基于生态位及其熵值的汾河流域用水结构研究

韦大明，路瑞

（生态环境部环境规划院，北京 100012）

2019 年9 月18 日，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上强调，黄河流域生态保护和高质量发展是重大国家战略，明确提出推进水资源节约集约利用，坚持以水定城、以水定地、以水定人、以水定产等一系列目标任务[1]。汾河是黄河一级支流，流域面积为39 471km2，占山西省面积的25.3%，主要流经的城市有太原市、晋中市、忻州市、吕梁市、临汾市、运城市等6 市。2018 年汾河流域水资源总量为34.061 3 亿m3，占山西省黄河流域水资源总量的46%，占山西省水资源总量的28%；汾河流域人均水资源量约为138m3，不足山西省人均水资源量的一半，为水资源严重匮乏区域。随着经济社会发展，水资源短缺与用水需求的矛盾将日益突出。

目前针对山西省水资源的研究大多为定性描述，马艳红等[2]运用基尼系数对山西省的水资源空间分布与人口、GDP 等社会经济要素的匹配度进行了定量分析，但侧重用水公平性分析，缺少对用水结构特征的定量分析。基于此，本文利用生态位理论[2-7]，建立基于单元间、逐级向上相对于汾河流域、山西省黄河流域、山西省的生态位及其熵值模型，以汾河流域六市为基本研究单元，开展基本单元间横向比较，同时开展流域间、流域—区域的比较分析，全面分析汾河流域用水结构特征，为实现汾河流域水资源的合理配置提供理论依据。

1 研究方法与数据

1.1 构建生态位模型

依据生态位理论，生物在生态系统中所发挥的作用和占据的生存空间越高，生物功能就越大、地位就越高，反之亦然。生态位有两个基本属性，一是“态”，指数量、能量、资源占有量等生态单元的状态；二是“势”，指生态单元的发展趋势，可用增长率来表达。水资源利用量属于水资源利用的“态”，反映不同用水类型的利用状态；水资源利用量的变化属于水资源利用的“势”，体现不同用水类型的压缩和扩充。水资源利用生态位体现了不同用水类型的作用和地位，以及不同用水类型的规模和发展趋势。通过不同用水类型生态位的分析比较，可为优化调整用水结构提供理论依据；通过和上一级同种用水类型进行生态位的分析比较，可进一步确定某种用水类型的优劣[8]。

依据生态位理论，用水结构生态位计算公式如下：

式中：wi为i用水类型生态位；Qi为i用水类型用水量；Pi为i用水类型用水量与初始年份用水量的差值；i为不同用水类型，i=1,2,…,n；λi为量纲转换系数，本文为连续年份间用水情况，以1 年为时间尺度，取值为1。0 ＜wi＜1，wi值越大说明i用水类型的用水量越大，水资源需求越强。

1.2 构建生态位熵值模型

构建生态位熵值模型，并与上一级区域同种用水类型的生态位进行分析比较[9,10]。

式中：Ni表示i用水类型生态位熵值；wi为i用水类型生态位；Wi表示上一级同种用水类型生态位。当Ni＞1 时，表明在某区域内i用水类型占有优势地位，有利于该用水类型产业的发展；当Ni＜1 时，表明在某区域内i用水类型处于劣势地位，不利于该用水类型产业的发展；当Ni=1 时，表明在某区域内i用水类型与该用水类型产业同步发展。依据生态位熵值，判断用水类型在上一级区域内的优劣程度，表征用水发展趋势和轨迹变化。本研究以汾河流域六市为基本研究单位，把汾河流域作为六市的上一级区域、山西省黄河流域作为汾河流域的上一级区域、山西省作为山西省黄河流域的上一级区域。

1.3 数据来源

数据来源于2012—2018 年《山西省水资源公报》；用水类型参考《山西省水资源公报》，分为农田灌溉、林牧渔畜、城镇公共、城镇工业、居民生活、生态环境六类。

2 分析与讨论

2.1 总体情况

根据式①计算的2018 年各类型用水生态位如图1 所示。汾河流域六市、汾河流域、山西省黄河流域和山西省用水类型生态位排序情况类似，最高为农田灌溉用水生态位，其次为城镇工业用水生态位和居民生活用水生态位，生态环境用水生态位很低，约为农田灌溉用水生态位的1/10，表明上述区域用水结构一致。

