玛纳斯河流域用水结构时空演化及水资源空间匹配分析

2021-11-02薛联青王桂芳沈海岑覃金兰

水资源保护 2021年5期

魏卿，薛联青,2，王桂芳，沈海岑，倪涛，覃金兰

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098； 2.皖江工学院，安徽马鞍山 243031；3.费县水利工程保障中心，山东临沂 273400)

用水结构是指一定时期某水系统中各类用水水量组成，而水资源空间匹配程度反映了不同地区的水短缺状况。在水资源的约束条件下，确定合理的用水结构，有利于社会持续、稳定和协调发展。社会经济、人口、自然要素等都将影响用水结构的变化[1]。目前用水演变分析以定性为主，相关的定量分析包括回归分析、因子分析、相关分析等[2-3]。雷欢[4]引入信息熵分析了陕西省用水结构的演变趋势，并采用灰色关联度进行驱动力分析。洪思扬等[5]利用洛伦兹曲线探讨了水资源与人口、GDP、土地利用和降水量的空间匹配度。张洪波等[6]依据榆林市用水结构空间分布特点，利用生态位及其熵值分析了不同分区用水变化特征。玛纳斯河流域由于大规模进行水土资源开发，引发了包括地下水位下降、泉流量减小等一系列的生态灾害，而研究用水演变和水资源的空间均衡状况可以指导经济建设向更加合理的方向发展。目前已有的研究大部分仅对用水结构进行分析，或者揭示变化环境下的水文响应机理等，忽略了各地区的水资源时空匹配状况。因此，本文基于2000—2018年的用水资料，引入信息熵理论，分析各地区用水结构变化情况，采用洛伦兹曲线和基尼系数探究多年的水资源与人口、工业产值、耕地面积及降水量之间的空间匹配程度，为协调水资源约束下的产业结构布局和优化流域的水资源配置提供决策依据。

1 研究区概况与数据来源

玛纳斯河流域是我国西北典型的内陆河流域，位于新疆准噶尔盆地南部，是全疆最大的农耕绿洲区，处于北纬43°20′～45°55′、东经84°70′～86°67′之间，河道全长400 km，包括沙湾、玛纳斯和石河子等县市，面积约3.4万km2[7](图1)。由于地质作用、水流及风沙作用，地形南高北低，形成了不同的地形地貌，大致可分为上游山区、山前平原区和下游荒漠区[8]。山区是主体产流区，平原绿洲为径流耗散区，流域绿洲总面积约为1.08万km2，是新疆重要的粮棉生产基地[9-10]。

图1 玛纳斯河流域各县市空间分布

本文基础数据来源于2000—2018年的《石河子市统计年鉴》《玛纳斯县统计年鉴》《沙湾统计年鉴》《新疆统计年鉴》《中国统计年鉴》等。为保证数据的准确性、连续性和一致性，以便进行时空对比分析，其中，用水数据由玛纳斯河流域管理处提供，气象站点分布如图1所示，并结合产业发展特点分析用水格局的时空演化特征。

2 研究方法

2.1 信息熵

熵属于热力学的概念，可用于描述任何体系的混乱度和无序度水平。应用信息熵理论可分析用水结构复杂性及演变规律，具有较高的合理性。熵值的大小反映了用水结构类别多少和用水量分布的均匀程度[11]。信息熵越大，用水量使用越均匀，用水结构演化趋势也越合理；信息熵越小，则说明用水量分布不均。信息熵可描述不同社会发展阶段下的用水结构特点。

对于一个不确定性系统，若离散型随机变量x的取值为x1、x2、…、xn(n≥2)，每一取值的概率为p1、p2、…、pn(0≤pi≤1,i=1,2,…,n)且∑pi=1，则该离散系统信息熵可表示为

H(x)=-∑pilnpi

(1)

式中：H为用水信息熵值；当pi=1/n时，Hmax=lnn，n为用水类型数量。

同时考虑用水类型的影响，使信息熵对用水结构分析具有可比性，引入均衡度进行横向比较。均衡度越大，用水系统稳定性和均衡性越强，单一用水类型优势度越弱，状态越理想。均衡度J与H变化一致，其计算公式为

(2)

2.2 洛伦兹曲线

洛伦兹曲线原本为1905年Lorenz提出的经济学概念，可用于研究国家或地区国民经济收入分配均衡问题，经济均衡性越高，洛伦兹曲线越趋于直线，经济均衡性越差，则曲线越接近横轴[12]。基尼系数G为定量收入分配差异程度的重要指标，给出了收入分配差距的数值界限，可表示为

(3)

式中：A1为绝对公平线y=x和洛伦兹曲线围成的面积；A1+A2为绝对公平线下的直角三角形面积；f(x)为洛伦兹曲线方程。

2.3 基尼系数

为了简化计算，本文采用梯形面积法计算基尼系数，简化后的公式为

(4)

