王延起, 李 双, 孔 珂, 徐 晶
(1. 济南大学 水利与环境学院, 山东 济南 250022; 2. 济南市水利工程服务中心锦绣川水库服务处, 山东 济南 250013)
用水系统结构能够体现水资源分配状况,其合理性影响着区域用水量与供水水平,进而决定区域经济能否持续发展,通过对其进行调整可以有效地优化水资源配置及缓解水资源矛盾[1]。山东省作为经济发达的省份,经济发展速度较快;但是水资源短缺与用水系统结构的不协调的问题阻碍了经济的持续发展,所以对山东省用水系统结构进行研究,可以为用水系统结构的调整提供理论支持,更好地促进全省的经济发展。
目前主要使用生态位、洛伦兹曲线与基尼系数和信息熵等方法分析用水系统结构的特征与演化情况。焦士兴等[2]采用生态位等模型系统分析了河南省安阳市用水系统结构与产业结构的生态位动态演化及其耦合协调状况,表明产业结构与用水系统结构处于失调状态。陈颖杰等[3]基于生态位理论构建了用水系统结构生态位及其熵值模型,分析了黄河流域及流域内主要省区用水系统结构演化趋势和特征,说明农业用水在黄河流域占主导地位,同时生活用水的占比也在稳步提升。苏海波[4]、 陈良等[5]运用区位熵、洛伦兹曲线及基尼系数等方法分析西部地区近年来用水系统结构变化特征及水资源利用水平,得到了用水系统结构存在显著差异,需要提高水资源利用和配置效率的结论。刘燕等[6]将信息熵与水资源利用结构相结合,利用信息熵反映系统无序度的特点,给出了水资源系统结构演化的判别标准,以此表征水资源开发利用的合理性。吴孝情等[7]引入信息熵理论对东江流域的用水系统结构进行定量分析,通过研究信息熵年变化情况提出了区域用水系统结构分阶段演化的特点。易晶晶等[8]通过信息熵理论研究广东省区域用水系统结构时空演化特征,得到用水系统结构信息熵重心转移的结论。
其中信息熵理论的应用较多,不仅是水利行业,其他领域对信息熵理论的应用也较为广泛[9-10]。该理论通过熵值描述用水系统整体混乱度,反映各用水部门之间的比例关系。当信息熵越大时,系统整体的混乱度越小,各用水部门之间的比例越平均,此时用水系统结构合理性较好;但是,由于不同地区产业发展不均衡导致用水侧重不同,因此不能简单认为各用水部门用水分配越平均、越合理越好,要结合区域实际情况进行分析,以适合地区发展的用水比例为标准进行评价。
本文中利用2004—2019年《山东省水资源公报》中各行业用水数据,利用信息熵性质,结合山东省最佳用水比例对信息熵原公式进行改进,并提出改进熵的概念。相较于信息熵原公式,改进熵更能体现用水系统结构的演化与区域发展的关系,以改进熵对山东省用水系统结构的演化进行定量的分析,不仅对水资源的合理开发利用提供依据,而且改进熵也能够为其他地区分析用水系统结构的演化提供思路。
1.1 研究区概况
山东省地处我国东部、黄河下游,分为半岛和内陆两部分。半岛接临黄海、渤海,内陆部分从北向南依次与河北、河南、安徽、江苏省接壤。气候为暖温带季风气候,四季分明,温度变化大,雨热同期,降雨有较强季节性,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥。山东省农业产值处于全国领先的地位,为我国最重要的农业产区,同时积极发展其他产业,促进传统农业向现代农业的转变,工业发展也十分迅速,形成了以能源、化工、冶金等为支柱产业的工业体系。由于不同地区的经济发展水平与城镇化的进程不同,因此形成了东部地区的第三产业发展强于西部地区的态势。社会发达程度从东到西呈梯度分布:东部沿海地区,经济活跃,发展迅猛;中部地区经济发展速度稍减;西部地区经济发展与东部地区相差甚大[11]。
山东省水资源的主要来源为大气降水,全省水文现象时空分布变化较大。降雨量从东南沿海地区至鲁西北内陆地区递减,全年接近80%的降雨集中在6—9月。全省平均降水量为838.1 mm,折合年降水总量为1 313.04×108m3。地表水资源量为259.83×108m3,地下水资源量为201.79×108m3,扣除重复计算量,水资源总量为375.30×108m3,人均水资源占有量为370.3 m3,仅占全国的16.53%,因此山东省被列为极度缺水的地区[12]。此外,山东省是农业大省,农业用水占据主导地位,常年占总用水量60%以上,随着产业结构的转变,这种单一用水优势性强的局面会阻碍整体经济的发展,因此,分析山东省用水系统结构的变化特征,对合理分配利用水资源,促进社会经济的协调发展具有重要的参考意义。
