珠江区用水量及用水结构时空演变分析

关键词：用水量；用水结构；信息熵；重心；时空演变；珠江区

中图分类号：TV21 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0087-10

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是经济社会发展的基础性、先导性、控制性要素。水资源开发利用情况体现在供用水量及供用水结构，其中用水结构的合理与否关系着区域社会经济的可持续发展，影响着区域用水量和用水水平，调整用水结构可有效缓解水资源供需矛盾及优化水资源配置［1］。科学地分析经济社会发展供用水量及供用水结构及变化趋势，是编制水资源开发利用规划的前提和基础，是最严格水资源管理水量指标分配的重要支撑，对实现区域水资源合理配置乃至保障经济社会高质量发展均具有重要意义。

众多学者对用水量［2-5］和用水结构［1，5-14］演变趋势进行了研究。张之颖等［2］采用BFAST趋势检验法和空间自相关分析法探究了1965—2013年中国用水量的时空演变规律，中国用水量趋势变化的突变点主要在1990年后，用水量的分布存在空间集聚特征，基本以胡焕庸线为界，用水量的集聚度东高西低，集聚区域也随时间变化，研究成果为水资源保护及用水效率的提升提供科学依据。易晶晶等［6］采用信息熵理论研究了广东省1980—2015年用水结构时空演变特征，广东省用水结构信息熵总体呈上升趋势，用水系统的稳定性和均衡性增强，用水结构信息熵重心逐步向珠三角地区转移，农业用水重心逐步向粤北地区转移，工业用水、生活用水和城镇公共用水重心逐步向珠三角地区转移，研究成果对区域最严格水资源管理具有重要意义。陈晓清等［1］采用信息熵、均衡度、洛伦兹曲线和基尼系数等研究方法，对中国七大地理分区的用水结构时空演变特征进行对比分析，中国用水总量在波动后呈先增后减趋势，各类型用水均衡性也在平缓上升，其中珠江区涉及的华南、西南等地区均衡度缓慢增加，用水结构系统均朝着更加稳定的方向发展，研究成果为水资源更合理和高效利用提供一定依据。

珠江区是中国最南端的水资源一级区，涉及云南、贵州、广西、广东、湖南、江西、福建、海南等8省（自治区）以及香港、澳门特别行政区，总面积57. 91万km²。随着气候变化和经济社会发展，珠江区内用水量和用水结构也发生了变化。目前，多数研究聚焦全国以及部分省区，长江流域、黄河流域也有学者进行了研究［15-17］，对于珠江区全区的用水量与用水结构变化趋势的研究相对较少。运用信息熵理论和重心模型对珠江区的用水量和用水结构时空演变特征进行分析，为优化珠江区用水结构、指导珠江区水资源高效利用、更好地服务区域经济社会高质量发展提供一定的技术支撑。

1研究分区及数据来源

1. 1研究分区根据水资源

分区来确定研究分区。研究范围为水资源一级区珠江区，研究分区根据水资源二级分区确定，包括南北盘江、红柳江、郁江、西江、北江、东江、珠江三角洲、韩江及粤东诸河、粤西桂南沿海诸河、海南岛及南海各岛诸河等10个水资源二级分区，见图1。

1. 2数据来源

为分析珠江区用水量和用水结构变化情况，本文对各分项用水数据进行了整理分析，本次研究的的数据主要包括总用水量及生活、工业、农业、生态环境用水量数据，数据来源于全国第二次水资源调查评价成果、全国第三次水资源调查评价成果［18］、《珠江片水资源公报》（2017—2019）［19-21］。目前珠江区水资源公报更新至2021年，但由于新冠疫情影响，2020、2021年用水量在系列中不具备代表性，本次仅研究1980—2019年用水量的时空演变特性。

