干旱灌区用水结构演变及驱动力分析

刘 兵，何新林，张少博，彭 飞，张 叶

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

新疆水资源极度匮乏，且农业用水占总用水量的比例居高不下，在新疆天山北坡绿洲区农业用水总用水量大都在90%左右。在农业节水技术基本普及的情况下，农业用水的节水潜力已十分有限。在外界环境变迁带来的错综复杂的诸多因素的影响下，其用水结构的变化趋势以及外界环境对其的驱动机制如何引发备受关注[1]。新疆绿洲区生态环境极度脆弱，水资源供需矛盾突出。随着民国经济建设的步伐的加快，工业用水、城镇用水及生态用水量逐年增加，而其用水结构适合均衡是关系兵团垦区能否可持续发展，所以定量评估其用水结构均衡性，可为干旱绿洲区水资源规划及产业结构调整提供参考。

1 研究方法

1.1 用水结构演变分析方法

目前，在时间序列演变规律分析中，信息熵法应用较为普遍。而为了分析用水结构演变趋势的持续性，还用了郝斯特系数法发判断。熵是建立在热力学第二定律基础之上的，用以描述自发过程不可逆性的状态函数。信息论是由著名科学家C. E. Shannon 于1948年创立的，现已成为一门独立的科学体系，并广泛地渗透到各种科学技术领域。熵在信息论中是一个非常重要的概念，它是信息的一种测度。Shannon首先在信息论中引入了熵的概念，将其定义为信息熵[2-6]。即对于一个不确定性系统，用随机变量S表示其状态特征；对于离散型变量，设x的取值为X={x1,x2,…,xn}，每一取值对应的概率为P={P1,P2,…,Pn}，且有∑Pi=1，则该序列的信息熵可表示为：

(1)

式(1)为Shannon公式，将其定义的熵为广义熵或泛熵，可用于描述任何一种体系或物质运动系统的混乱度和无序度。信息熵值增加表明无序度增加，在用水结构信息熵的表达中，信息熵越大表明水资源在管区内部各作物间的分配越均衡。

用水结构一般是指农业、工业、生活等用水部门用水量在总用水中的比例。而干旱内陆河区由于干旱少雨、生态环境脆弱，故生态用水也应加以考虑。本文中的用水结构是指农业用水、工业用水、生活用水和生态用水在总用水中的比例。另外，由于荒漠生态植被因无专门灌溉，而是靠天然降水与水利工程弃水维系，对生态用水是由灌区内部人工植被生态用水与流域水利工程弃水量之和组成。设各行业用水量为Hi，总用水量为H，则用水比例Pi。

Pi=Hi/H

(2)

代入式(1)计算，可得流域用水结构的信息熵序列。信息熵值越大、说明用水结构越均衡。基于信息熵公式，定义用水结构均衡度E的表达式为：

E=-∑pilnpi/lnm

(3)

即用水结构均衡度E是用水结构信息熵和最大熵之间的比值，取值范围为(0,1)，其值越大，表明各行业用水量越均衡，差别就越小。当E=1时，用水结构的复杂程度最低，即各行业用水比例完全均衡；E值越小，则表示，当E=0时，用水结构不均衡度达到最大，表示某一行业用水量等于总用水量。

另外，为了检验用水结构的变化是否持续性及其强弱程度，对其信息熵序列还采用郝斯特系数H(Hurst)。当H=0.5，认为序列无明显趋势；H>0.5，表明序列趋势性前后一致，越大则趋势性越强；H<0.5时，表明其前后趋势存在相反趋势，越小其趋势性越强。

1.2 驱动力分析方法

进行成因分析的方法较多，但大都需要进行以下假设：①各共同因子之间不存在相关性；②各特殊因子之间也存在相关性；③共同因子和特殊因子之间也不相关。而影响干旱灌区用水结构的可能要素无法完全满足以上3条假设。主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，是把原来多个变量化为少数几个综合指标的一种统计降维处理分析方法，不需要满足以上假设，所以本文中采用主成分分析法，其分析原理见文献[5]。