1.2 研究方法
1.2.1 信息熵
信息熵是用来描述系统或者物质运动的混乱度和无序度的物理量,许多学者将其引入水资源系统的研究中[13-15],通过信息熵值变化来判定水资源系统是否处于平衡状态,各用水部门之间的分配是否平均,从而确定水资源系统结构的稳定性,其计算原理如下:
设在一定时间尺度内,水资源系统总用水量为Q,共有N种水资源利用类型{x1,x2,,xN},每一种利用类型相应的用水量为{q1,q2,,qN},每个类型用水的比例为{p1,p2,,pN},可见
(1)
(2)
式中H为用水系统结构信息熵。
用水系统结构信息熵判定标准为信息熵值越大反映系统内部混乱度越大,各成分之间越平均,此时系统结构的稳定性越好,当各成分所占比例相同时,此时系统结构最稳定,信息熵值最大。
1.2.2 信息熵的改进
依据信息熵描绘系统混乱度的性质,体现各成分比例的接近程度,结合区域最佳的用水比例对原公式进行改进,其改进思路如下:
1)结合最佳的用水比例,反映各用水比例与最佳用水比例的接近程度,使熵值计算结果能体现“各类用水量都普遍接近最佳用水为佳”,而不是“各类用水量越平均越佳”。接近度表达式为
(3)
2)对各用水部门用水比例按照其对系统的影响程度赋予其权重,避免某些不重要的用水数据对评价结果产生较大影响。加权后表达式为
T=Vβ,
(4)
式中:β为各用水部门对应的权重,由多年平均用水比例求得;T为加权后各用水比例与最佳的比例的差值,由于原公式中各比例之和为1,因此需对各用水部门加权后各项用水比例与最佳比例的差值Ti进行归一化处理,即
(5)
3)p′体现了接近程度,但还不能直接用于熵值的计算,原因是熵值法的原理是变量分布越平均越高。虽然所有指标都离最佳值比较远;但偏离程度比较平均,计算得到的熵值也会很大,显然是不合理的,因此需要在计算公式中加入偏离总量α。如果各变量偏离总量大,尽管分布平均,熵值也不会太大,偏离变量计算公式为
(6)
为了使公式满足信息熵值越大越合理的性质,引入常数系数k,保证k-α>0,则完整的改进熵计算公式为
(7)
式中M为改进熵,其数值越大表明用水比例与最佳用水比例越接近,各用水部门接近程度越平均,此时用水系统结构较为合理。
与原公式相比,改进后的公式考虑了产业与用水之间关系导致区域用水重心不同存在的差异,增强区域用水系统结构分析的合理性。
1.2.3 最佳用水比例
由于用水系统较为复杂,影响用水的因素较多,因此,为了求得最佳用水比例,本文中选择产业结构、生活用水定额与绿化面积等用水的主要影响因素,通过区域协调评价模型[16-18]与线性回归分析[19-21]方法来进行预测。
由于农业、 工业用水与产业结构的联系较为密切,因此本文中选择区域协调评价模型,求得与经济发展相协调的农业、 工业用水比例,以此作为最佳的用水比例。区域协调评价模型采用区域产业结构偏水度P[22]与区域用水系统结构的粗放度C的概念对农业用水比例、 工业用水比例进行评价,表达式见式(8)—(10)。它们的物理意义分别是以产值比例或用水比例为权重,求出产业部门的平均位置,即0 (8) (9) (10) 式中:Di为第i产业部门的相对水资源生产率;Yi为第i产业部门产值;Wi为第i产业部门用水量;Y为部门总产值;W为部门总用水量;i*为第i产业部门的位置值,由式(8)求出的Di值确定,将相对水资源生产率最高的部门赋值1,最低的赋值为N。 由于单一的指标无法对协调性进行衡量,因此需要同时考虑P、C。为了避免P、C因变化不同步导致协调程度不变的情况,对它们进行乘积处理,并定义为区域产业结构与用水系统结构的协调度Z[23-24],即 Z=(PC)0.5。 (11) 将式(9)、 (10)代入式(11)中,整理得 (12) 很显然,0 生活用水比例与生态用水比例则是通过它们的主要影响因素,通过线性回归拟合分析,并结合政府公布的标准,对生活、 生态用水比例进行预测,以预测比例为最佳用水比例。 