基于信息熵的新疆用水結構演變與驅動因子灰色關聯研究

喬　凱

(新疆財經大學 經濟學院， 新疆 烏魯木齊 830012)

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基于信息熵的新疆用水結構演變與驅動因子灰色關聯研究

喬凱

(新疆財經大學 經濟學院， 新疆 烏魯木齊 830012)

摘要：基于2004—2014年新疆農業用水、工業用水、生活用水以及生態用水的數據，采用信息熵的方法描述新疆用水結構的演變規律，運用灰色關聯度分析影響用水結構演變的主要驅動力。結果表明：新疆近年來用水結構的信息熵和均衡度總體上都呈現出下降的趨勢，說明新疆各部門間用水結構更加趨于不平衡的發展狀態。灰色關聯度結果反映出用水結構演變多方面因素有著聯系，其中產業結構的影響最大。因此，新疆應調整產業結構使之與水資源協調發展，開展農業節水工程，保障必要的生態用水量，以提高本地區的水資源開發利用結構的穩定性和均衡性。

關鍵詞：用水結構；信息熵；灰色關聯度；新疆

一、引言

新疆地處西北內陸干旱地區，降水量稀少，蒸發量大、生態脆弱的特點，使水資源短缺問題成為了制約新疆經濟社會發展的關鍵因素。2014年，全疆各類水利工程總供水量581.12億m3。其中地表水源供水量449.40億m3；地下水供水量131.36億m3；中水回用量1.06億m3；全疆水利工程補給生態環境水量4.05億m3。全疆的總用水量量為581.12億m3。其中農業用水量為554.08 m3；工業用水量為13.2億m3；生活用水量和生態環境補水量分別為9.28億m3和5.26億m3。目前，新疆正面臨著水資源開發過度和“五化同步”協調發展對水資源需求不斷增長的矛盾[1]，加強水資源的有效利用，實現水資源的合理配置已經成為新疆實現可持續發展的必由之路。當前對新疆水資源問題主要從新疆水資源的現狀出發來研究如：李萬明[2]通過論述新疆水資源的現狀，認為新疆水資源利用程度低，水資源存在浪費嚴重、污水處理能力不高以及地下水超采等問題；周和平，翟超[3]等采用綜合評價和柯布道格拉斯模型分析現狀與未來15項投入因素對總用水量影響，得出2011年水資源與經濟社會不協調，未來2015至2030總體處于可協調狀態；岳春芳，侍克斌等[4]分析了新疆水資源開發利用現狀及存在的問題，得出應當依靠內部挖掘、調水等工作，促進新疆的跨越式發展；段新光，欒芳芳[5]運用模糊評價模型對新疆水資源承載力現狀進行評價，得出新疆水資源開發利用已具有相當規模，水資源供給對國民經濟的發展具有一定的保障，進一步的開發潛力較小；左文龍，汪壽陽[6]等從新疆水資源的現狀出發，深入新疆在跨越式發展中水資源所面臨的挑戰，制定了合理的水資源開發利用措施。因此，有必要深入的分析用水結構和驅動因子，為新疆水資源的合理利用提供相應的建議。

目前關于用水結構與驅動因子分析的研究主要有：陳秀芬[7]通過信息熵以及灰色關聯度來分析廈門市的用水結構及驅動因子的影響力大小，得出產業結構對其影響力最大；崔嬙，趙鵬宇[8]等應用信息熵分析用水結構的演變，同時采用因子分析法來分析用水結構演變的驅動力，得出忻州市用水結構變化不明顯，應加大節水力度，發展高效農業；何慧爽[9]采用信息熵和灰色關聯方法對河南省用水結構演變和驅動因子進行分析，結果表明用水結構正在趨于平衡，農業發展方式、產業結構調整、城鎮化都會對用水結構的演變產生很大的影響。

