江苏省用水结构变化及驱动因子分析

湛忠宇 刘美丽 朱永军

（江苏省水文水资源勘测局南京分局，江苏 南京 211500）

江苏省位于我国大陆东部沿海中部，长江、淮河下游，属中纬度亚热带和暖温带地区，年降水量715～1280mm。江苏省经济发展水平高，人口增长快，水资源需求强劲，但其位于流域末端，地势平坦，极端气候变化下，流域干旱发生概率增大，水资源供需矛盾日益突出。近年来，最严格水资源管理制度和“四定”政策相继出台，对区域水资源总量控制和用水效率提升提出了更高要求，因此，了解江苏省用水结构现状及演变趋势，寻找不同部门用水的驱动因素，为未来水资源规划与管理提供技术依据十分必要。

信息熵可以反映出用水结构“经济-社会-生态-资源”耦合特性，同时定量化描述其演变过程，信息熵、区位熵、基尼系数等指标被广泛用于直观描述用水动态结构演变[1-3]。驱动力分析常采用一些数理统计方法[4-7]，如主成分分析方法、灰色关联分析方法、CROPWAT 模型等。灰色关联分析计算简便，数据要求不高，综合灰色关联分析法与归因分析法用于对用水结构进行进一步剖析，以识别出对不同部门用水量影响程度大的驱动因子。

本文通过分析2011—2020 年江苏省水资源条件的变化、社会经济的发展变化、社会经济各部门用水量和用水结构的变化，以及相互之间的影响作用，揭示用水量和用水结构变化的驱动机理，从而对未来用水量和用水结构的演变趋势作出预测，为协调社会经济发展和水资源利用之间的关系，以及制定未来社会经济发展规划提供依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 数据来源

本研究的用水数据来源于2011—2020 年《江苏省水资源公报》，社会经济数据来源于2011—2021 年《江苏省统计年鉴》。

1.2 信息熵与均衡度

采用信息熵与均衡度对江苏省用水结构演变进行定量分析，计算公式分别为

式中：H为信息熵；pi为某类型用水占总用水量的比例；J为均衡度，J=0～1，越大表明用水系统均衡性越强，系统越稳定；n为用水类型个数。

1.3 灰色关联度模型

用灰色关联度模型分析用水量与驱动因子的关联度。分别将各用水量、各驱动因子作为参考序列与比较序列，采用极差化法对原始数据进行无量纲化处理，计算关联系数和关联度，具体计算步骤见文献[8]。参考相关研究[9]，关联度等级划分标准见表1，关联度越大说明关联性越好。

表1 关联度等级划分标准

2 数据处理及结果分析

2.1 水资源概况

江苏省降水量的多少和分布影响水资源的丰枯和时空变化，见图1。江苏省降水量年际变化幅度较大，多年（2000—2020 年）平均年降水量为950mm，其中70%以上多集中于汛期（5—9 月），尤其是江淮梅雨期间，连续降水使土壤饱和，导致大部分降水并没有转化为当地的水资源。江苏省过境水资源丰富，近10 年平均入省水量（不含长江干流）377.5 亿m3，出省水量（不含长江干流）217.6 亿m3，出入境可利用水量159.9 亿m3。长江干流（大通）平均年径流量为9089 亿m3。江苏省多年（2000—2020 年）平均水资源总量为339.0 亿m3/a，其中地表水资源量264.0 亿m3/a，地下水资源量95.0 亿m3/a，重复计算水资源量20.0亿m3/a，多年平均产水模数33.2m3/（km2·a）。

图1 2000—2020 年江苏省降水量和水资源总量的变化

由2000—2020 年的降水量和水资源总量数据得到两者之间的关系，见图2。水资源总量与年降水量之间存在着良好的线性关系（反映线性相关程度的R2=0.928）。因此，可以根据降水量数据预测水资源总量。

图2 江苏省降水量和水资源总量的关系

2.2 用水结构演变特征分析

2.2.1 用水量变化特性

2011—2020 年江苏省总用水量呈现明显减少态势，见图3。2011—2012 年用水总量在550 亿m3以上，2013 年开始，用水总量开始少于500 亿m3，之后出现明显减少趋势，2017—2019 年出现微弱的上升，2020 年用水总量最少，为452.7 亿m3，较2011年556.2 亿m3减少103.5 亿m3。

