秦欢欢，赖冬蓉，万 卫，3

(1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013；3.东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013)

0 引 言

水资源在人类社会经济活动中起着举足轻重的作用，为人类的发展提供了基本的物质基础和条件[1]。随着人口的增长和经济的发展，人类对于水资源的需求在不断增大，同时由于人类对于水资源的过度开发利用及污染，世界各地均出现了不同程度的缺水问题，人类对水资源需求的增长与水资源有限性之间的矛盾愈发突出，因此，水资源的合理利用是人类社会面临的最重要的问题之一[2-6]。用水结构是指农业、工业、生活和生态环境用水量之间相互关联及依存的结合方式及其比例关系[1]。农业、工业、生活和生态环境用水量占总用水量的比重能在一定程度上反映区域的经济水平、文明程度及科技水平。用水结构具有显著的地域差异，和区域的社会经济发展及水资源状况有很大关系，随着社会经济的发展和科技水平的进步而处在不断变化之中[1，7-9]。用水结构变化对于区域用水总量及其合理性有着至关重要且直接的影响，而且会进一步影响区域水资源的可持续利用及社会经济的可持续发展[10，11]。因此，对用水结构变化的趋势进行深入研究，合理分析用水结构变化的规律，探求影响用水结构变化的因素，对于区域水资源的合理配置及有效管理，发挥水资源的最大潜力，保障区域水资源的可持续利用，促进社会经济的协调发展具有重要的现实意义和科学价值[2，5，11-13]。

我国水资源的分布具有“南多北少”的空间不均匀性，缺水问题在我国的北部、西部等地区比较突出[14]，目前针对华北、西北等干旱半干旱地区的用水结构及影响因素的研究较多，而对南方富水地区用水结构及影响因素的研究则较少[2，7，10，12，15-20]。冯天梅等[2]利用信息熵理论对包头市用水结构变化的趋势进行了分析，结果表明包头市以农业用水为主，生活和工业用水占较小比例。包头市用水结构的信息熵呈增加的趋势，说明包头市用水结构有较小的向无序化方向发展的趋势。雷欢等[12]分析了陕西省2001～2010年农业、工业、生活及生态用水的结构变化，结果表明，陕西省用水总量在波动中缓慢上升，农业用水量和比重都在下降，工业用水量变化较缓，生活和生态用水量呈持续增长趋势。

江西省地处中国东南部、长江中下游南岸，北纬24°29′14″～30°04′41″，东经113°34′36″～118°28′58″之间，面积1.669×105km2，与闽、浙、粤、湘、鄂、皖等省份相邻，属于经济相对落后的省份[21]。江西省水资源丰富，多年(1999～2016)平均降水量为1 674.6 mm，多年平均水资源量为1.60×1011m3。2016年江西省年平均降水量1 996.1 mm，较常年偏多19.2%；平均气温18.9℃，较常年偏高0.9℃；平均日照时数1 485.8小时，较常年偏少15:22 2018/11/29%。虽然江西省属于多水的省份，但从整体来看，江西省在水资源的利用过程中存在诸如降水时空分布不均、水资源供需矛盾较突出、水资源开发利用率偏低、水环境问题日益突出等问题[22]。本文在搜集江西省1999～2016年农业、工业、生活和生态环境用水量数据的基础上，基于信息熵原理，计算江西省各年份用水结构信息熵和均衡度，探究江西省用水结构变化的趋势，总结影响江西省各部门用水量变化的因素。

1 江西省1999～2016年用水结构变化分析

江西省用水部门包括农业用水、工业用水、生活用水和生态环境用水，其中农业用水包括农田灌溉用水和林牧渔畜用水两部分，生态环境用水从2003年开始纳入用水统计。用水资料搜集自1999～2016年的《江西省水资源公报》，农业、工业和生活用水量数据跨度从1999～2016年，而生态环境用水量数据跨度则从2003至2016年。

