水利水电技术第51卷2020年第12期
陈颖杰，金保明，金君良，等.基于生态位理论的黄河流域用水结构分析[J].水利水电技术，2020, 51(12): 36-46.
CHEN Yingjie, JIN Baoming, JIN Junliang, et al. Ecological niche theory-bad analysis on water consumption structure in Yellow River Basinf J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2020, 51( 12) ：36-46.
基于生态位理论的黄河流域用水结构分析
陈颖杰金保明\金君良2’3’4，王国庆2’3’4，徐华3
(1.福州大学土木工程学院，福建福州350108; 2.长江保护与绿色发展研究院，江苏南京210098;
3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029;
4.水利部应对气候变化研究中心，江苏南京210029)
摘要：为分析和探究黄河流域用水结构的变化特征，科学支撑流域水资源合理配置与调度，保障流 域可
持续发展，以黄河流域为研究对象，基于生态位理论构建了用水结构生态位及其熵值模型，分析 了流域及流域内主要省区用水结构演变趋势和特征，并与发达国家用水特征作比较。在此基础上提出 了相关建议。结果表明：黄河流域的农业用水生态位（0.7~0. 78)最大但呈现波动减少趋势，工业用 水生态位（0. 12〜0. 15)次之且变化趋势为波动且有所下降，生活用水生态位（0.06~0. 08)与城镇公共 及生态用水生态位（0.03~0. 09)相对较少但皆有不同程度的增长趋势。各省区的生态位熵值差异较 大，表明流域及各省区间用水结构差异较大。统计年间宁夏、内蒙古及山东的农业用水占有率高于全 流域，陕西、山西、河南及甘肃的工业用水占有率高于全流域，各省区城镇公共及生态用水的占有率 变化剧烈，陕西、山西及河南的生活用水占有率高于全流域。相较于黄河流域，美国的工业用水
(0.42~0.52)在用水结构中的优势更加突出，农业用水（0.3卜0.44)相对处于劣势地位；两个区域生
活用水在用水结构中的地位相对其他的用水类型更为接近。
关键词：用水结构；生态位；熵值；水资源合理配置；黄河流域；水资源 萬9
d oi：10. 13928/j. cnki. wrahe. 2020. 12. 005 开放科学（资源服务）标识码（OSID) : |
中图分类号：TV213 文献标识码：A 文章编号：1000-0860(2020)12-0036-11 ||H
Ecological niche theory-bad analysis on water consumption structure in Yellow River Basin CHEN
Yingjie1'2,JIN Baoming1,JIN Junliang2-3'4,WANG Guoqing2-34,X U Hua3
(1. College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China；2. Yangtze Institute for Conrvation
and Development, Nanjing 210098, Jiangsu, China；3. State Key laboratory of Hydrology-Water Resources and
委托生产加工合同
Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Rearch Institute, Nanjing 210029, Jiangsu, China；4. Rearch
Center for Climate Change, Ministry of Water Resources, Nanjing 210029, Jiangsu, China)
A bstract：In order to analyze and explore the changing characteristics of the water consumption structure of the Yellow River
Basin and scientifically support the reasonable allocation and regulation of water resources to guarantee the sustainable development of the river basin, the Yellow Kiver basin is taken as the study object herein, for which the ecological niche of the water
收稿日期：2020-06-30
基金项目：国家重点研发计划（2017Y F C0404401)；国家自然科学基金项目（51779144, 51679144, 51879164)；中央公益性科研院所基本业务费（Y220011，Y519010)
归莲梦作者简介：陈颖杰（丨
9%—)，男，硕士研究生，主要从事水文水资源研究。E-mail:
通信作者：金君良（1982—)，男，正高级工程师，博士，主要从事水文水资源研究。E-mail:
36Water Resources and Hydropower Engineering Vo\.5\ No. 12
陈颖杰，等//基于生态位理论的黄河流域用水结构分析
consumption and its entropy model are established on the basis of the ecological niche theory, and then the evolution trends and characteristics of the water consumption structures of the river basin and the main provinces and regions within the river basin are analyzed, which are compared with the water consumption structures of tho developed countries. On the basis of this, the relevant suggestions are put forward. The results show that the ecological niche of the agricultural water consumption (0. 7 〜
0. 78) is the largest, but which exhibits a fluctuated decreasing trend, while the ecological niche of the industrial water consump-
tion (0• 12〜0• 15) is the condary and its changing trend is fluctuated with a decrea to some extent. Meanwhile, both the ecological niche of the domestic water consumption (0• 06 〜0. 08) and the ecological niche of urban public and ecological water consumption (0. 03 〜0. 09) are relatively less and exhibit the increasing trends with different degrees. The difference among the entropy values of the ecological niches of all the provinces and regions are relatively larger, which indicates that larger differences
are there among the water consumption structures of the river basin and all the provinces therein. During the statistical years, the occupation ratios of agricultural water consumption of Ningxia, Inner Mongolia and Shandong are higher than that of the whole riv
er basin, the occupation ratios of industrial water consumption of Shaanxi, Shanxi, Henan and Gansu are higher than that of the whole river basin, the occupation ratios of the urban public and ecological water consumption of all the provinces and regions are violently changed and the occupation ratios of domestic water consumption of Shaanxi, Shanxi and Henan are higher than that of
the whole river basin. Compared with the Yellow River Basin, the industrial water consumption of the United States (0• 42 〜
0. 52) has a more prominent advantage in the water structure, while the agricultural water consumption (0. 31 〜0. 44) therein is
in a relatively inferior position ?but the positions of the domestic water consumptions in the water consumption structure of both of them are more clor if compared with the other water consumption types.
