基于信息熵的宁夏用水结构变化及驱动力分析研究

蒋佳莉，岳自慧，刘 平

（宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750000）

针对水资源分配不均导致的区域社会经济与产业结构无法协调发展的矛盾，大量学者开展了相关研究。陈颖杰等[1]基于生态位理论对黄河流域用水结构的变化特征进行了分析研究，为水资源合理配置提供了有力支撑。颜明等[2]对京津冀地区产业结构和用水结构开展了相关讨论分析并给出了建议，为推动地区经济发展指明了发展方向。商玲等[3]采用信息熵的方法对宁波市近10年用水结构变化进行了分析，并给出了未来用水结构的发展态势。陈美琳等[4]基于多区域对数平均迪氏指数法（LMDI）和信息熵原理，对广东省21个城市生产用水进行了时空演变分析及影响因素规律分析，为协调区域产业发展和水资源关系，制定合理水资源战略规划提供了有益参考。张丽娜等[5]以汉江流域为例开展了流域水资源消耗结构与产业结构高级化适配度测算，从适配的角度实现直接促进产业结构升级和间接减少水资源消耗量。丁超等[6]利用NSGA-Ⅱ算法对包头市水资源约束条件下产业结构优化的多目标规划模型进行求解，通过产业结构的调整和经济增长方式的转变实现合理配置水资源。邓欧等[7]、何艳虎等[8]、吴昊等[9]对区域供用水结构时空演变及驱动力开展了相关研究，研究结果对提高供用水效率和效益，合理配置水资源意义重大。以上研究基本围绕基于生态学原理生态位及其熵值模型、以信息学理论为基础的信息熵及均衡度模型、基于统计学原理的数理统计方法等开展了相关用水结构研究[10-13]，同时对区域用水结构演变影响因素进行了研究。虽然针对宁夏地区用水结构的变化也开展了一些研究，但能够反映宁夏用水结构变化与社会经济发展要素之间关系的研究很少。基于此，本文针对宁夏地区开展基于信息熵的用水结构变化规律研究，同时对用水结构驱动力因素进行了研究，研究结果可为合理调整产业结构提供参考依据，同时对改善区域水资源紧缺，实现水资源高效配置具有重要的现实意义。

1 研究区概况

宁夏地处我国西北内陆干旱半干旱区，属典型的大陆性气候，远离海洋，降水稀少，蒸发强烈，日照充足，风大沙多。宁夏多年平均降水量289 mm，不足全国平均水平的1/2、黄河流域平均值的2/3。年均水面蒸发量1 738 mm，是降水量的6倍，干旱指数南北相差悬殊，是全国最为干旱缺水的省区。

2 研究方法及数据来源

2.1 信息熵及均衡度

信息熵用以描述系统的无序度与混乱度，一般用H表示[14]，在用水结构分析中用以分析各种影响因子内部结构演变趋势。设水资源系统总用水量为X，X的取值为X={x1，x2，…，xi}，每一取值对应的概率为P={p1，p2，…，pi}，并且ΣPi=1，则该系统的信息熵H为

式中：H为信息熵，nat；P为某种类型用水量占总用水量的比例。

同时，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，不同时间内不同水资源类型计算出的信息熵不具有可比性，因此，将水资源利用类型考虑到信息熵计算中十分必要。引入均衡度J，表征实际信息熵H与最大信息熵Hm的比值，其值在（0，1）之间，该值越大，表明系统越无序，系统结构越均衡，用水结构单一，优势性越弱，水资源结构的合理性越强，水资源开发利用越合理。均衡度公式为

2.2 主成分分析法

主成分分析法由Karl Pearson于1901年提出，是多元统计分析中的重要统计方法，其主导思想是应用降维的方法，从多个实测变量中提取较少、互不相关的综合指标，反映总体信息，这种综合指标就称为主成分[15]。计算的主要过程有：数据标准化、计算相关矩阵、求特征值和特征向量、计算累积贡献率及因子确定、求成分表达式、综合得分。

2.3 数据来源

本文中2015—2019年农业、工业、生活及生态用水量数据均来自于《宁夏水资源公报》，人口数量、城镇化率等社会经济指标均来自《宁夏统计年鉴》，其他省份数据来自《中国水资源公报》。

