.65%以及8.98%。

江西省近十年來加大農(nóng)業(yè)節(jié)水改造力度，實施不同類型灌區(qū)節(jié)水改造項目，推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)與產(chǎn)品，積極推動農(nóng)業(yè)示范建設項目，江西省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢，“十二五”期間全省多年平均農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.484，“十三五”期間全省多年平均農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提升至0.507。

3.2.3 生活用水分析

江西省人口分布受地形影響顯著，地市尺度上以南昌市為中心高密度集中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上以縣城為中心集中[15]。根據(jù)《江西省統(tǒng)計年鑒》可知2011-2020 年江西省人口數(shù)一直處于上升趨勢，生活用水量方面，江西省2011-2020 年多年平均生活用水量為21.74 億m3，2011-2019 年江西省生活用水量處于增長趨勢，全省生活用水量由2011 年的20.26 億m3增加至2019 年的22.49 億m3，2020 年全省生活用水量降低至21.92 億m3。由表2 可知2013-2020 年全省城鎮(zhèn)居民人均生活用水量緩慢降低，由2013 年的165 升/日下降至2020年的155 升/日，與此相反的2011-2020 年農(nóng)村居民人均生活用水量則緩慢增加，由2011 年的94 升/日增加至2020 年的99 升/日。

表2 江西省2011-2020 年各行業(yè)用水指標

3.2.4 城鎮(zhèn)公共及生態(tài)環(huán)境用水分析

江西省城鎮(zhèn)公共用水主要包括建筑業(yè)及服務業(yè)用水，由表1 可知，2011-2020 年江西全省城鎮(zhèn)公共用水量一直處于上升趨勢，“十二五”期間全省多年平均城鎮(zhèn)公共用水量為5.47 億m3，“十三五”期間全省多年平均城鎮(zhèn)公共用水量為6.52 億m3；江西省2011-2020 年建筑業(yè)以及第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值也處于上升趨勢，“十二五”期間建筑業(yè)以及第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值年增長率處于13.11%～14.11%之間，增速較快，“十三五”期間建筑業(yè)以及第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值多年平均年增長率為12.64%，增速有所降低。

由表1 可知江西省2011-2020 年生態(tài)環(huán)境用水量逐步提高，“十二五”期間多年平均生態(tài)環(huán)境用水量為2.09 億m3，“十三五”期間多年平均生態(tài)環(huán)境用水量為2.48 億m3。

3.3 江西省用水結(jié)構(gòu)變化分析

根據(jù)信息熵理論計算江西省2011-2020 年用水結(jié)構(gòu)信息熵以及均衡度，結(jié)果如圖4 所示。江西省用水結(jié)構(gòu)信息熵由“十二五”的0.949 增加到“十三五”的0.982，信息熵年平均增長率為0.69%，用水結(jié)構(gòu)均衡度由“十二五”的0.590 增加至“十三五”的0.610。

圖4 江西省用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度

根據(jù)信息熵以及均衡度概念可知江西省2011-2020 年用水結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及均衡性增加，結(jié)合用水量數(shù)據(jù)變化趨勢可知，江西省“十三五”期間用水結(jié)構(gòu)相比于“十二五”期間進一步完善，且各用水行業(yè)用水也比較均勻，因此信息熵處于增長狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文以江西省為研究區(qū)域，基于江西省水資源量結(jié)合信息熵和均衡度理論研究江西省“十二五”以及“十三五”期間用水結(jié)構(gòu)變化特征，結(jié)果表明：

（1）江西省2011-2020 年多年平均水資源總量、地表水資源量以及地下水資源量分別為1703.17 億m3、1684.60 億m3以及406.64 億m3。

（2）“十二五”以及“十三五”期間江西省用水總量總體呈下降趨勢，其中工業(yè)以及農(nóng)業(yè)用水量總體呈下降趨勢，生活用水量、城鎮(zhèn)公共用水以及生態(tài)環(huán)境用水量呈增長趨勢。

（3）“十二五”以及“十三五”期間江西省用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度總體處于增長狀態(tài)，全省用水結(jié)構(gòu)進一步完善。