图3 2011—2020 年江苏省各行业用水量及占比的变化

从各行业用水量占比来看，由高到低分别为农业用水量、工业用水量、生活用水量、其他用水量，占比高低顺序未发生变化，见图3。一直以来，农业都是江苏省用水量最大的生产部门，农业用水量占到用水总量的一半以上，2014 年更是高达61.95%，2011—2016 年农业用水量连续下降，由310.3 亿m3降至270.1 亿m3，2017—2019 年出现上升，2019 年农业用水量达303.1 亿m3， 2020 年农业用水量低至266.6 亿m3，较2011 年减少了43.7 亿m3，降低了14%，虽然农业用水量变化不明显，但未来一定时期内仍存在继续减少的迹象。工业是仅次于农业的第二大用水部门，用水占比30%左右，过去10 年工业用水量和用水占比均呈稳定下降态势，2011—2012 年占比都在35.00%以上，2012—2013 年由35.35%降低至28.94%，且在2013 年后持续低于30.00%并稳步降低。生活用水量稳定增长，由2011 年的34.4 亿m3增长至2020 年的44.3 亿m3，增长9.9 亿m3，增幅达28.80%，占比呈逐年上升趋势，由2011 年的6.18%上升至2020 年的9.79%。其他用水主要包括城镇公共用水和生态环境用水，从数据看，其他用水量和用水占比同生活用水量一样，呈稳定增长趋势，由2011 年的16.6 亿m3增长至2019 年的24.3亿m3，仅2020 年出现短暂下降。

2.2.2 各流域用水结构变化特征分析

本文根据信息熵理论和均衡度理论公式，对2011—2020 年江苏省三大流域（淮河流域、长江流域、太湖流域）的用水结构信息熵和均衡度值进行了计算，计算结果见表2。对全省的用水结构也进行了分析，具体分析结果如下：

表2 江苏省三大流域2011—2020 年用水结构信息熵和均衡度

a.三大流域用水结构信息熵值变化不大，说明各流域用水结构总体上相对比较稳定，且均呈现明显的上升趋势，说明三大流域各用水种类之间的比例差别在缩小，用水结构均衡性在增强。

b.对比三大流域各用水信息熵与全省信息熵，发现长江流域的用水结构信息熵与全省最为接近，在全省水平基础上上下波动；太湖流域用水结构信息熵与均衡度大部分位于全省水平之上；淮河流域用水结构信息熵与均衡度全部位于全省水平之下，该流域农业用水占比大（约70%），超过全省水平（约60%），其他非农业用水占比相对较小。

由此可见，用信息熵和均衡度方法的分析结果与采用用水占比分析结构的结果基本一致。

2.3 用水结构演变驱动因子分析

2.3.1 总用水量变化的驱动因子

选取与用水结构密切相关的经济社会、水文气象及用水指标等方面共18 项影响因子进行灰色关联度分析，结果见表3。

表3 江苏省用水结构的驱动因子及灰色关联度分析结果

2.3.2 农业用水量变化的驱动因子

农业用水由灌溉用水和林牧渔业用水组成。2011—2020 年江苏省人口与灌溉（播种）面积变化见图4。2011—2020 年江苏省作物播种面积在744.3 万～773.8 万hm2之间，作物播种面积与农业用水量关联度为0.837，作物播种面积是农业用水量变化的主要驱动因子，作物播种面积变化不大，因此农业用水量变化也不明显，但未来一定时期内仍存在继续减少的迹象。

图4 2011—2020 年江苏省人口与灌溉（播种）面积变化

2.3.3 工业用水量变化的驱动因子

工业用水量主要是由工业生产总值、万元工业增加值用水量和工业用水重复利用率所决定。万元工业增加值用水量与工业用水量的关联度为0.830，对工业用水变化的影响最大，是影响工业用水量的主要因素。

