辽宁省用水结构时空演变特征分析

姜 丹

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000)

城市化的快速推进，伴随着第二、三产业比重的增加、用水总量与经济总量的持续增长、耕地林地的不断缩减以及人口的不断聚集等，用水结构受政策导向、用水效率、经济社会、资源禀赋和科技水平等多要素的交互作用已发生显著改变，水资源系统的不确定性突出。针对不同发展阶段的城市化进程，国内外学者越来越注重对用水结构及其演变特征的研究[1]。

目前，已经历了从定性分析到定量识别的用水结构演变趋势研究，如翟远征等[2]从用水结构与用水总量的角度分析了北京市经济社会的变化特征，依据各部门用水情况识别了关键性驱动要素，并预测了未来用水结构与用水量的演变情况；金菊良等[3]运用向量自回归模型，揭示了山东省用水总量与用水结构之间的动态变化关系；Zhang等[4]采用灰色关联度法和信息熵理论识别分析了驱动因子及用水结构演变特征；Wang等[5]针对用水结构利用综合指标信息熵加以量化，提出海河流域的用水结构呈稳定性和均衡性增强的趋势。针对用水结构与产业结构调整之间的相互变动关系，许多学者运用集对分析和灰色关联法进行定量分析，为协调两者之间的关系奠定了基础，而国外学者侧重于水资源可持续利用受产业供需水预测及其相关要素的影响研究。

综上分析，从时间尺度上探讨用水结构演变特征的相关成果较多，而涉及空间演变过程的研究还鲜有报道。本文依据辽宁地区1985—2018年的用水数据，针对区域用水结构时空变化特征利用信息熵评判指标加以分析，并对研究成果选用重心模型验证，以期为水资源可持续利用和最严格水资源管理提供科学的指导依据。

1 研究方法

1.1 区域概况

辽宁省地处我国东北地区南部，位于E118°53′～125°46′，N38°43′～43°26′之间，属于东北地区既沿边又沿海重要的多外开放门户，从空间结构上划分为沈阳、辽东、辽西和辽北四大片区。该区域为大陆性季风气候，年均气温7.0～11.5℃，年降水量600～1100mm，境内分布饶阳河、大凌河、太子河、浑河、辽河等河流，岛屿有大鹿岛、长兴岛、石城列岛及里长山列岛等266个，全省岛岸线长627km。水资源利用以地下水为主，局部地区的地下水过度开采且水资源浪费严重，水资源存在边际效益低、可开发总量少、开采成本高等特点，城市化建设和经济社会发展使得水资源问题更加突出。调查显示，现阶段已形成以沈阳为核心依次向四周递减的产业结构发展格局[6- 18]。1985—2018年期间，辽宁地区的三产结构从33.5∶41.2∶25.3调整为4.7∶44.2∶51.1，第三产业逐渐转变为支柱产业，三产结构中第一产业比重不断减少。用水结构因用水对象的改变现已发生较大变化，总体呈工业用水比例上升而农业用水比例大幅下降的特征，该区域1985年生活、城镇公共、工业和农业用水比例6.0∶0.5∶4.6∶88.9逐渐转变为2018年的15.8∶6.4∶25.5∶52.3。

1.2 研究方法

1.2.1信息熵理论

为了更好的衡量系统的不确定性、稳定程度和信息量，1948年Shannon在信息论中引入了热力学中熵的概念，从而反映复杂系统的演变情况。我国用水结构随着社会经济的发展已发生较为显著的改变，初级阶段以农业用水为主并逐渐发展为生活、工业、农业用水更加合理的高级阶段。为了更加直观地反映系统演变特征，利用信息熵原理探讨辽宁地区的用水结构演化规律。

(1)

在用水类型不变的情况下，各计算单元有p1=p2+…=pN=1/N，此时Hmax=lnN且系统状态为最有序；反之，若用水类型仅存在一种情况，则系统信息熵最小Hmin=0，其状态极为简单。此种情形在实际工况中并不存在，所以应按照标准Hmin≤H≤Hmax反映用水结构信息熵，通过标准化熵获取均衡度指数J，其数学式如下：

J=H/Hmax

(2)

各部门用水量在均衡度J不断增大的情况下趋于平衡，而用水系统结构在单一用水类别优势度减少的情况下更加稳定和复杂，良性循环为用水系统演化的主要方向。采用下式求解均衡度指数

1.2.2重心模型

在前后左右各方向上空间中某一点始终保持相对均衡的力量即为重心的概念，其理论基础为物理学。在时程上用水结构重心的空间移动方向及其空间位置利用重心模型确定，通过解析各部分用水比例的空间格局变动规律以及用水结构信息熵进一步揭示用水结构空间演变特征，探讨用水结构的均衡程度与变化轨迹。设n个平面单元组成某一评价区域，重心坐标(Xi，Yi)与平面单元i相对应，区域i在第j年的属性值为Tij，则利用下式反映重心坐标：

(3)

(4)

式中，Tij—反映空间单元面积的属性值；(Xi，Yi)—区域几何中心。通过对用水比例的调整获取空间单元属性值，即第j年区域i的重力坐标。通过移动方向、距离来客观重心的移动轨迹，文中n取研究区的14个地市。

1.3 数据来源

选取辽宁省水资源公报、水资源综合规划提取1985—2018年的用水数据，按原口径分类研究区1985—2010年的用水数据，以每5年一个数据分类统计生活、农业、农业用水；根据生态、生产、生活3个类型，分类统计2010—2018年的逐年数据。考虑行业用水分析实际情况，以新口经转化1985—2010年的数据。

