邯郸市农业用水结构时空变化特征及用水预测分析

2019-11-11尚瑞朝

人民珠江 2019年10期

尚瑞朝，李苏，徐丹

(1.河北省水资源研究与水利科技试验推广中心，河北石家庄 050000；2.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056038)

水是人类赖以生存不可或缺的自然资源[1]，中国水资源短缺，同时随着社会经济的不断发展、人口的增长及水资源的不合理利用，水资源供需矛盾逐渐加剧，水资源的合理利用已成为亟待解决的严峻问题[2]。用水结构是以农业用水、工业用水、生活用水及环境用水为主导的相互内在联系及用水比例结构体系[3]。合理的用水结构不仅对本区域水资源的合理优化配置，展现水资源的最大潜力有着积极的作用，同时对保障区域水资源可持续利用，协调经济发展有及其重要的现实意义[4]。

邯郸市水资源短缺，供需矛盾突出，邯郸市各行业用水主要有农业用水、工业用水、生活用水等，其中农业用水较其他行业用水量较大，约占总用水量的70%以上，因邯郸市缺水严重，环境用水暂未考虑。农业用水为农田灌溉用水和林牧渔业用水等，农田灌溉用水达农业用水量的94%左右，为满足各用水户要求，不得不大量开采地下水，使得地下水位埋深逐渐降低，地下漏斗亦严重。鉴此，对用水结构的时空变化趋势特征及对影响因素分析显得尤为重要，合理的用水结构对缓解各部门用水压力起着至关重要的作用[5-6]。

近年来，国内外学者逐渐开始对用水结构展开深入研究，涌现出多种分析时空变化特征及影响因素的研究方法[7-9]。Voosholz通过对用水结构的深入研究提出经济增长、人口增长等因素是促进用水量增大的驱动力因素[10]。谷桂华等运用信息熵和均衡度等研究方法对玉溪市用水结构进行了分析[11]。胡德秀等采用生态位及熵值模型对陕西省各行政区用水结构态势进行研究[12]。张洪波等采用洛伦兹曲线和基尼系数，同时采用生态位及其熵值模型等研究方法对榆林市各用水类型的空间分布特征进行分析[13]。程飞采用主成分分析法对江西省用水结构影响因素进行探索，并采用相应预测模型对未来用水量进行预测[14]。

总结前人的研究经验，针对用水结构的时空变化往往从农业用水、工业用水、生活用水、生态用水四方面进行整体分析，而针对农田灌溉、林业、牧业、渔业等农业用水结构的时空变化研究较少，农业用水量为总用水量大的主要因素，是威胁水资源供需平衡的主要指标，因此认为对农业用水结构时空分布研究存在一定的必要性。本文从农业用水结构角度出发，采用信息熵和均衡度、洛伦兹曲线和基尼系数等研究方法分别从时间分布和空间分布上对研究区农业用水结构变化趋势进行分析，同时基于农业用水结构时空变化趋势及农业用水量大这一严峻现状，对农业用水结构进行优化调整，并采用定额法分别预测2020、2030水平年农田灌溉用水量，旨在使得用水结构与邯郸市供水量基本相适应，缓解邯郸市供需矛盾。

1 研究区概况

邯郸市位于河北省最南部。属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区，四季分明，雨热同期，多年平均气温为12.5℃～14.2℃。邯郸市多年平均降水量548.9 mm，降水时空分布不均，年际之间变化悬殊。多年平均水资源总量14.85亿m3，人均占有量约为157 m3，属水资源短缺城市。

2 研究方法

2.1 信息熵及均衡度

信息熵最初被用于描述信息的混乱程度，某系统越有序，则信息熵就越低；相反越混乱，信息熵越高[15-16]。随后信息熵逐渐被用于描述用水结构，信息熵越大，表明用水结构越均匀，相反则越不均匀。