3 基于信息熵及均衡度的用水结构分析

3.1 用水结构分析

根据2015—2019年《宁夏水资源公报》数据，得到各类型用水量的变化情况，如图1所示。各类型用水量占宁夏总用水量的比例如图2所示。

由图1可知：2015—2019年，宁夏总用水量与农业用水量变化规律一致，除2016年出现小幅下降，之后逐年小幅增加；工业用水量变化总体呈波动变化；生活用水量和生态用水量逐年持续增加。由图2可知，近年来农业用水比例持续小幅下降。这主要由于宁夏加快了大中型灌排骨干工程建设与配套改造，大力推行滴灌、微灌、喷灌为主的高效节水灌溉，同时优化调整了种植结构，农业用水定额明显下降；通过持续节水投入，农业用水效率持续提升，农田实灌面积从2015年的5828.91hm2增长至2019年的6085.11hm2，用水量连年下降，由2015年11 295 m3/hm2下降到2019年9 930 m3/hm2，灌溉水有效利用系数由2015年的0.501增加至2019年的0.543，实现了农田实灌面积增加、农业用水量和灌溉定额持续下降的效果。截至2019年，宁夏全区粮食总种植面积6 777 hm2，发展高效节水灌溉面积2 668 hm2，粮食总产量达373.15万t，成为我国西北干旱区不可替代的粮食生产基地。但农业用水量占总用水量的比例偏大，5年平均为85.8%，远高于全国61%和黄河流域67%的比例，在黄河流域各省区中位列倒数第一（数据来源于2021年宁夏回族自治区发展和改革委员会、宁夏回族自治区水利厅、中国水利水电科学研究院编制的《黄河流域生态保护和高质量发展先行区“四水四定”研究报告》），主要是由于水稻、玉米等高耗水作物的种植面积偏大。

图1 2015—2019年宁夏各类型用水量的变化情况

图2 各类型用水量占宁夏总用水量的比例

工业用水比例位居第二，呈现波动变化，基本维持在6%～7%（图2）。宁夏工业产业发展基本形成以煤炭、电力、化工、冶金、有色、装备制造、轻纺等行业为支柱的工业体系。2015—2019年地区万元GDP用水量对比如表1所示。由表1可知，宁夏万元GDP用水量由2015年的242 m3/万元下降至2019年的187 m3/万元，下降了77.27%，与黄河流域平均下降水平接近，高于全国平均下降水平，但与全国万元GDP用水量数值相差126 m3/万元（2019年）。近年来通过实施水权转换，将农业节余出的水量用于工业产业用水，同时淘汰炼铁、焦炭等高耗水产业，结构调整约束了工业用水需求，加之工业节水技术推广，总体工业用水量波动变化呈现小幅下降趋势。

表1 2015—2019年地区万元GDP用水量对比

生活用水比例持续增加，这主要由于人口的自然增长、城镇化率的提高及居民生活水平的提升，用水需求逐年上升。根据《中国水资源公报》，宁夏与全国及周边省份生活用水水平对比如表2所示。由表2可知：2019年宁夏城镇居民生活用水指标为112 L/（人·d），低于全国平均水平，在黄河流域中处于中等水平；农村居民生活用水量只有30 L/（人·d），远低于周边省份及全国平均水平，只有全国平均水平的34%，黄河流域平均水平的43%。从用水标准变化趋势看，宁夏城镇生活用水指标逐年上升，城镇居民生活用水指标由2015年的72 L/（人·d）上升到2019年的112 L/（人·d），增长趋势显著，但同期农村居民生活用水指标整体稳定在30 L/（人·d）左右，变化不明显，仍处于相对较低水平。

表2 宁夏与全国及周边省区生活用水水平对比

生态用水比例持续上升。生态用水量由2015年的2.1亿m3增长至2019年的2.4亿m3，生态用水比例基本维持在宁夏总用水量的3.2%左右，仅次于生活用水比例，日益成为用水结构中不可忽视的重要组成部分。这主要源于宁夏作为西北重要生态屏障的重要力量，近年来通过实施湖泊湿地生态补水及水系连通工程等，使得生态用水量大幅提高。

3.2 信息熵及均衡度分析

根据2015—2019年各类型用水数据，绘制得到各年份信息熵及均衡度变化趋势图（图3）。由图3可知，2015—2019年信息熵及均衡度均呈现有序增加趋势，信息熵和均衡度分别由2015年的0.50 nat和0.37，增长至2019年的0.59 nat和0.42。近年来信息熵水平逐年上升，说明用水结构中单一用水结构类型所占比例逐步减小。结合用水数据分析，农业用水占比逐年下降，工业用水占比波动小幅下降，生活和生态用水占比逐年上升，各用水类型差异不断减小，系统通过协调和自组织，四大用水类型内部占比趋向合理化和均衡化发展。但宁夏用水结构中单一用水类型仍较为突出，处于低水平无序发展，主要体现在2015—2019年宁夏农业用水占比和工业用水占比多年平均分别为85.8%和6.5%左右。

