干旱灌區用水結構演變及驅動力分析

劉 兵，何新林，張少博，彭 飛，張 葉

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

新疆水資源極度匱乏，且農業用水占總用水量的比例居高不下，在新疆天山北坡綠洲區農業用水總用水量大都在90%左右。在農業節水技術基本普及的情況下，農業用水的節水潛力已十分有限。在外界環境變遷帶來的錯綜復雜的諸多因素的影響下，其用水結構的變化趨勢以及外界環境對其的驅動機制如何引發備受關注[1]。新疆綠洲區生態環境極度脆弱，水資源供需矛盾突出。隨著民國經濟建設的步伐的加快，工業用水、城鎮用水及生態用水量逐年增加，而其用水結構適合均衡是關系兵團墾區能否可持續發展，所以定量評估其用水結構均衡性，可為干旱綠洲區水資源規劃及產業結構調整提供參考。

1 研究方法

1.1 用水結構演變分析方法

目前，在時間序列演變規律分析中，信息熵法應用較為普遍。而為了分析用水結構演變趨勢的持續性，還用了郝斯特系數法發判斷。熵是建立在熱力學第二定律基礎之上的，用以描述自發過程不可逆性的狀態函數。信息論是由著名科學家C. E. Shannon 于1948年創立的，現已成為一門獨立的科學體系，并廣泛地滲透到各種科學技術領域。熵在信息論中是一個非常重要的概念，它是信息的一種測度。Shannon首先在信息論中引入了熵的概念，將其定義為信息熵[2-6]。即對于一個不確定性系統，用隨機變量S表示其狀態特征；對于離散型變量，設x的取值為X={x1,x2,…,xn}，每一取值對應的概率為P={P1,P2,…,Pn}，且有∑Pi=1，則該序列的信息熵可表示為：

(1)

式(1)為Shannon公式，將其定義的熵為廣義熵或泛熵，可用于描述任何一種體系或物質運動系統的混亂度和無序度。信息熵值增加表明無序度增加，在用水結構信息熵的表達中，信息熵越大表明水資源在管區內部各作物間的分配越均衡。

用水結構一般是指農業、工業、生活等用水部門用水量在總用水中的比例。而干旱內陸河區由于干旱少雨、生態環境脆弱，故生態用水也應加以考慮。本文中的用水結構是指農業用水、工業用水、生活用水和生態用水在總用水中的比例。另外，由于荒漠生態植被因無專門灌溉，而是靠天然降水與水利工程棄水維系，對生態用水是由灌區內部人工植被生態用水與流域水利工程棄水量之和組成。設各行業用水量為Hi，總用水量為H，則用水比例Pi。

Pi=Hi/H

(2)

代入式(1)計算，可得流域用水結構的信息熵序列。信息熵值越大、說明用水結構越均衡?；谛畔㈧毓?，定義用水結構均衡度E的表達式為：

E=-∑pilnpi/lnm

(3)

即用水結構均衡度E是用水結構信息熵和最大熵之間的比值，取值范圍為(0,1)，其值越大，表明各行業用水量越均衡，差別就越小。當E=1時，用水結構的復雜程度最低，即各行業用水比例完全均衡；E值越小，則表示，當E=0時，用水結構不均衡度達到最大，表示某一行業用水量等于總用水量。

另外，為了檢驗用水結構的變化是否持續性及其強弱程度，對其信息熵序列還采用郝斯特系數H(Hurst)。當H=0.5，認為序列無明顯趨勢；H>0.5，表明序列趨勢性前后一致，越大則趨勢性越強；H<0.5時，表明其前后趨勢存在相反趨勢，越小其趨勢性越強。

1.2 驅動力分析方法

進行成因分析的方法較多，但大都需要進行以下假設：①各共同因子之間不存在相關性；②各特殊因子之間也存在相關性；③共同因子和特殊因子之間也不相關。而影響干旱灌區用水結構的可能要素無法完全滿足以上3條假設。主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，是把原來多個變量化為少數幾個綜合指標的一種統計降維處理分析方法，不需要滿足以上假設，所以本文中采用主成分分析法，其分析原理見文獻[5]。