2研究方法

2. 1信息熵模型

信息熵的概念由美国科学家Shannon于1948年提出，将此概念运用于用水结构分析，构建信息熵模型研究珠江区用水结构的演变情况。将生活、工业、农业、生态环境用水看作一个统一的系统，系统越均衡，信息熵就越大。信息熵的大小可反映系统中各用水户用水量的均衡程度。

2. 3灰色关联度分析

灰色关联度可以反映变量之间的关联程度。通过灰色关联度的计算，可以得到各个变量之间的关联情况，进而进行数据分析和决策支持。灰色关联度分析可比较参考数列和若干比较数列集合的相似程度，而非参考数列与单一比较数列分析，结果具备系统性。采用灰色关联度分析法分析用水量与降水量及社会经济指标的关联程度，研究用水量及用水结构变化的驱动因素。

根据关联度数值大小，可分为弱关联（0～0. 35）、中等关联（0. 35～0. 70）、强关联（0. 7～1. 0）3类［22］。

3珠江区用水量时空演变分析

3. 1用水量变化分析

3. 1. 1用水量变化情况

珠江区及区内各二级区用水量变化情况见图2。1980—2019年，珠江区总用水量总体呈增长趋势，增加了156. 06亿m³，年均增长率为0. 55%。其中，1980—2005年呈增长趋势，年均增长率为1. 14%，2005—2019年呈下降趋势，年均增长率为-0. 50%。各分项用水量中，生活用水量、工业用水量、生态与环境补水量分别增加至165. 18亿、162. 46亿、10. 92亿m³，年均增长率分别为3. 82%、4. 91%、9. 41%，农业用水量由594. 64亿m³大幅降低至475. 86亿m³。

3. 1. 2驱动因素分析

用水量的变化与经济社会发展紧密联系，在供给侧受气候变化、工程建设及相关政策调控影响，在需求侧则与人口、GDP、工业增加值和农田实灌面积有关。珠江区人口、GDP变化见图3。

近40 a，珠江区人口连年增长，2019年常住人口较1980年增加了80. 2%，常住人口城镇化率也由14. 8%提高至63. 2%，人民的生活水平大幅提高，人口的大幅增长驱动生活用水连年增长，同时城镇化的加剧则导致许多农业用地转化为其他类型用地，2000年及以前，珠江区耕地面积超16000万亩（1亩约等于666. 67m²），2000年以后，耕地面积连年减少，加之灌溉节水水平的不断提升，灌溉水需求降低，农业用水量持续降低。珠江区的产业发展经历了劳动密集型产业主导发展阶段、资本密集型产业主导发展阶段、技术密集型产业主导发展阶段，发展模式也由粗放式发展逐渐向集约型发展转变，2010年以前，工业产业粗放式发展模式下，工业用水量大幅增长，2010年以后随着产业不断迭代升级及节水力度的提升，工业用水量平稳降低。此外，随着生态文明建设的深入，生态环境用水需求大幅提高，生态环境用水量持续增长。

为进一步分析用水量变化的驱动因素，供给侧选取可量化的降水量、大中型水库兴利库容等指标，需求侧选取人口、GDP、工业增加值、农田实灌面积等指标，进行灰色关联度分析，分析结果见表1。由表1可知，珠江区用水量变化与所选取的指标均呈中等及以上关联程度，其中降水量、大中型水库兴利库容、人口、农田灌溉面积变化是影响用水量的主要驱动因素。总用水量、生活用水量、农业用水量变化均与降水量、大中型水库兴利库容、人口、农田实灌面积呈强关联；工业用水量变化2010年以前与6个指标均呈强关联，2010年以后与大中型水库兴利库容、人口呈强关联；生态与环境补水量变化2010年以前与大中型水库兴利库容、GDP、工业增加值呈强关联，2010年以后与大中型水库兴利库容、人口、农田实灌面积呈强关联。2010年后，总用水量变化与降水量、人口、GDP、农田实灌面积的关联度较2010年前降幅超0. 1，其中与降水量关联度降幅超0.2，这与供水工程不断完善、城镇化水平和节水水平不断提升有关。

