珠江區(qū)用水量及用水結(jié)構(gòu)時空演變分析

關(guān)鍵詞：用水量；用水結(jié)構(gòu)；信息熵；重心；時空演變；珠江區(qū)

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）11-0087-10

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源，是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、控制性要素。水資源開發(fā)利用情況體現(xiàn)在供用水量及供用水結(jié)構(gòu)，其中用水結(jié)構(gòu)的合理與否關(guān)系著區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，影響著區(qū)域用水量和用水水平，調(diào)整用水結(jié)構(gòu)可有效緩解水資源供需矛盾及優(yōu)化水資源配置［1］?？茖W(xué)地分析經(jīng)濟社會發(fā)展供用水量及供用水結(jié)構(gòu)及變化趨勢，是編制水資源開發(fā)利用規(guī)劃的前提和基礎(chǔ)，是最嚴格水資源管理水量指標分配的重要支撐，對實現(xiàn)區(qū)域水資源合理配置乃至保障經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展均具有重要意義。

眾多學(xué)者對用水量［2-5］和用水結(jié)構(gòu)［1，5-14］演變趨勢進行了研究。張之穎等［2］采用BFAST趨勢檢驗法和空間自相關(guān)分析法探究了1965—2013年中國用水量的時空演變規(guī)律，中國用水量趨勢變化的突變點主要在1990年后，用水量的分布存在空間集聚特征，基本以胡煥庸線為界，用水量的集聚度東高西低，集聚區(qū)域也隨時間變化，研究成果為水資源保護及用水效率的提升提供科學(xué)依據(jù)。易晶晶等［6］采用信息熵理論研究了廣東省1980—2015年用水結(jié)構(gòu)時空演變特征，廣東省用水結(jié)構(gòu)信息熵總體呈上升趨勢，用水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和均衡性增強，用水結(jié)構(gòu)信息熵重心逐步向珠三角地區(qū)轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)用水重心逐步向粵北地區(qū)轉(zhuǎn)移，工業(yè)用水、生活用水和城鎮(zhèn)公共用水重心逐步向珠三角地區(qū)轉(zhuǎn)移，研究成果對區(qū)域最嚴格水資源管理具有重要意義。陳曉清等［1］采用信息熵、均衡度、洛倫茲曲線和基尼系數(shù)等研究方法，對中國七大地理分區(qū)的用水結(jié)構(gòu)時空演變特征進行對比分析，中國用水總量在波動后呈先增后減趨勢，各類型用水均衡性也在平緩上升，其中珠江區(qū)涉及的華南、西南等地區(qū)均衡度緩慢增加，用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均朝著更加穩(wěn)定的方向發(fā)展，研究成果為水資源更合理和高效利用提供一定依據(jù)。

珠江區(qū)是中國最南端的水資源一級區(qū)，涉及云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西、福建、海南等8?。ㄗ灾螀^(qū)）以及香港、澳門特別行政區(qū)，總面積57. 91萬km2。隨著氣候變化和經(jīng)濟社會發(fā)展，珠江區(qū)內(nèi)用水量和用水結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。目前，多數(shù)研究聚焦全國以及部分省區(qū)，長江流域、黃河流域也有學(xué)者進行了研究［15-17］，對于珠江區(qū)全區(qū)的用水量與用水結(jié)構(gòu)變化趨勢的研究相對較少。運用信息熵理論和重心模型對珠江區(qū)的用水量和用水結(jié)構(gòu)時空演變特征進行分析，為優(yōu)化珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)珠江區(qū)水資源高效利用、更好地服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展提供一定的技術(shù)支撐。

1研究分區(qū)及數(shù)據(jù)來源

1. 1研究分區(qū)根據(jù)水資源

分區(qū)來確定研究分區(qū)。研究范圍為水資源一級區(qū)珠江區(qū)，研究分區(qū)根據(jù)水資源二級分區(qū)確定，包括南北盤江、紅柳江、郁江、西江、北江、東江、珠江三角洲、韓江及粵東諸河、粵西桂南沿海諸河、海南島及南海各島諸河等10個水資源二級分區(qū)，見圖1。

