基于信息熵的安徽省用水結(jié)構(gòu)變化及驅(qū)動力分析

摘要 基于安徽省2002—2021年用水資料，采用信息熵理論分析安徽省用水結(jié)構(gòu)變化，同時選取與安徽省用水結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的18個指標(biāo)，采用灰色關(guān)聯(lián)度法分析影響安徽省用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動因子。結(jié)果表明，2002—2021年安徽省用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度總體上均呈上升趨勢，分別由2002年的0.888 nat和0.640上升至2021年的1.052 nat和0.759，用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)越來越復(fù)雜穩(wěn)定，水資源開發(fā)利用越來越合理；安徽省用水結(jié)構(gòu)變化主要受農(nóng)業(yè)用水和生活用水方面影響，包括耕地面積、農(nóng)田有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量、降水量、氣溫、常住人口、城鎮(zhèn)化率。

關(guān)鍵詞 用水結(jié)構(gòu)；信息熵；灰色關(guān)聯(lián)度；驅(qū)動力；安徽省

中圖分類號 TV 213.4文獻標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2023）15-0186-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.15.045

Analysis of Water Use Structure Change and Driving Force in Anhui Province Based on Information Entropy

LI Bao-chun

（Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Hefei，Anhui 230088）

Abstract Based on the water use data of Anhui Province from 2002 to 2021， the change of water use structure in Anhui Province was analyzed by using information entropy theory.At the same time， 18 indexes closely relating to water use structure in Anhui Province were selected to analyze the main driving factors affecting the change of water use structure in Anhui Province by using grey relational degree method.The results showed that the information entropy and equilibrium degree of water use structure in Anhui Province from 2002 to 2021 showed an increasing trend，and it increased from 0.888 nat and 0.640 in 2002 to 1.052 nat and 0.759 in 2021，the water structure system was more and more complex and stable， and the development and utilization of water resources were more and more reasonable.The change of water use structure in Anhui Province was mainly affected by agricultural water use and domestic water use，including cultivated land area， farmland effective irrigation area， grain yield， precipitation， temperature， permanent population， urbanization rate.

Key words Water use structure;Information entropy;Grey relational degree;Driving force;Anhui Province

水資源作為社會經(jīng)濟發(fā)展過程中的重要經(jīng)濟資源，在綜合國力的構(gòu)成中占有重要位置，對水資源進行合理利用關(guān)系到區(qū)域經(jīng)濟增長、生態(tài)進程以及人們生活質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展［1］。我國是一個缺水較為嚴(yán)重的國家，水資源短缺已成為制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的推進，我國很多地區(qū)都出現(xiàn)了用水方式不科學(xué)、不合理的問題，再加上我國南北水資源空間分布不均、差異較為明顯，導(dǎo)致水資源緊缺、用水結(jié)構(gòu)不合理配置的問題愈發(fā)嚴(yán)重［2］。面對嚴(yán)峻形勢，中央提出新時代治水方針“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”，而科學(xué)規(guī)劃用水結(jié)構(gòu)是一項貫徹新時代治水方針的重要舉措［3］。因此，在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，科學(xué)審視各地區(qū)水資源利用現(xiàn)狀，并積極探索用水結(jié)構(gòu)變化具有重要意義。目前，針對水資源分配不均而導(dǎo)致社會經(jīng)濟與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)無法協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的問題，大量學(xué)者進行了相關(guān)研究。如陳良等［4］采用洛倫茲曲線法分析了甘肅省用水結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)甘肅省用水結(jié)構(gòu)差異性大；侯林秀等［5］采用量化水足跡法分析了內(nèi)蒙古用水結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)研究區(qū)水足跡呈現(xiàn)逐漸上升趨勢；焦士興等［6］采用生態(tài)位理論方法研究了河南省安陽市用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的耦合度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者的耦合度呈現(xiàn)逐漸優(yōu)化；何艷虎等［7］采用信息熵方法研究了我國不同省份用水結(jié)構(gòu)的演變，結(jié)果顯示我國東部地區(qū)較其他地區(qū)的用水結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。以上不同研究方法中，洛倫茲曲線法存在無法量化不同產(chǎn)業(yè)用水差異程度的缺陷，量化水足跡法無法直觀描述用水結(jié)構(gòu)的均衡性，生態(tài)位理論法在反映區(qū)域用水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面缺乏系統(tǒng)性，而信息熵法可以客觀地反映出區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的平衡度，且具有計算簡便、結(jié)果直觀等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于研究區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

