冀中南部四市地區(qū)用水結(jié)構(gòu)演變分析

高 翔，徐 鶴，楊海燕，王利書

（1.河北工程大學(xué)河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038；2.海河水利委員會水資源保護科學(xué)研究所，天津 300170）

河北省是我國乃至全世界水資源情勢最嚴峻的區(qū)域之一，面臨著水資源短缺、水旱災(zāi)害頻發(fā)等一系列水安全問題[1]。在此背景下，中央制定了“以水定城”“以水定地”“以水定人”和“以水定產(chǎn)”的方針[2]。依據(jù)水資源管理的現(xiàn)實需求，區(qū)域發(fā)展應(yīng)以水資源為約束紅線倒逼產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，因此用水結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律是貫徹“以水而定”方針、加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進程的重要決策依據(jù)。

當(dāng)前，針對用水結(jié)構(gòu)的分析主要從時間序列進行：如崔嬙等[3]采用信息熵理論對忻州市近期的用水結(jié)構(gòu)演變進行分析，得出忻州市1983—2012 年間的用水系統(tǒng)均衡性變化不明顯的結(jié)論；從空間分布特征進行：如張洪波等[4]使用洛倫茨曲線法和基尼系數(shù)分析了榆林市的用水結(jié)構(gòu)，得出榆林市以農(nóng)業(yè)用水為主、各產(chǎn)業(yè)用水向均衡化發(fā)展的用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律；其余還有如生態(tài)位理論[5]、量化水足跡法[6]等方法。綜上，專家學(xué)者們采用不同的分析方法探究了不同區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，但現(xiàn)有成果往往只針對單一尺度，很少有從時間、空間2個角度分析區(qū)域用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的。

冀中南部地區(qū)是河北省的糧食主產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較為傳統(tǒng)，農(nóng)業(yè)用水占比超過60%，用水結(jié)構(gòu)長期處于不均衡的狀態(tài)。近年來，在國家“以水而定”等水資源管理政策的宏觀調(diào)控下，冀中南部地區(qū)正在逐漸優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，淘汰傳統(tǒng)高耗能產(chǎn)業(yè)，選擇該區(qū)域近期的用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律開展研究，對于北方缺水區(qū)域的水資源管理而言具有較好的代表性和典型性?；诖耍疚牟捎眯畔㈧乩碚?、洛倫茨曲線和基尼系數(shù)，分析2008—2018 年間冀中南部用水結(jié)構(gòu)的時間演變規(guī)律，以期為區(qū)域未來用水管理決策提供參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)收集

冀中南部地區(qū)包括石家莊、衡水、邢臺和邯鄲四市，位于北緯36°20′～38°47′、東經(jīng)113°30′～116°34′，總面積47 766 km2，地理位置如圖1所示。本文水資源相關(guān)數(shù)據(jù)來源于2008—2018 年《河北省水資源公報》，相關(guān)經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)取自2008、2018 年《河北省統(tǒng)計年鑒》。

圖1 冀中南部地區(qū)位置

由2008—2018 年《河北省水資源公報》可得冀中南部四市這一階段的逐年用水量，如圖2所示。

由圖2 可知，2008—2018 年間該區(qū)域用水總量基本呈現(xiàn)“升-降-升”的態(tài)勢，變化的節(jié)點分別在2012 和2018 年。農(nóng)業(yè)用水自2010 年后開始明顯下降，由2010 年的67.02 億m3下降至2018 年的54.08億m3；工業(yè)用水自2012 年后開始明顯下降，由2012年的9.28 億m3下降至2018 年的6.63 億m3；生活用水則呈逐年上升趨勢，由2008年的8.06億m3上升至2018 年的10.85 億m3；生態(tài)用水同樣呈逐年上升趨勢，其中2018 年生態(tài)用水較上一年增加4.30 億m3，增長率達117.63%，漲幅尤為明顯。

圖2 冀中南部四市2008—2018年逐年用水量

2 研究方法

2.1 信息熵理論

信息熵理論最早由劉燕等[7]引入用水結(jié)構(gòu)的評價中，用以系統(tǒng)性地展現(xiàn)區(qū)域用水結(jié)構(gòu)時間演變趨勢，由于該理論可以量化區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的均衡度，因而被廣泛應(yīng)用[3，8-10]，信息熵理論公式為：

式中：H為信息熵值；i為用水類型；n為區(qū)域用水類型的總個數(shù)；Pi為各類用水比重。

H值越大，代表研究區(qū)用水系統(tǒng)越穩(wěn)定。

2.2 洛倫茨曲線和基尼系數(shù)

