山东省用水结构演变及驱动因子分析

□张志彬 胡继连

[内容提要]近年来，山东省在用水结构合理性方面有了很大进展，但现实中依然存在诸多问题，用水结构的合理性有待提高。本文基于2000-2017年山东省水资源数据，采用信息熵、因子分析及灰色关联等方法，分析山东省用水结构变化的主要驱动因子。结果表明：产业结构、农业节水水平、人口演变和环境维护等是影响用水结构变化的主要驱动力。结合山东省实际情况，从用水结构演变驱动因子角度出发，为优化用水结构提出了优化产业结构、提高农业整体节水水平、控制生活用水量增长幅度、环境维护用水多元化等建议。

一、研究背景与数据来源

山东省位于我国东部沿海、黄河下游，陆地面积15.8万km2，属于暖温带季风气候，雨热同季，降水较集中，四季温差较大，年平均气温约在11℃-14℃之间。多年来降水量约在550-950 mm间，并由东南向西北方向逐渐递减。近年来全省人均水资源占有量不足300m3，属于水资源极度匮乏的地区。伴随着经济的发展、科技的进步，总用水量在不断缩减，但近年来山东省水资源开发利用率高达92.83%，地下水水位不断下降，2001年引黄供水量占总供水量的20.64%，到2017年跨流域调水(引黄、引江)已占到总供水量31.68%，面对这种水资源匮乏的日趋严重问题，本文以优化用水结构为目的，为山东省水资源的可持续利用提供理论基础。

在山东省水资源研究方面，赵强等[1]基于模糊综合评判模型选取影响区域水资源承载力的多个因素作为变量对山东省水资源承载力进行分析，更有学者在山东省水资源用量监测技术[2]及水资源利用效率[3]方面做了评价与分析。基于山东省水资源的匮乏，王薇等[4]分析了山东省节水发展的现状，探讨了山东省高效节水灌溉的规模化发展的潜力。戎丽丽等[5]从水资源匮乏与经济增长间的矛盾角度出发，在优化产业结构等方面提出了促进经济增长和水环境可持续发展的建议。在水价方面，孔珂等[6]基于投入产出价格波动模型对水价波动后各用水部门的价格连锁反应问题进行了

本文所用数据年限范围在2000-2017年间，农业用水比例、工业用水比例、生活用水比例、生态用水比例、地下水资源量、气温及降水量等数据来源于《山东省水资源公报》，总人口、绿化覆盖面积、生活污水排放量、城镇人口、有效灌溉面积、第一产业生产总值比例、第二产业生产总值比例等数据来源于《山东省统计年鉴》，节水灌溉面积、农田灌溉有效系数、治理水土流失面积等数据来源于《中国水利年鉴》。

二、用水结构演变情况及现有问题

用水结构是某一区域内的农业用水、工业用水、生活用水和生态用水之间互相关联的结合方式，主要体现为比例关系。

如图1所示，2017年，山东省总产值为72634.15亿元，总用水量为209.47亿m3。对比2000年的全省总产值为8337.47亿元，总用水量为244.09亿m3，2017年山东省总产值增加了，总用水量明显减少。万元GDP用水量明显呈递减趋势，2000年万元GDP用水量是2017年的10.15倍。

图1 2000-2017年山东省总用水量及万元GDP用水量(亿m3)

图2 2000-2017年山东省各部门用水比例(亿m3)

根据2000-2017年山东省农业用水、工业用水、生活用水，生态用水四个方面用水比例的演变情况来看(如图2)，农业用水占比(包含农田灌溉、林业及畜牧业)在2000-2006年间大体呈一个上升趋势，2007-2017年间持续下降，整体来看，农业用水占比由2000年74%下降为2017年的64%，而农业产值占比从2000年的15.2%下降至6.7%。2017年在总用水量中仅农田灌溉用水就占到了56%，虽然农田有效灌溉系数提高至0.6374，但与发达国家的0.8-0.9相比差距一目了然。近年来全省农田有效灌溉系数不断提高，但提高幅度并不大，2010年全省农田有效灌溉系数为0.60，2012年为0.614，2013年为0.622，2015年为0.63，2017年为0.6374。虽然节水灌溉面积不断攀升，但增加幅度较大的仅是低压管灌，而相对于节水效益高的喷灌、微灌等灌溉方式，根据山东省第三次农业普查数据公报，2016年末全省喷灌、滴管，渗灌面积仅为338.0千公顷，约占农作物播种面积的3%。