式中：Xi、Yi分别为用水总量累计百分比和各类型用水累计百分比，其中X0=0，Y0=0；n为行政单元总数。根据联合国有关组织规定，不同的G值对应不同收入匹配程度[13]，基尼系数低于0.2，表示收入高度匹配；0.2～0.3表示收入比较匹配；0.3～0.4表示收入相对匹配；0.4～0.5表示收入不匹配；0.5以上表示极不匹配。

3 结果与分析

3.1 用水量及用水结构变化

3.1.1用水量多年变化

玛纳斯河流域的用水总量整体呈上升趋势(图2)，由2000年的25.32亿m3增加到2018年的 28.31亿m3，用水量增加了11.7%，整体变化程度较小，其增长过程中的阶段性变化较为明显，具体表现为：2000—2004年用水总量有下降的趋势，下降率为10.6%，2005—2008年用水总量明显增加，2008年用水量达最大值27.23亿m3，2009—2015年用水总量相对之前趋于平稳，其中2012年用水增长较快，增长率为9.2%，在2016—2018年用水量平稳增加。

图2 玛纳斯河流域用水总量历年变化情况

3.1.2用水结构演变分析

图3为玛纳斯河流域的历年各类用水比例变化。农业用水作为流域主要用水部门，受耕地扩张和大规模节水的共同影响，用水自主变化性变化较大，且呈现渐进式增长，其平均比重占用水总量的92.1%，变化趋势与用水总量趋势基本一致，平均用水量为23.11亿m3。由于工业经济水平的提高，工业用水量也从2000年的0.39亿m3增加到2018年的1.77亿m3，平均用水量为1.05亿m3，多年来呈明显增加趋势，生活用水比例由2000年的1.6%增加到2018年的2.8%，平均占比仅为2.3%。生态用水量占比仍较低，用水量较为稳定。总体上看，工业用水、生活用水和生态用水虽然均有明显增加，但农业依然是主要用水部门，因此控制用水总量的关键仍是节约农业用水。要调整产业结构，在保障粮食生产和用水效益的基础上，高效利用水资源，才能有效缓解对水资源不断增长的需求。

图3 玛纳斯河流域的历年各类用水比例变化

根据信息熵值的取值变化情况(图4)，流域的用水结构信息熵总体呈持续增长趋势，大致可以划分为4个阶段：2000—2003年的上升速度较快，从2000年的0.209增加到2003年的0.254，伴随西部大开发的推行，工业经济发展，工业取用水也逐渐增加，其用水比例也有所提升；2004—2008年，信息熵大致维持在0.278～0.314，用水结构较为稳定，由于农业灌溉用水量的快速增加，信息熵增速变化减缓；2008—2013年的信息熵保持平稳增长，2014年达到0.445；2014—2018年的信息熵基本维持稳定，信息熵值在2016年达到0.466，此后略有降低，这表明流域的用水总量得到一定控制，并且流域的用水系统均衡度也逐渐增加。

(a) 用水结构的信息熵变化

分地区来看，玛纳斯县的信息熵始终高于其他地区，且波动幅度较大，在2006—2008年呈一定的陡增趋势，2008—2015年变化较为平缓，2015年以后熵值缓慢增加；石河子市的信息熵在2000—2008年基本保持稳定，2008年后呈现明显上升，2016后的熵值维持在0.395左右；沙湾县熵值在2000—2003年基本维持在0.457～0.499，2004年达到最大为0.499，2004—2014年呈阶段性上升，此后变化趋于平缓。但从全流域来看，用水结构的信息熵和均衡度仍较低，信息熵的前期增速也较为缓慢，由于农业用水所占比重较大，工业以及第三产业发展程度仍较低，与其他地区相比，流域的用水结构仍较为不均，受单一因素影响较大，水资源开发利用向着更稳定和均衡方向发展的模式并不明显[3]。

3.2 不同用水类型空间分布均衡度

图5为玛纳斯河流域的2000年、2010年、2018年不同用水量类型的洛伦兹曲线，其中黑色虚线为绝对平均线，对应的基尼系数如图6所示。

(a) 2000年

图6 玛纳斯河流域不同用水类型的基尼系数

由图5可知，玛纳斯河流域在2000—2018年的农业用水洛伦兹曲线离绝对平均线较近，工业用水和生活用水次之，生态用水的洛伦兹曲线离绝对平均线较远。这说明目前流域的农业用水、工业用水和生活用水空间分布较为均衡，而生态用水在空间分布上最不均衡。2010年流域工业用水、生活用水、生态用水的洛伦兹曲线的弯曲度呈现一定程度的下降，其中生态用水和生活用水的弯曲度降幅较大，工业用水的弯曲度降幅较小，这说明2000—2010年工业用水、生活用水、生态用水在空间上逐渐趋于均衡分布。农业用水的曲线弯曲度在2018年有所升高，工业用水曲线的弯曲度基本不变，生活用水、生态用水的曲线弯曲度略有升高，这说明随着干旱区的工业化发展，农业用水、生活用水、生态用水的空间分布不均衡程度有所增加，而工业用水的空间分布却呈一定的集中趋势[17]。

