江蘇省用水結(jié)構(gòu)變化及驅(qū)動因子分析

湛忠宇 劉美麗 朱永軍

（江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 211500）

江蘇省位于我國大陸東部沿海中部，長江、淮河下游，屬中緯度亞熱帶和暖溫帶地區(qū)，年降水量715～1280mm。江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，人口增長快，水資源需求強(qiáng)勁，但其位于流域末端，地勢平坦，極端氣候變化下，流域干旱發(fā)生概率增大，水資源供需矛盾日益突出。近年來，最嚴(yán)格水資源管理制度和“四定”政策相繼出臺，對區(qū)域水資源總量控制和用水效率提升提出了更高要求，因此，了解江蘇省用水結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及演變趨勢，尋找不同部門用水的驅(qū)動因素，為未來水資源規(guī)劃與管理提供技術(shù)依據(jù)十分必要。

信息熵可以反映出用水結(jié)構(gòu)“經(jīng)濟(jì)-社會-生態(tài)-資源”耦合特性，同時(shí)定量化描述其演變過程，信息熵、區(qū)位熵、基尼系數(shù)等指標(biāo)被廣泛用于直觀描述用水動態(tài)結(jié)構(gòu)演變[1-3]。驅(qū)動力分析常采用一些數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[4-7]，如主成分分析方法、灰色關(guān)聯(lián)分析方法、CROPWAT 模型等?；疑P(guān)聯(lián)分析計(jì)算簡便，數(shù)據(jù)要求不高，綜合灰色關(guān)聯(lián)分析法與歸因分析法用于對用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步剖析，以識別出對不同部門用水量影響程度大的驅(qū)動因子。

本文通過分析2011—2020 年江蘇省水資源條件的變化、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展變化、社會經(jīng)濟(jì)各部門用水量和用水結(jié)構(gòu)的變化，以及相互之間的影響作用，揭示用水量和用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動機(jī)理，從而對未來用水量和用水結(jié)構(gòu)的演變趨勢作出預(yù)測，為協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源利用之間的關(guān)系，以及制定未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的用水?dāng)?shù)據(jù)來源于2011—2020 年《江蘇省水資源公報(bào)》，社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2011—2021 年《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2 信息熵與均衡度

采用信息熵與均衡度對江蘇省用水結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行定量分析，計(jì)算公式分別為

式中：H為信息熵；pi為某類型用水占總用水量的比例；J為均衡度，J=0～1，越大表明用水系統(tǒng)均衡性越強(qiáng)，系統(tǒng)越穩(wěn)定；n為用水類型個(gè)數(shù)。

1.3 灰色關(guān)聯(lián)度模型

用灰色關(guān)聯(lián)度模型分析用水量與驅(qū)動因子的關(guān)聯(lián)度。分別將各用水量、各驅(qū)動因子作為參考序列與比較序列，采用極差化法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，具體計(jì)算步驟見文獻(xiàn)[8]。參考相關(guān)研究[9]，關(guān)聯(lián)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1，關(guān)聯(lián)度越大說明關(guān)聯(lián)性越好。

表1 關(guān)聯(lián)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

2.1 水資源概況

江蘇省降水量的多少和分布影響水資源的豐枯和時(shí)空變化，見圖1。江蘇省降水量年際變化幅度較大，多年（2000—2020 年）平均年降水量為950mm，其中70%以上多集中于汛期（5—9 月），尤其是江淮梅雨期間，連續(xù)降水使土壤飽和，導(dǎo)致大部分降水并沒有轉(zhuǎn)化為當(dāng)?shù)氐乃Y源。江蘇省過境水資源豐富，近10 年平均入省水量（不含長江干流）377.5 億m3，出省水量（不含長江干流）217.6 億m3，出入境可利用水量159.9 億m3。長江干流（大通）平均年徑流量為9089 億m3。江蘇省多年（2000—2020 年）平均水資源總量為339.0 億m3/a，其中地表水資源量264.0 億m3/a，地下水資源量95.0 億m3/a，重復(fù)計(jì)算水資源量20.0億m3/a，多年平均產(chǎn)水模數(shù)33.2m3/（km2·a）。

圖1 2000—2020 年江蘇省降水量和水資源總量的變化

由2000—2020 年的降水量和水資源總量數(shù)據(jù)得到兩者之間的關(guān)系，見圖2。水資源總量與年降水量之間存在著良好的線性關(guān)系（反映線性相關(guān)程度的R2=0.928）。因此，可以根據(jù)降水量數(shù)據(jù)預(yù)測水資源總量。

圖2 江蘇省降水量和水資源總量的關(guān)系

2.2 用水結(jié)構(gòu)演變特征分析

2.2.1 用水量變化特性

2011—2020 年江蘇省總用水量呈現(xiàn)明顯減少態(tài)勢，見圖3。2011—2012 年用水總量在550 億m3以上，2013 年開始，用水總量開始少于500 億m3，之后出現(xiàn)明顯減少趨勢，2017—2019 年出現(xiàn)微弱的上升，2020 年用水總量最少，為452.7 億m3，較2011年556.2 億m3減少103.5 億m3。