安徽省水資源較為缺乏，加上受到地區(qū)氣候差異的影響，水資源南北空間分布不均問題日益突出，已成為制約經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。基于此，筆者采用信息熵法研究了2002—2021年安徽省用水結(jié)構(gòu)變化特征，并分析了用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動力因素，以期為安徽省制定更加科學(xué)的水資源調(diào)配方案和區(qū)域未來產(chǎn)業(yè)優(yōu)化布局提供決策參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安徽省位于長江三角洲腹部，介于114°54′～119°37′E、29°41′～34°38′N，總面積14.01萬km2，下轄16個地級市，與河南、湖北、浙江、江西和山東接壤；境內(nèi)地形主要為平原、山地和丘陵，地跨淮河、長江、新安江三大水系，省內(nèi)共有2 000多條河流、580多個湖泊。2021年，安徽省常住人口6 113萬，GDP總量42 959.18億元，較2020年增加8.3%，人均生產(chǎn)總值70 321元；全年降水量為1 291.60 mm，人均水資源量1 446.12 m3，遠(yuǎn)低于全國人均水資源量（2 098.50 m3），人均用水量444.8 m3，高于全國人均綜合用水量（419.0 m3），安徽省區(qū)域發(fā)展與水資源供給存在較為突出的矛盾。

1.2 研究方法

1.2.1 信息熵。

信息熵可以客觀地描述系統(tǒng)的混亂度和無序度，廣泛應(yīng)用于評價用水結(jié)構(gòu)和分析各影響因子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變，可以較好地表示各用水類型的多少、用水量的分布均勻度和用水結(jié)構(gòu)的均衡性［8］。信息熵值可以表征用水量在不同用水部門之間的分配差異性，值越大，表明單一類型用水量的比重降低，各類型用水量較為均衡。公式如下：

式中：H代表信息熵值（nat）；n代表區(qū)域用水類型的總個數(shù)；i代表用水類型；Pi代表第i種類型用水量占用水總量的比例。

1.2.2 均衡度。

由于不同時間內(nèi)的區(qū)域水資源利用類型存在一定差異，不同時間范圍內(nèi)的不同水資源利用類型的信息熵不具有可比性，只有在時間尺度和水資源利用類型均相同情況下的信息熵才具有可比性，因此引入均衡度［9］。均衡度表征實際信息熵與最大信息熵的比值，取值范圍（0，1），值越大表明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的均衡性越強，用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)越復(fù)雜穩(wěn)定，水資源開發(fā)利用越合理。公式如下：

式中：J代表均衡度；Hm 代表最大信息熵，Hm=lnn。

1.2.3 灰色關(guān)聯(lián)度法。

灰色關(guān)聯(lián)度法是基于各因素的樣本數(shù)據(jù)，利用灰色關(guān)聯(lián)度來描述各因子間關(guān)系的強弱和次序，該方法克服了對數(shù)據(jù)要求較高的局限性，應(yīng)用較為廣泛［10］。公式如下：

式中：k為各數(shù)列的數(shù)據(jù)個數(shù)；r（X0（k），Xi（k））表示k點的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ表示分辨系數(shù)，ρ∈（0，1），一般取值0.5 ；Xi（k）表示無量綱處理后數(shù)據(jù)；Xi′（k）表示第i年指標(biāo)值。