1. 2數(shù)據(jù)來源

為分析珠江區(qū)用水量和用水結(jié)構(gòu)變化情況，本文對各分項用水數(shù)據(jù)進行了整理分析，本次研究的的數(shù)據(jù)主要包括總用水量及生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境用水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于全國第二次水資源調(diào)查評價成果、全國第三次水資源調(diào)查評價成果［18］、《珠江片水資源公報》（2017—2019）［19-21］。目前珠江區(qū)水資源公報更新至2021年，但由于新冠疫情影響，2020、2021年用水量在系列中不具備代表性，本次僅研究1980—2019年用水量的時空演變特性。

2研究方法

2. 1信息熵模型

信息熵的概念由美國科學(xué)家Shannon于1948年提出，將此概念運用于用水結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)建信息熵模型研究珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)的演變情況。將生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境用水看作一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，系統(tǒng)越均衡，信息熵就越大。信息熵的大小可反映系統(tǒng)中各用水戶用水量的均衡程度。

2. 3灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度可以反映變量之間的關(guān)聯(lián)程度。通過灰色關(guān)聯(lián)度的計算，可以得到各個變量之間的關(guān)聯(lián)情況，進而進行數(shù)據(jù)分析和決策支持?；疑P(guān)聯(lián)度分析可比較參考數(shù)列和若干比較數(shù)列集合的相似程度，而非參考數(shù)列與單一比較數(shù)列分析，結(jié)果具備系統(tǒng)性。采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析用水量與降水量及社會經(jīng)濟指標的關(guān)聯(lián)程度，研究用水量及用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因素。

根據(jù)關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小，可分為弱關(guān)聯(lián)（0～0. 35）、中等關(guān)聯(lián)（0. 35～0. 70）、強關(guān)聯(lián)（0. 7～1. 0）3類［22］。

3珠江區(qū)用水量時空演變分析

3. 1用水量變化分析

3. 1. 1用水量變化情況

珠江區(qū)及區(qū)內(nèi)各二級區(qū)用水量變化情況見圖2。1980—2019年，珠江區(qū)總用水量總體呈增長趨勢，增加了156. 06億m3，年均增長率為0. 55%。其中，1980—2005年呈增長趨勢，年均增長率為1. 14%，2005—2019年呈下降趨勢，年均增長率為-0. 50%。各分項用水量中，生活用水量、工業(yè)用水量、生態(tài)與環(huán)境補水量分別增加至165. 18億、162. 46億、10. 92億m3，年均增長率分別為3. 82%、4. 91%、9. 41%，農(nóng)業(yè)用水量由594. 64億m3大幅降低至475. 86億m3。

3. 1. 2驅(qū)動因素分析

用水量的變化與經(jīng)濟社會發(fā)展緊密聯(lián)系，在供給側(cè)受氣候變化、工程建設(shè)及相關(guān)政策調(diào)控影響，在需求側(cè)則與人口、GDP、工業(yè)增加值和農(nóng)田實灌面積有關(guān)。珠江區(qū)人口、GDP變化見圖3。

近40 a，珠江區(qū)人口連年增長，2019年常住人口較1980年增加了80. 2%，常住人口城鎮(zhèn)化率也由14. 8%提高至63. 2%，人民的生活水平大幅提高，人口的大幅增長驅(qū)動生活用水連年增長，同時城鎮(zhèn)化的加劇則導(dǎo)致許多農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為其他類型用地，2000年及以前，珠江區(qū)耕地面積超16000萬畝（1畝約等于666. 67m2），2000年以后，耕地面積連年減少，加之灌溉節(jié)水水平的不斷提升，灌溉水需求降低，農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)降低。珠江區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了勞動密集型產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)發(fā)展階段、資本密集型產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)發(fā)展階段、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)發(fā)展階段，發(fā)展模式也由粗放式發(fā)展逐漸向集約型發(fā)展轉(zhuǎn)變，2010年以前，工業(yè)產(chǎn)業(yè)粗放式發(fā)展模式下，工業(yè)用水量大幅增長，2010年以后隨著產(chǎn)業(yè)不斷迭代升級及節(jié)水力度的提升，工業(yè)用水量平穩(wěn)降低。此外，隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入，生態(tài)環(huán)境用水需求大幅提高，生態(tài)環(huán)境用水量持續(xù)增長。

