江蘇省用水結構變化及驅動因子分析

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，年降水量715～1280mm。江蘇省經濟發展水平高，人口增長快，水資源需求強勁，但其位于流域末端，地勢平坦，極端氣候變化下，流域干旱發生概率增大，水資源供需矛盾日益突出。近年來，最嚴格水資源管理制度和“四定”政策相繼出臺，對區域水資源總量控制和用水效率提升提出了更高要求，因此，了解江蘇省用水結構現狀及演變趨勢，尋找不同部門用水的驅動因素，為未來水資源規劃與管理提供技術依據十分必要。

信息熵可以反映出用水結構“經濟-社會-生態-資源”耦合特性，同時定量化描述其演變過程，信息熵、區位熵、基尼系數等指標被廣泛用于直觀描述用水動態結構演變[1-3]。驅動力分析常采用一些數理統計方法[4-7]，如主成分分析方法、灰色關聯分析方法、CROPWAT 模型等?；疑P聯分析計算簡便，數據要求不高，綜合灰色關聯分析法與歸因分析法用于對用水結構進行進一步剖析，以識別出對不同部門用水量影響程度大的驅動因子。

本文通過分析2011—2020 年江蘇省水資源條件的變化、社會經濟的發展變化、社會經濟各部門用水量和用水結構的變化，以及相互之間的影響作用，揭示用水量和用水結構變化的驅動機理，從而對未來用水量和用水結構的演變趨勢作出預測，為協調社會經濟發展和水資源利用之間的關系，以及制定未來社會經濟發展規劃提供依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 數據來源

本研究的用水數據來源于2011—2020 年《江蘇省水資源公報》，社會經濟數據來源于2011—2021 年《江蘇省統計年鑒》。

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構演變進行定量分析，計算公式分別為

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，越大表明用水系統均衡性越強，系統越穩定；n為用水類型個數。

1.3 灰色關聯度模型

用灰色關聯度模型分析用水量與驅動因子的關聯度。分別將各用水量、各驅動因子作為參考序列與比較序列，采用極差化法對原始數據進行無量綱化處理，計算關聯系數和關聯度，具體計算步驟見文獻[8]。參考相關研究[9]，關聯度等級劃分標準見表1，關聯度越大說明關聯性越好。

表1 關聯度等級劃分標準

2 數據處理及結果分析

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，連續降水使土壤飽和，導致大部分降水并沒有轉化為當地的水資源。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，重復計算水資源量20.0億m3/a，多年平均產水模數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據得到兩者之間的關系，見圖2。水資源總量與年降水量之間存在著良好的線性關系（反映線性相關程度的R2=0.928）。因此，可以根據降水量數據預測水資源總量。

圖2 江蘇省降水量和水資源總量的關系

2.2 用水結構演變特征分析

2.2.1 用水量變化特性

2011—2020 年江蘇省總用水量呈現明顯減少態勢，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，之后出現明顯減少趨勢，2017—2019 年出現微弱的上升，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 年江蘇省各行業用水量及占比的變化

從各行業用水量占比來看，由高到低分別為農業用水量、工業用水量、生活用水量、其他用水量，占比高低順序未發生變化，見圖3。一直以來，農業都是江蘇省用水量最大的生產部門，農業用水量占到用水總量的一半以上，2014 年更是高達61.95%，2011—2016 年農業用水量連續下降，由310.3 億m3降至270.1 億m3，2017—2019 年出現上升，2019 年農業用水量達303.1 億m3， 2020 年農業用水量低至266.6 億m3，較2011 年減少了43.7 億m3，降低了14%，雖然農業用水量變化不明顯，但未來一定時期內仍存在繼續減少的跡象。工業是僅次于農業的第二大用水部門，用水占比30%左右，過去10 年工業用水量和用水占比均呈穩定下降態勢，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 年后持續低于30.00%并穩步降低。生活用水量穩定增長，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公共用水和生態環境用水，從數據看，其他用水量和用水占比同生活用水量一樣，呈穩定增長趨勢，由2011 年的16.6 億m3增長至2019 年的24.3億m3，僅2020 年出現短暫下降。

2.2.2 各流域用水結構變化特征分析

本文根據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）的用水結構信息熵和均衡度值進行了計算，計算結果見表2。對全省的用水結構也進行了分析，具體分析結果如下：