2 應用實例

2.1 研究區概況

新疆石河子墾區位于天山北坡經濟開發區核心地帶，2008年區內過敏生產總值已達122.01 億元，其中農業35.33 億元，工業44.75億元，第三產業41.93億元。地處準噶爾盆地南緣，東起瑪納斯河，西至巴音溝河，南靠依連哈比爾尕山，北接古爾班通古特沙漠。地理坐標為東經85°01′～86°32′，北緯43°27′～45°21′?，F有灌溉面積14.365 萬hm2。其灌溉水源主要為瑪納斯河，其年內分配有明顯的“春汛、夏洪、秋退、冬枯”的特點?，敿{斯河灌區農業用水量占絕大部分，達到90%以上。另外農業內部也存在種植結構單一、用水高峰期集中的問題。20世紀90年代以后耕地面積快速增加，同時由于灌區的結構較為單一，棉花的種植面積占整個播種面的80%左右，造成灌溉蓄水高峰期集中，造成嚴重的季節性水資源短缺。由于灌區種植面積的連年擴大，水資源供需形勢日益嚴峻。

2.2 資料來源與處理

由于新疆兵團的特殊體質，墾區內設有中心城鎮、工業、三產發展規模與農業相當。其用水結構與其他地區的純農業灌區區有較大差異。所以涉及資料除農業資料、水文氣象據以外，還包括涉及工業與第三產業的國民經濟數據三部分。其中國民經濟資料來自新疆兵團農八師統計年鑒與石河子瑪納斯河流域管理處，水資源數據主要來自石河子水文水資源勘測局，氣象資料來自石河子氣象局，懇區內各氣象站點的實測資料。資料序列長度為1988-2011年。

2.3 用水結構演變規律

由圖1可以看出，整個墾區用水結構信息熵均衡度E前期變化較緩慢，其信息熵E從1988年的0.1左右，到2011年的0.3左右，且在2005年前后出現了明顯轉折。其中石河子灌區的信息熵值一直高于莫索灣灌區，且差距在2000年以后逐年拉大；而莫索灣灌區與下野地灌區的但信息熵值得變化過程及大小基本一致。分析結果說明石河子灌區相對于其他兩個灌區行業用水結構比較均衡，而莫索灣灌區與下野地灌區由于農業用水比例過大，而工業及第三產業發展滯后導致用水量不均衡，導致信息熵值長期低于石河子灌區。同時，與通過其他地區相比，3個灌區的用水結構熵值都處于較低水平，均不超過0.5，這與新疆綠洲區農業用水比重過高相符合，且均呈持續穩定的上升趨勢，表明其農業用水進一步下降，工業、生活用水比例進一步提高，用水結構向趨于均衡的結構發展，符合新疆兵團的產業結構調整的整體趨勢。由于石河子灌區內部的石河子市自2000年以后，獲批為國家總體經濟技術開發區，第二產業發展迅速，從1988年的0.45億元增加至2011年的110.78億元，而且即使考慮工藝節水技術的發展，第二產業的用水量占總用水量的比重增加也十分顯著。而其他兩個灌區受其區位影響，產業結構升級相對滯后。其用水結構也明顯受到影響，特別是2000年，隨著西部大開發建設帶動的城鎮第二、三產業發展，導致3個灌區的用水差異顯著拉開，這與3個灌區的經濟發展過程比較吻合。

圖1 石河子墾區用水結構信息熵變化過程(1988-2011年)Fig.1 The change process of information entropy of the Water use structure in irrigation areas (1988-2012)

3 驅動力分析

3.1 影響因子的初選

干旱區水資源系統是個復雜的自然-人工二元水系統。受到氣候環境與人類活動兩方面的綜合作用。其用水結構的變化是由人類活動為主的社會經濟因素與氣候變化與水資源條件為主的自然環境變化因素雙重作用的結果。各個部門用水量的變化受各種因素的影響。所以應影響因子從社會經濟因素、氣候變化因素及水資源因素3個方面進行篩選[8]。

(1)國民經濟方面：社會經濟因素的變化設計社會各個層面的多項指標，通過比較與分析，初步選取較為有代表性的8個指標作為基礎參數，即GDP、土地利用類型、灌溉面積、種植結構、工業用水效率、農業用水效率、節水面積、人口增長率、農村人口比例、用水定額及水資源調蓄控制率。

(2)氣候變化方面：主要有年降水量變化速率與ET0兩個指標。

(3)水資源方面：主要由灌區水資源供需比及地下水補給速率兩個指標。

3.2 主成分分析

本文應用統計軟件DPS對灌區用水結構的影響因素進行主成分分析，以便定量分析個影響因素對用水結構變化的貢獻率，結果如表1所示。

表1 各因子特征值及主成分貢獻率Tab.1 Eigenvalues and principal component contribution rate of each factor