图3 2015—2019年宁夏用水结构信息熵及均衡度变化趋势

3.3 用水结构驱动力分析

3.3.1 用水结构驱动因子选择 结合宁夏用水实际特点及已有文献研究经验，考虑农业、工业、生活和生态用水主要影响因素，本文初步选取人口x1（人），城镇化率x2（%），人均可支配收入x3（元），第一、二、三产业比重x4，x5，x6（%），粮食总种植面积x7（667 hm2），农业灌溉面积x8（667 hm2），高效节水灌溉面积x9（667 hm2），灌溉水有效利用系数x10，城镇人均生活用水量x11（L/（人·d）），万元工业增加值用水量x12（m3/万元），降雨量x13（mm）13个影响因子，开展宁夏2015—2019年用水结构主要影响因子贡献程度研究。

3.3.2 结果分析 通过主成分分析，得到表3～表4。第一主成分贡献率约为86.37%，第二主成分的贡献率约为6.35%，前2个主成分累计贡献率达92.72%，依据累计贡献率超过90%选取主成分数，本文选取前2个主成分解释用水结构变化的驱动力因子。

由表3～表4可知，第一主成分的贡献率为86.37%，主要影响因子依次为人均可支配收入、高效节水灌溉面积、灌溉水有效利用系数、第三产业比重、万元工业增加值用水量、第二产业比重、城镇人均生活用水量、城镇化率、农业灌溉面积、粮食总种植面积，以上因子反映了宁夏用水变化主要与农业用水效率、经济社会发展水平及产业结构有关。第二主成分的贡献率为6.35%，除去第一主成分中分析的主要影响因子外，还受人口及降雨量影响。

表3 特征值及主成分贡献率

表4 主成分荷载

由于第一主成分贡献率为86.37%，第二主成分贡献率为6.35%，将各个主成分得分乘以相应贡献率，得到宁夏用水结构驱动力综合多元线性回归公式：

综上，影响宁夏全区用水结构驱动力因子依次为第二产业比重x5、高效节水灌溉面积x9、第三产业比重x6、人均可支配收入x3、万元工业增加值用水量x12、灌溉水有效利用系数x10、粮食总种植面积x7、城镇人均生活用水量x11、农业灌溉面积x8、城镇化率x2、人口x1、降水量x13、第一产业比重x4。高效节水灌溉面积、粮食总种植面积、农业灌溉面积、灌溉水有效利用系数、万元工业增加值用水量可归纳为用水效率因素，人均可支配收入、人口、城镇化率、城镇人均生活用水量可归纳为社会经济因素，第一、二、三产业比重可归纳为产业结构因素，降雨量归纳为气象因素，则宁夏用水结构总驱动力主要受产业结构因素、社会经济因素和用水效率因素影响，气象因素对总驱动力也有一定影响，但相对较小。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）2015—2019年，宁夏的总用水量呈现稳中下降趋势，其中农业用水量与总用水量变化趋势相同，工业用水量总体逐渐趋稳，呈现波动变化，生活用水量和生态用水量持续增加。

（2）2015—2019年，宁夏的用水信息熵及均衡度均呈现有序增加，表明用水结构中单一用水结构类型所占比例逐步减小，各用水类型差异不断减小，四大用水类型内部占比趋向合理化和均衡化发展。

（3）主成分分析结果表明，宁夏用水结构总驱动力主要受产业结构因素、社会经济因素和用水效率因素影响，气象因素对总驱动力也有一定影响，但相对较小。

4.2 建议

受资源条件制约，宁夏长期以来强调水资源节约利用和严格管理，不断强化取、供、用、排全过程管理。2006年宁夏成为全国第一个省级节水型社会建设试点，实施分区治水，科学统筹各业节水。通过调结构、搞改造、控总量实现了引黄耗水量的大幅下降，为其他产业用水提供有力的用水保障。在全国率先实施水权转换、水资源确权试点，探索多种形式的水权交易，在不增加总用水前提下支撑重点工业发展。今后在农业用水方面，应继续大力推广节水灌溉技术，合理减小高耗水作物水稻、供港蔬菜等种植面积，加大渠道衬砌基础工程建设，提高农田灌溉水有效利用系数，提升农业灌溉用水效率，持续减小农业用水总量。在工业用水方面，继续大力实施水权转换，鼓励企业提高工业用水设备节水技术及效率，提高非常规水资源利用，完善取水许可、水权有偿使用制度，配套节水评估与奖惩等管理机制，有力破解宁夏工业用水困境。在生活用水方面，持续推进节水型城市建设，加强城市供水管网改造，推广管网检漏防渗技术，加强用水计量管理，降低城镇管网漏损率。在生态用水方面，持续增强生态用水保障，合理提高非常规水利用量，优化城市水系格局，促进河流、湖泊、湿地互联互通，改善城市河湖湿地水循环和水动力条件，形成丰滞枯引、形态自然、流动有序的河湖生态水网。