黃河流域農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度及影響因子分析

高 蕓，馬春芽，郭 魏

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002）

0 引 言

近年來，由于用水量在各部門分配中不均衡所導(dǎo)致的流域結(jié)構(gòu)性缺水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)有發(fā)生。黃河流域農(nóng)業(yè)部門用水約占總提取量的80%，灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水90%以上，因此黃河流域農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)是否合理是保證社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展的前提。

國外關(guān)于用水形勢、供用水條件、用水預(yù)測、用水過程的研究開展較多，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為世界的大部分城市都面臨著持續(xù)供水危機(jī)，未來用水形勢由人口聚散情況、單個(gè)牲畜用水量、氣候以及生態(tài)供水條件的改變而決定[1-3]。研究方法較多基于社會經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境，應(yīng)用灰色系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元回歸模型等方法預(yù)測未來水資源可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r[4-6]。國內(nèi)對于用水結(jié)構(gòu)的演變趨勢及其驅(qū)動(dòng)力的研究也有很多，大部分是對于行政區(qū)內(nèi)用水結(jié)構(gòu)的研究[7-10]。張玲玲等[11]建立了江蘇省用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)、用水需求與社會發(fā)展互動(dòng)反饋的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，提出了江蘇省用水總量控制下用水結(jié)構(gòu)調(diào)控方案與對策。顧鶴南等[12]分析了影響青島市用水結(jié)構(gòu)變化的社會驅(qū)動(dòng)因子，如人口、城市化率、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)產(chǎn)值、耕地面積、GDP等，指出自然環(huán)境的變化對用水量也有一定影響。黃晶等[13,14]引入虛擬水的概念，基于用水足跡定量分析了北京農(nóng)業(yè)用水內(nèi)部結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與變化趨勢。田貴良等[15]建立了區(qū)域虛擬水貿(mào)易量計(jì)算模型，依據(jù)模型對產(chǎn)業(yè)進(jìn)行合理布局、減少農(nóng)業(yè)用水量、調(diào)整用水結(jié)構(gòu)。劉慧敏等[16]分析了區(qū)域用水結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的協(xié)調(diào)性問題及響應(yīng)關(guān)系。以上研究系統(tǒng)地評估了某一行政區(qū)的農(nóng)業(yè)用水狀況，有對流域內(nèi)用水結(jié)構(gòu)均衡度的評價(jià)[17,18]，但多數(shù)是以水資源總量、水資源可利用量或灌溉用水量（即灌溉“藍(lán)水”）表征水資源量，忽略了不同分區(qū)水資源特點(diǎn)，即地區(qū)“綠水”對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)[19]，因此水資源量的表征參數(shù)并不全面。

本研究提出了一種將行政單元和子流域不同空間尺度組合的均衡度及其影響因子關(guān)聯(lián)度評價(jià)方法，該方法考慮了被分析的每個(gè)空間單元內(nèi)“綠水”資源的變異性及其對均衡度的影響。應(yīng)用此方法評價(jià)了黃河流域9省套二級水資源分區(qū)農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡狀況，采用變異系數(shù)、Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析了用水結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化趨勢，針對不同的區(qū)域，特別是逐年用水結(jié)構(gòu)特征不滿意或不穩(wěn)定的熱點(diǎn)，提出具體的改進(jìn)措施。

1 研究區(qū)概況

黃河流域（包括黃河內(nèi)流區(qū)）總面積79.5 萬km2，全河劃分為龍羊峽以上、龍羊峽至蘭州、蘭州至河口鎮(zhèn)、河口鎮(zhèn)至龍門、龍門至三門峽、三門峽至花園口、花園口以下、黃河內(nèi)流區(qū)8個(gè)二級流域分區(qū)（圖1）。流域多年平均降水量447 mm，總體呈南多北少的態(tài)勢，降水量年內(nèi)分配極不均衡，其中6-9月降水量占全年的45%～60%；多年人均水資源占有量408 m3，僅為全國的20%。黃河流域是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，沿黃9省區(qū)糧食播種面積占全國的36.03%，糧食產(chǎn)量占全國的35.37%[20]。

圖1 沿黃9省套二級水資源分區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of secondary water resources in nine provinces along the Yellow River

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2010-2016年黃河流域9省套二級水資源分區(qū)的“農(nóng)業(yè)總用水量，種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)用水量，耕地灌溉面積，林果地灌溉面積，草地灌溉面積，魚塘補(bǔ)水面積，大牲畜數(shù)量，小牲畜數(shù)量”數(shù)據(jù)來自《黃河年鑒》[21]。“綠水”資源指有效降水，有效降水的計(jì)算基于實(shí)際降水量，該數(shù)據(jù)來自《黃河水資源公報(bào)》[22]。