綜合以上部分，本文嘗試結合信息熵與灰色關聯的方法相結合，來研究新疆用水結構的演變過程，以及其驅動力因素，以期為新疆水資源的合理利用提供相關的建議。

二、新疆用水結構變化研究

根據2004年—2014年《新疆水資源公報》，收集整理數據得到11年間的新疆農業、工業、生活及生態用水數據(見表1)，分析11年間新疆總用水量和用水結構的變化趨勢。

表1　新疆2004-2014年用水量　億m3，%

(一)總用水量變化

新疆2004—2014年用水總量呈現出在波動中上升的趨勢。從2004年的497.06億m3增加到2013年的588.12億m3，年均增長8.27億m3，用水量呈現出上升趨勢。通過分析這10年間的總水量變化，把其分為三個階段，2004—2010年為第一階段，用水量穩步上升階段，年均增長為5.4億m3，第二階段為用水量激增階段2010-2012年，用水量小幅下降后從2010的535.08億m3增長到2012年的590.14億m3，并達到近幾年用水量的峰值，第三階段為2012年以后，用水量趨于平穩并有回落趨勢。

(二)用水結構變化

1.農業用水量持續增長，用水比重逐年上升。在2004—2014年間農業一直是新疆的用水大戶，到2014年新疆的農業用水總量已經達到了554.08億m3，占比為95.28%，遠遠超過了全國同期水平63.4%。從表1可以看出，農業用水量的變化趨勢與整區域的總用水量變化趨于一致，這說明新疆作為一個農業大省，農業用水對總用水量的影響很大。從新疆農業用水的過程來看，農業用水量過大，所占比率過高，灌溉面積快速擴大以及無序的開荒都造成了農業用水過大這一現象。

2.工業用水整體上呈現出波動上升的趨勢，從2004年到2006年為第一階段，工業用水量由11.59億m3下降到10.59億m3，2007-2009年為穩定上升的階段，2010-2014年為第三階段工業用水量整體上呈現出波動上升的趨勢。從整體上可以看出工業用水量在研究的11年期間增長比較緩慢，并且工業用水的比例比較低，一直維持在2%左右，振幅不是很大。

3.生活用水呈現波動中上升的趨勢，所占比重逐步提升。生活用水包括農業生活與城鎮生活用水兩部分，從2004年的6.69億m3增長到2013年的9.14億m3，用水比例也正在緩步提升中由2004年的1.35%增長到2014年的1.59%。

4.生態用水量呈現出先增長后下降的趨勢。從表1可以看出生態用水量由2004年的19.71億m3增長到2006年的24.2億m3，達到峰值。2004年后新疆生態用水量逐年下降，到2014年生態用水量僅為為5.26億m3，占總水量的比重也有最初的3.96%下降到2014年的0.8%。相比于全國生態平均用水量1.7%，新疆的生態用水比率已經低于全國的平均水平。目前新疆的農業用水量的不斷增大，并且主要依靠游牧和灌溉農業的面積不斷增大，導致生態用水量被大量擠占，用水比例不斷下降[10]。

三、基于信息熵的新疆用水結構演變分析

(一)信息熵基本原理

市政府發布《上海市取水許可和水資源費征收管理實施辦法》，明確市取水總量控制指標控制管理。《上海市地面沉降管理條例》的出臺，進一步強化了地下水管理。市水務局印發《上海市取水設施現場核驗規定》《上海市取水口標識管理規定》《關于上海市實施建設項目水資源論證分類管理通知》《上海市工業區塊規劃水資源論證管理辦法（試行）》，編制完成《上海市取水許可審批手冊》，有效促進取水管理工作有章可循。