為進一步分析用水量變化的驅(qū)動因素，供給側(cè)選取可量化的降水量、大中型水庫興利庫容等指標，需求側(cè)選取人口、GDP、工業(yè)增加值、農(nóng)田實灌面積等指標，進行灰色關(guān)聯(lián)度分析，分析結(jié)果見表1。由表1可知，珠江區(qū)用水量變化與所選取的指標均呈中等及以上關(guān)聯(lián)程度，其中降水量、大中型水庫興利庫容、人口、農(nóng)田灌溉面積變化是影響用水量的主要驅(qū)動因素?？傆盟?、生活用水量、農(nóng)業(yè)用水量變化均與降水量、大中型水庫興利庫容、人口、農(nóng)田實灌面積呈強關(guān)聯(lián)；工業(yè)用水量變化2010年以前與6個指標均呈強關(guān)聯(lián)，2010年以后與大中型水庫興利庫容、人口呈強關(guān)聯(lián)；生態(tài)與環(huán)境補水量變化2010年以前與大中型水庫興利庫容、GDP、工業(yè)增加值呈強關(guān)聯(lián)，2010年以后與大中型水庫興利庫容、人口、農(nóng)田實灌面積呈強關(guān)聯(lián)。2010年后，總用水量變化與降水量、人口、GDP、農(nóng)田實灌面積的關(guān)聯(lián)度較2010年前降幅超0. 1，其中與降水量關(guān)聯(lián)度降幅超0.2，這與供水工程不斷完善、城鎮(zhèn)化水平和節(jié)水水平不斷提升有關(guān)。

3. 2用水量重心變化分析

基于珠江區(qū)各二級區(qū)用水量，應(yīng)用重心模型計算各年度總用水量及各分項用水量重心，結(jié)果見圖4，各二級區(qū)總用水量及各分項用水量占珠江區(qū)用水量的比例見圖5，各二級區(qū)社會經(jīng)濟指標占珠江區(qū)的比例見圖6。

珠江區(qū)總用水量重心位于西江二級區(qū)內(nèi)，2010年前，總用水量重心東移，這與珠江區(qū)東部的珠江三角洲、東江2個二級區(qū)用水量大幅增長及占珠江區(qū)總用水量比重也連年增長的趨勢一致，與珠江區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展趨勢吻合，在該時期，珠江區(qū)東部廣東省經(jīng)濟增速領(lǐng)先于區(qū)內(nèi)其他省份，用水量增速較大。2010年以后，隨著最嚴格水資源管理制度的實施以及西部大開發(fā)等國家戰(zhàn)略的推進，珠江區(qū)內(nèi)西部的云南、貴州、廣西等?。ㄗ灾螀^(qū)）經(jīng)濟社會發(fā)展提速，西部的二級區(qū)總用水量占珠江區(qū)用水總量比例回升，總用水量重心向西移動。

珠江區(qū)各分項用水量重心絕大部分位于西江二級區(qū)，僅有2010、2011年生態(tài)環(huán)境用水量重心偏移至西江與北江二級區(qū)交界處。除農(nóng)業(yè)用水量重心向西側(cè)紅柳江和郁江二級區(qū)方向偏移外，其余分項用水量均呈向東側(cè)珠江三角洲地區(qū)偏移的趨勢，這與二級區(qū)分項用水量占珠江區(qū)分項用水量比例的變化趨勢一致。