洛倫茨曲線源于經(jīng)濟學(xué)，最早用于描述社會經(jīng)濟分配的合理性，由劉歡等[11]引入水資源領(lǐng)域，用以探討區(qū)域各類型用水的空間分布情況，某類用水的洛倫茨曲線越彎曲，代表該類用水的空間分布差異性越大。

在繪制洛倫茨曲線之前，需先計算各市各類型用水的區(qū)位熵，區(qū)位熵計算公式為：

式中：Q為區(qū)位熵；Yij為i市的第j類用水；Yj為研究區(qū)j類總用水量；Wi為i市的總用水量；W為研究區(qū)總用水量。

然后按照區(qū)位熵大小順序依次計算各市j類用水量百分比和總用水量百分比，并進一步得出累計百分比；最后，以各市總用水累積百分比為橫坐標(biāo)，以某類用水的累計百分比為縱坐標(biāo)繪制洛倫茨曲線，為直觀體現(xiàn)各類用水洛倫茨曲線的彎曲程度，一般會再增加y=x曲線作為參照線。

基尼系數(shù)可以定量描述用水結(jié)構(gòu)的空間分布情況，用以補充洛倫茨曲線的不足，一般采用梯形面積法，計算公式為：

式中：G為基尼系數(shù)；Xi為某市某一類型用水量的累計百分比；Yi為某市用水總量占研究區(qū)用水總量的百分比。

本文研究區(qū)為冀中南部地區(qū)，包括石家莊、衡水、邢臺和邯鄲四市，因此1 ≤i≤4（i取整數(shù)），基尼系數(shù)的取值意義見表1。

表1 基尼系數(shù)與評價結(jié)果的關(guān)系

3 結(jié)果分析

3.1 用水結(jié)構(gòu)時間演變分析

依據(jù)式（1）計算冀中南部地區(qū)2008—2018 年信息熵值演變結(jié)果，如圖3所示。

圖3 冀中南部地區(qū)2008—2018年信息熵值演變

由圖3 可以看出，2008—2018 年間冀中南部地區(qū)的用水結(jié)構(gòu)信息熵值總體呈波動上升態(tài)勢，由2008年的0.73上升至2018年的0.97，漲幅達24.66%，表明區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，各類型用水間差異逐漸減小。信息熵值的上升階段可分為2010 年后和2015年后，因此將時間序列劃分為3個階段（2008—2010、2010—2015、2015—2018年），結(jié)合圖2剖析冀中南區(qū)域3個階段用水結(jié)構(gòu)的影響因素。

（1）2008—2010 年研究區(qū)信息熵值由0.73 下降至0.71，降幅為2.17%。此階段信息熵值出現(xiàn)小幅下降情形，說明各類型用水量差異擴大。2008—2010 年間河北省正處在經(jīng)濟高速發(fā)展的“三年大變樣”[12]階段，與之對應(yīng)的是水資源管理體制不夠完善，造成用水粗放、水資源過度開采等問題；與此同時，由于中央于2009 年提出了如“耕地保護紅線”[13]等農(nóng)業(yè)保護政策，農(nóng)業(yè)仍是區(qū)域用水的大戶，而社會對農(nóng)業(yè)節(jié)水的重視程度普遍不夠，造成農(nóng)業(yè)用水不斷上漲，由圖2可知，在此期間研究區(qū)農(nóng)業(yè)用水量由63.91 億m3上升至67.02 億m3。因此，此階段冀中南部地區(qū)信息熵值的下降可歸結(jié)為社會節(jié)水意識不強和水資源管理政策調(diào)控不夠到位。

（2）2010—2015 年研究區(qū)信息熵值由0.71 上升至0.81，漲幅為14.30%。此階段信息熵值上升幅度較大，說明此期間冀中南部四市各類型用水趨于均衡，優(yōu)勢行業(yè)用水下降，劣勢行業(yè)用水上升。2011年最嚴格水資源管理制度[14]的頒布提高了用水管理部門的工作積極性，促進了社會節(jié)水意識的增強，對區(qū)域用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到極大的帶動作用，如農(nóng)業(yè)用水由2010年的67.02億m3下降至2013年的60.10億m3，降幅達11.52%，生態(tài)用水由2010 年的1.32 億m3上升至2013 年的3.15 億m3。隨后，信息熵值進入2014、2015 年平穩(wěn)期，并出現(xiàn)小幅回落現(xiàn)象。此階段信息熵值的變化體現(xiàn)了最嚴格水資源管理制度的實施對冀中南部地區(qū)的用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化的促進作用。

