基于信息熵的新疆用水结构演变与驱动因子灰色关联研究

乔　凯

(新疆财经大学 经济学院， 新疆 乌鲁木齐 830012)



基于信息熵的新疆用水结构演变与驱动因子灰色关联研究

乔凯

(新疆财经大学 经济学院， 新疆 乌鲁木齐 830012)

摘要：基于2004—2014年新疆农业用水、工业用水、生活用水以及生态用水的数据，采用信息熵的方法描述新疆用水结构的演变规律，运用灰色关联度分析影响用水结构演变的主要驱动力。结果表明：新疆近年来用水结构的信息熵和均衡度总体上都呈现出下降的趋势，说明新疆各部门间用水结构更加趋于不平衡的发展状态。灰色关联度结果反映出用水结构演变多方面因素有着联系，其中产业结构的影响最大。因此，新疆应调整产业结构使之与水资源协调发展，开展农业节水工程，保障必要的生态用水量，以提高本地区的水资源开发利用结构的稳定性和均衡性。

关键词：用水结构；信息熵；灰色关联度；新疆

一、引言

新疆地处西北内陆干旱地区，降水量稀少，蒸发量大、生态脆弱的特点，使水资源短缺问题成为了制约新疆经济社会发展的关键因素。2014年，全疆各类水利工程总供水量581.12亿m3。其中地表水源供水量449.40亿m3；地下水供水量131.36亿m3；中水回用量1.06亿m3；全疆水利工程补给生态环境水量4.05亿m3。全疆的总用水量量为581.12亿m3。其中农业用水量为554.08 m3；工业用水量为13.2亿m3；生活用水量和生态环境补水量分别为9.28亿m3和5.26亿m3。目前，新疆正面临着水资源开发过度和“五化同步”协调发展对水资源需求不断增长的矛盾[1]，加强水资源的有效利用，实现水资源的合理配置已经成为新疆实现可持续发展的必由之路。当前对新疆水资源问题主要从新疆水资源的现状出发来研究如：李万明[2]通过论述新疆水资源的现状，认为新疆水资源利用程度低，水资源存在浪费严重、污水处理能力不高以及地下水超采等问题；周和平，翟超[3]等采用综合评价和柯布道格拉斯模型分析现状与未来15项投入因素对总用水量影响，得出2011年水资源与经济社会不协调，未来2015至2030总体处于可协调状态；岳春芳，侍克斌等[4]分析了新疆水资源开发利用现状及存在的问题，得出应当依靠内部挖掘、调水等工作，促进新疆的跨越式发展；段新光，栾芳芳[5]运用模糊评价模型对新疆水资源承载力现状进行评价，得出新疆水资源开发利用已具有相当规模，水资源供给对国民经济的发展具有一定的保障，进一步的开发潜力较小；左文龙，汪寿阳[6]等从新疆水资源的现状出发，深入新疆在跨越式发展中水资源所面临的挑战，制定了合理的水资源开发利用措施。因此，有必要深入的分析用水结构和驱动因子，为新疆水资源的合理利用提供相应的建议。

目前关于用水结构与驱动因子分析的研究主要有：陈秀芬[7]通过信息熵以及灰色关联度来分析厦门市的用水结构及驱动因子的影响力大小，得出产业结构对其影响力最大；崔嫱，赵鹏宇[8]等应用信息熵分析用水结构的演变，同时采用因子分析法来分析用水结构演变的驱动力，得出忻州市用水结构变化不明显，应加大节水力度，发展高效农业；何慧爽[9]采用信息熵和灰色关联方法对河南省用水结构演变和驱动因子进行分析，结果表明用水结构正在趋于平衡，农业发展方式、产业结构调整、城镇化都会对用水结构的演变产生很大的影响。

综合以上部分，本文尝试结合信息熵与灰色关联的方法相结合，来研究新疆用水结构的演变过程，以及其驱动力因素，以期为新疆水资源的合理利用提供相关的建议。

二、新疆用水结构变化研究

根据2004年—2014年《新疆水资源公报》，收集整理数据得到11年间的新疆农业、工业、生活及生态用水数据(见表1)，分析11年间新疆总用水量和用水结构的变化趋势。