熵作為熱力學的一個概念，Shannon首先將其引入信息論中，將其定義為信息熵，用以描述系統的無序度與混亂度,目前已經有不少應用成果[7-9]。用水結構作為一個開放式的系統，具有“經濟—社會—資源—生態”耦合的復雜性，同時具備各種子結構而且其演變具有一定的階段性，是一個動態變化的不可逆的過程，符合信息熵運用的基本條件。因此，將信息熵引入到對新疆用水結構的演變研究當中，構造出用水結構的信息熵和均衡度，用來描述新疆用水結構的演化趨勢和分析本地區水資源開發的合理性。

式中H代表用水結構的信息熵，其單位為nat。

考慮到不同時間內地區水資源所包含的水資源利用的類型具有差異性，例如人口的增加而導致了生活用水量的提高，同時在不用時間內用不同n計算出的用水結構的信息熵不具有可比性。因此把水資源利用類型n考慮到信息熵的計算過程中來是十分有必要的，從而引入均衡度的概念：

式中J為均衡度，是實際信息熵與最大信息熵的比值，取值為0～1，其值越大表明系統無序度的增加，系統結構分配愈加均衡，用水結構的單一優勢越弱，系統的復雜性越高，水資源結構的合理性越強，擁有更加穩定的系統，水資源的開發利用越發合理。

(二)信息熵與均衡度計算結果

設新疆總用水量為Q,有農業用水、工業用水、生活用水和生態用水四種水資源利用類型即n=4，借助信息熵與均衡度的計算公式，依據新疆2004年—2014年用水量及各用水類型所占比重，得出新疆歷年用水結構的信息熵與均衡度如表2所示。

表2　新疆2004—2014年用水結構信息熵和均衡度計算結果

通過表2可以看出新疆用水結構信息熵由2004年的0.347下降到2014年的0.241，呈現出下降的趨勢，并且系統的均衡度從2004年的0.25也下降到2014年的0.174，這表明這11年間系統結構的無序性在降低，結構分配問題愈顯突出，新疆用水結構的單一性仍然在不斷地增強，水資源結構的合理性減弱，水資源開發利用趨于不合理。

四、用水結構演變的驅動因素分析

(一)灰色系統分析方法的基本原理

灰色關聯是最初是由鄧聚龍先生在創立灰色系統理論的時候提出的，是用來反映系統動態發展過程的關聯程度的，克服了主成分分析法、相關分析法等數理統計方法對數據量要求很大的缺陷，能夠利用少量的數據進行分析并且不需要服從分布規律，度量出系統的變化態勢，其在應用上具有廣泛性。

(二)灰色關聯模型分析結果

運用灰色關聯模型，將新疆用水結構的信息熵作為參考序列X0，從社會經濟發展的人口規模、社會生活、經濟發展等角度選取了11項對比指標Xi，分別為：X1：人口(人)；X2：人均GDP(元)；X3：城鎮化率(%)；X4：第一產業比重(%)；X5：第二產業比重(%)；X6：第三產業比重(%)；X7：全社會固定資產投資(萬元)；X8：城鎮居民人均可支配收入(元)；X9：外貿進出口總值(萬美元)；X10：節水灌溉面積占灌溉面積比重(%)；X11：人均公園綠地面積(m2)，得到的各指標與信息熵的關聯度為ri。為了便于定性與定量結合分析，將指標劃分為三級即：0～0.35為弱關聯度，0.35～0.7為中關聯度，0.7～1.0為強關聯度。

表3　新疆用水結構信息熵不同驅動因子灰色關聯度

表3可以看出選取的11個指標都與新疆用水結構信息熵的變化有一定的關聯性，其中我們可以看出除X2、X7、X9這三個指標與用水結構的信息熵不到0.9，其余8個指標與新疆用水結構信息熵的關聯度都達到了0.9以上，這里把11個指標分成三大類，X1、X3為第一類代表著人口因素對用水結構的影響，近年來隨著新疆地區人口的不斷增加，導致生活用水的比例也在逐漸上升，這對新疆的用水結構有很大的影響；X2、X4、X5、X6、X7、X8、X9為第二類代表著社會經濟發展因素包括產業結構等對新疆用水結構也起著及其重要的影響；X10主要是反映農業節水效率為第三類，主要通過影響農業用水來影響新疆的用水結構，表3中可以看出X10與用水結構的信息熵的灰色關聯度達到了0.9，表明2者之間也具有很強的聯系性；X11是第四大類，為人均公園綠地面積指標，主要反映生態用水對新疆用水結構信息熵的影響力大小，經過計算得出灰色關聯度為0.9，表明生態用水對新疆用水結構的合理性具有一定的影響力。