Keywords：water consumption structure；ecological niche；entropy value；Yellow River Basin；reasonable water resources allocation；water resources
0引言
近年来，随着经济发展和居民用水需求的增长，水资源的供需矛盾不断加剧。水资源已作为影响区域 经济社会高质量发展的最大刚性约束，解决水资源问 题迫在眉睫〜2]。用水结构是区域水资源利用、经济 产业结构及生态文明建设的综合反映，合理的用水结 构是缓解区域用水压力，实现水资源可持续发展的关 键所在[3]。探究区域用水结构的变化，有助于把握 水资源系统的演变规律，分析区域范围内不同类型用 水需求的变化趋势，为流域水资源的合理配置提供参 考依据。
现阶段有许多研究方法被应用于用水结构演变的 相关研究，主要可以分为四类：以信息学理论为基础 的信息熵及均衡度模型[4_6]，以经济学理论为基础的 洛伦兹曲线与基尼系数模型[7_8]，基于生态学原理的 生态位及其熵值模型[9M°]和基于统计学原理的数理统 计方法["1等。以往区域用水结构的研究对象多以经 济发达的省市或者干旱缺水地区为主，以流域为研究 对象的较少[12]，其中以整个黄河流域用水结构为对 象的研究成果相对匮乏。贾绍凤等[13]通过分析黄河 流域的来用水情况，总结了黄河流域的用水特征，并 预估了未来流域的用水结构变化趋势；马翔堃等[14]统计了甘肃省黄河流域的水资源状况，分析黄河流域水资源利用存在的主要问题；刁艺璇等[15]利用耦合 协调模型，分析了黄河流域城镇化与用水结构之间的 关系，并提出了相关建议。这些研究多针对流域不同 用水类型的占比关系、发展趋势及协调性，缺乏流域 和省区间用水结构关系的研究。
生态位包含生物单元的状态和对环境的现实影响 力或支配力，反映了生物在特定生态系统中所占据的 生态位置[16]。生态位理论最初由生态学领域提出，后被广泛应用于城市[17]、土地利用[18]等领域，生态 位概念也被引申为不同领域系统下，各系统组成成分 发展态势的表现。生态位及其熵值模型通过用水生态 位反映区域不同用水类型的时空变化态势，可以比较 区域与下属分区的用水结构生态位熵值来反映区域及 分区之间的用水结构差异，有利于全面地反映用水结 构的演变趋势。焦士兴等[9]在探讨水资源利用生态 位内涵的基础上，构建了水资源利用生态位及其熵值 模型，分析了水资源利用生态位与生态环境关系，首 次将生态位及其熵值原理应用于安阳市用水结构变化 的研究中。此后
有施丽珊等[19]利用生态位宽度模型 和熵模型开展研究，揭示了福建省用水结构的演变规 律。近年来有胡德秀等[1°]建立用水结构生态位及其 熵值模型，揭示了陕西省渭河流域各区市用水结构及 其相对于陕西省、全国的演变态势。但上述研究皆以 省市为主要的研究对象，且用水结构的比较分析局
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100W E 110°0,0,,E 120°0'0"E
图1研究区示意及水系分布
限于国内，未能更加深人地分析比较流域和省区、发 达国家之间的用水结构变化。
基于此，本文以黄河流域为研究对象，建立生态 位及其熵值模型，通过生态位态势、生态位扩充与压 缩等理论分析黄河流域与流域范围内八个主要省区的 用水结构演变趋势，探究流域与省区不同类型用水的 关系，并在此基础上，从生态位的角度比较分析发达 国家与黄河流域的用水结构差异，为实现黄河流域合 理高效的水资源配置和高质量发展战略提供理论 依据。
1研究区域概况
黄河流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕
西、山西、河南、山东等九省（区），流域面积达 79. 5万km 2，流域河川径流量为534. 8亿m 3，人均 占有河川径流量473 m 3，为全国人均的23%，至 2017年黄河流域覆盖省份人口达12 330万人，城镇 化率达52%，流域总用水量达516. 6亿m 3，其中农 业用水所占比重达71.3%，工业用水占比为13%, 生活用水占比达8.1%。黄河流域作为中国重要的工 业产地和农业种植区域，生产用水量大，生态环境脆 弱，流域水资源保障形势严峻。随着黄河流域生态保 护和高质量发展上升为国家重大战略，以水为定，实