2 应用实例

2.1 研究区概况

新疆石河子垦区位于天山北坡经济开发区核心地带，2008年区内过敏生产总值已达122.01 亿元，其中农业35.33 亿元，工业44.75亿元，第三产业41.93亿元。地处准噶尔盆地南缘，东起玛纳斯河，西至巴音沟河，南靠依连哈比尔尕山，北接古尔班通古特沙漠。地理坐标为东经85°01′～86°32′，北纬43°27′～45°21′。现有灌溉面积14.365 万hm2。其灌溉水源主要为玛纳斯河，其年内分配有明显的“春汛、夏洪、秋退、冬枯”的特点。玛纳斯河灌区农业用水量占绝大部分，达到90%以上。另外农业内部也存在种植结构单一、用水高峰期集中的问题。20世纪90年代以后耕地面积快速增加，同时由于灌区的结构较为单一，棉花的种植面积占整个播种面的80%左右，造成灌溉蓄水高峰期集中，造成严重的季节性水资源短缺。由于灌区种植面积的连年扩大，水资源供需形势日益严峻。

2.2 资料来源与处理

由于新疆兵团的特殊体质，垦区内设有中心城镇、工业、三产发展规模与农业相当。其用水结构与其他地区的纯农业灌区区有较大差异。所以涉及资料除农业资料、水文气象据以外，还包括涉及工业与第三产业的国民经济数据三部分。其中国民经济资料来自新疆兵团农八师统计年鉴与石河子玛纳斯河流域管理处，水资源数据主要来自石河子水文水资源勘测局，气象资料来自石河子气象局，恳区内各气象站点的实测资料。资料序列长度为1988-2011年。

2.3 用水结构演变规律

由图1可以看出，整个垦区用水结构信息熵均衡度E前期变化较缓慢，其信息熵E从1988年的0.1左右，到2011年的0.3左右，且在2005年前后出现了明显转折。其中石河子灌区的信息熵值一直高于莫索湾灌区，且差距在2000年以后逐年拉大；而莫索湾灌区与下野地灌区的但信息熵值得变化过程及大小基本一致。分析结果说明石河子灌区相对于其他两个灌区行业用水结构比较均衡，而莫索湾灌区与下野地灌区由于农业用水比例过大，而工业及第三产业发展滞后导致用水量不均衡，导致信息熵值长期低于石河子灌区。同时，与通过其他地区相比，3个灌区的用水结构熵值都处于较低水平，均不超过0.5，这与新疆绿洲区农业用水比重过高相符合，且均呈持续稳定的上升趋势，表明其农业用水进一步下降，工业、生活用水比例进一步提高，用水结构向趋于均衡的结构发展，符合新疆兵团的产业结构调整的整体趋势。由于石河子灌区内部的石河子市自2000年以后，获批为国家总体经济技术开发区，第二产业发展迅速，从1988年的0.45亿元增加至2011年的110.78亿元，而且即使考虑工艺节水技术的发展，第二产业的用水量占总用水量的比重增加也十分显著。而其他两个灌区受其区位影响，产业结构升级相对滞后。其用水结构也明显受到影响，特别是2000年，随着西部大开发建设带动的城镇第二、三产业发展，导致3个灌区的用水差异显著拉开，这与3个灌区的经济发展过程比较吻合。

图1 石河子垦区用水结构信息熵变化过程(1988-2011年)Fig.1 The change process of information entropy of the Water use structure in irrigation areas (1988-2012)

3 驱动力分析

3.1 影响因子的初选

干旱区水资源系统是个复杂的自然-人工二元水系统。受到气候环境与人类活动两方面的综合作用。其用水结构的变化是由人类活动为主的社会经济因素与气候变化与水资源条件为主的自然环境变化因素双重作用的结果。各个部门用水量的变化受各种因素的影响。所以应影响因子从社会经济因素、气候变化因素及水资源因素3个方面进行筛选[8]。

(1)国民经济方面：社会经济因素的变化设计社会各个层面的多项指标，通过比较与分析，初步选取较为有代表性的8个指标作为基础参数，即GDP、土地利用类型、灌溉面积、种植结构、工业用水效率、农业用水效率、节水面积、人口增长率、农村人口比例、用水定额及水资源调蓄控制率。

(2)气候变化方面：主要有年降水量变化速率与ET0两个指标。

(3)水资源方面：主要由灌区水资源供需比及地下水补给速率两个指标。

3.2 主成分分析

本文应用统计软件DPS对灌区用水结构的影响因素进行主成分分析，以便定量分析个影响因素对用水结构变化的贡献率，结果如表1所示。

表1 各因子特征值及主成分贡献率Tab.1 Eigenvalues and principal component contribution rate of each factor