范峥峥刚到城里的时候，在餐馆里干过，也去家政服务公司干过，不但累，工资也只有七八百元，一个月下来根本攒不下来钱。后来她来到名爵足道做服务员。胡马强就是光顾这里时，认识范峥峥的。娴熟的技艺加上长相身段，让胡马强成了这里的常客。她只知道别人称呼他“胡总”，从后来的攀谈中得知他是市里知名的房地产老总。

工业依旧是山东省产值规模中较大的产业，近年来山东省工业生产总值的增长速度已从2005年最高增长率28.4%下降到2017年6.94%，工业产业增长速度减缓，也是山东省生产总值增速下降的首要原因。工业用水占比在2000-2017年间也同农业用水占比一样呈波浪形变化，2000-2005年是用水占比不断下降，2006到2017年用水占比不断上升，总体来看，工业用水量由2000年的18%下降为2017年的14%。工业万元产值用水量从2000年的116.79m3明显下降至2017年的8.76m3，但污水排放量从2000年为110324万吨，至2017年为145686万吨，依然有待较少。

生活用水的占比伴随着人口的增长、城镇化的加快及城市绿化面积的扩大有了明显增加，第三产业产值占比由2000年的34.8%上升为48%，而生活用水由2000年的8%也上升到了2017年的16%。生活污水排放量由2000年118676万吨增加至2017年的353660万吨，控制生活用水量以及生活污水排放量的问题亟待解决。

生态用水占比因山东省对环境建设及保护力度的加大，自2000年有了缓慢上升，由2000年的零占比上升为2017年的6%。气温和降水量作为生态环境的一部分，因年际年内的变化，对各部门用水量和地下水水位也有不同程度的影响。伴随着人们对生态环境的影响，比如每年面临的生活污水排放量的增加值远大于工业污水排放量的减少值，导致维持河湖水质用水不断增加，且治理水土流失面积不断加大等原因，导致生态用水将一定时期内还会维持增加的状态。

合理的用水结构是整个区域经济协调和社会健康发展必不可少的因素[8]，而山东省在整个用水系统中，存在诸如水资源用量大而行业间产值比例低、节水水平低，用水浪费严重，污水排放量大等问题，对于根本性节水和破解水资源难题来讲，优化用水结构是首要举措，那么应该从哪几个方面着手进行用水结构优化以提高用水结构的合理性。

因各部门用水量受多种不同因素的影响，进而影响着整个用水结构，比如：人口总量及城镇人口数量的增长、各行业产值比例的变化、农业节水面积的增加、城市绿化面积扩大、年际降水量、生活污水排放量等等因素，哪些因素是导致用水结构变化的主要驱动因子呢，就此，本文对其展开研究。

三、基于信息熵的用水结构演变分析

(一)信息熵基本概念

信息熵源于热力学中的一个物理概念，称为热力学熵，后来由学者在统计学上赋予了信息熵新的解释，称之为统计热力学熵。1948年，由香农提出“信息熵”概念，并解决了对信息量化度量的问题。后来很多学者在解决水资源问题上建模、优化、预测等方面都运用了信息熵。

根据信息熵概念，假设水资源总量为W，各用水部门{x1，x2，x3，…，xn}，各部门用水量{w1，w2，w3，…，wn}，则W = w1+ w2+ w3+…+ wn，各部门用水量的比例为Pi= wi/W，对照Shannon公式，定义用水结构的信息熵为:

(1)

式中：H表示区域用水结构的信息熵，单位为奈特(net)，用来反映整个用水结构的分配情况，其值越大说明各部门的用水结构越均匀。

不同的时间段内，用水部门的类型不完全一样。在整个用水系统中只有一个用水户时， Hmin= 0，但是相反，当 w1= w2= w3= …wn= W / n，也就是用水系统结构最混乱时，Hmax= ln(n)。但在实际中这两种情况属于极端状况，一般的信息熵介于两者之间，即 Hmin≤H≤Hmax。为了避免在不同时间段所选取用水部门数据的差异性，引入均衡度公式：

