高 翔，徐 鶴，楊海燕，王利書

（1.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038；2.海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170）

河北省是我國乃至全世界水資源情勢最嚴峻的區(qū)域之一，面臨著水資源短缺、水旱災害頻發(fā)等一系列水安全問題[1]。在此背景下，中央制定了“以水定城”“以水定地”“以水定人”和“以水定產”的方針[2]。依據(jù)水資源管理的現(xiàn)實需求，區(qū)域發(fā)展應以水資源為約束紅線倒逼產業(yè)結構調整，因此用水結構的演變規(guī)律是貫徹“以水而定”方針、加快產業(yè)結構優(yōu)化進程的重要決策依據(jù)。

當前，針對用水結構的分析主要從時間序列進行：如崔嬙等[3]采用信息熵理論對忻州市近期的用水結構演變進行分析，得出忻州市1983—2012 年間的用水系統(tǒng)均衡性變化不明顯的結論；從空間分布特征進行：如張洪波等[4]使用洛倫茨曲線法和基尼系數(shù)分析了榆林市的用水結構，得出榆林市以農業(yè)用水為主、各產業(yè)用水向均衡化發(fā)展的用水結構演變規(guī)律；其余還有如生態(tài)位理論[5]、量化水足跡法[6]等方法。綜上，專家學者們采用不同的分析方法探究了不同區(qū)域用水結構的演變規(guī)律，但現(xiàn)有成果往往只針對單一尺度，很少有從時間、空間2個角度分析區(qū)域用水結構演變規(guī)律的。

冀中南部地區(qū)是河北省的糧食主產區(qū)，產業(yè)結構較為傳統(tǒng)，農業(yè)用水占比超過60%，用水結構長期處于不均衡的狀態(tài)。近年來，在國家“以水而定”等水資源管理政策的宏觀調控下，冀中南部地區(qū)正在逐漸優(yōu)化產業(yè)布局，淘汰傳統(tǒng)高耗能產業(yè)，選擇該區(qū)域近期的用水結構演變規(guī)律開展研究，對于北方缺水區(qū)域的水資源管理而言具有較好的代表性和典型性。基于此，本文采用信息熵理論、洛倫茨曲線和基尼系數(shù)，分析2008—2018 年間冀中南部用水結構的時間演變規(guī)律，以期為區(qū)域未來用水管理決策提供參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)收集

冀中南部地區(qū)包括石家莊、衡水、邢臺和邯鄲四市，位于北緯36°20′～38°47′、東經113°30′～116°34′，總面積47 766 km2，地理位置如圖1所示。本文水資源相關數(shù)據(jù)來源于2008—2018 年《河北省水資源公報》，相關經濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)取自2008、2018 年《河北省統(tǒng)計年鑒》。

圖1 冀中南部地區(qū)位置

由2008—2018 年《河北省水資源公報》可得冀中南部四市這一階段的逐年用水量，如圖2所示。

由圖2 可知，2008—2018 年間該區(qū)域用水總量基本呈現(xiàn)“升-降-升”的態(tài)勢，變化的節(jié)點分別在2012 和2018 年。農業(yè)用水自2010 年后開始明顯下降，由2010 年的67.02 億m3下降至2018 年的54.08億m3；工業(yè)用水自2012 年后開始明顯下降，由2012年的9.28 億m3下降至2018 年的6.63 億m3；生活用水則呈逐年上升趨勢，由2008年的8.06億m3上升至2018 年的10.85 億m3；生態(tài)用水同樣呈逐年上升趨勢，其中2018 年生態(tài)用水較上一年增加4.30 億m3，增長率達117.63%，漲幅尤為明顯。

圖2 冀中南部四市2008—2018年逐年用水量

2 研究方法

2.1 信息熵理論

信息熵理論最早由劉燕等[7]引入用水結構的評價中，用以系統(tǒng)性地展現(xiàn)區(qū)域用水結構時間演變趨勢，由于該理論可以量化區(qū)域用水結構的均衡度，因而被廣泛應用[3，8-10]，信息熵理論公式為：

式中：H為信息熵值；i為用水類型；n為區(qū)域用水類型的總個數(shù)；Pi為各類用水比重。

H值越大，代表研究區(qū)用水系統(tǒng)越穩(wěn)定。

2.2 洛倫茨曲線和基尼系數(shù)

