辽宁省水资源开发利用时空特征分析

白伟桦

(辽宁省河库管理服务中心,沈阳 110003)

水资源与生态环境保护及经济发展密切相关,这种自然资源甚至具有决定性作用[1]。人类活动及自然变化产生的叠加影响应与水资源开发相适应,从而采取人为措施促进人水协调发展。由于特殊的气候条件,辽宁省生态环境脆弱,林草覆盖率不高,人水关系不协调且温度变化剧烈,亟须掌握水资源开发利用的时空演变特征,并制定适应性利用对策。目前,许多学者研究了水资源在人类活动和气候变化共同影响下的适应性及时空演变规律,如赵娜娜以若尔盖湿地流域为例,探究了湿地径流受气候变化的影响及其变化趋势;王国庆等以岚河流域为例,应用水文模型分析了河川径流受人类干扰及气候变化的影响;张慧等利用奎屯河流域近50a水文气相资料和遥感数据,探究了水资源及冰川受气候变化的影响。也有学者探究了水资源空间均衡性和利用对策,如克里木等结合水资源利用现状及禀赋条件,探究了新疆地区的长期战略对策。总体而言,水资源开发利用的影响因素较多,而有关研究大多从某一方面分析其时空演变特征,难以从本质上揭示其发展特征[2-7]。因此,文章从水资源开发利用结构、效率和利用量3个方面,较为全面地研究辽宁省2011—2020年水资源开发利用时空特征,以期为区域水资源的高效合理性开发利用、规划提供科学依据。

1 研究区概况

辽宁省位于E118°53′～125°46′,N38°43′～43°26′之间,属温带半干旱半湿润季风气候区,雨热同期,四季分明,经济基础较好,自然环境优越。多年平均降水量600～1100mm,具有明显的区域性、季节性降水特征,从时间上主汛期(6～9月)降雨集中,占全年的60%,从空间上东部较高接近1100mm,西部降水偏少只有400mm,中部适中达到600mm。入海河流有沿海诸河、太子河、辽河和浑河,出境河流有、青龙河、柳河、浑江、老哈河、大凌河支流和东、西辽河等,入国际河流有叆河、鸭绿江、蒲石河等。

2 研究方法

2.1 数据来源

研究数据来源于水资源调查评价、2011—2020年统计年鉴和水资源公报等资料,使用2011—2020年社会经济及用水数据分析水资源开发利用效率和利用量,受数据系列长度限制仅分析2012—2020年区域用水效率。

2.2 计算方法

针对水资源开发利用的用水结构、用水效率和用水量选择相应的方法分析其时空演变特征,其中变异系数可以反映数列的离散状况,评价各行业用水量的时间变化及空间差异性;洛伦兹曲线能够定性分析存在一定联系的两组数据不均等状况,基尼系数可以定量评价区域人口、第二产业、耕地与水资源的匹配性,从而评定区域用水的空间差异性及其合理性[8]。采用Arc GIS软件和直观、易懂的空间分级分类法,从时空变化上分析区域用水效率;均衡度和信息熵能够反映信息系统的不确定性、稳定性及用水结构的时空变化,但无法评价时间变化与用水结构布局合理性[9-12],具体如下:

1)变异系数C。定义数组平均值与标准差的比值为用水量变异系数C,即:

(1)

2)基尼系数G和洛伦兹曲线。采用公式(2)和表1中的评价标准计算确定:

(2)

式中:Xu、W为单元u的某一经济指标和水资源量占所有单元该指标的百分比;Su为u单元之前的累积水资源量百分比。

表1 基尼系数匹配性标准

3)均衡度和信息熵。定义用水结构的信息熵和均衡度为H、J,用水行业数量及行业n的用水量占比为N、pn,其计算方法为:

(3)

3 结果与分析

3.1 用水量分析

2011—2020年辽宁省用水总量年均值为335×108m3,最大、最小年用水量为347×108m3和320×108m3,2011～2016年全省用水量变化明显,2016—2020年呈波动上升的变化趋势。采用公式(1)计算2011—2020年居民生活、第二产业、农业用水量及用水总量年变异系数,如图1所示。

图1 2011—2020年各类用水变异系数

由图1可知,2011—2019年从低到高各类用水量变异系数排序为用水总量<农业<生活<第三产业,第二产业远高于生活、农业用水量和用水总量的变异系数,其变异系数处于0.82～0.90之间,说明从空间分布上辽宁省第二产业用水量存在明显差异。2011—2020年生活、农业用水量和用水总量的变异系数取值区间为0.6～0.7,三者的空间差异相近,而第二产业呈明显变化特征。

一般地,水文频率年不同则区域水资源量也不尽相同,为降低基尼系数计算结果受水文频率年变化的影响程度,并进一步保证基尼系数的年际可比性,在计算匹配原象基尼系数时取近10a水资源均值,2011—2020年辽宁省第二产业增加值、耕地面积、人口与水资源匹配的基尼系数如图2所示。