3. 2用水量重心变化分析

基于珠江区各二级区用水量，应用重心模型计算各年度总用水量及各分项用水量重心，结果见图4，各二级区总用水量及各分项用水量占珠江区用水量的比例见图5，各二级区社会经济指标占珠江区的比例见图6。

珠江区总用水量重心位于西江二级区内，2010年前，总用水量重心东移，这与珠江区东部的珠江三角洲、东江2个二级区用水量大幅增长及占珠江区总用水量比重也连年增长的趋势一致，与珠江区的经济社会发展趋势吻合，在该时期，珠江区东部广东省经济增速领先于区内其他省份，用水量增速较大。2010年以后，随着最严格水资源管理制度的实施以及西部大开发等国家战略的推进，珠江区内西部的云南、贵州、广西等省（自治区）经济社会发展提速，西部的二级区总用水量占珠江区用水总量比例回升，总用水量重心向西移动。

珠江区各分项用水量重心绝大部分位于西江二级区，仅有2010、2011年生态环境用水量重心偏移至西江与北江二级区交界处。除农业用水量重心向西侧红柳江和郁江二级区方向偏移外，其余分项用水量均呈向东侧珠江三角洲地区偏移的趋势，这与二级区分项用水量占珠江区分项用水量比例的变化趋势一致。

生活用水量重心总体呈东移趋势。2012年以前，珠江区人口大幅增长，而珠江三角洲人口占珠江区的比例由11. 5% 增长至23. 9%，增速显著，东江二级区也略有增加，其他二级区人口比重减小，人口虹吸效应明显，珠江三角洲生活用水量显著增长，生活用水量占珠江区比例大幅提升，生活用水重心向东侧移动。2012年以后，珠江三角洲人口比重趋于稳定，变化速度缓慢，生活用水重心趋于稳定而略有西移。

工业用水量重心总体呈东移趋势。珠江区各二级区中，仅东部的珠江三角洲、东江2个二级区工业增加值占珠江区比例呈增长趋势，其他二级区均有所降低，2000年以前比重增速高，工业用水重心大幅东移，2000年以后，虽然东部工业体量及比重仍在增加，但工业用水效率提升速率明显高于西部，工业用水重心向西移动。

农业用水量重心总体呈西移趋势。2005年以前，农业用水重心大幅西移，东部区域经济社会发展较西部快，东部灌溉面积减小，农业用水比重大幅降低。2005年以后，农业用水重心呈震荡西移趋势。

生态环境用水量重心总体呈东移趋势。2010年以前，生态环境用水量重心大幅东移，2010年以后则呈震荡西移趋势，这与各二级区生态环境用水量占珠江区用水量比例的变化趋势一致。

4珠江区用水结构时空演变分析

4. 1用水结构变化情况

随着行业用水量的变化，用水结构也在不断发生变化。采用统计分析和信息熵模型对用水结构变化进行分析，采用重心模型对用水结构信息熵的空间变化情况进行分析。计算结果见图7、8。40a来，2010年以前，人口年均增长率高达1. 69%，城镇人口年均增长率高达6. 25%，城镇化率年均增长率高达4. 48%，2010年以后，人口年均增长率仅0. 95%，城镇人口年均增长率仅2. 47%，城镇化率年均增长率仅1. 51%，结合图8，2010年以前，用水结构、用水结构信息熵和均衡度、用水结构信息熵重心变化幅度大，2010年以后，变化幅度大幅减小，珠江区用水结构变化可以2010年为界分为2个阶段。