当用水结构不同或时间尺度不一致时，信息熵值对用水结构的可比性就存在一定的困难，因此为解决信息熵的这一问题，引入均衡度概念。均衡度为实际信息熵与最大信息熵的比值，比值越大，则说明各行业用水比例差别越小，用水结构越均衡，水资源开发越合理；反之越不均衡[17]。

农业用水结构信息熵及均衡度的表达公式为：

信息熵：

(1)

均衡度：

(2)

式中qi——农业用水结构类型；pi——各农业用水类型占农业总用水量比值；Q——农业用水总量；n——农业用水类型的总和；H——农业用水结构信息熵；J——农业用水结构均衡度。

2.2 洛伦兹曲线及基尼系数

洛伦兹曲线最初被用于描述一个国家或时代的收入分配均衡或不均衡的状况。洛伦兹曲线为凹形曲线，y=x为绝对均匀线，洛伦兹曲线越接近y=x，则表示收入、贫富差距越均匀；反之越不均匀。2014年，刘欢、左其亭[18]等首次将洛伦兹曲线及基尼系数应用于用水结构，对用水结构的空间变化进行了深入研究。

邯郸市农业用水结构洛伦兹曲线的绘制步骤如下：①对区位熵进行计算，并对区位熵从小到大排序；②依据区位熵的排列，对邯郸市各区域各农业用水类型的用水量和农业总用水量进行排列；③计算各区域各农业用水类型用水量累计比及农业总用水量累计比，进而以农业总用水量累计比为横坐标，以各农业用水类型用水量累计比为纵坐标绘制邯郸市各区域洛伦兹曲线。其中，某农业用水类型洛伦兹曲线越接近绝对均匀线，则该类型用水在邯郸市分布越均匀，反之越不均匀。区位熵的计算公式为：

(3)

式中Ai k——邯郸市各区域各农业用水类型用水量；Ak——各农业用水类型用水总量；Ai——邯郸市各区域用水总量；A——邯郸市农业用水总量。

基尼系数是在洛伦兹曲线基础上，进一步描述空间分布趋势的数据指标，见图1。基尼系数的计算依据洛伦兹曲线而定，系数越大，表示用水结构空间分布越不均匀。根据相关规定，基尼系数G<0.2时，用水结构高度平均；0.2≤G<0.3，用水结构比较平均；0.3≤G<0.4，用水结构相对合理；0.4≤G<0.49，用水结构差距较大；G>0.5，用水结构差距悬殊。基尼系数的表达公式为：

(4)

式中SA——A范围的面积；SB——B范围的面积。

图1 基尼系数表示

3 邯郸市用水结构

3.1 现状用水结构

本文依据邯郸市2006—2015年邯郸市水资源公报数据分析可得，邯郸市用水主要分为农业用水、生活用水、工业用水等；其中农业用水以农田灌溉和林牧渔业灌溉为主，生活用水主要有城镇生活用水、农村人畜用水等。根据邯郸市水资源公报，针对邯郸市农业用水量、生活用水量、工业用水量进行分析，见图2、3。

a) 农业用水量。由2006—2015年各部门用水量数据可知，邯郸市平均农业用水量为13.5亿m3。农业用水为邯郸市主要用水量，农业用水量占总用水量的70%左右，生活用水量及工业用水量仅占总用水量的30%。2006—2015年近10 a间，农业用水量呈略减少趋势，同时遥遥领先于其他行业用水量。农田灌溉用水是导致农业用水量大的主要因素，约占农业用水量的90%以上，多年平均灌溉用水量为12.8亿m3，林牧渔业用水量约0.7亿m3。由此可见，农田灌溉用水量远远超于林牧渔业用水量。农田灌溉用水量中，小麦玉米、棉花等大田作物的用水量较菜田、稻田等农作物用水量大。灌溉用水主要取决于种植面积、灌溉方式、种植结构等因素，由于受传统灌溉的影响，种植作物多为高耗水的农作物，灌溉方式亦为传统的小白龙灌溉及畦灌、沟灌等，因此农田灌溉用水量较大。