图2 2011—2020年社会经济指标与水资源匹配基尼系数

由图2可知,2011—2020年辽宁省第二产业增加值与水资源匹配的基尼系数处于0.31～0.35之间,总体达到相对均衡状态,说明研究区第二产业布局与水资源空间禀赋相对匹配,但接近0.4的警戒值,并且该基尼系数呈波动下降趋势,说明第二产业布局在发展用水层面有所改善。2011—2020年辽宁省耕地面积、人口与水资源匹配的基尼系数处于0.06～0.115之间,总体达到绝对均衡状态。

3.2 用水效率分析

文章参考相关研究成果选择各行业用水定额评价用水效率,其中生活、第二产业、农业用水效率评价指标为居民生活、工业万元增加值和农业综合灌溉的用水定额,计算分析2012—2020年以上行业用水定额变化特征。

1)农业综合灌溉用水定额。2012—2020年该指标表现出明显的波动变化特征,其最大差距达到1800m3/hm2,在空间上各地市农业用水效率也具有显著差异。具体而言,朝阳市、阜新市历年均值为7826m3/hm2和7561m3/hm2,相较于其它地区其用水效率达到领先水平;丹东市、鞍山市历年均值为9205m3/hm2和9168m3/hm2,相对于其它地区其用水效率最差。从空间分布上,辽宁省东南部较其它地区的农业综合灌溉用水定额更大。

2)工业万元增加值用水定额。2012—2020年该指标表现出波动下降的变化特征,其中大连市的工业用水效率增幅最大,2020年相较于2012年用水定额下降近60%,同期经济较发达的沈阳市、本溪市、营口市也分别下降58%、35%、37%;全省只有铁岭市、抚顺市2020年较2012年增大了31%和8%。从空间分布上,辽东、辽南地区较其它区域的工业万元增加用水定额较小,具有更高的用水效率。

3)城乡居民生活用水定额。2012—2020年该指标表现出先增大后减小的变化特征,其中铁岭市和沈阳市2020年相比于2015年下降了15%、12%,锦州市2020年相比于2014年下降8%,只有本溪市2020年相比于2014年增大1%。2013—2018年辽北高于辽南的生活用水定额,但2019—2020年辽北地区用水定额明显减小,表明该地区生活用水效率不断提升。

3.3 用水结构分析

从生态环境、生活、农业、第二和第三产业用水的角度上分析全省用水结构时空变化,辽宁省各地市2011—2020年用水结构均衡度值如表2所示。

表2 2011—2020年用水结构均衡度

由表2可知,辽宁省各地市2011—2020年均衡度总体表现出先上升后下降再波动变化的特征,其中2011—2014年波动增加,2014—2017年波动减小,而2017—2020年的波动变化明显,并且各地市的转折变化点略有差异。研究时段内本溪市均衡度历年均值最小为0.46,该地区均衡度最大和最小值为0.48、0.41。2011—2020年本溪市历年第二产业、农业用水量占总用水量的9%～12%和76%～81%,生态环境、第三产业、生活合计用水量在总用水量中的比例为9%～12%,相对于其它行业农业用水量具有主导地位。鞍山市均衡度历年均值最大为0.74,该地区均衡度最大和最小值为0.76、0.70,说明该市具有较好用水结构均衡性[13-15]。2011～2020年鞍山市历年第二产业、农业用水量占总用水量的26%～28%和52%～58%,生态环境、第三产业、生活合计用水量在总用水量中的比例为16%～20%。

4 结 论

文章依据2011—2020年辽宁省社会经济和用水数据,从水资源开发利用结构、效率和利用量的角度上分析了其时空演变特征,主要结论如下:

1)2011—2020年,辽宁省水资源空间禀赋与人口、农业的匹配性较好,具有较为均衡的发展布局;水资源空间禀赋与第二产业的匹配性最差,具有较差的空间均衡性。但研究时段内全省水资源与第二产业的匹配度不断提升,空间差异性呈波动减小趋势,在受到水资源空间禀赋约束的条件下全省第二产业发展布局开始注重水资源因素。

2)辽宁省生活、农业和第二产业用水效率的空间差异较为明显。从空间分布上,辽宁省东南部较其它地区的农业综合灌溉用水定额更大,辽东、辽南地区较其它区域的工业万元增加用水定额较小,辽北高于辽南的生活用水定额,但近年来表现出减小趋势。

3)2011—2020年本溪市均衡度历年均值最小为0.46,说明其用水结构非常不均衡;鞍山市均衡度历年均值最大为0.74,表明该市具有较好用水结构均衡性。生态环境、第三产业用水量占比小而农业用水量占比大是影响研究区用水结构均衡性的重要因素。