如图1 所示，汾河流域六市各类型用水生态位差异较大。忻州市（0.631）、晋中市（0.528）、临汾市（0.645）和运城市（0.727）的农田灌溉用水生态位高于汾河流域（0.504）、山西省黄河流域（0.517）和山西省（0.522），可见汾河流域是山西省农业生产主产区。太原市（0.38）的城镇工业用水生态位高于汾河流域（0.196）、山西省黄河流域（0.198）和山西省（0.197），说明尽管汾河流域用水捕获能力与山西省黄河流域相比处于劣势地位，但太原市的工业发展在汾河流域仍占主要地位。太原市（0.307）的居民生活用水生态位高于汾河流域（0.166）、山西省黄河流域（0.158）和山西省（0.155），表明太原市居民生活用水量较高。吕梁市（0.138）、忻州市（0.078）、晋中市（0.069）的生态环境用水生态位高于汾河流域（0.058）、山西省黄河流域（0.051）和山西省（0.054），表明这三市的生态环境用水量相对较高。考虑用水生态位大小及对水生态环境的作用，本文重点分析农田灌溉、居民生活、城镇工业和生态环境用水四类用水类型的生态位及熵值情况。

图1 不同区域2018 年各类型用水生态位情况

2.2 农田灌溉用水生态位及其熵值分析

2012—2018 年，太原市、吕梁市、晋中市、运城市的农田灌溉用水生态位呈下降趋势，说明农田灌溉对水资源的捕获能力减弱；忻州市、临汾市的农田灌溉用水生态位呈增加趋势，分别增加2.3%和11.3%，说明农田灌溉对水资源的捕获能力增加；汾河流域、山西省黄河流域、山西省的农田灌溉用水生态位总体呈下降趋势，汾河流域由0.533 下降至0.504，山西省黄河流域由0.620 下降至0.517，山西省由0.575 下降至0.522，说明汾河流域、山西省黄河流域和山西省的农田灌溉用水量有所下降。

根据式②计算的农田灌溉用水生态位熵值如图2所示。2012—2018 年，运城市、临汾市、晋中市、忻州市的农田灌溉用水生态位熵值均大于1，说明上述四市农田灌溉用水生态位大于汾河流域农田灌溉用水生态位且处于扩充状态。2018 年忻州市、临汾市的农田灌溉用水生态位熵值比2012 年略有增加，说明这两市的农田灌溉用水扩充度高于汾河流域平均水平，相反，晋中市和运城市的农田灌溉用水生态位熵值比2012 年有所减少，说明这两市的农田灌溉用水扩充度低于汾河流域平均水平。2012—2018 年，汾河流域农田灌溉用水生态位熵值总体呈增加趋势，但仍小于1，说明汾河流域农田灌溉用水生态位小于山西省黄河流域农田灌溉用水生态位，汾河流域农田灌溉用水处于压缩状态，压缩度低于山西省黄河流域，其主要原因为农业结构进一步调整优化，农业生产由传统向现代化转变，农田灌溉用水占比降低，如汾河流域中上游流域农田灌溉亩均用水量由2012 年的220m3下降至2018 年的204m3。2012—2018 年，山西省黄河流域农田灌溉用水生态位熵值除2015 年和2018 年外，均大于1，呈波动下降趋势，说明山西省黄河流域农田灌溉用水生态位大于山西省农田灌溉用水生态位，山西省黄河流域农田灌溉用水处于扩充状态，但扩充度低于山西省。

图2 2012—2018 年农田灌溉用水生态位熵值情况

2.3 居民生活用水生态位及其熵值分析

2012—2018 年居民生活用水生态位除忻州市略有下降外，其余五市均有不同程度的增加，其中太原市生活用水生态位高于其他五市，说明太原市居民生活用水量高于其他五市。

根据式②计算的居民生活用水生态位熵值如图3所示。2012—2018 年，太原市居民生活用水生态位熵值大于1 且有所增加，表明太原市居民生活用水生态位大于汾河流域居民生活用水生态位，处于扩充状态且扩充速度高于汾河流域，这与太原市人口增长直接相关，太原市2012—2018 年常住人口数量增加了16.52 万人，城镇人口数量增加了18.76 万人，居民生活用水量增加了4062 万m3。2012—2018 年，汾河流域居民生活用水生态位熵值呈现先降后升趋势且均大于1，整体上持平，说明汾河流域居民生活用水生态位高于山西省黄河流域的平均水平且处于扩充状态，用水增长速度基本与山西省黄河流域持平。2012—2018 年，山西省黄河流域居民生活用水生态位熵值保持在1 左右，表明山西省黄河流域居民生活用水量与山西省居民生活用水量处于同步发展水平。

图3 2012—2018 年居民生活用水生态位熵值情况

2.4 城镇工业用水生态位及其熵值分析

2012—2018 年，太原市城镇工业用水生态位均高于其他五市，说明太原市城镇工业用水量高于其他五市。2012—2018 年汾河流域、山西省黄河流域、山西省城镇工业用水生态位变化不大，保持在0.2 左右，说明山西省城镇工业对水资源捕获能力不强且城镇工业用水量变化不大。