圖3 2011—2020 年江蘇省各行業(yè)用水量及占比的變化

從各行業(yè)用水量占比來看，由高到低分別為農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、其他用水量，占比高低順序未發(fā)生變化，見圖3。一直以來，農(nóng)業(yè)都是江蘇省用水量最大的生產(chǎn)部門，農(nóng)業(yè)用水量占到用水總量的一半以上，2014 年更是高達(dá)61.95%，2011—2016 年農(nóng)業(yè)用水量連續(xù)下降，由310.3 億m3降至270.1 億m3，2017—2019 年出現(xiàn)上升，2019 年農(nóng)業(yè)用水量達(dá)303.1 億m3， 2020 年農(nóng)業(yè)用水量低至266.6 億m3，較2011 年減少了43.7 億m3，降低了14%，雖然農(nóng)業(yè)用水量變化不明顯，但未來一定時(shí)期內(nèi)仍存在繼續(xù)減少的跡象。工業(yè)是僅次于農(nóng)業(yè)的第二大用水部門，用水占比30%左右，過去10 年工業(yè)用水量和用水占比均呈穩(wěn)定下降態(tài)勢，2011—2012 年占比都在35.00%以上，2012—2013 年由35.35%降低至28.94%，且在2013 年后持續(xù)低于30.00%并穩(wěn)步降低。生活用水量穩(wěn)定增長，由2011 年的34.4 億m3增長至2020 年的44.3 億m3，增長9.9 億m3，增幅達(dá)28.80%，占比呈逐年上升趨勢，由2011 年的6.18%上升至2020 年的9.79%。其他用水主要包括城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水，從數(shù)據(jù)看，其他用水量和用水占比同生活用水量一樣，呈穩(wěn)定增長趨勢，由2011 年的16.6 億m3增長至2019 年的24.3億m3，僅2020 年出現(xiàn)短暫下降。

2.2.2 各流域用水結(jié)構(gòu)變化特征分析

本文根據(jù)信息熵理論和均衡度理論公式，對2011—2020 年江蘇省三大流域（淮河流域、長江流域、太湖流域）的用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度值進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。對全省的用水結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了分析，具體分析結(jié)果如下：

表2 江蘇省三大流域2011—2020 年用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度

a.三大流域用水結(jié)構(gòu)信息熵值變化不大，說明各流域用水結(jié)構(gòu)總體上相對比較穩(wěn)定，且均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，說明三大流域各用水種類之間的比例差別在縮小，用水結(jié)構(gòu)均衡性在增強(qiáng)。

b.對比三大流域各用水信息熵與全省信息熵，發(fā)現(xiàn)長江流域的用水結(jié)構(gòu)信息熵與全省最為接近，在全省水平基礎(chǔ)上上下波動；太湖流域用水結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度大部分位于全省水平之上；淮河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度全部位于全省水平之下，該流域農(nóng)業(yè)用水占比大（約70%），超過全省水平（約60%），其他非農(nóng)業(yè)用水占比相對較小。

由此可見，用信息熵和均衡度方法的分析結(jié)果與采用用水占比分析結(jié)構(gòu)的結(jié)果基本一致。

2.3 用水結(jié)構(gòu)演變驅(qū)動因子分析

2.3.1 總用水量變化的驅(qū)動因子

選取與用水結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的經(jīng)濟(jì)社會、水文氣象及用水指標(biāo)等方面共18 項(xiàng)影響因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果見表3。

表3 江蘇省用水結(jié)構(gòu)的驅(qū)動因子及灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

2.3.2 農(nóng)業(yè)用水量變化的驅(qū)動因子

農(nóng)業(yè)用水由灌溉用水和林牧漁業(yè)用水組成。2011—2020 年江蘇省人口與灌溉（播種）面積變化見圖4。2011—2020 年江蘇省作物播種面積在744.3 萬～773.8 萬hm2之間，作物播種面積與農(nóng)業(yè)用水量關(guān)聯(lián)度為0.837，作物播種面積是農(nóng)業(yè)用水量變化的主要驅(qū)動因子，作物播種面積變化不大，因此農(nóng)業(yè)用水量變化也不明顯，但未來一定時(shí)期內(nèi)仍存在繼續(xù)減少的跡象。

圖4 2011—2020 年江蘇省人口與灌溉（播種）面積變化

2.3.3 工業(yè)用水量變化的驅(qū)動因子

工業(yè)用水量主要是由工業(yè)生產(chǎn)總值、萬元工業(yè)增加值用水量和工業(yè)用水重復(fù)利用率所決定。萬元工業(yè)增加值用水量與工業(yè)用水量的關(guān)聯(lián)度為0.830，對工業(yè)用水變化的影響最大，是影響工業(yè)用水量的主要因素。

