吕素冰，李庆云，丁泽霖

(华北水利水电大学，河南 郑州450045)

我国用水结构分为农业用水、工业用水、生活用水和生态用水4 部分，其动态变化映射出国家或地区的科技水平、经济状况和生活质量. 通常，农业用水比例高，说明该地区以农业生产为主且农业科技相对落后;工业用水比例高，说明此地区工业实力较强;而生活和生态用水比例高，则是生活质量和文明程度偏高.因此，合理的地区用水结构是开发利用水资源、编制水资源规划的前提及基础［1－3］.

随着用水人口的增多以及地下水超采等问题的凸显，常规地表水和地下水资源的水量和水质已不能满足现状用水需求，而诸如雨水洪水利用、海水淡化、污水回用等非常规水资源利用方式逐渐被认可.其中，洪水资源的利用方式和效益研究趋于成熟，其利用对补给常规水资源、缓解水资源短缺起到举足轻重的作用［4］.目前多是分析地区常规水资源利用的用水结构［5－6］，鲜有考虑非常规水资源如洪水资源的纳入对用水结构的影响. 笔者以吉林省白城市为例，针对其具有洪水资源利用的地区优势，通过对比洪水资源利用前后用水结构的变化，探讨当地地下水资源开发利用弊端，突出洪水资源利用对用水结构的影响.

1 研究方法

用水结构的演变过程处于有序和混沌之间，阶段性的变化与社会经济发展紧密相关，表现为:①初级阶段——经济欠发达地区以农业用水为主;②中间阶段——随着经济和工业的发展以及技术水平的提高，工业用水量逐渐增大，农业用水量相对减少;③高级阶段——由生活质量提高和对生态环境重视带来的生活用水量和生态用水量增加，从而农业、工业、生活和生态用水趋于均衡［7－8］. 鉴于此，可以利用系统论中信息熵的概念定量分析用水结构的演变，其值的大小反映了用水结构中各类别用水量分布的均匀程度.

在某一时段内，地区用水总量为Q，有m 种用水类型(x1，x2，…，xm)，每种用水类型的水量为q1，q2，…，qm，占用水总量的比例分别为p1，p2，…，pm，其中pi= qi/Q(pi≠0)，并且∑pi= 1，则用水结构的信息熵H 为

式中:H 为用水结构的信息熵，单位为nat(奈特).

如果水资源没有被开发利用，则用水类型为0，即Hmin= 0;如果水资源开发成熟，则用水类型完善，各类用水趋于均匀、稳定，即q1= q2= … =qm= Q/m 时，用水类型最多，此时Hmax= lnm. 因此，在用水总量一定的情况下，用水类型越多，各用水类型之间的用水量差别越小，熵值越大.

用水结构中水资源类型m 发生变化，那么信息熵值在用水类型变化前后缺乏可比性.据此，引入均衡度J 的概念.

式中0 ≤J ≤1，其值为实际熵值与最大熵值之比.用水结构中各用水种类之间的比例差别越小，某一用水类型的优势性越弱，那么均衡度越大，系统均衡性越强.

2 实例研究

2.1 区域概况

白城市位于吉林省西北部(121°38'— 124°11'E，44°13'—46°18'N)，是国家级大型商品粮基地，主要粮食作物有小麦、玉米、大豆、水稻等.受温带大陆性季风气候影响，该地区年内降水分布不均匀，农作物需水与降水时间不同步，因此地区用水以地下水开发利用为主.但是随着地下水超采问题的恶化，以及该地区不具备区域外引水和调水的工程条件，解决水资源短缺问题必须依赖于内部水转化.基于此，充分利用地区水文优势，开发洪水资源是白城解决缺水问题的重要措施.

2.2 洪水资源利用

流经白城地区的主要河流为嫩江和洮儿河，如图1所示.嫩江洪水一般出现在8月之后，往往流量较大，持续时间较长.其主汛期为6—9月，区域内降雨占全年降雨80%. 洮儿河洪水历时短，具有突发性，洪水一般形成于7月中旬至8月下旬.

图1 白城地区水系图

通过对比嫩江和洮儿河1956—2000年的年、月以及汛期逐日径流过程，发现嫩江和洮儿河每年有将近半年的时间满足径流补偿条件，可以在汛期引蓄嫩江洪水，将洪水转化为可利用的水资源. 同时，该地区完善的水利工程(水库、提水站和灌区)以及天然水体(泡沼、湿地等)均可提供充足的蓄洪库容.这些水文条件和工程情况使得蓄滞嫩江洪水可行，从而实现白城地区的洪水资源利用［9］.

白城地区自2003年开始引蓄嫩江和洮儿河洪水，各年引洪量见表1.