根据式②计算的城镇工业用水生态位熵值如图4所示。2012—2018 年，太原市工业用水生态位熵值均大于1，总体呈上升趋势，说明太原市城镇工业用水生态位高于汾河流域城镇工业用水生态位，处于扩充状态且扩充度高于汾河流域。2012—2018 年，汾河流域的城镇工业用水生态位熵值除2015 年（1.12）外，均小于1 且变化不大，说明汾河流域城镇工业用水生态位小于山西省黄河流域城镇工业用水生态位，处于压缩状态。2012—2018 年，山西省黄河流域的城镇工业用水生态位除2015 年（1.05）、2016 年（1.02）和2018 年（1.00）外，均小于1，总体呈升高趋势，说明山西省黄河流域城镇工业用水生态位小于山西省城镇工业用水生态位，而且压缩度小于山西省。分析山西省黄河流域城镇工业用水出现压缩的主要原因是产业结构调整、技术革新以及节水技术改造，《水污染防治行动计划》实施后，山西省推进重污染企业退出，淘汰落后产能，推进钢铁等高耗水行业节水改造，优化黄河流域产业布局，工业用水量减少，工业用水效率增加。与2012 年相比较，2018 年山西省城镇工业用水量减少1.48 亿m3，山西省黄河流域城镇工业用水量减少503 万m3，太原市万元工业GDP 用水量下降约3m3/万元。

图4 2012—2018 年城镇工业用水生态位熵值情况

2.5 生态环境用水生态位及其熵值分析

2012—2018 年，生态环境用水生态位除太原市外，其余五市均有不同程度增加，其中，吕梁市、运城市生态环境用水生态位增加显著，分别较2012 年增加221%和129%。2012—2018 年，汾河流域、山西省黄河流域和山西省的生态环境用水生态位分别增加0.7%、16.8%和23.1%，但生态环境用水生态位仍然较低，基本不足0.1，不足农田灌溉用水生态位的1/10，说明随着生态文明建设力度的不断加大，生态环境用水量有所增加，但用水量依然很小。

根据式②计算的生态环境用水生态位熵值如图5所示。2012—2018 年，忻州市的生态环境用水生态位熵值大于1，整体呈升高趋势，说明忻州市生态环境用水生态位高于汾河流域生态用水生态位且生态环境用水增加速度高于汾河流域。2012—2018 年，吕梁市的生态位熵值除2012 年（0.75）外，均大于1，说明多年来吕梁市生态环境用水处于扩充状态。太原市生态位熵值除2016 年（0.81）和2018 年（0.91）外，均大于1，说明除2016 年和2018 年外，太原市生态环境用水处于扩充状态。晋中市生态环境用水生态位熵值波动较大，总体呈增加趋势，生态环境用水熵值增速由低于汾河流域逐渐变为高于汾河流域。临汾市生态环境用水熵值变化不大，均小于1，表明临汾市生态环境用水量处于压缩状态，但压缩度变化不大。汾河流域生态环境用水生态位熵值均大于1，略有降低，说明汾河流域生态环境用水生态位高于山西省黄河流域生态环境用水生态位，生态环境用水扩张度略低于山西省黄河流域生态环境用水扩张度。山西省黄河流域生态环境用水生态位熵值2012—2016 年呈下降趋势，2017—2018 年呈升高趋势，均小于1，说明山西省黄河流域生态环境用水生态位低于山西省，而且山西省黄河流域生态环境用水压缩度低于山西省。

图5 2012—2018 年生态环境用水生态位熵值情况

3 结语

（1）2012—2018 年，汾河流域六市、汾河流域、山西省黄河流域和山西省的用水类型生态位具有相似规律，即农田灌溉用水生态位最高，其次为城镇工业用水生态位和居民生活用水生态位，生态环境用水生态位最小。农田灌溉用水、城镇工业用水、居民生活用水、生态环境用水生态位在行政区域之间存在较大差异。

（2）2012—2018 年，汾河流域农田灌溉用水生态位熵值总体呈增加趋势，但仍小于1，处于压缩状态且压缩度低于山西省黄河流域；汾河流域居民生活用水生态位熵值呈先降后升趋势且均大于1，整体持平，处于扩充状态且扩充度与山西省黄河流域持平；汾河流域城镇工业用水与居民生活用水生态位相差不大，生态位熵值除2015 年（1.12）外，均小于1 且变化不大，处于压缩状态；汾河流域生态环境用水生态位较低，生态位熵值均大于1，处于扩充状态。

（3）2012—2018 年，山西省黄河流域农田灌溉用水处于扩充状态；山西省黄河流域居民生活用水生态位熵值稳定在1 左右，山西省黄河流域居民生活用水量与山西省居民生活用水量处于同步发展水平；山西省黄河流域城镇工业用水除2015 年、2016 年和2018 年外，均处于压缩状态；山西省黄河流域生态环境用水生态位熵值2012—2016 年呈下降趋势、2017—2018 年呈升高趋势，均小于1，始终处于压缩状态。