式中：r（X0，Xi）表示X0對Xi的灰色關(guān)聯(lián)度；n表示各數(shù)列的數(shù)據(jù)個數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

該研究涉及數(shù)據(jù)來自官方水資源公報和統(tǒng)計年鑒。其中，信息熵和均衡度計算相關(guān)數(shù)據(jù)來自2002—2021年《安徽省水資源公報》和安徽省下轄各地級市水資源公報；灰色關(guān)聯(lián)度分析論證相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)來自《安徽統(tǒng)計年鑒》。

2 結(jié)果與分析

2.1 安徽省各類型用水量變化分析

根據(jù)2002—2021年《安徽省水資源公報》，得到各類型用水量（圖1）及占比（圖2）。由圖1可知，2002—2021年安徽省用水總量總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢，由2002年的209.12億m3增加至2021年的271.69億m3，增加了62.57億m3，增長率為29.92%。農(nóng)業(yè)用水量與用水總量的變化規(guī)律相一致，由2002年的127.88億m3增加至2021年的144.11億m3，增加了16.23億m3，增長率為12.63%。工業(yè)用水量總體上呈增加的趨勢，由2002年的60.36億m3增加至2021年的82.08億m3，增加了21.72億m3，增長率為35.93%。生活用水量也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，由2002年的20.88億m3增加至2021年的36.48億m3，增加了15.60億m3，增長率為74.71%。生態(tài)用水量總體上呈現(xiàn)出增加趨勢，由2002年的0增加至2021年的9.02億m3，增加了9.02億m3。

由圖2可知，2002—2021年安徽省農(nóng)業(yè)用水量在用水總量中的占比最大，但總體呈現(xiàn)出小幅下降的趨勢，由2002年的61.15%下降至2021年的53.04%；這主要是由于近年來安徽省加大了對灌區(qū)的工程投入，持續(xù)推進灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造工程的建設(shè)，積極引用滴灌、噴灌、滲灌、微噴和低壓管灌等高效節(jié)水技術(shù)，有效發(fā)揮了高效節(jié)水灌溉的效益，提升了農(nóng)業(yè)用水效率。工業(yè)用水量占比位居第二，呈現(xiàn)出波動變化特征，由2002年的28.86%上升至2021年的30.21%；這主要是因為隨著安徽省區(qū)域產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和完善，產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型和升級，除煤炭、機械等支柱產(chǎn)業(yè)外，醫(yī)藥、化工、電子制造業(yè)等也逐漸成為安徽省區(qū)域重要產(chǎn)業(yè)，由此導(dǎo)致工業(yè)用水占比上升；但是近年來安徽省淘汰了一批高耗水產(chǎn)業(yè)、推廣實施了工業(yè)節(jié)水技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，一定程度上約束了工業(yè)用水需求，因此工業(yè)用水量占比有小幅降低趨勢。生活用水量占比位居第三，且呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，由2002年的9.99%上升至2021年的13.43%。這可能與安徽省城鎮(zhèn)化率和生活水平不斷提高有關(guān)，《安徽省水資源公報》顯示，2002年安徽省城鎮(zhèn)居民人均生活用水量為59.3 m3，農(nóng)村居民人均生活用水量為26.0 m3，而到2021年安徽省城鎮(zhèn)居民生活人均日用水量增長至141.9 m3，農(nóng)村居民生活人均日用水量增長至100.6? m3，增長趨勢明顯。生態(tài)用水量占比總體呈上升趨勢，由2002年的0逐漸增長至2021年的3.32%，已成為用水結(jié)構(gòu)中不可忽視的組成部分。