2.3.4 生活用水量变化的驱动因子

生活用水包括城市居民生活用水和农村居民生活用水，总户数与生活用水的关联度高达0.935，是生活用水总量变化的重要驱动因子。江苏省城镇人口由2011 年的4975 万人增长至2020 年的6226 万人，年均增长125 万人，而乡村人口则从3048 万人减少至2251万人。城乡人均生活用水量由2011 年的117.5L/（人·d）增加至2020 年的143.2 L/（人·d），城镇人均生活用水量由2015 年的139.7 L/（人·d）增长至2020 年的158 L/（人·d），乡村人均生活用水量由2015 年的97.8 L/（人·d）增长至2020 年的102.6 L/（人·d）。

2.3.5 其他用水量变化的驱动因子

其他用水主要包括城镇公共用水和生态环境用水，园林绿化面积与其他用水量关联度达0.817，表明绿化面积的增加是影响其他用水量增加的主导因素。以城市公园绿地面积为例，江苏省公园绿地面积由2011 年的15687hm2发展到2020 年的33106hm2，人均公园绿地面积从13.3m2增加到15.3m2。随着《江苏省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》的逐步实施，为建设宜居城市、旅游城市和生态城市，以及生态环境建设和保护等，预计在未来一定时期内，其他用水量将继续维持增加的态势。

3 未来用水趋势及其影响

江苏省2011—2020 年的水资源总量（432.0 亿m3）总体少于用水总量（487.0 亿m3），年均缺水55.0 亿m3，平水年和枯水年缺水现象明显，其中2019 年严重干旱，缺水261.7 亿m3。缺水差值主要由出入省水资源量的差值（159.9 亿m3）和长江干流水量（9089.0 亿m3）补充。当前的水资源由地表水、地下水和再生水构成（含重复计算水量的占比分别为77.88%、28.02%和5.90%），地表水是水资源总量的重要组成部分，水资源与年降水量关系密切。由此可见，年降水量依然是江苏省的供水主力，同时，要充分合理利用过境水量和长江干流水量。

根据江苏省未来城市发展规划和自然条件等实际情况，虽然农业用水量变化不明显，但未来一定时期内仍存在继续减少的迹象；基于近年来工业用水量和用水占比均出现稳定下降的态势，未来工业用水量也将在2020 年(121.2 亿m3)的基础上继续下降；在可预见的未来，江苏省人口仍将继续增加，加上人均生活用水量的提高，会导致生活用水量继续保持增加的态势；随着环境问题的日益深入人心和宜居城市、生态城市的建设，未来一定时期内生态环境用水量等其他用水量将继续保持增加的态势。总用水量将在现有的基础上保持平稳，或呈现不明显的下降趋势。

4 结论和建议

4.1 结论

a.2011—2020 年江苏省总用水量呈现明显减少的态势且趋于平稳。其中，农业用水量变化不明显，占比在60%左右波动，说明农业是未来节水的主要方向；工业用水总量和占比整体呈下降趋势；生活用水量、其他用水量呈逐年增加态势。

b.2011—2020 年江苏省用水结构演变的驱动力主要有：作物播种面积与农业用水量的关联度为0.837，是农业用水量变化的主要驱动因子；万元工业增加值用水量与工业用水量的关联度为0.830，是工业用水量变化的主要驱动因子；总户数与生活用水的关联度高达0.935，是生活用水总量变化的重要驱动因子；园林绿化面积是其他类型用水总量变化的重要驱动因子。

c.预测未来一定时期江苏省总用水量和用水结构的演变趋势：总用水量将在现有基础上保持平稳，或呈现不明显下降的趋势；农业用水量在未来一定时期内有继续减少的迹象；工业用水总量将继续保持下降趋势；生活用水量、其他用水量将呈现逐年增加的态势。

4.2 建议

总体来看，年降水量依然是江苏省的供水主力，同时，要充分合理利用过境水量和长江干流水量。建议进一步加大对农业节水工作的支持力度，尤其是推动大中型灌区优化灌溉方式，同时推动生活节水，如节水器具推广应用，提高节水意识等，注重分质用水，从而实现用水总量控制和用水结构优化调整的双赢目标。