河南省黄河流域用水结构演变与空间均衡状态评价

徐方圆, 石家豪, 韩宇平,2, 赵衡,2, 王富强,2

(1.华北水利水电大学 水资源学院,河南 郑州 450046; 2.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室,河南 郑州 450046)

水资源既是自然演化的基础资源,也是经济发展的战略资源,直接或间接地控制着生态延续与环境维持[1]。随着我国人口增长、经济迅速发展、工业化和城市化进程加快,水资源短缺、用水结构不合理等问题已经成为制约区域经济社会高质量发展的主要障碍。用水结构与用水量、用水水平之间密切相关,对区域经济社会的良性发展具有重要的驱动、制约和导向作用。积极合理地调整用水结构是实现水资源优化配置、化解用水矛盾的重要途径。黄河流域在我国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位,但流域内水资源较为贫乏、用水竞争激烈,故开展黄河流域用水结构的演化规律和空间均衡研究对黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。

目前,用水结构演变的研究方法主要有:基于信息学理论的信息熵和均衡度模型[2-5]、基于经济学理论的洛伦茨曲线和基尼系数模型[6-9]、基于生态学原理的生态位及其熵值模型[10-11]和基于统计学原理的数理统计方法[12]等。以往与区域用水结构相关的研究对象多为经济发达省市或干旱缺水地区,而以流域为对象的研究较少[13]。针对黄河流域的研究,孙思奥等[14]采用对数均值迪氏指数方法分析了黄河流域用水量的时空演变特征,揭示了流域用水时空变化的主要影响因素;陈颖杰等[15]基于生态位理论分析了黄河流域内主要省区用水结构的演变特征,并与发达国家的用水结构相比较,提出了黄河流域水资源利用的相关建议;王雁林等[16]在分析黄河流域陕西段农业、工业和生活用水等在结构上的变化及其规律的基础上,阐明了造成这种变化的主要驱动力因子,并探讨了未来用水结构的发展趋势及其对水资源供需形势的影响。近年来,随着黄河流域经济社会的快速发展,水资源供需矛盾突出、水安全保障形势严峻,系统分析黄河流域用水结构及其演变特征,对于区域水资源合理开发利用具有重要意义。

综上所述,已有学者对黄河流域用水结构变化特征展开研究,并取得了阶段性成果,然而将用水结构演变特征与空间均衡程度相结合的研究相对较少。本文运用信息熵、洛伦茨曲线和基尼系数等方法,定量分析了河南省黄河流域用水结构2010—2019年的演变特征和空间均衡程度,研究成果可为统筹区域产业结构和用水结构布局提供科学依据,对优化区域水资源利用结构,节约集约利用水资源具有指导意义。

1 区域概况

黄河从陕西潼关进入河南省境内,西起灵宝市,东到台前县,流经三门峡、洛阳、济源、焦作、郑州、新乡、开封、濮阳8个市28个县(市、区)。黄河河南段全长711 km,流域面积3.62万km2,占黄河流域总面积的5.1%,占河南省总面积的21.7%。河南省大部分地处暖温带,南部跨亚热带,属于北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候,同时还具有自东向西由平原向丘陵山地气候过渡的特征,具有四季分明、雨热同期、复杂多样的特点。为保证数据的完整性和统计方便,选取河南省黄河流经的8个市为单元开展研究。河南省黄河流域位置分布如图1所示。

图1 河南省黄河流域位置示意图

2 数据与研究方法

2.1 数据来源

本文选取2010—2019年《河南省水资源公报》《河南统计年鉴》及各市水资源公报中农业用水、工业用水、生活用水和生态用水数据。同时,参考了各市水资源调查评价成果、水资源综合规划成果等资料。

2.2 研究方法

2.2.1 信息熵

在信息学理论中,信息熵和信息绝对值相等,符号相反,前者用来衡量系统无序程度,后者用来衡量系统有序程度。为分析用水结构的动态演化过程,将信息熵概念与水资源利用系统相结合,最终通过熵值体现用水结构的种类数量和各类用水量的分布均匀性。