2.2 研究方法

2.2.1 均衡度指標(biāo)

均衡度指標(biāo)考慮不同年份間用水結(jié)構(gòu)的變化，直觀地描述水資源的利用狀況，使結(jié)果更具可比性。計(jì)算公式如下：

式中：J為均衡度，取值范圍0＜J＜1，值越大，用水結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性越強(qiáng)；H為信息熵；Hmax為絕對均衡狀態(tài)下信息熵最大值；Pi為黃河流域各省種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)（草地）、畜牧業(yè)（牲畜）5類用水部門用水量在總用水量中的占比；n為農(nóng)業(yè)用水部門，n=5。

2.2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)可以量化分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，應(yīng)用該指標(biāo)分析用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力因子的算法步驟如下[23]：

（1）計(jì)算2010-2016年農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度指標(biāo)，進(jìn)行無量綱化處理，將該值的時(shí)間序列作為參考序列，n取7：

（2）計(jì)算得到7個(gè)驅(qū)動(dòng)力因子經(jīng)過無量綱化處理后的值，將該值的時(shí)間序列作為比較序列，m取7：

（3）計(jì)算各驅(qū)動(dòng)力因子的關(guān)聯(lián)系數(shù)，θ取0.5：

（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)度，將關(guān)聯(lián)度可劃分為三級：0～0.35為弱關(guān)聯(lián)度，0.35～0.7為中關(guān)聯(lián)度，0.7～1.0為強(qiáng)關(guān)聯(lián)度[24]：

2.2.3 “綠水”資源的計(jì)算

根據(jù)生態(tài)水文學(xué)概念，“綠水”是儲存于非飽和土壤中、可被植物吸收利用的那部分降水?！熬G水”資源量的計(jì)算基于2010-2016年黃河流域二級水資源分區(qū)實(shí)際降水量，采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦、當(dāng)前得到公認(rèn)和普遍推薦的方法[25]。計(jì)算公式如下：

式中：Pe為2010-2016年各年有效降水量，mm；P為各年實(shí)際降水量，mm。

2.2.4 變異系數(shù)

衡量各觀測值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。其計(jì)算式為：

式中：C.Vi為變異系數(shù)，%；SDi為各省套二級分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差；Meani為各省套二級分區(qū)平均值，n為年份數(shù)（n=7）。

2.2.5 Spearman秩相關(guān)系數(shù)

一種基于秩的非參數(shù)趨勢分析方法，是對原始數(shù)據(jù)的秩進(jìn)行計(jì)算，對原始數(shù)據(jù)的分布不做要求。其計(jì)算式為：

式中：R為秩相關(guān)系數(shù)；xi為年份；yi為原始數(shù)據(jù)按升序排列的序號；n為年份數(shù)（n=7）。

當(dāng)|R|＞0.929時(shí)，為極顯著相關(guān)（顯著水平α=0.01），當(dāng)0.786＜|R|＜0.926時(shí)，為顯著相關(guān)（顯著水平α=0.05），當(dāng)|R|＜0.786時(shí)，為不顯著相關(guān)。正值代表上升趨勢，負(fù)值代表下降趨勢。

3 結(jié)果與分析

3.1 沿黃9省農(nóng)業(yè)各行業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡性分析

從圖2可知，沿黃9省種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)（草地）、畜牧業(yè)（牲畜）5類用水部門2010-2016年除山東省、四川省均衡度極差范圍略大于0.1外，其余均小于0.1，說明用水量均衡度時(shí)間變異性不大。流域農(nóng)業(yè)總用水量均衡度空間差異性較大，各省農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度平均值0.38，山東省農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡性最好（均衡度0.78），山西省最差（均衡度0.16），除青海省（均衡度0.41）、四川?。ň舛?.60）均衡性大于流域均衡度平均值，其余省份均小于平均值。

圖2 沿黃9省農(nóng)業(yè)各行業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度Fig.2 The balance of water use structure in agricultural industries in nine provinces along the Yellow River

由圖3可知，沿黃9省農(nóng)業(yè)5類用水部門用水量均衡度變異系數(shù)具有下降趨勢，即流域內(nèi)9省農(nóng)業(yè)各行業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度隨時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定。結(jié)合表1內(nèi)容可知，甘肅省、陜西省、山西省、河南省、山東省2010-2016年農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡性有上升趨勢，四川省有下降趨勢，其余省份變化趨勢不顯著。