表2 江蘇省三大流域2011—2020 年用水結構信息熵和均衡度

a.三大流域用水結構信息熵值變化不大，說明各流域用水結構總體上相對比較穩定，且均呈現明顯的上升趨勢，說明三大流域各用水種類之間的比例差別在縮小，用水結構均衡性在增強。

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

由此可見，用信息熵和均衡度方法的分析結果與采用用水占比分析結構的結果基本一致。

2.3 用水結構演變驅動因子分析

2.3.1 總用水量變化的驅動因子

選取與用水結構密切相關的經濟社會、水文氣象及用水指標等方面共18 項影響因子進行灰色關聯度分析，結果見表3。

表3 江蘇省用水結構的驅動因子及灰色關聯度分析結果

2.3.2 農業用水量變化的驅動因子

農業用水由灌溉用水和林牧漁業用水組成。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，作物播種面積與農業用水量關聯度為0.837，作物播種面積是農業用水量變化的主要驅動因子，作物播種面積變化不大，因此農業用水量變化也不明顯，但未來一定時期內仍存在繼續減少的跡象。

圖4 2011—2020 年江蘇省人口與灌溉（播種）面積變化

2.3.3 工業用水量變化的驅動因子

工業用水量主要是由工業生產總值、萬元工業增加值用水量和工業用水重復利用率所決定。萬元工業增加值用水量與工業用水量的關聯度為0.830，對工業用水變化的影響最大，是影響工業用水量的主要因素。

2.3.4 生活用水量變化的驅動因子

生活用水包括城市居民生活用水和農村居民生活用水，總戶數與生活用水的關聯度高達0.935，是生活用水總量變化的重要驅動因子。江蘇省城鎮人口由2011 年的4975 萬人增長至2020 年的6226 萬人，年均增長125 萬人，而鄉村人口則從3048 萬人減少至2251萬人。城鄉人均生活用水量由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動因子

其他用水主要包括城鎮公共用水和生態環境用水，園林綠化面積與其他用水量關聯度達0.817，表明綠化面積的增加是影響其他用水量增加的主導因素。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《江蘇省國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》的逐步實施，為建設宜居城市、旅游城市和生態城市，以及生態環境建設和保護等，預計在未來一定時期內，其他用水量將繼續維持增加的態勢。

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象明顯，其中2019 年嚴重干旱，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）補充。當前的水資源由地表水、地下水和再生水構成（含重復計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系密切。由此可見，年降水量依然是江蘇省的供水主力，同時，要充分合理利用過境水量和長江干流水量。

根據江蘇省未來城市發展規劃和自然條件等實際情況，雖然農業用水量變化不明顯，但未來一定時期內仍存在繼續減少的跡象；基于近年來工業用水量和用水占比均出現穩定下降的態勢，未來工業用水量也將在2020 年(121.2 億m3)的基礎上繼續下降；在可預見的未來，江蘇省人口仍將繼續增加，加上人均生活用水量的提高，會導致生活用水量繼續保持增加的態勢；隨著環境問題的日益深入人心和宜居城市、生態城市的建設，未來一定時期內生態環境用水量等其他用水量將繼續保持增加的態勢?？傆盟繉⒃诂F有的基礎上保持平穩，或呈現不明顯的下降趨勢。

4 結論和建議

4.1 結論

a.2011—2020 年江蘇省總用水量呈現明顯減少的態勢且趨于平穩。其中，農業用水量變化不明顯，占比在60%左右波動，說明農業是未來節水的主要方向；工業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勢。

b.2011—2020 年江蘇省用水結構演變的驅動力主要有：作物播種面積與農業用水量的關聯度為0.837，是農業用水量變化的主要驅動因子；萬元工業增加值用水量與工業用水量的關聯度為0.830，是工業用水量變化的主要驅動因子；總戶數與生活用水的關聯度高達0.935，是生活用水總量變化的重要驅動因子；園林綠化面積是其他類型用水總量變化的重要驅動因子。

c.預測未來一定時期江蘇省總用水量和用水結構的演變趨勢：總用水量將在現有基礎上保持平穩，或呈現不明顯下降的趨勢；農業用水量在未來一定時期內有繼續減少的跡象；工業用水總量將繼續保持下降趨勢；生活用水量、其他用水量將呈現逐年增加的態勢。

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，要充分合理利用過境水量和長江干流水量。建議進一步加大對農業節水工作的支持力度，尤其是推動大中型灌區優化灌溉方式，同時推動生活節水，如節水器具推廣應用，提高節水意識等，注重分質用水，從而實現用水總量控制和用水結構優化調整的雙贏目標。