洛倫茨曲線源于經濟學，最早用于描述社會經濟分配的合理性，由劉歡等[11]引入水資源領域，用以探討區(qū)域各類型用水的空間分布情況，某類用水的洛倫茨曲線越彎曲，代表該類用水的空間分布差異性越大。

在繪制洛倫茨曲線之前，需先計算各市各類型用水的區(qū)位熵，區(qū)位熵計算公式為：

式中：Q為區(qū)位熵；Yij為i市的第j類用水；Yj為研究區(qū)j類總用水量；Wi為i市的總用水量；W為研究區(qū)總用水量。

然后按照區(qū)位熵大小順序依次計算各市j類用水量百分比和總用水量百分比，并進一步得出累計百分比；最后，以各市總用水累積百分比為橫坐標，以某類用水的累計百分比為縱坐標繪制洛倫茨曲線，為直觀體現(xiàn)各類用水洛倫茨曲線的彎曲程度，一般會再增加y=x曲線作為參照線。

基尼系數(shù)可以定量描述用水結構的空間分布情況，用以補充洛倫茨曲線的不足，一般采用梯形面積法，計算公式為：

式中：G為基尼系數(shù)；Xi為某市某一類型用水量的累計百分比；Yi為某市用水總量占研究區(qū)用水總量的百分比。

本文研究區(qū)為冀中南部地區(qū)，包括石家莊、衡水、邢臺和邯鄲四市，因此1 ≤i≤4（i取整數(shù)），基尼系數(shù)的取值意義見表1。

表1 基尼系數(shù)與評價結果的關系

3 結果分析

3.1 用水結構時間演變分析

依據(jù)式（1）計算冀中南部地區(qū)2008—2018 年信息熵值演變結果，如圖3所示。

圖3 冀中南部地區(qū)2008—2018年信息熵值演變

由圖3 可以看出，2008—2018 年間冀中南部地區(qū)的用水結構信息熵值總體呈波動上升態(tài)勢，由2008年的0.73上升至2018年的0.97，漲幅達24.66%，表明區(qū)域的用水結構不斷優(yōu)化，各類型用水間差異逐漸減小。信息熵值的上升階段可分為2010 年后和2015年后，因此將時間序列劃分為3個階段（2008—2010、2010—2015、2015—2018年），結合圖2剖析冀中南區(qū)域3個階段用水結構的影響因素。

（1）2008—2010 年研究區(qū)信息熵值由0.73 下降至0.71，降幅為2.17%。此階段信息熵值出現(xiàn)小幅下降情形，說明各類型用水量差異擴大。2008—2010 年間河北省正處在經濟高速發(fā)展的“三年大變樣”[12]階段，與之對應的是水資源管理體制不夠完善，造成用水粗放、水資源過度開采等問題；與此同時，由于中央于2009 年提出了如“耕地保護紅線”[13]等農業(yè)保護政策，農業(yè)仍是區(qū)域用水的大戶，而社會對農業(yè)節(jié)水的重視程度普遍不夠，造成農業(yè)用水不斷上漲，由圖2可知，在此期間研究區(qū)農業(yè)用水量由63.91 億m3上升至67.02 億m3。因此，此階段冀中南部地區(qū)信息熵值的下降可歸結為社會節(jié)水意識不強和水資源管理政策調控不夠到位。

（2）2010—2015 年研究區(qū)信息熵值由0.71 上升至0.81，漲幅為14.30%。此階段信息熵值上升幅度較大，說明此期間冀中南部四市各類型用水趨于均衡，優(yōu)勢行業(yè)用水下降，劣勢行業(yè)用水上升。2011年最嚴格水資源管理制度[14]的頒布提高了用水管理部門的工作積極性，促進了社會節(jié)水意識的增強，對區(qū)域用水結構優(yōu)化起到極大的帶動作用，如農業(yè)用水由2010年的67.02億m3下降至2013年的60.10億m3，降幅達11.52%，生態(tài)用水由2010 年的1.32 億m3上升至2013 年的3.15 億m3。隨后，信息熵值進入2014、2015 年平穩(wěn)期，并出現(xiàn)小幅回落現(xiàn)象。此階段信息熵值的變化體現(xiàn)了最嚴格水資源管理制度的實施對冀中南部地區(qū)的用水結構優(yōu)化的促進作用。