在一定时间范围内,Q为水资源系统的总用水量,x1、x2、…、xn为n种用水类型,q1、q2、…、qn为每种用水类型对应的用水量,p1、p2、…、pn为每种用水类型的用水量占总用水量的比重,即:

(1)

(2)

信息熵反映了水资源利用的多样性与系统结构的差异性,借助其可探讨用水结构的动态演变规律。

2.2.2 洛伦茨曲线

20世纪初,美国经济学家LORENZ M O[17]为刻画收入和财富在不同区域之间分配的不均匀性,提出了洛伦茨曲线的概念。随着学科间的不断交叉融合与社会经济的不断发展,这一概念在许多研究领域得到了广泛运用[18-21]。在洛伦茨曲线中,横坐标和纵坐标皆为累积百分比,研究对象决定了百分比的含义。不同研究对象的累积曲线(y=f(x))与绝对平均线(y=x)的距离表示各个研究对象空间分配的均衡程度。y=f(x)距离y=x越近,研究对象的空间分配越均衡;y=f(x)距离y=x越远,空间分配的差距越大。

2.2.3 区位熵

为了绘制出洛伦茨曲线,首要步骤就是计算每个分区的区位熵[22]。区位熵的数值含义为各研究分区各类用水百分比与总用水百分比的比值,几何意义表示洛伦茨曲线中的斜率,具体公式为:

(3)

式中:Lij为第i分区第j类用水区位熵;Qij为第i分区第j类用水量,m3;Qj为整个区域的第j类用水量,m3;Qi为第i分区的各类用水总量,m3;Q为整个区域的各类用水总量,即总用水量,m3。

通过式(3)即可计算出各分区的区位熵,按照区位熵从小到大分别列出Qij/Qj和Qi/Q,即各类用水百分比与总用水百分比,分别将其逐个累加得到各类用水和总用水的累积百分比,以总用水累积百分比为横坐标,各类用水累积百分比为纵坐标,并按照Lij由小到大的顺序描点绘制洛伦茨曲线。多个数据点在同一条洛伦茨曲线上代表多个分区,将各点用平滑的曲线依次相连,形成一条倾向于横坐标的弧线。

2.2.4 基尼系数

尽管洛伦茨曲线能够直观地显示区域用水的空间均衡程度,但无法用于定量分析,特别是当曲线图中包含多种用水类型时,对于多条近似重合的凹型曲线,无法确定其中的哪一条均衡程度更好,因此引入基尼系数来定量分析区域用水的空间均衡程度。1922年,意大利科学家基尼为分析收入分配的均衡程度,提出了基尼系数的概念。如今它已被广泛应用于资源配置和土地利用等多个领域[23-25],基尼系数的几何含义为绝对平均线y=x与实际累积曲线y=f(x)所围成面积和绝对平均线下直角三角形面积的比值,其计算公式为:

(4)

式中:G为基尼系数;f(x)为各研究对象累积曲线的函数。本文横坐标x为总用水累积百分比,纵坐标f(x)为各类用水累积百分比。

然而在具体运算中,难以知晓累积曲线f(x)准确的函数表达式。本文使用较为常见的三角形面积法估算基尼系数,具体公式为

(5)

式中:I为基尼系数的估计值;Mi、Mi+1分别为第i、i+1分区的总用水累积百分比;Pi、Pi+1分别为第i、i+1分区的各类用水累积百分比;n为分区总数,本文中n=8,即河南省黄河流域流经的8个市。

本次评价分析采用国际公认的评价区间划分标准[26-27],详见表1。

表1 基尼系数评价区间划分标准

3 实例分析

3.1 熵值演变特征

运用信息熵分析2010—2019年河南省黄河流域用水结构的整体演变特征,计算结果见表2。由表2可看出:①2010—2019年,河南省黄河流域农业用水、工业用水比例分别减少了4.95%和6.75%,而生活用水、生态用水比例分别增长了5.57%和6.14%,说明河南省黄河流域的水资源开发利用正由单目标向多目标开发方向转变,在扩大综合利用范围的同时也兼顾考虑生态系统的协调与发展;②信息熵总体呈先波动后缓慢上升的变化趋势,与用水总量的阶段变化基本一致,由2010年的1.137 nat增加至2019年的1.253 nat,其中2014年之前呈波动变化,2015年之后稳步上升,说明河南省黄河流域的用水结构正在向无序方向发展,用水类型间差别减小,用水结构的均衡性和稳定性上升。