b) 工业用水量。2006—2015年由于高耗水产业的下降，工业用水的循环利用等，邯郸市近10年工业用水量呈波动下降趋势，由2006年2.9亿m3下降至2015年2.38亿m3，整体平均下降率约17.3%。

c) 生活用水量。近年来，邯郸市生活用水量呈波动上升的趋势，由2006年2.2亿m3增长至2015年2.8亿m3，整体平均增长率为25%。究其原因主要为人口的急剧增长，邯郸市常住人口由2006年871万人增长至2015年943万人，城镇人口由2006年339万人增长至2015年484万人；此外，经济的增长、人民生活水平的提高，亦使生活用水量逐渐加大。

图2 邯郸市各行业用水量及用水比例

图3 邯郸市农业用水结构体系

3.2 农业用水结构的时空分析

3.2.1农业用水结构的信息熵及均衡度

依据2006—2015年邯郸市农业用水量，由上述计算方法可得农业用水结构的信息熵及均衡度，见表1。

表1 邯郸市农业用水结构信息熵及均衡度

由表1可知，2006—2015年邯郸市农业用水结构信息熵由0.845 nat降低至0.597 nat，其中，2006—2010年信息熵呈下降趋势，2011—2015年信息熵呈先下降后增长的趋势。由此可见近10年间，邯郸市农业用水结构未来基本朝均衡的方向发展，随着节水技术的推广，及低耗水作物的种植，大田作物水浇地用水量呈减少的趋势，因此农田灌溉用水量相对减少。由邯郸市农业用水结构均衡度可知，均衡度呈下降再上升的趋势，可见农业用水结构的均衡性越来越均匀，大田作物水浇地的水量略减少。

在过去近10年间，邯郸市农业用水结构并未存在较大的改变，由于受传统灌溉方式的影响，农业用水量未有明显的浮动，随着河北省地下水超采综合治理节水措施的进行，将部分地区传统的灌溉方式改为高效节水灌溉方式，如改传统小白龙灌溉方式为喷灌等，邯郸市农田灌溉用水可适当减少。农业用水量的减少为缓解邯郸市供需矛盾，实现水资源优化配置，达到供需平衡有着积极的作用。

3.2.2农业用水结构的洛伦兹曲线及基尼系数

本文依据上述洛伦兹曲线和基尼系数的计算方法，采用2011—2015年邯郸市各区县农业用水量等相关数据对洛伦兹曲线进行绘制，见图4。同时为进一步对邯郸市农业用水结构进行空间分析，故对基尼系数进行计算并分析评价基尼系数的结果，见表2。

a)2011年

b)2012年

c)2013年

d)2014年

e)2015年图4 邯郸市2011—2015年农业用水结构洛伦兹曲线

年份用水类型基尼系数评价结果2011农田灌溉0.1859绝对平均林牧渔业0.7347差距悬殊2012农田灌溉0.1744绝对平均林牧渔业0.6288差距悬殊2013农田灌溉0.1818绝对平均林牧渔业0.6381差距悬殊2014农田灌溉0.1723绝对平均林牧渔业0.6732差距悬殊2015农田灌溉0.1650绝对平均林牧渔业0.6980差距悬殊

由图4可知，其反映了邯郸市农业用水结构所涉及的农田灌溉用水量和林牧渔业用水量的洛伦兹曲线。

a) 农田灌溉用水洛伦兹曲线。农田灌溉用水洛伦兹曲线自2011—2015年间没有大幅度的变化，且5年间均距绝对平均线较近，空间分布较为均匀，可见邯郸市各县农业用水比例基本相差不大。同时由基尼系数结果可知，基尼系数由2011年0.1859变化为2015年0.165，基尼系数变化不大，评价结果均为绝对平均。由邯郸市各区县农田灌溉用水量数据可得除涉县2011年至2015年的增长率为27%外，其余各县用水量未发生较大变化。因此，邯郸市农田灌溉用水洛伦兹曲线空间分布较为均匀。