主成分分析结果显示：①在3个影响研究区用水结构变化的驱动力要素中，3个灌区都是以节水技术及产值为主的社会经济因素对其用水结构演变过程起主导作用，其贡献率都在50%左右，说明以行业万元GDP用水量、节水技术推广率、农业面积为主的社会经济因子对于灌区用水结构的构成起到决定性作用；②气候变化因素与水资源因素对灌区用水结构的影响相差不大，其中水资源因素对灌区用水结构的影响略大，显示干旱内陆区水资源对行业用水的影响超过了气候变化因素；③3个因素之和对灌区用水结构变化的贡献率都达到了80%，验证了导致灌区用水结构变化的因素即为所选择的社会经济因素、气候变化因素及水资源因素；(4)在3个灌区中，石河子灌区的社会经济因素贡献率最大，主要由于石河子灌区内具有具有一定规模的工业与第三产业的用水效率较灌区内部长期占主导的种植业高所致。

4 结 语

从1988-2011年灌区用水结构信息熵值可以看出，用水结构均衡度过低，也表明灌区用水结构均衡度较低，且其驱动力因子是以经济总量及农业种植规模等为主的社会经济是影响。目前，石河子垦区水资源开发利用程度整体相对较高，大约在80%左右，垦区总体处于缺水状态，且缺水集中在6-8月。从水土资源平衡的角度可以得出结论，目前垦区农业种植规模过大，需要适度控制灌溉面积，以降低农业用水占总用水量的比重，具体措施如下。

(1)调整种植结构、错开用水高峰期。针对目前垦区用水结构严重不均衡，农业用水比重过大。调整种植结构，错开用水高峰期。以2011年为例，种植结构从当现状的以棉花为主的经济作物播种面积约占垦区总播种面积的74%，降低10%，在总播种面积保持不变的情况下，主要缺水月份7月的缺水量可从4 135 万m3降低到2 027 万m3，用水高峰期得以有效分散。种植结构调整后可节水约1.22 亿m3，减少14.39%。

(2)压缩流域现状耕地面积。目前垦区的耕地面积约为14.37 万hm2，在满足最小生态需水的情况下，平水年情况下，在垦区水资源供需缺口的为0.78 亿m3，按照目前农作物节水灌溉条件下的定额计算，在关键时段，缺水的灌溉面积为1.1 万hm2。因此，垦区的适应适量压缩耕地面积，压缩面积占总播种面积的比例为7.7%。

(3)调整产业结构，提高第二、三产业比重。目前垦区GDP组成，一产：二产：三产约为1∶1.2∶1.2，用水量比例为330∶2∶2:1,综合分析得各行业用水效率为1∶180∶220。鉴于第一产业相对二、三产业极低的用水效率，所以应严格农业用水总量及种植业规模，大力发展低耗水的第二、三产业，有助于从根本上提高用水结构的均衡度，从而实现干旱灌区的水资源可持续利用。

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[1] 张 剑，关全力.新疆农业用水向工业用水转换的对策与措施[J].中国农村水利水电，2012,(9) ：66-68.

[2] 刘 燕，吴文玲，胡安焱.基于熵权的属性识别水质评价模型[J].人民黄河，2006，27(7)：18-28.

[3] 马黎华，康绍忠，粟晓玲.西北干旱内陆区石羊河流域用水结构演变及其驱动力分析[J].干旱地区农业研究，2008，26(1)：125-130.

[4] 耿海青，谷树忠，国冬梅.基于信息熵的城市居民家庭能源消费结构演变分析[J].自然资源学报，2004，19 (2)：257-262.

[5] Shanmuganathan S. Applications of an unsupervised neural net work to support sustainable development by modeling environmental, social and economic conditions[C]∥ Proceedings of the Fourth International Symposium on Digital Earth Japan (ISDE2 Japan)，2005：28-31.

[6] 王 梅.熵与动态多指标决策[J].河海大学学报，1997，25(3)：15-20.

[7] 姬桂珍，吴承祯，洪 伟，等.武夷山市土地利用结构信息熵动态研究[J].安全与环境学报，2004，4(4)：41-44.

[8] 雷社平，解建仓.产业结构与水资源相关分析理论及其实证[J].运筹与管理，2004，19 (1)：100-105.

[9] 范文波，赵建民，何晓华，等.河子垦区种植业用水构成与种植结构调整[J].灌溉排水学报， 2011，30(4)：91-95.