2.3.4 生活用水量變化的驅(qū)動因子

生活用水包括城市居民生活用水和農(nóng)村居民生活用水，總戶數(shù)與生活用水的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.935，是生活用水總量變化的重要驅(qū)動因子。江蘇省城鎮(zhèn)人口由2011 年的4975 萬人增長至2020 年的6226 萬人，年均增長125 萬人，而鄉(xiāng)村人口則從3048 萬人減少至2251萬人。城鄉(xiāng)人均生活用水量由2011 年的117.5L/（人·d）增加至2020 年的143.2 L/（人·d），城鎮(zhèn)人均生活用水量由2015 年的139.7 L/（人·d）增長至2020 年的158 L/（人·d），鄉(xiāng)村人均生活用水量由2015 年的97.8 L/（人·d）增長至2020 年的102.6 L/（人·d）。

2.3.5 其他用水量變化的驅(qū)動因子

其他用水主要包括城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水，園林綠化面積與其他用水量關(guān)聯(lián)度達(dá)0.817，表明綠化面積的增加是影響其他用水量增加的主導(dǎo)因素。以城市公園綠地面積為例，江蘇省公園綠地面積由2011 年的15687hm2發(fā)展到2020 年的33106hm2，人均公園綠地面積從13.3m2增加到15.3m2。隨著《江蘇省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》的逐步實(shí)施，為建設(shè)宜居城市、旅游城市和生態(tài)城市，以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)等，預(yù)計(jì)在未來一定時(shí)期內(nèi)，其他用水量將繼續(xù)維持增加的態(tài)勢。

3 未來用水趨勢及其影響

江蘇省2011—2020 年的水資源總量（432.0 億m3）總體少于用水總量（487.0 億m3），年均缺水55.0 億m3，平水年和枯水年缺水現(xiàn)象明顯，其中2019 年嚴(yán)重干旱，缺水261.7 億m3。缺水差值主要由出入省水資源量的差值（159.9 億m3）和長江干流水量（9089.0 億m3）補(bǔ)充。當(dāng)前的水資源由地表水、地下水和再生水構(gòu)成（含重復(fù)計(jì)算水量的占比分別為77.88%、28.02%和5.90%），地表水是水資源總量的重要組成部分，水資源與年降水量關(guān)系密切。由此可見，年降水量依然是江蘇省的供水主力，同時(shí)，要充分合理利用過境水量和長江干流水量。

根據(jù)江蘇省未來城市發(fā)展規(guī)劃和自然條件等實(shí)際情況，雖然農(nóng)業(yè)用水量變化不明顯，但未來一定時(shí)期內(nèi)仍存在繼續(xù)減少的跡象；基于近年來工業(yè)用水量和用水占比均出現(xiàn)穩(wěn)定下降的態(tài)勢，未來工業(yè)用水量也將在2020 年(121.2 億m3)的基礎(chǔ)上繼續(xù)下降；在可預(yù)見的未來，江蘇省人口仍將繼續(xù)增加，加上人均生活用水量的提高，會導(dǎo)致生活用水量繼續(xù)保持增加的態(tài)勢；隨著環(huán)境問題的日益深入人心和宜居城市、生態(tài)城市的建設(shè)，未來一定時(shí)期內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水量等其他用水量將繼續(xù)保持增加的態(tài)勢。總用水量將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上保持平穩(wěn)，或呈現(xiàn)不明顯的下降趨勢。

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

a.2011—2020 年江蘇省總用水量呈現(xiàn)明顯減少的態(tài)勢且趨于平穩(wěn)。其中，農(nóng)業(yè)用水量變化不明顯，占比在60%左右波動，說明農(nóng)業(yè)是未來節(jié)水的主要方向；工業(yè)用水總量和占比整體呈下降趨勢；生活用水量、其他用水量呈逐年增加態(tài)勢。

b.2011—2020 年江蘇省用水結(jié)構(gòu)演變的驅(qū)動力主要有：作物播種面積與農(nóng)業(yè)用水量的關(guān)聯(lián)度為0.837，是農(nóng)業(yè)用水量變化的主要驅(qū)動因子；萬元工業(yè)增加值用水量與工業(yè)用水量的關(guān)聯(lián)度為0.830，是工業(yè)用水量變化的主要驅(qū)動因子；總戶數(shù)與生活用水的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.935，是生活用水總量變化的重要驅(qū)動因子；園林綠化面積是其他類型用水總量變化的重要驅(qū)動因子。

c.預(yù)測未來一定時(shí)期江蘇省總用水量和用水結(jié)構(gòu)的演變趨勢：總用水量將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上保持平穩(wěn)，或呈現(xiàn)不明顯下降的趨勢；農(nóng)業(yè)用水量在未來一定時(shí)期內(nèi)有繼續(xù)減少的跡象；工業(yè)用水總量將繼續(xù)保持下降趨勢；生活用水量、其他用水量將呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢。

4.2 建議

總體來看，年降水量依然是江蘇省的供水主力，同時(shí)，要充分合理利用過境水量和長江干流水量。建議進(jìn)一步加大對農(nóng)業(yè)節(jié)水工作的支持力度，尤其是推動大中型灌區(qū)優(yōu)化灌溉方式，同時(shí)推動生活節(jié)水，如節(jié)水器具推廣應(yīng)用，提高節(jié)水意識等，注重分質(zhì)用水，從而實(shí)現(xiàn)用水總量控制和用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的雙贏目標(biāo)。