E =-/ln(n)

(2)

式中：E为区域内用水系统的均衡度，是信息熵与最大信息熵的比值，取值范围(0，1)其值越大，说明用水结构越均衡，系统越稳定；其值越小，说明用水结构偏向单一型用水类型越严重。

(二)分析结果

本文运用信息熵方法对2000—2017年山东省用水结构进行了分析，以农业用水、工业用水、生活用水，生态用水为研究对象，通过EXCEL输入公式，将各部门用水量分别代入公式中，计算所得结果(如表1)如下：

表1 山东省2000-2017年用水结构信息熵计算结果

由计算所得2000—2017年间山东省用水结构信息熵H在2000年为0.74net，截至2017年信息熵上升为1.02net。因不同年度用水结构的驱动因素变化导致熵值不稳定，缺乏对比性，故此处引入均衡度，均衡度的代入则减少了驱动因素变化的影响，较于信息熵更具有可比性。2000年均衡度E为0.53，截止2017年均衡度上升为0.74，2000—2017年间的信息熵和均衡度均成递增趋势，说明近些年山东省用水结构趋于均衡，但现实中依然存在诸多问题，用水结构合理性依然有待提高。

四、山东省用水结构的驱动因子分析

(一)因子分析法概念

因子分析法是用选取几个因子做样本去描述各因素间的存在联系，最终将相关性较强的变量归纳到同一类中，每类变量成为一个因子，并以较少的因子反映样本整体信息。

因子分析在复杂的经济活动中，可能会有多个经济变量的存在，计算的步骤概括如下：首先寻找经济变量的子集，选取多个经济变量来降维，以期来解释整个经济问题。然后根据因子分析的计算值进行分类处理，最终将变量进行分类。最后将提取的新因子作为新的自变量，建立一个多元回归模型。

用水结构变化的驱动力源自社会因素及自然条件的共同作用，在此分别从农业、工业、生活、生态四个方面选取12个用水结构演变的驱动因子，农业方面包括第一产业生产总值比例、有效灌溉面积、节水灌溉面积；工业方面包括第二产业生产总值比例；生活用水包括总人口、城镇人口、生活污水排放量；生态环境方面包括绿化覆盖面积、治理水土流失面积、降水量、气温、地下水资源量等。

(二)提取公共因子

选取以上2000-2017年间的12个用水结构驱动因子为样本，在这期间这些驱动因子也是不断变化的，并且有些因子互相之间也存在着关联关系，为了找出12个驱动因子各自在整体作用下的贡献率，现将所有驱动因子进行主成分分析，得出以下旋转后矩阵，见如表2。

并根据所选取的驱动因子的样本进行相关性分析，即KMO检验，KMO大于0.5且越接近于1，表示越适合做因子分析，此处通过检验得出KMO为0.708，见表3，表示适合做因子分析。

表2 旋转后的成分矩阵

表3 KMO和巴特利特检验

如表2所示，通过因子分析降维，最终的公共因子有三个，构成因子1的主要驱动因子为：总人口、绿化覆盖面积、节水灌溉面积、生活污水排放量、城镇人口、有效灌溉面积、第一产业生产总值比例，简称为综合因子，其贡献率为58.66%(如表4)。因子2中的降水量、地下水资源量及气温基本属于自然因素，简称为自然因子，其贡献率为19.07%。构成因子3的治理水土流失面积和第二产业生产总值比例，简称为需水因子，其贡献率为，13.32%。以上通过主成分分析提取的三个公共因子是对多因素的一种降维处理结果，但不能反映出来这三个公共因子与用水结构均衡度的相关性，由此引入灰色关联度分析方法，对公共因子和用水结构均衡度的关联程度作进一步分析。

表4 不同因子的贡献计量值因子

五、用水结构均衡度与公共因子的灰色关联度分析

(一)灰色关联度

由邓聚龙[9〗提出，对众多因素进行灰色关联度分析，灰色关联度分析对于一个系统发展变化的态势进行了量化，比较适合动态过程分析。灰色系统关联分析的大体计算过程：

首先，设置代表系统变化态势的参考序列以及影响系统变化的比较序列。

其次，为便于比较，将各数列进行无量纲化。

再次，代入以下公式计算参考序列X0={x0(1),x0(2),…，x0(N)}和比较序列Xi={xi(1),xi(2),…，xi(N)}的关联系数ζi，i取数为第几个比较序列。