农业用水、工业用水和生活用水的基尼系数均较小，而生态用水基尼系数较大，这与洛伦兹曲线结果较为一致(图6)。2000—2018年的农业用水基尼系数一直小于0.2，说明其空间分布上属于绝对平均，各地区的农业用水基尼系数略有减小；工业用水基尼系数由0.183增加到0.243，这表明其用水消耗空间分布由绝对平均变为比较平均，各地区工业耗水情况差异度增加，石河子市的人口最为密集，工业最发达，水资源总体较为匮乏；生活用水的基尼系数增加较明显，且用水消耗空间分布由比较平均变为相对合理，这与流域人口分布的差异性和各县市城市化进程的不同有关。生态用水的基尼系数不断减小，说明其空间分布均衡性有所加强，正逐渐从差距较大变为相对合理。各县市的工业化进程差异不断扩大，随着节水灌溉、填埋沟渠等措施的实施，生态用水空间分布逐渐趋于均衡。

整体上玛纳斯河流域的农业用水比例仍处于90%以上，工业用水相对较少，生态用水占比较低。根据我国内陆河水资源开发现状，要使生态趋于改善，经济耗水须保持在30%～50%范围内才较为合理，且不宜超过60%[14]。因此，需要加大调整用水结构的力度，更好推动社会经济的发展。

3.3 水资源量空间匹配分析

图7为玛纳斯河流域水资源与各要素洛伦兹曲线，相应的基尼系数如图8所示。

(a) 2000年

图8 玛纳斯河流域各要素的基尼系数

从全流域来看，由图7可知，2000年、2010年和2018年的水资源量-人口的洛伦兹曲线离绝对平均线最近，说明流域人口分布较为集中，且与水资源分布匹配程度较高，流域人口大部分集中于中游绿洲区。水资源量-工业产值的洛伦兹曲线离绝对平均线最远，且弯曲程度有所下降，说明水资源对流域的工业产值的空间分布差异影响较大。水资源量-耕地和水资源量-降水洛伦兹曲线下降较小，说明尽管近年来流域节水灌溉兴起，但由于耕地规模扩大，水资源分配在耕地空间分布影响较小，全流域的水资源量空间分布与降水分配较为匹配。水资源量-耕地、水资源量-降水量的洛伦兹曲线介于另外两者之间，其空间分布差异性介于两者之间，且多年内无显著变化。

分县区来看，不同地区人口的空间分布有较大差别，石河子市人口密度最大，城镇化率在2018年达到80.6%，水资源量仅占总体的9.2%，人口数量约占流域的62.4%，而工业产值占流域工业总产值的64.9%，降水较为稀少，而耕地面积占流域的55.7%。沙湾县的水资源量占比为65.3%，降水相对较多，且人口占比为20.5%，而工业产值仅为总体的15.1%，且所占比例逐渐下降，沙湾县的耕地扩张较明显，水资源与耕地的空间匹配程度逐渐增加。玛纳斯县人口占流域的16.9%，水资源量为24.9%，而工业产值多年增长较为明显，2018年达到流域总产值的24.7%，水资源与工业产值差异程度较为明显。

从图8可知，总体来看，水资源量与人口总数和降水量较为匹配，与耕地相对匹配，工业产值对应的基尼系数最大，这说明流域的水资源量与工业总产值的不匹配程度最高。在2000—2018年水资源相对于各要素的基尼系数均呈不同程度的下降，均未超过国际上以0.4为标准的“警戒水平”[15-16]，水资源量-降水量的基尼系数变化较小，匹配程度较高。

要提高水资源空间分布均衡程度，首先，需施行退耕还林(草)，控制耕地扩大规模，继续发展节水工程，提高流域水资源的综合利用率；其次，需要统筹配置，加强对各类水资源的合理利用，使农业发展规模和水资源的合理容量相匹配，推进重点水源工程建设，加强饮用水源地的保护，进行城乡水资源共享，缓解水资源短缺状况[17-18]；调整产业经济结构，缩减高耗水企业数量，发展低耗水产业，促进食品、纺织等行业发展；注意节水技术的推广，对水资源进行集约利用，重视生态保护工作，完善水管理机制，从而最大限度实现水资源空间分布的均衡[19]。