2 结果分析

2.1 用水结构演变特征分析

辽宁地区的生态、生活、城镇公共、农业及工业5大类用水情况，如图1所示。从图1可知，辽宁地区的总用水量呈不断上升的变化趋势，从最初的421亿m3不断提升至2018年的435亿m3，用水总量增长率达到0.88%；1985—2018年的用水结构发生显著的改变，1985年的生活、城镇公共、工业、农业用水比例6.0∶0.5∶4.6∶88.9逐渐转变为2018年的15.8∶6.4∶25.5∶52.3。由于用水对象的变化，总体上呈工业用水比例增大而农业用水比例大幅下降的特征，占据主导地位的逐渐转变为生活用水，其它行业用水区域均衡。沈阳地区的工业较为发达，农业用水比例逐渐小于工业用水。

2.2 用水结构时空演变特征

(1)用水结构时间变化特征。图2反映了辽宁地区1985—2018年期间的用水结构信息熵变化情况，整体表现出先增大后区域稳定的特征。1985年用水结构均衡度和信息熵为0.261、0.452，截止2010年增长至0.672和1.150，此期间信息熵平均增长率达到0.047/a；用水结构均衡度、信息熵自2010年后逐渐增长至0.780和1.131。结合信息熵的基本内涵，单一用水结构在用水系统中的比例随着信息熵值的增大而减少，系统稳定性与均衡性不

图1 辽宁地区历年用水量变化

图2 用水结构均衡度和信息上

断增强。通过对1985—2018年辽宁地区用水结构变化状况的分析，总用水量中各部门均衡用水逐渐替代单一的以农业用水为主的模式，同样信息熵呈不断上升趋势。

(2)用水结构空间变化特征。根据不同时间点上各片区用水结构信息熵可知，由于其它部分用水比例较小而农业用水比重较大，使得结构信息熵在辽宁省各片区总体处于较低水平；2010—2018年，用水结构信息熵在4个片区内总体呈缓慢增大趋势，其中用水结构信息熵达到高值的有辽东地区和沈阳片区。相对而言，辽西和辽北这两个区域为用水结构信息熵低值区，此区域信息熵增长幅度较小且长期处于相对稳定状态；2018年，用水结构信息熵值在辽东和沈阳片区已超过1为1.086、1.327，而在辽西和辽北地区为0.781、0.860。根据区域用水情况，沈阳地区的工业、农业用水比例呈先上升后稳定和不断减少的趋势，变化幅度为从5.2%上升至38.2%、从88.0%减少至32.7%，城镇公共用水和生活用水比重呈不断增大的变化特征；辽东地区生活用水占比高且人口规模较大，从最初的8.1%不断增大至2018年的20.5%，各行业用水比例逐渐区域平衡；农业用水比例在辽北和辽西地区仍占据主导地位，这两个片区的农业用水和工业用水比例分别为72.6%、76.1%与14.3%、6.8%，信息熵评判结果仍处于较低水平。

2.3 用水结构重心转移过程

通过对城镇公共、生活、工业、农业用水的年重心、用水结构信息熵以及重心移动的方向与距离的分析，进一步检验在时空上的用水结构演变情况，结果见表1。

1985—2018年期间，逐渐向南转移为辽宁地区用水结构信息熵的典型变化特征，不同领域的用水比重呈均衡发展趋势。用水结构信息熵在沈阳片区从最初的0.45不断增大至2020年的0.97，进一步分析原因为该时期沈阳片区的工业发展迅速，从而导致农业用水不断减少而工业用水急剧增大。1985—2000年期间，沈阳片区的工业用水比例从6.1%快速上升至30.4%，而农业用水比例从最初

表1 1985—2018年四大片区信息熵和用水比例

的86.2%迅速减少至57.6%；信息熵重心在2000—2010年折返北移，这主要与沈阳地区的产业空间结构优化、人口聚集、技术革新和城市升级等因素相关，农业和工业用水比例从57.0%减少到32.4%、自30.4%上升至43.1%。2010年后，向南移动并区域相对稳定状态为用水结构信息熵表现出的典型特征。从2010—2018年沈阳片区、辽东、辽西和辽东的用水结构信息熵变化幅度总体减弱。通过对原因的分析发现，辽宁地区2010年的产业结构调整以服务业加速发展、工业内部升级加快等为主。城镇公共、工业和农业用水比例均呈现出小幅度的变化特征，由此表明不同年代之间的用水信息熵重心呈一定的空间转移特征，能够较为准确的反映在时空变化上各部门用水的变化情况。

3 结语

区域用水结构的演变受政策导向、资源禀赋、经济发展和科技水平等条件作用，其不确定性呈不断增强趋势。本文依据辽宁省1985—2018年的用水数据，对研究区用水结构时空演变特征利用信息熵理论进行研究分析，对相关结论的准确性利用重心模型加以验证，得出的结论如下：

(1)1985—2018年，辽宁地区的工业用水比例和用水量不断增大，而农业用水比例及用水量呈明显的减少趋势，城镇公共和生活用水比例的上升幅度较为缓慢，用水比例趋于均衡认定而用水结构信息熵呈上升趋势。

(2)显著的区域性差异为辽宁地区用水结构演变的典型特征，用水结构受经济辐射影响形成了以沈阳片区为核心的聚集区。沈阳片区为信息熵高值区并逐渐成为用水重心，城镇公共、生活和工业用水中心逐渐转移至沈阳片区，而辽北地区为农业用水重心转移区。