1.1 总用水结构变化分析

图1是江西省1999～2016年各用水部门的用水量和总用水量的变化情况。从图中可以看出，1999～2016年江西省总用水量整体呈现波动上升的趋势，由1999年的217.08×108m3上升为2016年的245.40×108m3，年均增长1.67×108m3。总用水量在增长的过程中，阶段性变化不是很明显，其中1999～2003年整体呈下降趋势，而2003～2016年整体呈上升趋势，2003年总用水量最小(172.50×108m3)，2013年总用水量最大(264.81×108m3)。全省分地区来统计(表1)，赣中地区(宜春、新余、吉安、萍乡和抚州五市)用水量(102.79×108m3)最大，约占江西省总用水量的45%，其次为赣北地区(南昌和九江两市)(用水量53.14×108m3)和赣东北地区(上饶、景德镇和鹰潭三市)(用水量43.58×108m3)，分别占全省总用水量的23%和19%，赣南地区(赣州市)用水量(29.41×108m3)最少，约占全省总用水量的13%。

图1 江西省1999～2016年各部门用水量的变化

年份赣北赣东北赣中赣南用水量占比用水量占比用水量占比用水量占比199944.9220.6946.7921.5596.3644.3929.0113.36200045.6520.9846.3021.2794.4443.3931.2514.36200147.9622.7445.1421.4088.4541.9429.3713.92200248.2024.2544.2922.2883.3441.9322.9211.53200343.8825.4431.5518.2972.9642.3024.1113.98200449.4624.3040.4319.8789.3543.9024.2811.93200552.7825.3742.2620.3188.3842.4824.6311.84200654.2926.4040.9119.8986.7942.2023.6811.51200757.9724.6840.8717.40106.8245.4829.2112.44200854.3223.1943.8818.74106.8345.6129.1712.46200957.4222.3544.3217.25122.6947.7532.5212.66201057.7524.0940.1616.75113.5847.3728.2611.79201161.0223.2145.0717.15123.4846.9833.2912.66201256.3023.2141.0516.93113.6046.8431.5913.02201358.8622.2348.3218.25121.6545.9435.9813.59201457.3022.1048.4418.68117.9845.5035.5813.72201554.1622.0347.6119.37111.6645.4332.3813.17201654.2722.1146.9719.14111.9445.6232.1813.11平均53.1423.3043.5819.14102.7944.7229.4112.84

1.2 农业用水结构变化分析

农业作为江西省的用水大户，其用水量在1999～2016年呈波动略微上升的趋势，平均在151×108m3左右波动(图1)，由1999年的152.86×108m3增为2016年的154.20 ×108m3。其中1999～2003年呈现非常明显的下降趋势，而2003～2016年则呈波动上升的趋势，2003年农业用水量最小(106.79×108m3)，而2009年农业用水量最大(176.24×108m3)。农业用水量对总用水量有着较大的影响，由图2可以看出，江西省农业用水量占总用水量的比例呈波动下降的趋势，由1999年的70.42%下降为2016年的62.84%，年均下降约0.45%。其中1999～2001年农业用水比例略微上升，2001～2003年农业用水比例明显下降，而2003～2016农业用水比例呈波动略微下降的趋势。江西省农业用水包括农田灌溉用水和林牧渔畜用水两部分，其中农田灌溉用水(年均142.14×108m3)是主要用水部分，占农业用水量的90%以上，基本在94%左右波动；而林牧渔畜用水量(年均9.07×108m3)占农业用水量的比例很小，基本在6%左右波动(表2)。

图2 江西省各用水部门用水量占总用水量的比例

1.3 工业用水结构变化分析

江西省工业用水量呈明显的波动上升趋势(图1)，从1999年的45.01×108m3上升到2016年的60.50×108m3，年均增长0.91×108m3，其中2001、2006和2009这三年工业用水量出现了下降的波动，其余年份则保持持续的增长。2003年工业用水量最小(42.45× 108m3)，2015年工业用水量最大(61.62×108m3)。过去的18年，江西省工业用水变化保持平稳的状态，其占总用水量的比例保持在24%左右(图2)，其中1999～2003年工业用水量占总用水量的比例有小幅上升，2009年该比例有小幅下降，其余年份该比例保持较稳定的波动状态。

1.4 生活用水结构变化分析

和农业用水量、工业用水量不同，生活用水量在1999～2016年呈直线增长的趋势(图1)，从1999年的19.21×108m3快速增长到2016年的28.50×108m3，年均增长0.55×108m3，且这种增长的趋势无停止的迹象。2000年生活用水量最小(17.35×108m3)，2016年生活用水量最大(28.50×108m3)。生活用水量占总用水量的比例呈稳定小幅上升的趋势，从1999年的8.85%上升到2016年的11.61%，年均上涨0.16%(图2)。