ζi(k)=

(3)

式中: ρ为分辨系数，取值区间为(0，1)，一般取值为0.5，k=1,2…N。

因为参考数列和比较序列在数列对应的每个时间点上都有一个关联系数，所以计算得出关联系数也形成了一个数列，不便于整体上进行关联性分析，因此对每个时间点的关联系数之和求平均值，称为关联度，以此表示参考数列和比较数列关联程度。其计算公式如下：

(4)

最后，根据关联度数值大小排列顺序，表示各影响因素与整个系统的关联程度。数值越大对整个系统的影响越大，反之，则越小。

(二)计算结果

运用灰色关联度分析山东省用水结构和驱动因子之间的关联程度。

首先选取用水结构均衡度为参考数列，前面降维处理的三个公共因子为比较序列。然后根据驱动因子特征值计算各驱动因子在公共因子中所占的权重，然后根据各公共因子内的驱动因子所占权重计算各公共因子的得分，再对三个公共因子得分及用水结构均衡度分别进行无量纲化处理，结果如表5：

最终将以上序列带入灰色关联度公式，通过计算得综合因子、自然因子、需水因子与用水结构均衡度间的关联度分别为0.95、0.67、0.84。在此选取关联度在0.7以上的，由此可得综合因子和需水因子对均衡度影响更为显著，将两个公共因子所包含驱动因子展开来看，将第一产业生产总值比例、第二产业生产总值比例、有效灌溉面积、节水灌溉面积、总人口、城镇人口、生活污水排放量、绿化覆盖面积、治理水土流失面积等驱动因子从左到右大致划分为产业结构、农业节水水平、人口演变和环境维护等四个方面。

表5 2000-2017年用水结构公共因子及均衡度无量纲化结果

六、山东省用水结构优化建议

(一)优化产业结构

产业结构是减少水资源消耗和降低水污染物排放的有效路径[10]。就产业间而论，一、二产业是高耗水行业，尤其是农业，在同等水资源消耗下产值比例较低，根据资源的流动性，会转而流向利润相对较高的行业，因此，针对山东省水资源短缺的情况，第三产业的迅速发展是大势所趋，建议鼓励发展二、三产业节水效益好、污水排放量少的行业。产业内，首先，在不影响农业经济效益的前提下，发展农艺节水、调整农作物种植结构等，减少农业用水量，为农业水资源的可持续利用做铺垫。其次，重视工业产业科技投入，加快向新型工业化转型，提高工业用水重复使用率，减少工业污水排放量。最后，以信息化、智能化带动第三产业的发展，减少资源耗用量，减少污水排放量。

(二)提高农业整体节水水平

山东省是农业大省，农田灌溉是用水大项，截止到2017年节水灌溉面积占到有效灌溉面积的61.90%，但当前我省主要节水灌溉方式为低压管灌，是灌溉有效率偏低的主要原因，进一步加强水资源可持续利用重要性的宣传、节水灌溉的管理和微喷灌节水灌溉的补贴力度，为微喷灌等节水效益高的灌溉方式的推广实施提供有利条件。

(三)控制生活用水量增长幅度

人口总量及城镇化的加快使得生活用水不断增加，严格推行阶梯式水价的同时，可以尝试对居民制定物质的节水奖励制度。对第三产业中高用水行业，比如洗车、餐饮、学校、医院、消防、环境景观用水等，需要加强节水宣传力度，并对安装节水设备或可利用水(如：雨水)的蓄水设备进行补贴或嘉奖，以此来控制生活用水量的增长幅度。

(四)环境维护用水多元化

城区的绿化灌溉、环卫清洁、景观补水虽属于环境维护用水，但统计在生活用水中，生活用水量的加大导致生活污水排放量的增多，为节约用水，这部分污水处理后的再生水可以用来补充城区环境维护用水。当下环保力度的加大，河湖水量的补充以及水土流失治理等使得生态环境用水逐年增加，可加大海水淡化力度的研究，为生态环境用水另辟出路。