本文中农业用水量、工业用水量、生活用水量、生态用水量等数据取自于2004—2019年《山东省水资源公报》,农业产值、工业产值、绿化面积等数据均取自于2004—2019年《山东统计年鉴》。 为了计算最协调状态下农业、 工业用水比例,将式(12)中的Z赋值为1,并获取2008—2017年《山东统计年鉴》中的相关数据,见表1。对产值比例与用水比例进行拟合处理,以农业、 工业为产业部门,即N=2,计算协调状态下的用水比例与产值比例,结果见表2。 表1 2008—2017年山东省农业与工业产值、 用水比例 表2 协调状态下产值比例与用水比例计算结果 对多年生活用水数据研究发现,生活用水比例y1与生活用水定额x1呈明显的线性关系,利用统计产品与服务解决方案(SPSS)软件进行线性拟合,得到其关系式(13),拟合结果见表3。其中,相关系数为0.961,判定系数为0.924,调整后的判定系数为0.918,拟合程度较好。 表3 生活用水比例线性回归模型拟合度检验 y1=0.002x1-0.04。 (13) 根据山东省最新发布的生活用水定额标准结合《规划和建设项目节水评价技术要求》,农村居民每人每天用水应为70～110 L,城镇居民每人每天用水为85～120 L,为了满足居民日常生活需要并尽可能提升生活品质,提升居民幸福感,因此选定最佳生活用水状态下居民用水定额为120 L,代入式(13)得此时的生活用水比例为0.210 27。 生态用水比例y2与绿化面积x2息息相关, 利用SPSS软件进行拟合, 拟合关系式见式(14), 拟合结果见表4。 可以看出, 生态用水比例与绿化面积有较强的线性关系, 相关系数为0.916, 判定系数为0.839, 调整后判定系数为0.827。 表4 生态用水比例线性回归模型拟合度检验 y2=0.002 3x2-0.017。 (14) 由于绿化面积x2呈逐年上升趋势,因此其随时间t的变化关系式为 x2=1.267t-2 529.747。 (15) 根据国务院发布的《关于实行最严格水资源管理制度的意见》, 至2030年我国用水效率达到或接近世界领先水平, 因此本文中选择2030年时的生态用水比例达到最佳比例, 此时绿化面积为42.263×104hm2, 生态用水比例为0.080 21。 综上所述,得到4个主要用水部门在满足产业发展与居民幸福生活时的最佳用水比例,见表5。 表5 主要用水部门最佳用水比例 表6 2004—2019年山东省用水系统结构的改进熵 2004—2019年山东省用水量变化如图1所示。 图1 2004—2019年山东省用水量变化 从图中可以看出,2004—2008年间,用水总量的变化趋势与农业用水量变化相同,工业用水量、生活用水量与生态用水量基本没有发生变化,此阶段的农业用水量起主导作用,其变化趋势影响着用水总量的变化。2008—2012年,农业用水量开始减少,其他3个部门用水量增加,用水总量也随之轻微增加。2012年后,国务院发布《关于实行最严格水资源管理制度的意见》,要求控制用水总量,提高用水效率、灌溉有效利用系数,加强水功能区纳污管理,导致农业用水量快速减少,工业用水量、生活用水量与生态用水量增加,但农业仍是最主要的用水部门,受其影响总用水量也呈减少趋势。到2019年,除工业用水外,其他3个部门用水量均增加,导致用水总量激增。 图2所示为2004—2019年山东省各部门用水比例变化。由图可以看出,农业用水比例一直呈下降趋势, 2012年后下降趋势更加明显, 从2004年0.747 9下降到2019年0.626 7,但其与最佳用水比例差距较大。随着灌溉技术的升级,灌溉水有效利用系数提高, 农业用水比例仍会呈下降趋势且下降速度会越来越快。工业用水、 生活用水比例的变化趋势相同, 2006年后一直呈上升趋势。 生态用水比例在2010年前较小,且变化幅度也不明显, 随着政府对生态环境的重视, 2010年后生态用水比例迅速上升, 由2004年的0.000 65上升至2019年的0.079 33。 虽然用水比例变化趋势有快有慢, 但是总体上都在向着最佳比例发展。 