表1　新疆2004-2014年用水量　亿m3，%

(一)总用水量变化

新疆2004—2014年用水总量呈现出在波动中上升的趋势。从2004年的497.06亿m3增加到2013年的588.12亿m3，年均增长8.27亿m3，用水量呈现出上升趋势。通过分析这10年间的总水量变化，把其分为三个阶段，2004—2010年为第一阶段，用水量稳步上升阶段，年均增长为5.4亿m3，第二阶段为用水量激增阶段2010-2012年，用水量小幅下降后从2010的535.08亿m3增长到2012年的590.14亿m3，并达到近几年用水量的峰值，第三阶段为2012年以后，用水量趋于平稳并有回落趋势。

(二)用水结构变化

1.农业用水量持续增长，用水比重逐年上升。在2004—2014年间农业一直是新疆的用水大户，到2014年新疆的农业用水总量已经达到了554.08亿m3，占比为95.28%，远远超过了全国同期水平63.4%。从表1可以看出，农业用水量的变化趋势与整区域的总用水量变化趋于一致，这说明新疆作为一个农业大省，农业用水对总用水量的影响很大。从新疆农业用水的过程来看，农业用水量过大，所占比率过高，灌溉面积快速扩大以及无序的开荒都造成了农业用水过大这一现象。

2.工业用水整体上呈现出波动上升的趋势，从2004年到2006年为第一阶段，工业用水量由11.59亿m3下降到10.59亿m3，2007-2009年为稳定上升的阶段，2010-2014年为第三阶段工业用水量整体上呈现出波动上升的趋势。从整体上可以看出工业用水量在研究的11年期间增长比较缓慢，并且工业用水的比例比较低，一直维持在2%左右，振幅不是很大。

3.生活用水呈现波动中上升的趋势，所占比重逐步提升。生活用水包括农业生活与城镇生活用水两部分，从2004年的6.69亿m3增长到2013年的9.14亿m3，用水比例也正在缓步提升中由2004年的1.35%增长到2014年的1.59%。

4.生态用水量呈现出先增长后下降的趋势。从表1可以看出生态用水量由2004年的19.71亿m3增长到2006年的24.2亿m3，达到峰值。2004年后新疆生态用水量逐年下降，到2014年生态用水量仅为为5.26亿m3，占总水量的比重也有最初的3.96%下降到2014年的0.8%。相比于全国生态平均用水量1.7%，新疆的生态用水比率已经低于全国的平均水平。目前新疆的农业用水量的不断增大，并且主要依靠游牧和灌溉农业的面积不断增大，导致生态用水量被大量挤占，用水比例不断下降[10]。

三、基于信息熵的新疆用水结构演变分析

(一)信息熵基本原理

市政府发布《上海市取水许可和水资源费征收管理实施办法》，明确市取水总量控制指标控制管理。《上海市地面沉降管理条例》的出台，进一步强化了地下水管理。市水务局印发《上海市取水设施现场核验规定》《上海市取水口标识管理规定》《关于上海市实施建设项目水资源论证分类管理通知》《上海市工业区块规划水资源论证管理办法（试行）》，编制完成《上海市取水许可审批手册》，有效促进取水管理工作有章可循。

熵作为热力学的一个概念，Shannon首先将其引入信息论中，将其定义为信息熵，用以描述系统的无序度与混乱度,目前已经有不少应用成果[7-9]。用水结构作为一个开放式的系统，具有“经济—社会—资源—生态”耦合的复杂性，同时具备各种子结构而且其演变具有一定的阶段性，是一个动态变化的不可逆的过程，符合信息熵运用的基本条件。因此，将信息熵引入到对新疆用水结构的演变研究当中，构造出用水结构的信息熵和均衡度，用来描述新疆用水结构的演化趋势和分析本地区水资源开发的合理性。

式中H代表用水结构的信息熵，其单位为nat。

考虑到不同时间内地区水资源所包含的水资源利用的类型具有差异性，例如人口的增加而导致了生活用水量的提高，同时在不用时间内用不同n计算出的用水结构的信息熵不具有可比性。因此把水资源利用类型n考虑到信息熵的计算过程中来是十分有必要的，从而引入均衡度的概念：

式中J为均衡度，是实际信息熵与最大信息熵的比值，取值为0～1，其值越大表明系统无序度的增加，系统结构分配愈加均衡，用水结构的单一优势越弱，系统的复杂性越高，水资源结构的合理性越强，拥有更加稳定的系统，水资源的开发利用越发合理。

(二)信息熵与均衡度计算结果

设新疆总用水量为Q,有农业用水、工业用水、生活用水和生态用水四种水资源利用类型即n=4，借助信息熵与均衡度的计算公式，依据新疆2004年—2014年用水量及各用水类型所占比重，得出新疆历年用水结构的信息熵与均衡度如表2所示。