（3）2015—2018 年研究區(qū)信息熵值由0.81 上升到0.97，漲幅達19.71%。此階段信息熵值大幅上漲，說明區(qū)域用水結構優(yōu)化具有強大驅動力。首先，受2016 年極端暴雨天氣影響，冀中南部區(qū)域多數(shù)農田出現(xiàn)內澇，導致該年度區(qū)域農業(yè)用水大幅下降，由2015年的59.59億m3下降至54.88億m3，農業(yè)用水的大幅下降也促進了信息熵值的上升，由2015 年的0.81上升至2016年的0.87；其次，由于地下水超采嚴重等原因，河北省對農業(yè)用水管理力度不斷加大，冀中南部更是農業(yè)用水管理的重點區(qū)域，一方面不斷推行噴灌、高標準管灌等農業(yè)節(jié)水措施，另一方面開展水資源稅費改革[15]，使農業(yè)用水量直接與稅務掛鉤，調動農戶節(jié)水積極性；最后，南水北調、引黃入冀等外調水工程極大緩解了冀中南部地區(qū)的水資源壓力，特別是2018年南水北調中線工程生態(tài)補水效果顯著，使該年度冀中南部地區(qū)信息熵值顯著提升。綜上，此階段冀中南地區(qū)信息熵值上升可歸結為極端暴雨天氣、農業(yè)用水治理和外調水工程補水效果的影響。

3.2 用水結構空間演變分析

根據(jù)時間序列的演變規(guī)律分析結果，選取時間序列起始年2008 年、信息熵值第一階段增長節(jié)點2015 年、信息熵值第二階段增長期和時間序列終點年2018 年，計算得出四市不同類型用水量的區(qū)位熵和基尼系數(shù)，并繪制各市用水類型的洛倫茨曲線，以解析各階段用水結構的空間分布特征，各市用水類型的洛倫茨曲線如圖4所示。

圖4 2008、2015和2018年冀中南部各類型用水洛倫茨曲線

由圖4可以看出，農業(yè)用水的洛倫茨曲線距平均線最接近，表明農業(yè)用水在冀中南部地區(qū)四市分布最為均衡；其次工業(yè)用水和生活用水的洛倫茨曲線與平均線相距較遠，說明這2種類型用水的分布較農業(yè)相比更為集中；生態(tài)用水的洛倫茨曲線距平均線最遠，說明在冀中南部四市之間的生態(tài)用水分布存在顯著差異。就圖4（a）、（b）和（c）對比而言，農業(yè)用水和工業(yè)用水的洛倫茨曲線均有逐漸偏離平均線的趨勢，農業(yè)用水偏離幅度較小，工業(yè)用水偏離幅度較大；生活用水的洛倫茨曲線基本無偏離或靠近平均線趨勢；生態(tài)用水洛倫茨曲線則是呈現(xiàn)出先靠近、后偏離的趨勢。

為進一步定量描述各類型用水在冀中南部地區(qū)的空間差異性，分別計算出2008、2015 和2018 年各類型用水的基尼系數(shù)及其評價結果，詳見表2。

表2 冀中南部2008、2015和2018年不同類型用水及評價結果

由表2 可以看出，冀中南部地區(qū)的農業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水基尼系數(shù)在3 個年份均小于0.20，達到絕對平均狀態(tài)。其中，農業(yè)用水基尼系數(shù)最小，說明冀中南部地區(qū)作為河北省糧食基地，四市的農業(yè)化程度呈現(xiàn)高度協(xié)同性；工業(yè)用水處于絕對平均狀態(tài)，但2018 年基尼系數(shù)值明顯擴大，說明近年來冀中南部四市改進和淘汰傳統(tǒng)高耗能重工業(yè)節(jié)奏進程不一；生活用水在2008、2015 年的基尼系數(shù)值變化不大，在2018 年的基尼系數(shù)值略有下降，表明2008—2018 年間冀中南部四市生活用水量的空間分布改變不大。2008—2018 年間冀中南部四市生態(tài)用水量，如圖5所示。