a）第一阶段。第一阶段为1980—2010年，珠江区用水结构信息熵和均衡度大幅上升。农业用水比重大幅下降，从90. 3%下降到57. 8%，生活用水、工业用水比重大幅增长，分别从5. 8%、3. 8%增加到16. 1%、24. 8%；生态环境用水比重从0% 增加到1. 3%。珠江区用水结构信息熵重心逐步东移，该阶段珠江区东部用水结构信息熵增长较快，东江、珠江三角洲、韩江及粤东诸河用水信息熵分别由0. 31、0. 49、0. 37增长到1. 11、1. 14、1. 00。

b）第二阶段。第二阶段为2010年以后，珠江区用水结构信息熵和均衡度基本趋于稳定，用水结构基本稳定，趋于更加均衡的状态。该阶段，珠江区用水结构略有调整，农业用水比重基本维持在58%左右；工业用水比重略有下降，从24. 8% 降至19. 9%；生活用水比重连年增大，从16. 1% 增至20. 3%；生态环境用水比重基本维持在1. 3%。珠江区用水结构信息熵重心略有西移，东部用水结构在该阶段趋于稳定，西部区域用水结构变化较东部大。

4. 2驱动因素分析

采取3. 1中的方法分析用水结构变化的驱动因素，灰色关联度分析结果见表2。由表2可知，珠江区用水结构变化与所选取的指标均呈中等及以上关联程度，其中大中型水库兴利库容、人口、农田灌溉面积变化是影响珠江区用水结构的主要驱动因素，与用水量驱动因素相比，降水量不再作为主要驱动因素。生活用水比重变化与人口呈强关联；工业用水比重变化与大中型水库兴利库容、人口呈强关联，农业用水比重与降水量、大中型水库兴利库容、人口、农田实灌面积呈强关联，生态与环境补水量变化的驱动因素变化相对较大。2010年后，各用水比重变化与GDP的关联度较2010年前降幅均超0. 1，其中工业用水比重与其关联度降幅接近0. 2，这与2010年来节水水平不断提升有很大关系。

5结论与展望

珠江区用水量总体呈增长趋势，于2005年达到峰值后略有降低，用水总量重心以2010年为界呈现先东移、后西移趋势；各分项用水量中，生活用水量、工业用水量、生态与环境补水量总体呈增长趋势，农业用水量大幅降低，各分项用水量重心中除农业用水量重心西移外，其余分项用水量重心均呈东移趋势，这与各二级区分项用水量占珠江区各分项用水量比例的变化趋势一致，与珠江区经济社会发展趋势一致。

随着行业用水量的变化，珠江区用水结构变化大致可分为1980—2010、2010 年以后2 个阶段，第一阶段用水结构信息熵和均衡度大幅上升，用水结构由极不均衡向偏均衡方向调整；第二阶段用水结构信息熵和均衡度基本趋于稳定，用水结构基本稳定，趋于更加均衡的状态。用水结构信息熵重心位置第一阶段逐步东移，珠江区东部分区用水结构信息熵增长较快，第二阶段略有西移，西部区域用水结构变化较东部大。

用水量与用水结构变化与自然条件及经济社会发展紧密联系，包括降水量、人口、经济水平与结构、各行业节水水平及水利工程建设情况等，同时也受相关政策调控的影响。研究结果表明，在降水量、大中型水库水库兴利库容、人口、GDP、工业增加值、农田实灌面积中，降水量、大中型水库兴利库容、人口和农田实灌面积是用水量和用水结构的主要驱动因素。

随着珠江区经济社会的发展，粤港澳大湾区等国家战略的不断推进，预测珠江三角洲等区域经济社会发展速度仍将领先区内的其他区域，人口虹吸效应进一步加剧，生活、工业用水量重心将进一步东移，珠江区内水资源分配应在节水优先的前提下根据经济社会发展情势及预测情况合理调整，满足经济社会高质量发展需求。

在驱动因素分析中，选取的指标数量有限，后续研究中可进一步搜集相关指标，从供给侧和需求侧深入剖析用水量和用水结构变化的驱动因素，丰富研究成果，为珠江区水资源管理提供技术支撑。