生活用水量重心總體呈東移趨勢。2012年以前，珠江區(qū)人口大幅增長，而珠江三角洲人口占珠江區(qū)的比例由11. 5% 增長至23. 9%，增速顯著，東江二級區(qū)也略有增加，其他二級區(qū)人口比重減小，人口虹吸效應(yīng)明顯，珠江三角洲生活用水量顯著增長，生活用水量占珠江區(qū)比例大幅提升，生活用水重心向東側(cè)移動。2012年以后，珠江三角洲人口比重趨于穩(wěn)定，變化速度緩慢，生活用水重心趨于穩(wěn)定而略有西移。

工業(yè)用水量重心總體呈東移趨勢。珠江區(qū)各二級區(qū)中，僅東部的珠江三角洲、東江2個二級區(qū)工業(yè)增加值占珠江區(qū)比例呈增長趨勢，其他二級區(qū)均有所降低，2000年以前比重增速高，工業(yè)用水重心大幅東移，2000年以后，雖然東部工業(yè)體量及比重仍在增加，但工業(yè)用水效率提升速率明顯高于西部，工業(yè)用水重心向西移動。

農(nóng)業(yè)用水量重心總體呈西移趨勢。2005年以前，農(nóng)業(yè)用水重心大幅西移，東部區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展較西部快，東部灌溉面積減小，農(nóng)業(yè)用水比重大幅降低。2005年以后，農(nóng)業(yè)用水重心呈震蕩西移趨勢。

生態(tài)環(huán)境用水量重心總體呈東移趨勢。2010年以前，生態(tài)環(huán)境用水量重心大幅東移，2010年以后則呈震蕩西移趨勢，這與各二級區(qū)生態(tài)環(huán)境用水量占珠江區(qū)用水量比例的變化趨勢一致。

4珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)時空演變分析

4. 1用水結(jié)構(gòu)變化情況

隨著行業(yè)用水量的變化，用水結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)生變化。采用統(tǒng)計分析和信息熵模型對用水結(jié)構(gòu)變化進行分析，采用重心模型對用水結(jié)構(gòu)信息熵的空間變化情況進行分析。計算結(jié)果見圖7、8。40a來，2010年以前，人口年均增長率高達1. 69%，城鎮(zhèn)人口年均增長率高達6. 25%，城鎮(zhèn)化率年均增長率高達4. 48%，2010年以后，人口年均增長率僅0. 95%，城鎮(zhèn)人口年均增長率僅2. 47%，城鎮(zhèn)化率年均增長率僅1. 51%，結(jié)合圖8，2010年以前，用水結(jié)構(gòu)、用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度、用水結(jié)構(gòu)信息熵重心變化幅度大，2010年以后，變化幅度大幅減小，珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化可以2010年為界分為2個階段。

a）第一階段。第一階段為1980—2010年，珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度大幅上升。農(nóng)業(yè)用水比重大幅下降，從90. 3%下降到57. 8%，生活用水、工業(yè)用水比重大幅增長，分別從5. 8%、3. 8%增加到16. 1%、24. 8%；生態(tài)環(huán)境用水比重從0% 增加到1. 3%。珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵重心逐步東移，該階段珠江區(qū)東部用水結(jié)構(gòu)信息熵增長較快，東江、珠江三角洲、韓江及粵東諸河用水信息熵分別由0. 31、0. 49、0. 37增長到1. 11、1. 14、1. 00。

b）第二階段。第二階段為2010年以后，珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度基本趨于穩(wěn)定，用水結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，趨于更加均衡的狀態(tài)。該階段，珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)略有調(diào)整，農(nóng)業(yè)用水比重基本維持在58%左右；工業(yè)用水比重略有下降，從24. 8% 降至19. 9%；生活用水比重連年增大，從16. 1% 增至20. 3%；生態(tài)環(huán)境用水比重基本維持在1. 3%。珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵重心略有西移，東部用水結(jié)構(gòu)在該階段趨于穩(wěn)定，西部區(qū)域用水結(jié)構(gòu)變化較東部大。