（3）2015—2018 年研究區(qū)信息熵值由0.81 上升到0.97，漲幅達19.71%。此階段信息熵值大幅上漲，說明區(qū)域用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有強大驅(qū)動力。首先，受2016 年極端暴雨天氣影響，冀中南部區(qū)域多數(shù)農(nóng)田出現(xiàn)內(nèi)澇，導(dǎo)致該年度區(qū)域農(nóng)業(yè)用水大幅下降，由2015年的59.59億m3下降至54.88億m3，農(nóng)業(yè)用水的大幅下降也促進了信息熵值的上升，由2015 年的0.81上升至2016年的0.87；其次，由于地下水超采嚴重等原因，河北省對農(nóng)業(yè)用水管理力度不斷加大，冀中南部更是農(nóng)業(yè)用水管理的重點區(qū)域，一方面不斷推行噴灌、高標(biāo)準管灌等農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，另一方面開展水資源稅費改革[15]，使農(nóng)業(yè)用水量直接與稅務(wù)掛鉤，調(diào)動農(nóng)戶節(jié)水積極性；最后，南水北調(diào)、引黃入冀等外調(diào)水工程極大緩解了冀中南部地區(qū)的水資源壓力，特別是2018年南水北調(diào)中線工程生態(tài)補水效果顯著，使該年度冀中南部地區(qū)信息熵值顯著提升。綜上，此階段冀中南地區(qū)信息熵值上升可歸結(jié)為極端暴雨天氣、農(nóng)業(yè)用水治理和外調(diào)水工程補水效果的影響。

3.2 用水結(jié)構(gòu)空間演變分析

根據(jù)時間序列的演變規(guī)律分析結(jié)果，選取時間序列起始年2008 年、信息熵值第一階段增長節(jié)點2015 年、信息熵值第二階段增長期和時間序列終點年2018 年，計算得出四市不同類型用水量的區(qū)位熵和基尼系數(shù)，并繪制各市用水類型的洛倫茨曲線，以解析各階段用水結(jié)構(gòu)的空間分布特征，各市用水類型的洛倫茨曲線如圖4所示。

圖4 2008、2015和2018年冀中南部各類型用水洛倫茨曲線

由圖4可以看出，農(nóng)業(yè)用水的洛倫茨曲線距平均線最接近，表明農(nóng)業(yè)用水在冀中南部地區(qū)四市分布最為均衡；其次工業(yè)用水和生活用水的洛倫茨曲線與平均線相距較遠，說明這2種類型用水的分布較農(nóng)業(yè)相比更為集中；生態(tài)用水的洛倫茨曲線距平均線最遠，說明在冀中南部四市之間的生態(tài)用水分布存在顯著差異。就圖4（a）、（b）和（c）對比而言，農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的洛倫茨曲線均有逐漸偏離平均線的趨勢，農(nóng)業(yè)用水偏離幅度較小，工業(yè)用水偏離幅度較大；生活用水的洛倫茨曲線基本無偏離或靠近平均線趨勢；生態(tài)用水洛倫茨曲線則是呈現(xiàn)出先靠近、后偏離的趨勢。

為進一步定量描述各類型用水在冀中南部地區(qū)的空間差異性，分別計算出2008、2015 和2018 年各類型用水的基尼系數(shù)及其評價結(jié)果，詳見表2。

表2 冀中南部2008、2015和2018年不同類型用水及評價結(jié)果

由表2 可以看出，冀中南部地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水基尼系數(shù)在3 個年份均小于0.20，達到絕對平均狀態(tài)。其中，農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)最小，說明冀中南部地區(qū)作為河北省糧食基地，四市的農(nóng)業(yè)化程度呈現(xiàn)高度協(xié)同性；工業(yè)用水處于絕對平均狀態(tài)，但2018 年基尼系數(shù)值明顯擴大，說明近年來冀中南部四市改進和淘汰傳統(tǒng)高耗能重工業(yè)節(jié)奏進程不一；生活用水在2008、2015 年的基尼系數(shù)值變化不大，在2018 年的基尼系數(shù)值略有下降，表明2008—2018 年間冀中南部四市生活用水量的空間分布改變不大。2008—2018 年間冀中南部四市生態(tài)用水量，如圖5所示。

