遼寧省水資源開發(fā)利用時(shí)空特征分析

白偉樺

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心,沈陽 110003)

水資源與生態(tài)環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān),這種自然資源甚至具有決定性作用[1]。人類活動及自然變化產(chǎn)生的疊加影響應(yīng)與水資源開發(fā)相適應(yīng),從而采取人為措施促進(jìn)人水協(xié)調(diào)發(fā)展。由于特殊的氣候條件,遼寧省生態(tài)環(huán)境脆弱,林草覆蓋率不高,人水關(guān)系不協(xié)調(diào)且溫度變化劇烈,亟須掌握水資源開發(fā)利用的時(shí)空演變特征,并制定適應(yīng)性利用對策。目前,許多學(xué)者研究了水資源在人類活動和氣候變化共同影響下的適應(yīng)性及時(shí)空演變規(guī)律,如趙娜娜以若爾蓋濕地流域?yàn)槔?探究了濕地徑流受氣候變化的影響及其變化趨勢;王國慶等以嵐河流域?yàn)槔?應(yīng)用水文模型分析了河川徑流受人類干擾及氣候變化的影響;張慧等利用奎屯河流域近50a水文氣相資料和遙感數(shù)據(jù),探究了水資源及冰川受氣候變化的影響。也有學(xué)者探究了水資源空間均衡性和利用對策,如克里木等結(jié)合水資源利用現(xiàn)狀及稟賦條件,探究了新疆地區(qū)的長期戰(zhàn)略對策?？傮w而言,水資源開發(fā)利用的影響因素較多,而有關(guān)研究大多從某一方面分析其時(shí)空演變特征,難以從本質(zhì)上揭示其發(fā)展特征[2-7]。因此,文章從水資源開發(fā)利用結(jié)構(gòu)、效率和利用量3個(gè)方面,較為全面地研究遼寧省2011—2020年水資源開發(fā)利用時(shí)空特征,以期為區(qū)域水資源的高效合理性開發(fā)利用、規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于E118°53′～125°46′,N38°43′～43°26′之間,屬溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),雨熱同期,四季分明,經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較好,自然環(huán)境優(yōu)越。多年平均降水量600～1100mm,具有明顯的區(qū)域性、季節(jié)性降水特征,從時(shí)間上主汛期(6～9月)降雨集中,占全年的60%,從空間上東部較高接近1100mm,西部降水偏少只有400mm,中部適中達(dá)到600mm。入海河流有沿海諸河、太子河、遼河和渾河,出境河流有、青龍河、柳河、渾江、老哈河、大凌河支流和東、西遼河等,入國際河流有叆河、鴨綠江、蒲石河等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于水資源調(diào)查評價(jià)、2011—2020年統(tǒng)計(jì)年鑒和水資源公報(bào)等資料,使用2011—2020年社會經(jīng)濟(jì)及用水?dāng)?shù)據(jù)分析水資源開發(fā)利用效率和利用量,受數(shù)據(jù)系列長度限制僅分析2012—2020年區(qū)域用水效率。

2.2 計(jì)算方法

針對水資源開發(fā)利用的用水結(jié)構(gòu)、用水效率和用水量選擇相應(yīng)的方法分析其時(shí)空演變特征,其中變異系數(shù)可以反映數(shù)列的離散狀況,評價(jià)各行業(yè)用水量的時(shí)間變化及空間差異性;洛倫茲曲線能夠定性分析存在一定聯(lián)系的兩組數(shù)據(jù)不均等狀況,基尼系數(shù)可以定量評價(jià)區(qū)域人口、第二產(chǎn)業(yè)、耕地與水資源的匹配性,從而評定區(qū)域用水的空間差異性及其合理性[8]。采用Arc GIS軟件和直觀、易懂的空間分級分類法,從時(shí)空變化上分析區(qū)域用水效率;均衡度和信息熵能夠反映信息系統(tǒng)的不確定性、穩(wěn)定性及用水結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化,但無法評價(jià)時(shí)間變化與用水結(jié)構(gòu)布局合理性[9-12],具體如下:

1)變異系數(shù)C。定義數(shù)組平均值與標(biāo)準(zhǔn)差的比值為用水量變異系數(shù)C,即:

(1)

2)基尼系數(shù)G和洛倫茲曲線。采用公式(2)和表1中的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算確定:

(2)

式中:Xu、W為單元u的某一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和水資源量占所有單元該指標(biāo)的百分比;Su為u單元之前的累積水資源量百分比。

表1 基尼系數(shù)匹配性標(biāo)準(zhǔn)

3)均衡度和信息熵。定義用水結(jié)構(gòu)的信息熵和均衡度為H、J,用水行業(yè)數(shù)量及行業(yè)n的用水量占比為N、pn,其計(jì)算方法為:

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 用水量分析

2011—2020年遼寧省用水總量年均值為335×108m3,最大、最小年用水量為347×108m3和320×108m3,2011～2016年全省用水量變化明顯,2016—2020年呈波動上升的變化趨勢。采用公式(1)計(jì)算2011—2020年居民生活、第二產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)用水量及用水總量年變異系數(shù),如圖1所示。

圖1 2011—2020年各類用水變異系數(shù)

由圖1可知,2011—2019年從低到高各類用水量變異系數(shù)排序?yàn)橛盟偭?農(nóng)業(yè)<生活<第三產(chǎn)業(yè),第二產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)高于生活、農(nóng)業(yè)用水量和用水總量的變異系數(shù),其變異系數(shù)處于0.82～0.90之間,說明從空間分布上遼寧省第二產(chǎn)業(yè)用水量存在明顯差異。2011—2020年生活、農(nóng)業(yè)用水量和用水總量的變異系數(shù)取值區(qū)間為0.6～0.7,三者的空間差異相近,而第二產(chǎn)業(yè)呈明顯變化特征。

一般地,水文頻率年不同則區(qū)域水資源量也不盡相同,為降低基尼系數(shù)計(jì)算結(jié)果受水文頻率年變化的影響程度,并進(jìn)一步保證基尼系數(shù)的年際可比性,在計(jì)算匹配原象基尼系數(shù)時(shí)取近10a水資源均值,2011—2020年遼寧省第二產(chǎn)業(yè)增加值、耕地面積、人口與水資源匹配的基尼系數(shù)如圖2所示。

圖2 2011—2020年社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與水資源匹配基尼系數(shù)

由圖2可知,2011—2020年遼寧省第二產(chǎn)業(yè)增加值與水資源匹配的基尼系數(shù)處于0.31～0.35之間,總體達(dá)到相對均衡狀態(tài),說明研究區(qū)第二產(chǎn)業(yè)布局與水資源空間稟賦相對匹配,但接近0.4的警戒值,并且該基尼系數(shù)呈波動下降趨勢,說明第二產(chǎn)業(yè)布局在發(fā)展用水層面有所改善。2011—2020年遼寧省耕地面積、人口與水資源匹配的基尼系數(shù)處于0.06～0.115之間,總體達(dá)到絕對均衡狀態(tài)。

3.2 用水效率分析

文章參考相關(guān)研究成果選擇各行業(yè)用水定額評價(jià)用水效率,其中生活、第二產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)用水效率評價(jià)指標(biāo)為居民生活、工業(yè)萬元增加值和農(nóng)業(yè)綜合灌溉的用水定額,計(jì)算分析2012—2020年以上行業(yè)用水定額變化特征。

1)農(nóng)業(yè)綜合灌溉用水定額。2012—2020年該指標(biāo)表現(xiàn)出明顯的波動變化特征,其最大差距達(dá)到1800m3/hm2,在空間上各地市農(nóng)業(yè)用水效率也具有顯著差異。具體而言,朝陽市、阜新市歷年均值為7826m3/hm2和7561m3/hm2,相較于其它地區(qū)其用水效率達(dá)到領(lǐng)先水平;丹東市、鞍山市歷年均值為9205m3/hm2和9168m3/hm2,相對于其它地區(qū)其用水效率最差。從空間分布上,遼寧省東南部較其它地區(qū)的農(nóng)業(yè)綜合灌溉用水定額更大。