總之，通過灰色關聯度分析我們可以看出本文所選取的11個指標都與新疆用水結構的信息熵具有一定的關聯性。其中人口規模、城鎮化率、產業結構、人均公園綠地面積等都與用水結構的演變存在著中度以上的關聯性，其中可以看出又以產業結構對用水結構的信息熵關聯度最大，這表明新疆產業結構的調整與用水結構的演變具有較強的關聯性。目前來看，總體上來說，新疆水資源的開發程度已經很高，現階段，改變經濟增長方式，提高水資源的利用效率，制定合理的產業結構，在產業結構的調整中充分考慮到水資源的承載能力，進行合理的分配，改變供水用水方式，提高產業結構與水資源的協調度。

五、結論及對策建議

(一)結論

通過對新疆2004—2014年間用水結構的研究，得出在近11年來，新疆用水結構信息熵總體上呈現出下降趨勢，近兩年有逐漸回升的趨勢，新疆用水結構的均衡度總體上也呈現出下降的趨勢，這與新疆經濟社會的發展方式有著密不可分的關系。隨著新疆地區經濟不斷地發展，尤其是作為“絲綢之路”經濟帶的核心區，經濟發展面臨很大的機遇與挑戰，這就導致本地區經濟社會用水與生態用水的競爭不斷地加劇，并且各個行業的用水量持續的上升，使得生態用水量被大量擠占，生態環境得不到保障，生態問題日益嚴重。長期以來，農業用水占整個國民經濟用水量的90%以上，隨著新型城鎮化的加快，加劇了兩者之間的矛盾，目前，我們一邊提高技術加大節水灌溉力度，一邊大力擴大灌溉面積，使得農業用水比例依然呈現出增長的趨勢。另外人口的增加、工業化進程的推進使得工業、生活用水量也有上升。通過計算新疆用水結構的灰色關聯度，分析得出，影響新疆地區用水結構發展的主要因素是三次產業的發展，人口規模、人均綠地面積與節水灌溉面積占灌溉面積比重、城鎮化率等因素也與用水結構演變存在著很強的關聯性，這也說明了一個地區用水結構的演變與社會的發展存在著多方面的聯系。

(二)對策及建議

1.調控產業結構，使水資源與產業結構協調發展。在三大產業中，農業用水所占比例最高，因此提高資源的使用效率，合理的降低農業用水的比重是關鍵。在第一產業間控制灌溉面積，大力發展高效節水農業，減少種植業的用水比例。在第二產業調整中建立節水型工礦體系是核心，合理確定城市的用水狀況，在水資源短缺的地方例如東疆地區，存在著嚴重的地下水超采現象，應該加快產業布局。第三產業中貿易與服務業在新疆具有良好的基礎，因此也是可以選擇提高節水效率的首選產業。

2.保障生態用水量，改善生態環境。近年來隨著新疆經濟社會的不斷發展，生態用水和農業等經濟發展用水競爭激烈，并且新疆灌溉面積不斷地增大，導致了新疆生態用水被大量的擠占。獎罰并重，政府可以根據各地區的發展狀況并結合當地的生態環境情況給各個地區設定一個“紅線值”，如果地區生態用水量低于本區域的紅線值可以給予其一定的懲罰措施，如果區域發展生態用水量達標并且社會經濟發展水平得以提高，可以給予獎勵，實施的過程中需要嚴格的監管措施，以保證其可以順利地實施。從而實現經濟發展與生態環境的協調發展。