表1 均衡度Spearman秩相關(guān)系數(shù)Tab.1 Equilibrium Spearman rank correlation coefficient

3.2 考慮“綠水”資源的農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度影響因子分析

從圖4可以看到，沿黃9省套二級水資源分區(qū)的均衡度具有時(shí)空變異性。2010-2016年不同省份或同一省份不同水資源分區(qū)的均衡度隨年份波動(dòng)性較大，甘肅?。堁驆{以上）、河南省（龍門至三門峽）均衡度極差范圍大于0.2，陜西省（三門峽至花園口）、河南省（三門峽至花園口）、山東省（花園口以下）、寧夏區(qū)（龍門至三門峽）、寧夏區(qū)（內(nèi)流區(qū)）、四川?。堁驆{以上）范圍0.1～0.2，其余省份極差小于0.1。流域內(nèi)不同省份均衡度空間差異明顯，各省套二級分區(qū)農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度平均值0.39，山東?。ɑ▓@口以下）農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡性最好（均衡度0.78），山西?。堥T至三門峽）最差（均衡度0.13），青海?。堁驆{以上）、陜西?。ㄈT峽至花園口）、甘肅?。堁驆{以上）、河南?。堥T至三門峽）、河南?。ㄈT峽至花園口）、四川?。堁驆{以上）、內(nèi)蒙區(qū)（內(nèi)流區(qū)）均衡度分別為0.72，0.52，0.56，0.51，0.43，0.6，0.58大于流域均衡度平均值，其余省份均小于平均值。

圖4 沿黃9省套二級分區(qū)農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度Fig.4 The balance of agricultural water use structure of secondary water resources in nine provinces along the Yellow River

由表2可知，黃河流域農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡性影響因子關(guān)聯(lián)度平均值0.74，耕地灌溉面積、大牲畜的數(shù)量、小牲畜的數(shù)量、“綠水”資源、林果地灌溉面積均為強(qiáng)關(guān)聯(lián)。結(jié)合圖4沿黃9省套二級分區(qū)農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度評價(jià)結(jié)果，對于均衡度較差的區(qū)域可以通過調(diào)整該區(qū)域的強(qiáng)關(guān)聯(lián)因子，以提高該區(qū)不同用水部門之間的協(xié)調(diào)度，例如，山西?。堥T至三門峽）均衡度最差為0.13，可以擴(kuò)大耕地灌溉面積[26]（種植結(jié)構(gòu)、灌溉方式等）、畜牧業(yè)規(guī)模（大小牲畜數(shù)量）、“綠水”資源存蓄狀態(tài)（集蓄雨水、更改淺深耕耕作模式等）等措施以提高該區(qū)農(nóng)業(yè)用水均衡度。

表2 影響因子灰色關(guān)聯(lián)度分析Tab.2 Influence factor grey correlation degree analysis

4 結(jié) 論

目前的研究大多關(guān)注黃河流域工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)各層面用水結(jié)構(gòu)的變化，而對農(nóng)業(yè)各行業(yè)用水的變化及其影響因素的探討十分有限。黃河流域跨九省，各省功能定位、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)各異，加之同一省份可能分屬于不同水資源二級分區(qū)，水資源狀況亦有不同，農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)差異性大。本研究基于沿黃9省以及各省套二級水資源分區(qū)的農(nóng)業(yè)各行業(yè)用水量數(shù)據(jù)，增加“綠水”資源的測度，該方法考慮了被分析的每個(gè)空間單元內(nèi)“綠水”資源的變異性及其對均衡度的影響。得到結(jié)論如下：

（1）整體來說，沿黃9省種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)（草地）、畜牧業(yè)（牲畜）5類用水部門的均衡性空間差異性較大。甘肅省、陜西省、山西省、河南省、山東省2010-2016年農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡性有上升趨勢，四川省有下降趨勢，其余省份變化趨勢不顯著。

（2）考慮“綠水”資源的沿黃9省套水資源分區(qū)的均衡度具有時(shí)空變異性，耕地灌溉面積、大牲畜的數(shù)量、小牲畜的數(shù)量、“綠水”資源、林果地灌溉面積是流域強(qiáng)關(guān)聯(lián)因子。對于均衡度較差的區(qū)域調(diào)整該區(qū)域?qū)?yīng)強(qiáng)關(guān)聯(lián)因子以提高該區(qū)不同用水部門之間的協(xié)調(diào)度。