圖5 冀中南部四市2008—2018年間生態(tài)用水量

生態(tài)用水的基尼系數(shù)變化幅度較大且變化趨勢不單一，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。由圖5可知，石家莊市和邢臺市在這期間生態(tài)用水量顯著提升，尤其是2018 年南水北調中線工程生態(tài)補水后，石家莊市的生態(tài)用水量由2017 年的1.79 億m3上升至2018年的5.74 億m3，漲幅達220.67%，加大了生態(tài)用水在冀中南部分布的空間差異。總體來看，冀中南部地區(qū)的生態(tài)用水空間分布呈帶有波動性的均衡化狀態(tài)。

計算2018 年冀中南部四市各類型用水區(qū)位熵結果，如圖6所示。

圖6 冀中南部四市2018年用水結構區(qū)位熵

由圖6 可知，邢臺市農業(yè)用水區(qū)位熵最高，且邢臺市、邯鄲市和衡水市的農業(yè)用水區(qū)位熵均在1.00以上。冀中南部地區(qū)作為河北省的糧食主產地，大部分區(qū)域位于華北平原，氣候、地理等條件均適合農業(yè)發(fā)展，在現(xiàn)行水資源剛性約束的政策背景下，如何在保持糧食產量的情況下削減農業(yè)用水量成為未來冀中南部地區(qū)產業(yè)結構調整的重點。石家莊市農業(yè)用水區(qū)位熵最低，為0.83，一方面是因為石家莊市作為河北省省會城市，產業(yè)結構優(yōu)化進程較快，第三產業(yè)占比在2018年達到55.5%，農業(yè)經濟的地位下降，另一方面是由于石家莊市不斷推行農業(yè)節(jié)水措施，部分地下水超采嚴重的區(qū)縣經常作為河北省水資源管理條例的先行試點區(qū)，造成農業(yè)用水量進一步削減；邯鄲市工業(yè)用水區(qū)位熵最高，達到1.44，明顯高于其他三市，邯鄲西部山區(qū)蘊藏豐富的煤礦和礦石資源，因此該區(qū)域重工業(yè)發(fā)達，但在如今社會要求經濟綠色高質量發(fā)展的背景下，邯鄲地區(qū)的工業(yè)結構亟待優(yōu)化；邯鄲市生活用水區(qū)位熵最高，達到1.22，其次為石家莊，區(qū)位熵值為1.12，明顯高于邢臺市和衡水市，石家莊市作為河北省經濟文化中心，城鎮(zhèn)化速度領先全省，同時，自2014 年京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略提出后，石家莊市的戰(zhàn)略地位日益凸顯，經濟社會發(fā)展速度進一步加快，相應的生活用水區(qū)位熵較高，邯鄲市則是冀南的經濟中心，承擔著三省樞紐的重要作用，因此生活用水區(qū)位熵水平較高，此外，石家莊市2018 年生活用水區(qū)位熵略低于邯鄲市是由于該年度石家莊市生態(tài)用水量大幅增加，因此在一定程度上拉低了生活用水區(qū)位熵值；石家莊市生態(tài)用水區(qū)位熵值最高，達1.95，遠超其他三市，究其原因，一方面是因為2018 年南水北調生態(tài)補水效果顯著，滹沱河多處斷流段恢復過流，另一方面是由于近年來石家莊市不斷進行河渠治理、蓄水植綠等水系生態(tài)修復工程，各方面因素促使石家莊市生態(tài)用水量不斷上升。

4 結論

（1）2008—2018 年間，冀中南部地區(qū)用水結構信息熵值演變主要有2 個明顯上升階段，2010—2015 年信息熵值由0.71 上升至0.81，此階段信息熵值上升的主要驅動因素是由于最嚴格水資源管理政策的頒布和實施；2015—2018 年信息熵值由0.81 上升到0.97，此階段信息熵值上升主要是因為極端暴雨天氣、農業(yè)用水治理和外調水工程補水效果等多方面驅動因素的影響。

（2）區(qū)域不同類型用水的空間分布演變分析結果表明，農業(yè)用水在冀中南部地區(qū)四市分布最為均衡，其次工業(yè)用水和生活用水，生態(tài)用水的空間分布最具有差異性。冀中南部地區(qū)的農業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水基尼系數(shù)均達到絕對平均狀態(tài)，生態(tài)用水的基尼系數(shù)由2008 年的差距懸殊狀態(tài)到2018年的相對合理狀態(tài)，空間分布呈帶有波動性的均衡化趨勢。