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现流域内水资源的合理开发利用显得尤为重要。
2资料及研究方法
写给闺蜜的句子暖心2. 1
数据来源
研究相关用水数据来源于《黄河水资源公报》
(2000—2017年）[M]。根据行业类型和生态环境需 求，用水量可以分为农业用水量、工业用水量、城镇 公共用水量、生活用水量及生态环境用水量。由于黄 河流域的生态环境用水数据统计始于2003年，且城 镇公共用水及生态用水占比重较小，故而论文选取 2003—2017年作为研究统计年，并将城镇公共用水 和生态环境用水合并考虑分析。2. 2
生态位及其熵值模型
生态位是生物在特定的生态系统中所占据的地位 和作用的表现，生态位的态、势和扩充度可以反映生 物在生态系统中的存在状态、发展趋势及发展潜力。 确定生态系统中的某种群的生态位，需要先测量该种 群的数量、生物量或能量含量，以确定该种群的态, 然后测定其种群的数量变动、生物生产力或能量变换 速率，以确定其势，经过量纲转换后，两者之和为这 一种群的绝对生态位[21]。以青冈林乔木层为例，生 态位态势理论以主要种类生物量为“态”的度量指 标，生物量的年生长量为“势”的度量指标。
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陈颖杰，等//基于生态位理论的黄河流域用水结构分析
依据生态位理论在用水结构中的应用，将用水结 构视作一个生态系统，某一类型的用水在用水生态系 统中的地位由对应用水类型的生态位来表现。生态位 越高的用水类型地位越高、竞争潜力越大，对水资源 捕获能力也越强，反之亦然[9]。生态位态势理论中， “态”主要反映生物在生态系统中的地位、状
态，本 文以对应类型用水的用水量作为用水生态位的 “态”，可以反映该用水类型在用水结构中所处的状 态；而“势”则体现生物在生态系统中的发展趋势 和发展潜力，可以采用过去每年的用水增长量作为用 水生态位的势通过比较不同用水类型生态位, 及其与上一级区域同类型生态位，可以明确某种类型 用水的优劣[1°]。本文需要探究黄河流域的用水结构 的时空变化特征，并分析流域和各省区之间的用水结 构演变关系，故而生态位理论及其熵值模型比较符合 研究要求。
用水结构生态位计算公式为
*
n
慢病健康管理' /
Z (S , +A ,P ,)
式中，为第〖类用水^生态位；5，为第£_类用水生态 位的态；P ，为第/类用水生态位的势；i 为不同用水 类型，；=1，2,…，rt ; /I ，为量纲转换系数；5,.+
为第f '类用水的绝对数量生态位，故而％即为某 类型用水绝对生态位与所有种类用水的绝对生态位之 和的比值；量纲转换系数为1。
构建生态位熵值模型用于相同用水类型生态位上 下级（“上级”指的是黄河流域；而“下级”则指流 域内的各个省区）相对变化的分析
式中，/V ，为第i 类用水生态位的熵为第；类用水的 生态位；％为上一级同类型用水的生态位。
当/V ,. > 1时，用水生态位大于上一级同类型用
水生态位，表明i 类用水在本区域处于优势地位，有 利于该类用水产业的增长和发展；当y v , < 1时，则 小于上一级同类型用水生态位，表明i 类用水在本区 域处于劣势地位，不利于该类用水产业的增长和发 展；/V , = 1时则为同步发展。依据；类用水生态位的 熵，不仅可以判断该类用水在上一级区域内的优劣程 度，而且可以追寻用水发展轨迹和趋势变化，即若Z 类用水生态位熵增，表明其扩充度大于上级同类用水 的扩充度，而压缩度则呈相反趋势。
3
流域用水结构变化
3. 1
区域用水生态位区间分析
依据用水结构生态位计算方法，得到黄河流域
各省各类型用水生态位区间（黄河流域及流域内主 要用水省份的生态位计算根据《黄河水资源公报