圖5 冀中南部四市2008—2018年間生態(tài)用水量

生態(tài)用水的基尼系數(shù)變化幅度較大且變化趨勢不單一，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。由圖5可知，石家莊市和邢臺市在這期間生態(tài)用水量顯著提升，尤其是2018 年南水北調(diào)中線工程生態(tài)補水后，石家莊市的生態(tài)用水量由2017 年的1.79 億m3上升至2018年的5.74 億m3，漲幅達220.67%，加大了生態(tài)用水在冀中南部分布的空間差異?？傮w來看，冀中南部地區(qū)的生態(tài)用水空間分布呈帶有波動性的均衡化狀態(tài)。

計算2018 年冀中南部四市各類型用水區(qū)位熵結(jié)果，如圖6所示。

圖6 冀中南部四市2018年用水結(jié)構(gòu)區(qū)位熵

由圖6 可知，邢臺市農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵最高，且邢臺市、邯鄲市和衡水市的農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵均在1.00以上。冀中南部地區(qū)作為河北省的糧食主產(chǎn)地，大部分區(qū)域位于華北平原，氣候、地理等條件均適合農(nóng)業(yè)發(fā)展，在現(xiàn)行水資源剛性約束的政策背景下，如何在保持糧食產(chǎn)量的情況下削減農(nóng)業(yè)用水量成為未來冀中南部地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點。石家莊市農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵最低，為0.83，一方面是因為石家莊市作為河北省省會城市，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進程較快，第三產(chǎn)業(yè)占比在2018年達到55.5%，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的地位下降，另一方面是由于石家莊市不斷推行農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，部分地下水超采嚴重的區(qū)縣經(jīng)常作為河北省水資源管理條例的先行試點區(qū)，造成農(nóng)業(yè)用水量進一步削減；邯鄲市工業(yè)用水區(qū)位熵最高，達到1.44，明顯高于其他三市，邯鄲西部山區(qū)蘊藏豐富的煤礦和礦石資源，因此該區(qū)域重工業(yè)發(fā)達，但在如今社會要求經(jīng)濟綠色高質(zhì)量發(fā)展的背景下，邯鄲地區(qū)的工業(yè)結(jié)構(gòu)亟待優(yōu)化；邯鄲市生活用水區(qū)位熵最高，達到1.22，其次為石家莊，區(qū)位熵值為1.12，明顯高于邢臺市和衡水市，石家莊市作為河北省經(jīng)濟文化中心，城鎮(zhèn)化速度領(lǐng)先全省，同時，自2014 年京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略提出后，石家莊市的戰(zhàn)略地位日益凸顯，經(jīng)濟社會發(fā)展速度進一步加快，相應(yīng)的生活用水區(qū)位熵較高，邯鄲市則是冀南的經(jīng)濟中心，承擔(dān)著三省樞紐的重要作用，因此生活用水區(qū)位熵水平較高，此外，石家莊市2018 年生活用水區(qū)位熵略低于邯鄲市是由于該年度石家莊市生態(tài)用水量大幅增加，因此在一定程度上拉低了生活用水區(qū)位熵值；石家莊市生態(tài)用水區(qū)位熵值最高，達1.95，遠超其他三市，究其原因，一方面是因為2018 年南水北調(diào)生態(tài)補水效果顯著，滹沱河多處斷流段恢復(fù)過流，另一方面是由于近年來石家莊市不斷進行河渠治理、蓄水植綠等水系生態(tài)修復(fù)工程，各方面因素促使石家莊市生態(tài)用水量不斷上升。

4 結(jié)論

（1）2008—2018 年間，冀中南部地區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵值演變主要有2 個明顯上升階段，2010—2015 年信息熵值由0.71 上升至0.81，此階段信息熵值上升的主要驅(qū)動因素是由于最嚴格水資源管理政策的頒布和實施；2015—2018 年信息熵值由0.81 上升到0.97，此階段信息熵值上升主要是因為極端暴雨天氣、農(nóng)業(yè)用水治理和外調(diào)水工程補水效果等多方面驅(qū)動因素的影響。

（2）區(qū)域不同類型用水的空間分布演變分析結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)用水在冀中南部地區(qū)四市分布最為均衡，其次工業(yè)用水和生活用水，生態(tài)用水的空間分布最具有差異性。冀中南部地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水基尼系數(shù)均達到絕對平均狀態(tài)，生態(tài)用水的基尼系數(shù)由2008 年的差距懸殊狀態(tài)到2018年的相對合理狀態(tài)，空間分布呈帶有波動性的均衡化趨勢。