2)工業(yè)萬元增加值用水定額。2012—2020年該指標(biāo)表現(xiàn)出波動下降的變化特征,其中大連市的工業(yè)用水效率增幅最大,2020年相較于2012年用水定額下降近60%,同期經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的沈陽市、本溪市、營口市也分別下降58%、35%、37%;全省只有鐵嶺市、撫順市2020年較2012年增大了31%和8%。從空間分布上,遼東、遼南地區(qū)較其它區(qū)域的工業(yè)萬元增加用水定額較小,具有更高的用水效率。

3)城鄉(xiāng)居民生活用水定額。2012—2020年該指標(biāo)表現(xiàn)出先增大后減小的變化特征,其中鐵嶺市和沈陽市2020年相比于2015年下降了15%、12%,錦州市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年遼北高于遼南的生活用水定額,但2019—2020年遼北地區(qū)用水定額明顯減小,表明該地區(qū)生活用水效率不斷提升。

3.3 用水結(jié)構(gòu)分析

從生態(tài)環(huán)境、生活、農(nóng)業(yè)、第二和第三產(chǎn)業(yè)用水的角度上分析全省用水結(jié)構(gòu)時(shí)空變化,遼寧省各地市2011—2020年用水結(jié)構(gòu)均衡度值如表2所示。

表2 2011—2020年用水結(jié)構(gòu)均衡度

由表2可知,遼寧省各地市2011—2020年均衡度總體表現(xiàn)出先上升后下降再波動變化的特征,其中2011—2014年波動增加,2014—2017年波動減小,而2017—2020年的波動變化明顯,并且各地市的轉(zhuǎn)折變化點(diǎn)略有差異。研究時(shí)段內(nèi)本溪市均衡度歷年均值最小為0.46,該地區(qū)均衡度最大和最小值為0.48、0.41。2011—2020年本溪市歷年第二產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的9%～12%和76%～81%,生態(tài)環(huán)境、第三產(chǎn)業(yè)、生活合計(jì)用水量在總用水量中的比例為9%～12%,相對于其它行業(yè)農(nóng)業(yè)用水量具有主導(dǎo)地位。鞍山市均衡度歷年均值最大為0.74,該地區(qū)均衡度最大和最小值為0.76、0.70,說明該市具有較好用水結(jié)構(gòu)均衡性[13-15]。2011～2020年鞍山市歷年第二產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的26%～28%和52%～58%,生態(tài)環(huán)境、第三產(chǎn)業(yè)、生活合計(jì)用水量在總用水量中的比例為16%～20%。

4 結(jié) 論

文章依據(jù)2011—2020年遼寧省社會經(jīng)濟(jì)和用水?dāng)?shù)據(jù),從水資源開發(fā)利用結(jié)構(gòu)、效率和利用量的角度上分析了其時(shí)空演變特征,主要結(jié)論如下:

1)2011—2020年,遼寧省水資源空間稟賦與人口、農(nóng)業(yè)的匹配性較好,具有較為均衡的發(fā)展布局;水資源空間稟賦與第二產(chǎn)業(yè)的匹配性最差,具有較差的空間均衡性。但研究時(shí)段內(nèi)全省水資源與第二產(chǎn)業(yè)的匹配度不斷提升,空間差異性呈波動減小趨勢,在受到水資源空間稟賦約束的條件下全省第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局開始注重水資源因素。

2)遼寧省生活、農(nóng)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)用水效率的空間差異較為明顯。從空間分布上,遼寧省東南部較其它地區(qū)的農(nóng)業(yè)綜合灌溉用水定額更大,遼東、遼南地區(qū)較其它區(qū)域的工業(yè)萬元增加用水定額較小,遼北高于遼南的生活用水定額,但近年來表現(xiàn)出減小趨勢。

3)2011—2020年本溪市均衡度歷年均值最小為0.46,說明其用水結(jié)構(gòu)非常不均衡;鞍山市均衡度歷年均值最大為0.74,表明該市具有較好用水結(jié)構(gòu)均衡性。生態(tài)環(huán)境、第三產(chǎn)業(yè)用水量占比小而農(nóng)業(yè)用水量占比大是影響研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)均衡性的重要因素。