2003—2017》），如表1所列。由于流域内各省各用 水类型的生态位区间具有不同的特征，反映了不同 用水类型在空间分布上的差异。故本文根据各类用 水类型在不同省区的生态位区间进行层次聚类分 析，将农业用水量、工业用水量、生活用水量、城 镇公共及生态用水量在用水系统中的地位及作用划 分为三类，并以分类结果分析不同区域用水结构变 化的特征。
层次聚类分析法是在没有先验知识的情况下将样 本数据根据数据在性质上的相似程度进行分类[22]。 依据黄河流域2003—2017年计算所得生态位区间的 数据特性，采用平均法和标准欧式距离法分别为层次 聚类分析的聚类方法和距离计算方法，聚类结果如图 2所示。结合表1和图2可知，从总体上看，黄河流 域及流域内各省区的各类型用水生态位中农业用水生 态位占据绝对优势，工业用水生态位及生活用水生态
位次之，城镇公共及生态用水生态位最小，表明黄河 流域及流域内各省区农业生产对水资源的捕获能
力最 强，工业相关的产业次之。
表1
黄河流域各省各类型用水生态位区间
区域农业用水工业用水城镇公共及生态用水
居民生活用水青海(0. 67-0. 83)(0.02 〜0.23)(0. 03-0. 11)(0.05 〜0. 12)甘肃(0. 58-0. 77)(0. 11-0. 29)(0.03 〜0• 1)(0.05 〜0• 12)宁夏(0. 83-0.96)(0.02 〜0.09)(0.01-0.06)(0.01-0.04)内蒙古
(0.76〜0.91)(0.05 〜0. 16)(0.01-0.06)(0.01-0.04)陕西(0. 57-0. 66)(0. 15-0.21)(0.02 - 0.09)(0• 11 〜0• 18)山西(0. 54 - 0.64)(0. 15 〜0.25)(0.04-0. 12)(0. 1-0. 15)河南(0. 56-0. 73)(0. 17-0. 28)(0. 03-0. 17)(0.07 〜0. 12)山
东
(0. 73-0. 88)(0.06-0. 15)(0.01-0.09)(0.03-0.07)黄河流域
(0.7-0. 78)
(0. 12-0. 15)
(0. 03 - 0.09)
(0.06 〜0.08)
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陈颖杰，等//基于生态位理论的黄河流域用水结构分析
0.50.5
宁夏内蒙古山东青海陕西甘肃山西河南
(c >城镇公共及生态用水宁夏内蒙古山东青海甘肃河南陕西山西
(d )生活用水
图2用水结构生态位聚类分析
由图2分析可知，统计年内各省区的用水生态位 存在较明显的差异。其中，宁夏、内蒙古及山东的农 业用水生态位最大，甘肃、河南、山西和陕西相对较 少。而就工业用水生态位的各省区分类结果来看，甘 肃、河南、山西和陕西的工业用水生态位最大，宁 夏、内蒙古及山东相对较少。山东是农业大省，主要 的蔬菜瓜果产地，且流域内的宁夏、内蒙古省区是主 要的粮食作物及牧草产地，故而农业用水占比较其他 省区更大，地位更高。相对而言，由于流域内部分省 区工业生产的需要，甘肃、河南、山西和陕西的工业 用水较宁夏、内蒙古及山东在用水结构上更具优势，
占据更主要的地位。
从生活用水生态位的各省区分类结果可以看出, 山西和陕西的生活用水生态位最大。由于经济社会的
发展，居民生活质量的提高，相对流域其他省区，山 西和陕西的生活用水在用水结构中的占有率更高，对 水资源的捕获能力更强。山西和河南的城镇公共及生 态用水生态位大于全流域，为各省区中最大的一类， 反映出山西和河南对生态环境保护的重视程度高于全 流域水平。
3.2用水生态位及其熵值分析
依据生态位熵值计算方法，可得各省区不同用水
0.5甘肃河南陕西山西青海宁夏内蒙古山东
安全画报
(a )农业用水
2.50.5
英语优美句子摘抄
内蒙古山东宁夏青海甘肃山西河南陕西
(b )工业用水
2.5
砘靼楸联
疏毁献联
40
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