3.強化節水宣傳，提高水資源管理力度。目前來看，雖然新疆城鎮化水平不斷提高，經濟正在不斷地發展，但是人們的節水意識并沒有隨著經濟的發展而同步的提高，無論在城市還是農村中水資源的浪費現象還是很嚴重，對水資源的重視程度還不夠，這就需要加大宣傳力度，全疆范圍內提高人們的節水意識。此外，還需要加強水資源的綜合管理力度，嚴格控制用水總量的提高，全方位提高水資源的科學管理水平。在大力推進城鎮化和工業化的同時，也必須加強水污染治理，提高水資源的循環利用水平，提高水資源的利用效率及效益，實現人——水——生態環境的協調發展。

參考文獻：

[1]王英平.新疆水資源開發利用成效、問題與建議[J].新疆農墾經濟，2016(1):48-51.

[2]李萬明.新疆水資源可持續利用對策分析[J].新疆農墾經濟，2015(4):59-64.

[3]周和平，翟超，等.新疆水資源綜合利用效果及發展變化分析[J].干旱區資源與環境，2016,30(1)：95-100.

[4]岳春芳，侍克斌，等.新疆水資源開發方式的利弊分析[J].節水灌溉，2014(7)：1-63.

[5]段新光，欒芳芳.基于模糊綜合評判的新疆水資源承載力評價[J].中國人口、資源與環境，2014,24(3)：119-122.

[6]左文龍，汪壽陽，等.新疆水資源開發利用現狀及其應對跨越式發展的戰略對策[J].新疆社會科學，2013(1)：33-39.

[7]陳秀芬.基于信息熵的廈門市用水結構演變及其驅動力的灰色關聯分析[J].水資源與水工程學報，2013,24(2)：188-191.

[8]崔嬙，趙鵬宇，等.基于信息熵的忻州市用水結構演變及其驅動力的因子分析[J].節水灌溉，2015(6)：58-61.

[9]何慧爽.河南省用水結構演變與驅動因子灰色關聯研究[J].人民黃河，2015，37(2)：50-58.

[10]鄧銘江，李湘權，等.支撐新疆經濟社會跨越式發展的水資源供需結構調控分析[J].干旱區地理，2011，34(3):379-390.

收稿日期：2016-04-11

基金項目：新疆優秀青年科技創新人才培養項目“循環經濟發展背景下新疆產業用水效率評價、預警與調控研究”(2014721013)；新疆財經大學研究生科研項目“新疆工業用水利用效率、影響因素及預警研究”(XJUFE2016K071)。

作者簡介：喬凱，1991年生，男，山西太原人，碩士生，研究方向：區域發展與規劃。

中圖分類號：F019

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9743(2016)06-0028-05

Analysis of Grey Relation Degree Based on Water Utilization Evolution and Driving Force of Information Entropy in Xinjiang

QIAO Kai

(SchoolofEconomics,XinjiangUniversityofFinanceEconomics,Urumqi,Xinjiang830012)

Abstract：Based on the data analysis including agricultural water,industrial water and domestic water and ecological water in Xinjiang(2004-2014,information entropy was used to describe the process of water utilization structure.By use of grey relational degree analysis,the major driving forces of the change were found out.The results indicate that the information entropy and balance degree of water utilization structure in Xiamen is approaching to decreasing tendency and between each department in Xinjiang water structure more tend to be unbalanced state of development.The results of grey relational degree reflect the structure evolution factors and have contacted with water,in which the influence of industrial structure is the largest.Therefore,Xinjiang should adjust the industrial structure and the coordinated development of water resources to carry out the agricultural water-saving projects,ensuring the necessary ecological water use in order to improve the structure and utilization of water resources in the region of stability and balance.

Key words：water utilization structure;information entropy;grey relational degree; Xinjiang