生活用水可分为城镇公共用水和居民生活用水两部分(从2003年开始单独统计这两部分用水)，前者保持了持续增长，从2003年的2.56×108m3(占生活用水量的14%)快速上升为2016年的6.20×108m3(占生活用水量的22%)，年均增长0.28×108m3，其占生活用水量的比例增长了8%；而后者则从2003年的15.31×108m3(占生活用水量的86%)增长为2016年的22.30×108m3(占生活用水量的78%)，年均增长0.54×108m3，其占生活用水量的比例下降了8%。

表2 江西省1999～2016年农业用水结构(108 m3，%)

1.5 生态环境用水结构变化分析

生态环境的重要性日益凸显，亦受到国家和江西省的重视，江西省从2003年开始把生态环境用水单列统计。生态环境用水量整体上呈稳中有升的趋势，平均在2.16×108m3左右波动，由2003年的1.09×108m3变化为2016年的2.2×108m3，年均增长0.09×108m3(图1)。其中2003～2009年生态环境用水量呈上升的趋势，而2009～2016年则呈下降的趋势。2003年的生态环境用水量最小(1.09×108m3)，而2009年的生态环境用水量最大(4.77×108m3)。生态环境用水量占总用水量的比例很小，在波动中呈稳定的变化状态，从2003年开始，该比例基本保持在0.9%左右，由2003年的0.6%变化到2016年的0.9%(图2)。

2 基于信息熵的江西省1999～2016年用水结构变化分析

信息熵是热力学概念的熵在信息学领域的应用，用来描述信源的不确定度(混乱度和无序度)，指的是信息中排除了冗余后的平均信息量。鉴于用水结构变化是一个动态、近似不可逆的过程，信息熵在用水结构变化的研究中有诸多应用[5，9，10，12，18，23，24]。因此，本文采用信息熵的理论对江西省1999～2016年的用水结构变化情况进行研究。

表3是江西省1999～2016年用水结构信息熵和均衡度的计算结果，从中可以看出，江西省1999～2016年用水结构信息熵整体上呈小幅波动且缓慢增长的趋势，变化范围是0.774 0～0.929 5 nat，18年间增长了18%；均衡度整体上在波动中呈缓慢下降的趋势，变化范围是0.622 8～0.756 4，18年间减少了6.5%。计算结果表明，江西省在1999～2016年之间用水结构缓慢向无序的方向发展，系统结构的分配愈发平均；均衡度的变化比较小，呈现出稳定的状态，说明江西省用水系统的均衡度趋向于稳定。

表3 江西省1999～2016年用水系统结构信息熵、均衡度计算结果

在过去的18年，由于社会经济的发展和人口的增加，江西省工业和生活用水在总用水中的比重在逐渐加大，农业用水的重心地位在下降，这使得江西省用水系统的功能变得更加全面；而以2003年开始生态环境用水单列统计为代表的用水类型的增加，使得用水结构比例得到了平衡，提高了系统的均衡度，亦表现了江西省政府和江西民众对水资源生态功能重要性的充分认识，表明江西省目前正由单目标开发利用水资源向多目标开发利用水资源的方向发展，同时亦在逐步考虑水资源综合利用范围的扩大和水资源生态环境系统的协调发展。从信息熵演化和均衡度这两个角度来看，江西省水资源开发利用结构向着更均衡、更稳定的方向发展。

3 江西省1999～2016年用水结构变化的影响因素分析

3.1 农业用水影响因素分析

根据前文的分析，江西省农业用水中90%以上是农田灌溉用水。影响农田灌溉用水量的因素包括降水量、灌溉面积、灌溉方式等。降水量对农田灌溉用水量及农业用水量有很大影响，从图3可以看出，2007、2009、2011和2013年的降水量分别为1 298 mm、1 392 mm、1 304 mm和1 464 mm，是降水量较少的年份，而这几年的农业用水量分别为154.22×108m3、176.24×108m3、175.32×108m3和175.68×108m3，是用水量较多的几个年份。降水量变化与农业用水量变化基本呈相反的趋势，降水量多，农业用水量少，降水量少，农业用水量则多。