4. 2驅(qū)動因素分析

采取3. 1中的方法分析用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因素，灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果見表2。由表2可知，珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化與所選取的指標均呈中等及以上關(guān)聯(lián)程度，其中大中型水庫興利庫容、人口、農(nóng)田灌溉面積變化是影響珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動因素，與用水量驅(qū)動因素相比，降水量不再作為主要驅(qū)動因素。生活用水比重變化與人口呈強關(guān)聯(lián)；工業(yè)用水比重變化與大中型水庫興利庫容、人口呈強關(guān)聯(lián)，農(nóng)業(yè)用水比重與降水量、大中型水庫興利庫容、人口、農(nóng)田實灌面積呈強關(guān)聯(lián)，生態(tài)與環(huán)境補水量變化的驅(qū)動因素變化相對較大。2010年后，各用水比重變化與GDP的關(guān)聯(lián)度較2010年前降幅均超0. 1，其中工業(yè)用水比重與其關(guān)聯(lián)度降幅接近0. 2，這與2010年來節(jié)水水平不斷提升有很大關(guān)系。

5結(jié)論與展望

珠江區(qū)用水量總體呈增長趨勢，于2005年達到峰值后略有降低，用水總量重心以2010年為界呈現(xiàn)先東移、后西移趨勢；各分項用水量中，生活用水量、工業(yè)用水量、生態(tài)與環(huán)境補水量總體呈增長趨勢，農(nóng)業(yè)用水量大幅降低，各分項用水量重心中除農(nóng)業(yè)用水量重心西移外，其余分項用水量重心均呈東移趨勢，這與各二級區(qū)分項用水量占珠江區(qū)各分項用水量比例的變化趨勢一致，與珠江區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展趨勢一致。

隨著行業(yè)用水量的變化，珠江區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化大致可分為1980—2010、2010 年以后2 個階段，第一階段用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度大幅上升，用水結(jié)構(gòu)由極不均衡向偏均衡方向調(diào)整；第二階段用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度基本趨于穩(wěn)定，用水結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，趨于更加均衡的狀態(tài)。用水結(jié)構(gòu)信息熵重心位置第一階段逐步東移，珠江區(qū)東部分區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵增長較快，第二階段略有西移，西部區(qū)域用水結(jié)構(gòu)變化較東部大。

用水量與用水結(jié)構(gòu)變化與自然條件及經(jīng)濟社會發(fā)展緊密聯(lián)系，包括降水量、人口、經(jīng)濟水平與結(jié)構(gòu)、各行業(yè)節(jié)水水平及水利工程建設(shè)情況等，同時也受相關(guān)政策調(diào)控的影響。研究結(jié)果表明，在降水量、大中型水庫水庫興利庫容、人口、GDP、工業(yè)增加值、農(nóng)田實灌面積中，降水量、大中型水庫興利庫容、人口和農(nóng)田實灌面積是用水量和用水結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動因素。

隨著珠江區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展，粵港澳大灣區(qū)等國家戰(zhàn)略的不斷推進，預(yù)測珠江三角洲等區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展速度仍將領(lǐng)先區(qū)內(nèi)的其他區(qū)域，人口虹吸效應(yīng)進一步加劇，生活、工業(yè)用水量重心將進一步東移，珠江區(qū)內(nèi)水資源分配應(yīng)在節(jié)水優(yōu)先的前提下根據(jù)經(jīng)濟社會發(fā)展情勢及預(yù)測情況合理調(diào)整，滿足經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展需求。

在驅(qū)動因素分析中，選取的指標數(shù)量有限，后續(xù)研究中可進一步搜集相關(guān)指標，從供給側(cè)和需求側(cè)深入剖析用水量和用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因素，豐富研究成果，為珠江區(qū)水資源管理提供技術(shù)支撐。