表2　新疆2004—2014年用水结构信息熵和均衡度计算结果

通过表2可以看出新疆用水结构信息熵由2004年的0.347下降到2014年的0.241，呈现出下降的趋势，并且系统的均衡度从2004年的0.25也下降到2014年的0.174，这表明这11年间系统结构的无序性在降低，结构分配问题愈显突出，新疆用水结构的单一性仍然在不断地增强，水资源结构的合理性减弱，水资源开发利用趋于不合理。

四、用水结构演变的驱动因素分析

(一)灰色系统分析方法的基本原理

灰色关联是最初是由邓聚龙先生在创立灰色系统理论的时候提出的，是用来反映系统动态发展过程的关联程度的，克服了主成分分析法、相关分析法等数理统计方法对数据量要求很大的缺陷，能够利用少量的数据进行分析并且不需要服从分布规律，度量出系统的变化态势，其在应用上具有广泛性。

(二)灰色关联模型分析结果

运用灰色关联模型，将新疆用水结构的信息熵作为参考序列X0，从社会经济发展的人口规模、社会生活、经济发展等角度选取了11项对比指标Xi，分别为：X1：人口(人)；X2：人均GDP(元)；X3：城镇化率(%)；X4：第一产业比重(%)；X5：第二产业比重(%)；X6：第三产业比重(%)；X7：全社会固定资产投资(万元)；X8：城镇居民人均可支配收入(元)；X9：外贸进出口总值(万美元)；X10：节水灌溉面积占灌溉面积比重(%)；X11：人均公园绿地面积(m2)，得到的各指标与信息熵的关联度为ri。为了便于定性与定量结合分析，将指标划分为三级即：0～0.35为弱关联度，0.35～0.7为中关联度，0.7～1.0为强关联度。

表3　新疆用水结构信息熵不同驱动因子灰色关联度

表3可以看出选取的11个指标都与新疆用水结构信息熵的变化有一定的关联性，其中我们可以看出除X2、X7、X9这三个指标与用水结构的信息熵不到0.9，其余8个指标与新疆用水结构信息熵的关联度都达到了0.9以上，这里把11个指标分成三大类，X1、X3为第一类代表着人口因素对用水结构的影响，近年来随着新疆地区人口的不断增加，导致生活用水的比例也在逐渐上升，这对新疆的用水结构有很大的影响；X2、X4、X5、X6、X7、X8、X9为第二类代表着社会经济发展因素包括产业结构等对新疆用水结构也起着及其重要的影响；X10主要是反映农业节水效率为第三类，主要通过影响农业用水来影响新疆的用水结构，表3中可以看出X10与用水结构的信息熵的灰色关联度达到了0.9，表明2者之间也具有很强的联系性；X11是第四大类，为人均公园绿地面积指标，主要反映生态用水对新疆用水结构信息熵的影响力大小，经过计算得出灰色关联度为0.9，表明生态用水对新疆用水结构的合理性具有一定的影响力。

总之，通过灰色关联度分析我们可以看出本文所选取的11个指标都与新疆用水结构的信息熵具有一定的关联性。其中人口规模、城镇化率、产业结构、人均公园绿地面积等都与用水结构的演变存在着中度以上的关联性，其中可以看出又以产业结构对用水结构的信息熵关联度最大，这表明新疆产业结构的调整与用水结构的演变具有较强的关联性。目前来看，总体上来说，新疆水资源的开发程度已经很高，现阶段，改变经济增长方式，提高水资源的利用效率，制定合理的产业结构，在产业结构的调整中充分考虑到水资源的承载能力，进行合理的分配，改变供水用水方式，提高产业结构与水资源的协调度。

五、结论及对策建议

(一)结论

通过对新疆2004—2014年间用水结构的研究，得出在近11年来，新疆用水结构信息熵总体上呈现出下降趋势，近两年有逐渐回升的趋势，新疆用水结构的均衡度总体上也呈现出下降的趋势，这与新疆经济社会的发展方式有着密不可分的关系。随着新疆地区经济不断地发展，尤其是作为“丝绸之路”经济带的核心区，经济发展面临很大的机遇与挑战，这就导致本地区经济社会用水与生态用水的竞争不断地加剧，并且各个行业的用水量持续的上升，使得生态用水量被大量挤占，生态环境得不到保障，生态问题日益严重。长期以来，农业用水占整个国民经济用水量的90%以上，随着新型城镇化的加快，加剧了两者之间的矛盾，目前，我们一边提高技术加大节水灌溉力度，一边大力扩大灌溉面积，使得农业用水比例依然呈现出增长的趋势。另外人口的增加、工业化进程的推进使得工业、生活用水量也有上升。通过计算新疆用水结构的灰色关联度，分析得出，影响新疆地区用水结构发展的主要因素是三次产业的发展，人口规模、人均绿地面积与节水灌溉面积占灌溉面积比重、城镇化率等因素也与用水结构演变存在着很强的关联性，这也说明了一个地区用水结构的演变与社会的发展存在着多方面的联系。