江西省是全国13个主要产粮区之一，江西省粮食生产不仅能满足本省的需求，而且每年向国家提供数亿公斤商品粮。在过去的18年，江西省耕地面积呈增长的趋势(图4)，这在一定程度上也增加了农业用水量。另外，随着农业节水灌溉技术的推广应用，江西省农田灌溉用水量在一定程度上有所减少，同时也提高了用水效率。与此同时，农村产业结构调整也导致农业内部用水结构的变化，随着国家和江西省对本省水利行业投入的增加，有效灌溉面积在稳定中保持了一定的增长(图4)，这不仅保证了江西省粮食产量的增长，也在一定程度上增加了农田灌溉用水量。

图3 江西省1999～2016年农业用水量及降水量变化曲线图

图4 江西省1999～2016年耕地面积、有效灌溉面积和粮食产量变化曲线

3.2 工业用水影响因素分析

江西省工业用水量变化的影响因素主要是工业增加值、万元工业增加值用水量、工业内部结构的调整及工业节水技术的进步等。从1999～2016年，江西省工业保持了较高速度的增长，工业增加值从1999年的503.79亿元增长为2016年的7219.11亿元(表4)，增长了约13.33倍，年均增长约395.02亿元，这对工业需水量的增长产生了直接的影响。与此同时，江西省坚持“节水、防污”并重的原则，把工业节水与防污有机结合，用水效率逐步提高，万元工业增加值用水量从1999年的893.43 m3/万元下降到2016年的83.81 m3/万元(表4)，下降了约90%，取得节水、减污、降低成本的多重效应，表明江西省工业用水的效率在不断提高，工业发展模式由高耗水模式向低耗高效的节水型模式迈进。

表4 江西省1999～2016年工业增加值(亿元)和万元工业增加值用水量(m3/万元)的变化

不同工业结构下的用水规模及万元工业增加值用水量相差很大，这是导致工业用水量变化的重要因素。近年来，江西省通过对产业结构的优化和高耗水企业扩张的控制，在政策和资金方面进行引导和投入，单位工业增加值的用水量和能源消耗均逐年下降，工业的发展和节水降耗取得了长足的进步。另外，在科技进步的推动下，江西省工业节水技术得到了广泛的推广和应用，逐年提高了工业用水的重复利用率，由此缓解了工业用水量快速增加的趋势。

3.3 生活用水影响因素分析

影响生活用水结构变化的因素主要是人口、人均生活用水量及城镇化率。江西省总人口从1999年的4 231万增长为2016年的4 592万，增长了约8.5%，其中城镇人口由1999年的1 133万(城镇化率26.78%)增长为2016年的2 438万(城镇化率53.10%)，增长了约1.15倍，这直接导致了生活用水量的增长。同时，人均生活用水量由1999年的45.40 m3/人上升为2016年的62.06 m3/人，增长了约36.7%，这也直接导致了江西省生活用水量的增长。

3.4 生态环境用水影响因素分析

生态环境用水包括城镇和农村环境用水，前者包括河湖补水及绿化、清洁用水，后者是指人工措施对湖泊、洼地、沼泽的补水[1]。随着国家、政府对水生态、水环境安全的重视及民众对生活环境的日益关注，江西省的生态环境用水从2003年单列统计开始即保持了稳定的增长状态(年均增长0.09×108m3)，并且在未来很长一段时期内生态环境用水都将维持持续增长的趋势。

4 结 论

(1)江西省总用水量整体呈波动上升的趋势，年均增长1.67×108m3；农业用水量呈波动略微上升的趋势，基本在151×108m3左右波动；工业用水量呈明显的波动上升趋势，年均增长0.91×108m3；生活用水量呈直线增长的趋势，年均增长0.55×108m3；生态环境用水量整体上呈稳中有升的趋势，年均增长0.09×108m3。

(2)从信息熵演化和均衡度这两个角度来看，江西省水资源开发利用结构向着更均衡、更稳定的方向发展。

(3)江西省用水结构变化的影响因素是多样的，包括降水量、灌溉面积、灌溉方式、工业增加值、万元工业增加值用水量、工业内部结构的调整、工业节水技术的进步、人口、人均生活用水量、城镇化率及政府和民众对生态环境的重视等。