表2 2010—2019年河南省黄河流域用水结构比例与信息熵

由数据分析可知,河南省黄河流域的用水结构朝着良性循环的方向演化,由原来的以农业用水、工业用水为主,逐渐调整为各部门用水类型间协调分配。具体表现为农业用水、工业用水比例减少,而生活用水和生态用水比例增加,信息熵值逐步增大。因此各用水类型不再具备单一的绝对优势,用水结构不断向兼顾生态安全的综合发展方向调整,水资源开发利用整体趋向多元化与合理化。

3.2 时空演变特征

河南省黄河流域2010年和2019年各类用水洛伦茨曲线如图2所示。由图2可以看出,相比于2010年,2019年工业用水和生活用水空间分布的均衡程度没有显著变化,而农业用水和生态用水空间分布的均衡程度明显下降。

图2 2010和2019年河南省黄河流域各类用水洛伦茨曲线

2010—2019年河南省黄河流域各类用水基尼系数与评价结果见表3。由表3可知:①河南省黄河流域农业用水基尼系数从2010年的0.178增加至2011年的0.229,并在2015、2016年回落到初始值附近后,上升至2019年的0.218;②工业用水基尼系数多年呈现小幅度波动,2014年存在一次明显下降,最终由2010年的0.234变为2019年的0.224;③生活用水基尼系数从2010年的0.262激增至2011年的0.370,2013年回落到初始值,并在2019年上升至0.255;④生态用水基尼系数从2010年的0.267陡降至2011年的0.207,后在2016年达到峰值0.370,最终回落到2019年的0.320。

表3 2010—2019年河南省黄河流域各类用水基尼系数与评价结果

图3更直观地展示了2010—2019年河南省黄河流域各类用水基尼系数的变化趋势。由图3可知,2010—2019年河南省黄河流域各类用水的基尼系数均在0.15～0.40间波动变化,即河南省黄河流域各类用水的空间均衡程度整体处于“绝对平均”与“相对合理”之间。可见,自2010年起,河南省黄河流域用水结构差异程度呈现出相对平稳状态。

图3 2010—2019年河南省黄河流域各类用水基尼系数变化趋势

可以看出,2010—2019年河南省黄河流域工业用水、生活用水的空间均衡状态未出现较大改变,而农业用水、生态用水的空间均衡程度明显下降。说明多年来各市对于工业用水和生活用水已形成一套长期稳定的规划分配方案,而部分地市逐渐意识到生态用水的重要性,开始探索生态治理与保护的科学方法,并尝试与农业用水分配形成有机联系,由此产生了图2、3与表3中的变化特征。未来需要多部门各行业对于水资源的统筹规划与合理利用,才能充分把握空间格局的均衡标准。

3.3 空间均衡度分析

为定量分析河南省黄河流域内8个市各类用水的空间均衡程度,选取2019年用水量数据绘制洛伦茨曲线,统计结果见表4和图4。

表4 2019年河南省黄河流域用水量统计

图4 2019年河南省黄河流域各类用水空间均衡程度分布情况

由图4可以看出,在各类用水中,距离绝对平均线最近的是农业用水曲线,工业用水曲线次之,生活和生态用水曲线距离绝对平均线较远。表明2019年河南省黄河流域的空间均衡程度从高到低依次是农业用水、工业用水、生活用水和生态用水,农业用水和工业用水在河南省黄河流域各市中空间分布比较均衡,生活用水和生态用水空间分布比较集中。借助基尼系数描述河南省黄河流域各市四类用水均衡程度的差异性,评价结果见表3。2019年河南省黄河流域各市农业用水基尼系数为0.218,评价结果为“比较平均”;工业用水基尼系数为0.224,评价结果为“比较平均”;生活用水基尼系数为0.255,评价结果为“比较平均”;生态用水基尼系数为0.320,评价结果为“相对合理”,基尼系数值更加清晰地验证了洛伦茨曲线图所得结论。