(二)对策及建议

1.调控产业结构，使水资源与产业结构协调发展。在三大产业中，农业用水所占比例最高，因此提高资源的使用效率，合理的降低农业用水的比重是关键。在第一产业间控制灌溉面积，大力发展高效节水农业，减少种植业的用水比例。在第二产业调整中建立节水型工矿体系是核心，合理确定城市的用水状况，在水资源短缺的地方例如东疆地区，存在着严重的地下水超采现象，应该加快产业布局。第三产业中贸易与服务业在新疆具有良好的基础，因此也是可以选择提高节水效率的首选产业。

2.保障生态用水量，改善生态环境。近年来随着新疆经济社会的不断发展，生态用水和农业等经济发展用水竞争激烈，并且新疆灌溉面积不断地增大，导致了新疆生态用水被大量的挤占。奖罚并重，政府可以根据各地区的发展状况并结合当地的生态环境情况给各个地区设定一个“红线值”，如果地区生态用水量低于本区域的红线值可以给予其一定的惩罚措施，如果区域发展生态用水量达标并且社会经济发展水平得以提高，可以给予奖励，实施的过程中需要严格的监管措施，以保证其可以顺利地实施。从而实现经济发展与生态环境的协调发展。

3.强化节水宣传，提高水资源管理力度。目前来看，虽然新疆城镇化水平不断提高，经济正在不断地发展，但是人们的节水意识并没有随着经济的发展而同步的提高，无论在城市还是农村中水资源的浪费现象还是很严重，对水资源的重视程度还不够，这就需要加大宣传力度，全疆范围内提高人们的节水意识。此外，还需要加强水资源的综合管理力度，严格控制用水总量的提高，全方位提高水资源的科学管理水平。在大力推进城镇化和工业化的同时，也必须加强水污染治理，提高水资源的循环利用水平，提高水资源的利用效率及效益，实现人——水——生态环境的协调发展。

参考文献：

[1]王英平.新疆水资源开发利用成效、问题与建议[J].新疆农垦经济，2016(1):48-51.

[2]李万明.新疆水资源可持续利用对策分析[J].新疆农垦经济，2015(4):59-64.

[3]周和平，翟超，等.新疆水资源综合利用效果及发展变化分析[J].干旱区资源与环境，2016,30(1)：95-100.

[4]岳春芳，侍克斌，等.新疆水资源开发方式的利弊分析[J].节水灌溉，2014(7)：1-63.

[5]段新光，栾芳芳.基于模糊综合评判的新疆水资源承载力评价[J].中国人口、资源与环境，2014,24(3)：119-122.

[6]左文龙，汪寿阳，等.新疆水资源开发利用现状及其应对跨越式发展的战略对策[J].新疆社会科学，2013(1)：33-39.

[7]陈秀芬.基于信息熵的厦门市用水结构演变及其驱动力的灰色关联分析[J].水资源与水工程学报，2013,24(2)：188-191.

[8]崔嫱，赵鹏宇，等.基于信息熵的忻州市用水结构演变及其驱动力的因子分析[J].节水灌溉，2015(6)：58-61.

[9]何慧爽.河南省用水结构演变与驱动因子灰色关联研究[J].人民黄河，2015，37(2)：50-58.

[10]邓铭江，李湘权，等.支撑新疆经济社会跨越式发展的水资源供需结构调控分析[J].干旱区地理，2011，34(3):379-390.

收稿日期：2016-04-11

基金项目：新疆优秀青年科技创新人才培养项目“循环经济发展背景下新疆产业用水效率评价、预警与调控研究”(2014721013)；新疆财经大学研究生科研项目“新疆工业用水利用效率、影响因素及预警研究”(XJUFE2016K071)。

作者简介：乔凯，1991年生，男，山西太原人，硕士生，研究方向：区域发展与规划。

中图分类号：F019

文献标识码：A

文章编号：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