表1 2003—2009年洪水资源利用量 108 m3

2.3 用水结构演变趋势

白城地区洪水资源利用带来可观的经济、生态和社会效益，如2003—2009年利用向海湿地和莫莫格湿地洪水资源产生的湿地生态服务功能效益总计逾1.52 ×109元(2009年价)，引蓄1 m3洪水的效益为3.81 元/(m3·a)［10］.洪水资源利用产生效益的同时，也对当地的用水结构演变趋势产生影响.对比洪水资源利用前后，应用信息熵和均衡度的概念，分析地下水利用以及地下水+洪水综合利用的用水结构变化.

2.3.1 地下水利用

依据白城地区地下水用水量变化，计算1995—2009年的信息熵和均衡度，如图2所示［11］.

由图2可知，白城地区信息熵和均衡度均呈波动下降趋势，与用水总量逐年递增的变化趋势相反.均衡度由1995年的0.66 降为2009年的0.26，表明用水结构中单一用水类型(农业用水)所占比例偏大，用水结构均衡性偏低.

图2 1995—2009年地下水利用信息熵和均衡度变化趋势

2.3.2 地下水+洪水资源综合利用

自2003年起，白城地区通过水库、灌区、提水站、泡沼和湿地积蓄洪水资源，主要用于农业和生态用水.按用水路径，将水库、提水站、灌区积蓄的洪水作为农业用水，而湿地和泡沼蓄滞的水量作为生态用水，分别加入相应的地下水用水水量中，各产业用水情况及计算的信息熵结果见表2和如图3所示.

表2 2003—2009年地下水和洪水综合利用用水构成、信息熵和均衡度

图3 洪水资源利用前后信息熵和均衡度变化趋势

由表2和图3可知，将洪水资源利用量加入相应产业的地下水用水量之后，信息熵和均衡度均明显增长.尽管洪水资源多用于农业灌溉，但是由于生态用水和用水总量的增加，使得农业用水比例低于常规地下水利用的农业用水比例.所以，纳入洪水资源后，用水结构信息熵和均衡度均有所提升.农业用水比例的降低和弱化，使得整体的用水结构向合理化演进.

3 结 语

1)借鉴信息熵和均衡度的概念，对比洪水资源利用前后地区用水结构演变趋势，探讨洪水资源利用对用水结构的影响.

2)白城地区以农业用水为主，常年超采地下水使之接近承载极限.同时，单一的用水类型降低了白城地区常规地下水用水结构的功能性和均衡性. 洪水资源利用增加了生态用水和用水总量，削弱了白城地区农业用水的单一性，对白城地区的用水结构向合理性演化起到促进作用.

3)无论是常规地下水开发利用，还是非常规洪水资源利用，大部分水源都用于农业生产.这是鉴于白城地区的经济特色和区域功能，首先要保障当地农业用水需求，以维持稳定和安全的农业生产.在满足粮食生产的农业用水和维持生态环境的生态用水的前提下，可以适度加大工业用水和生活用水，调整和均衡用水结构，使得用水结构向稳定性和合理性发展.

［1］潘雄锋，刘凤朝，郭蓉蓉. 我国用水结构的分析与预测［J］.干旱区资源与环境，2008，22(10):11－14.

［2］鲍超，方创琳.内陆河流域用水结构与产业结构双向优化仿真模型及应用［J］.中国沙漠，2006，26(6):1033－1040.

［3］刘燕，胡安焱，邓亚芝. 基于信息熵的用水系统结构演化研究［J］. 西北农林科技大学学报:自然科学版，2006，34(6):141－144.

［4］向立云，魏智敏. 洪水资源化——概念、途径与策略［J］.水利发展研究，2005，5(7):24－29.

［5］粟晓玲，赵晨，马黎华.关中地区近20年用水结构演变及其驱动力研究［J］.灌溉排水学报，2008，27(5):71－73.

［6］畅建霞，黄强，王义民，等.基于耗散结构理论和灰色关联熵的水资源系统演化方向判别模型［J］. 水利学报，2002，33(11):107－112.

［7］马黎华.变化环境下石羊河流域用水结构的演变及其模拟［D］.杨凌:西北农林科技大学，2008.

［8］吕素冰.洪水资源利用对区域用水结构影响分析［D］.大连:大连理工大学，2012.

［9］刘建卫，许士国，张世博. 白城市河流洪水资源优化配置研究［J］.水电能源科学，2007，25(6):7－10.

［10］Lü S B，Xu S G，Feng F. Floodwater utilization values of wetland services—a case study in northeastern China［J］. Natural Hazards and Earth System Sciences，2012，12:341－349.

［11］许士国，吕素冰，刘建卫，等. 白城地区用水结构演变与用水效益分析［J］.水电能源科学，2012，30(4):106－108，214.