图2 2004—2019年山东省各部门用水比例变化 图3为2004—2019年山东省用水系统结构的改进熵变化。从改进熵变化规律来看, 山东省的用水系统结构的改进熵总体呈增长状态, 2004—2010年增长幅度较小, 这与用水比例的变化趋势相符合, 这期间农业用水比例下降较其他3个用水部门的变化明显, 此时农业用水单一优势性强的局面改变, 改进熵增加; 2010—2014年的改进熵处于波动状态, 虽然有减小趋势, 但总体来说, 改进熵大于前几年的, 用水系统结构也处于向合理状态演化过程中; 2014年以后, 改进熵呈明显增大趋势, 增长幅度加大, 至2019年达到了1.035 7 nat。 改进熵的变化说明山东省的用水系统结构向着更加均衡化、 更加协调的方向演化, 各部门的用水比例逐渐接近最佳的用水比例。 图3 2004—2019年山东省用水系统结构的改进熵变化 为了分析山东省用水系统结构改进熵的空间分布,本文中选取2011、 2019年山东省17个城市改进熵列于表7,分析其空间分布规律。 表7 2011、 2019年山东省各城市用水系统结构的改进熵 由山东省整体的用水系统结构的改进熵分布来看,全省用水系统结构地区差异更加明显,改进熵由东部向西部呈阶梯状减小,东部的改进熵明显大于西部的,随着节水政策的实行与各地用水的调整,各地改进熵不断发生变化。胶东地区与鲁中地区的改进熵增长明显,鲁南、 鲁北部分地区的变化不大,仍呈现东大西小的态势。总体来说,山东省的用水系统结构的改进熵呈增大趋势,整体的用水结构与各部门用水量正向更合理的方向演化,与用水比例的变化所反映的趋势相吻合。 山东省用水系统结构可以由农业、工业、生活和生态4个用水部门的比例关系和改进熵来反映。山东省是农业大省,所以农业用水量长期居高不下,用水比例占总用水量60%以上,但近几年一直呈下降趋势,原因是积极发展节水灌溉技术,有效地提高了灌溉水的有效利用系数,用水效率大大提升,单位面积耕地平均用水量大幅减少,同时农业生产正从粗放、低效向精细化过渡,大水漫灌的耕作模式成为历史。工业用水则是一直处于增长状态,目前山东省的工业类型多为资源消耗型,产业多处于为价值链的中低端,均为资源加工型产业,对资源的依赖性比较高,导致对水资源的需求量较大,工业用水量也逐年增加。随着国家人口政策的实施与人民生活水平的提高,山东省人口数量逐年增长,同时为了在满足居民正常生活用水的基础上提升居民生活幸福感,因此生活用水配额逐年增加。生态用水增长的原因是全社会对生态环境的重视,以及各种环保政策的实施;但是,由于基础较弱,因此生态用水仍为占比最小的用水部门。 根据用水系统结构的改进熵的变化,分析了2004—2019年山东省用水系统结构的演化特征,揭示了用水系统结构演化的影响因素,得到如下主要结论: 1)2004—2019年期间, 山东省通过农业技术进步正逐步改善农业单一用水优势性强的局面, 全省整体的用水比例越来越协调, 用水系统结构愈加合理。 2)改进熵整体呈上升趋势,2014年后增长速度加快,表明山东省的用水系统结构正在向着有利于区域发展的方向发展,各部门的用水比例逐渐接近最佳用水比例。 3)受地区产业发展的影响,山东省各地区产业发展不同步,使得各地区用水系统结构改进熵值及其变化未呈现出一致性,出现明显的东西差异。 4)为了使用水系统结构更加合理,产业需进一步调整。农业要调整种植结构和灌溉方式,改变高耗水、 低产值的局面;工业要促进企业由资源消耗向着高、 精、 尖方向转变;居民在日常生活中要提高节水意识,避免水资源的浪费,同时注重环境保护,提高水资源的利用率。 本文中所得结论都是在原有理论基础上,通过考虑现实情况对原有信息熵公式进行改进,结合现有数据得出的,能够为未来用水系统结构的调整与规划提供理论依据,但是最佳用水比例的研究涉及自然条件、 社会经济、 人文等不确定因素,此方法仍有进一步探讨的空间。1.3 数据来源
2.1 农业用水、 工业用水最佳比例计算
2.2 生活用水与生态用水最佳比例计算
2.3 基于最佳用水比例的改进熵计算
3.1 山东省用水量变化
3.2 山东省用水系统结构的改进熵变化分析
3.3 山东省用水系统结构演化成因分析