b) 林牧渔业用水洛伦兹曲线。林牧渔业用水洛伦兹曲线自2011—2015年尽管幅度没有较大变化，但均距离绝对平均线较远，空间分布较不均匀。同时由基尼系数结果可知，基尼系数由2011年0.735变化为2015年0.698，基尼系数未发生较大的变化，评价结果为空间分布差距悬殊。由邯郸市各区县林牧渔业用水量数据可得除临漳县、永年县、成安县、馆陶县变化率较小以外，其余各区县变化率较大。由此可见，邯郸市林牧渔业用水洛伦兹曲线空间分布较不均匀。

综上，农田灌溉用水量洛伦兹曲线尽管在空间分布上绝对均匀，总体上各区县用水量未发生明显变化，但从用水量上分析，用水量大这一严峻问题仍亟待解决；林牧渔业用水量洛伦兹曲线在空间分布上不均匀，各区县用水量差距较明显，但从其用水量上分析，林牧渔业用水量较小，对邯郸市整体用水量不足以构成较大的威胁；因此，如何改善农田灌溉用水量尤其小麦玉米等大田作物的用水量是解决邯郸市用水的重中之重。

3.3 农田灌溉用水预测

经对邯郸市农业用水结构进行时空变化分析，可知农田灌溉用水量时空分布均基本均衡；从时间分析来看，农田灌溉用水量基本朝减少的趋势的发展，主要原因为节水灌溉措施的大力推广；从空间分析来看，各区县基本分布均匀。尽管如此，但农田灌溉用水量大仍旧是邯郸市供需矛盾的首要原因。因此本文从合理减少用水量角度出发，以缓解邯郸市用水压力为目的，在不影响农作物生长及经济产量的前提下，采取高效节水措施，对农业用水结构进行优化，减少农田灌溉用水量，以缓解邯郸市水资源供需矛盾。

影响农田灌溉用水量的因素涉及农作物种植面积、种植结构、灌溉方式等方面。近年来，河北省地下水超采综合治理项目的大力推广，使得影响农田灌溉用水量的3种主要因素有了明显的改善。所涉及的喷灌、滴灌、高标准管灌、沟灌等节水措施使得灌溉用水量明显减少。

以2015年邯郸市有效灌溉面积56.14万hm2为现状，农田有效灌溉面积53.81万hm2，其中大田作物46.41万hm2，蔬菜面积7.40万hm2；林果地面积2.38万hm2。

2015现状年：传统灌溉下小麦玉米面积28.80万hm2，棉花6.88万hm2，菜田6.70万hm2，林果2.10万hm2；高效节水灌溉下小麦玉米面积10.44万hm2，棉花0.28万hm2，菜田0.70万hm2，林果0.24万hm2。

在保持现有灌溉面积不变的情况下，以现有地下水超采综合治理所涉及高效节水措施为依据，优化2020、2030水平年农业种植结构。

由2015年农业种植结构现状可知，传统灌溉面积约占总面积的79%，而高效节水面积仅占21%；以2015年现有供水量及需水量分析，需水量远远超于可供水量，供需矛盾突出，节水体制建设需要大力加强；因此为缓解邯郸市供需矛盾，2020、2030水平年农业种植结构均调整为高效节水灌溉的灌溉模式。同时总结地下水超采综合治理经验，大田作物高标准管灌灌溉方式因操作简单，使用率高；喷灌措施存在一定的技术要求，使用率较低；蔬菜滴灌因操作技术复杂，且存在低价化肥不能很好溶于水堵塞节水灌溉设施；林果主要采用沟灌灌溉方式；为进一步了解各高效节水措施的节水程度，在研究区进行灌溉对比实验，分析传统灌溉与高效节水灌溉的节水量。基于以上分析，对2020及2030水平年农业种植结构优化，优化农作物种植比例见表3。