3.4 地区差异性分析

为进一步探讨河南省黄河流域各市用水空间均衡程度差异的原因,计算了2019年分区域各类型用水量的区位熵,计算结果见表5。

表5 2019年河南省黄河流域各类用水区位熵

由表5可知,2019年河南省黄河流域农业用水方面,新乡、焦作、濮阳市的用水比重较高,其中新乡市的农业用水区位熵为1.436,已超过其余7个市。这是因为新乡市作为我国的商品粮基地和优质小麦生产基地,多年来依靠优越的农业资源和区位优势,积极推动农业快速发展。

工业用水方面,除开封、新乡、濮阳市外,河南省黄河流域其他市区位熵均在1.0以上,郑州市的工业用水区位熵为1.120,与其他市未有明显差距。相比之下,洛阳市的工业用水区位熵达到1.745,是其余7个市工业用水区位熵平均值的1.8倍。结合2019年的基尼系数可以看出,河南省黄河流域工业用水虽在整体格局下空间均衡程度较好,但各市的区位熵反映出一些实际问题,例如洛阳市和三门峡市的工业用水与其他市有很大差异,需要根据城市实际情况,对传统工业产业进行绿色改造,推进工业节水,提高用水效率,实现清洁生产和循环利用。

生活和生态用水集中在郑州、开封、三门峡、济源等市,普遍具有较高的用水比例;而农业、工业用水在这些地区显现出偏低的用水比例,这些地区内部之间水资源利用特征相似。由于城市现代化进程的加快,郑州、开封、三门峡等市的人口增长和社会经济飞速发展;而周边如焦作、濮阳等市上述类型用水比例与用水总量逐年递增,并伴有小幅波动,导致地区间差异性越来越大。

4 结论

1)从熵值演变特征来看,河南省黄河流域的用水结构朝着良性循环的方向演化,由原来的以农业用水、工业用水为主,逐渐调整为各部门用水类型间协调分配。具体表现为农业用水、工业用水比例减少,而生活用水和生态用水比例增加,信息熵值逐步增大。因此各用水类型不再具备单一的绝对优势,用水结构不断向兼顾生态安全的综合发展方向调整,多元化与合理化发展成为水资源开发利用的主旋律。

2)从时空演变特征来看,2010—2019年河南省黄河流域工业用水、生活用水的空间均衡状态未出现较大改变,而农业用水、生态用水的空间均衡程度明显下降。说明多年来各市对于工业用水和生活用水已形成一套长期稳定的规划分配方案,而部分地市逐渐意识到生态用水的重要性,开始探索生态治理与保护的科学方法,并尝试与农业用水分配形成有机联系。

3)从空间均衡度来看,农业用水和工业用水在河南省黄河流域各市中空间分布比较均衡,生活用水和生态用水空间分布比较集中。数据结果表明,2019年河南省黄河流域各市农业用水基尼系数为0.218,评价结果为“比较平均”;工业用水基尼系数为0.224,评价结果为“比较平均”;生活用水基尼系数为0.255,评价结果为“比较平均”;生态用水基尼系数为0.320,评价结果为“相对合理”。

4)从地区差异性来看,在河南省黄河流域8个市中,新乡、焦作、濮阳市的农业用水比例较高,其中新乡市的农业用水区位熵要高于其他市;工业用水虽在整体格局下空间均衡程度较好,但洛阳、三门峡市的工业用水显著超过其他市;生活、生态用水集中在郑州、开封、三门峡、济源等市,用水比例整体较高,这些地区内部之间具有相似的用水特征。各市在农业、工业、生活和生态用水配置方面仍有优化改进的空间,未来需要进一步加强用水结构的管理和监督,合理引导社会经济和产业布局,实现水资源利用效益最大化,推动黄河流域生态保护和高质量发展。