主成分分析結果顯示：①在3個影響研究區用水結構變化的驅動力要素中，3個灌區都是以節水技術及產值為主的社會經濟因素對其用水結構演變過程起主導作用，其貢獻率都在50%左右，說明以行業萬元GDP用水量、節水技術推廣率、農業面積為主的社會經濟因子對于灌區用水結構的構成起到決定性作用；②氣候變化因素與水資源因素對灌區用水結構的影響相差不大，其中水資源因素對灌區用水結構的影響略大，顯示干旱內陸區水資源對行業用水的影響超過了氣候變化因素；③3個因素之和對灌區用水結構變化的貢獻率都達到了80%，驗證了導致灌區用水結構變化的因素即為所選擇的社會經濟因素、氣候變化因素及水資源因素；(4)在3個灌區中，石河子灌區的社會經濟因素貢獻率最大，主要由于石河子灌區內具有具有一定規模的工業與第三產業的用水效率較灌區內部長期占主導的種植業高所致。

4 結 語

從1988-2011年灌區用水結構信息熵值可以看出，用水結構均衡度過低，也表明灌區用水結構均衡度較低，且其驅動力因子是以經濟總量及農業種植規模等為主的社會經濟是影響。目前，石河子墾區水資源開發利用程度整體相對較高，大約在80%左右，墾區總體處于缺水狀態，且缺水集中在6-8月。從水土資源平衡的角度可以得出結論，目前墾區農業種植規模過大，需要適度控制灌溉面積，以降低農業用水占總用水量的比重，具體措施如下。

(1)調整種植結構、錯開用水高峰期。針對目前墾區用水結構嚴重不均衡，農業用水比重過大。調整種植結構，錯開用水高峰期。以2011年為例，種植結構從當現狀的以棉花為主的經濟作物播種面積約占墾區總播種面積的74%，降低10%，在總播種面積保持不變的情況下，主要缺水月份7月的缺水量可從4 135 萬m3降低到2 027 萬m3，用水高峰期得以有效分散。種植結構調整后可節水約1.22 億m3，減少14.39%。

(2)壓縮流域現狀耕地面積。目前墾區的耕地面積約為14.37 萬hm2，在滿足最小生態需水的情況下，平水年情況下，在墾區水資源供需缺口的為0.78 億m3，按照目前農作物節水灌溉條件下的定額計算，在關鍵時段，缺水的灌溉面積為1.1 萬hm2。因此，墾區的適應適量壓縮耕地面積，壓縮面積占總播種面積的比例為7.7%。

(3)調整產業結構，提高第二、三產業比重。目前墾區GDP組成，一產：二產：三產約為1∶1.2∶1.2，用水量比例為330∶2∶2:1,綜合分析得各行業用水效率為1∶180∶220。鑒于第一產業相對二、三產業極低的用水效率，所以應嚴格農業用水總量及種植業規模，大力發展低耗水的第二、三產業，有助于從根本上提高用水結構的均衡度，從而實現干旱灌區的水資源可持續利用。

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[1] 張 劍，關全力.新疆農業用水向工業用水轉換的對策與措施[J].中國農村水利水電，2012,(9) ：66-68.

[2] 劉 燕，吳文玲，胡安焱.基于熵權的屬性識別水質評價模型[J].人民黃河，2006，27(7)：18-28.

[3] 馬黎華，康紹忠，粟曉玲.西北干旱內陸區石羊河流域用水結構演變及其驅動力分析[J].干旱地區農業研究，2008，26(1)：125-130.

[4] 耿海青，谷樹忠，國冬梅.基于信息熵的城市居民家庭能源消費結構演變分析[J].自然資源學報，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.熵與動態多指標決策[J].河海大學學報，1997，25(3)：15-20.

[7] 姬桂珍，吳承禎，洪 偉，等.武夷山市土地利用結構信息熵動態研究[J].安全與環境學報，2004，4(4)：41-44.

[8] 雷社平，解建倉.產業結構與水資源相關分析理論及其實證[J].運籌與管理，2004，19 (1)：100-105.

[9] 范文波，趙建民，何曉華，等.河子墾區種植業用水構成與種植結構調整[J].灌溉排水學報， 2011，30(4)：91-95.