2.2 安徽省用水結(jié)構(gòu)變化分析

根據(jù)2002—2021年安徽省各類型用水量數(shù)據(jù)，采用信息熵和均衡度理論，計算出2002—2021年安徽省用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度，并繪制出變化趨勢圖（圖3）。由圖3可知，2002—2021年安徽省用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度總體上均呈上升趨勢，分別由2002年的0.888 nat和0.640上升至2021年的1.052 nat和0.759。具體表現(xiàn)：2002—2003年信息熵和均衡度均出現(xiàn)快速上升，2004年驟降，2005年有所回升，2006 年又表現(xiàn)為大幅降低，2007年又有明顯上升，2008年又下降明顯，2009—2021年雖然有微弱波動，但總體穩(wěn)定上升。這表明2002—2021年安徽省用水結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從不穩(wěn)定到較穩(wěn)定再到趨于穩(wěn)定的過程，說明安徽省用水結(jié)構(gòu)在向無序發(fā)展的同時，用水分配逐漸趨于均衡，用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)越來越復(fù)雜穩(wěn)定，水資源開發(fā)利用越來越合理。

2.3 安徽省用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動力分析

選取與安徽省用水結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的18個指標(biāo)進行用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動力分析，并將以上指標(biāo)與安徽省用水結(jié)構(gòu)信息熵進行灰色關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果見表1。

由表1可知，影響安徽省用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因子集中在農(nóng)業(yè)用水和生活用水方面，農(nóng)業(yè)用水方面的耕地面積、農(nóng)田有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量、降水量、氣溫5個影響因素和生活用水方面的常住人口、城鎮(zhèn)化率2個影響因素與信息熵的灰色關(guān)聯(lián)度均超過0.90，且耕地面積、農(nóng)田有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量、常住人口4個影響因素與信息熵的灰色關(guān)聯(lián)度均超過0.95，為安徽省用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動因子。工業(yè)用水方面的4個影響因素與安徽省用水結(jié)構(gòu)信息熵的灰色關(guān)聯(lián)度均較低，均低于0.80。生態(tài)用水方面的4個影響因素與安徽省用水結(jié)構(gòu)信息熵的灰色關(guān)聯(lián)度均較低，均低于0.90。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）2002—2021年安徽省農(nóng)業(yè)用水量在用水總量中的占比最大，但總體呈現(xiàn)出小幅下降的趨勢；工業(yè)用水量占比位居第二，呈現(xiàn)出波動變化特征；生活用水量占比位居第三，且呈現(xiàn)不斷上升的趨勢；生態(tài)用水量雖然在用水總量中的占比最小，但是呈持續(xù)上升趨勢，已成為用水結(jié)構(gòu)中不可忽視的組成部分。

（2）2002—2021年安徽省用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度總體上均呈上升趨勢，表明安徽省用水結(jié)構(gòu)在向無序發(fā)展的同時，用水分配逐漸趨于均衡，用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)越來越復(fù)雜穩(wěn)定，水資源開發(fā)利用越來越合理。

（3）2002—2021年安徽省用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動因子包括農(nóng)業(yè)用水方面的耕地面積、農(nóng)田有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量、降水量、氣溫5個影響因素以及生活用水方面的常住人口、城鎮(zhèn)化率2個影響因素。

3.2 建議

安徽省要在結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H的基礎(chǔ)上，逐步提高非農(nóng)用水比重，不斷優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，促進用水結(jié)構(gòu)朝著穩(wěn)定均衡方向發(fā)展。調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局，提高工業(yè)水資源利用率，淘汰高污染落后企業(yè)；加強節(jié)水宣傳教育工作，營造良好的輿論氛圍，提高人們對水資源保護的自我參與度。大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)，并形成大規(guī)模灌溉集群；加快灌溉蓄水工程建設(shè)進程，推進灌區(qū)配套工程和改造工程建設(shè)，加快農(nóng)田灌溉用水管理體制改革，以緩解水資源供需壓力，提高水資源利用效率。

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作者簡介 李寶春（1978—），男，安徽六安人，工程師，從事水利工程設(shè)計研究。

收稿日期 2023-03-30