基于信息熵的安徽省用水结构变化及驱动力分析

摘要 基于安徽省2002—2021年用水资料，采用信息熵理论分析安徽省用水结构变化，同时选取与安徽省用水结构密切相关的18个指标，采用灰色关联度法分析影响安徽省用水结构变化的主要驱动因子。结果表明，2002—2021年安徽省用水结构信息熵和均衡度总体上均呈上升趋势，分别由2002年的0.888 nat和0.640上升至2021年的1.052 nat和0.759，用水结构系统越来越复杂稳定，水资源开发利用越来越合理；安徽省用水结构变化主要受农业用水和生活用水方面影响，包括耕地面积、农田有效灌溉面积、粮食产量、降水量、气温、常住人口、城镇化率。

关键词 用水结构；信息熵；灰色关联度；驱动力；安徽省

中图分类号 TV 213.4文献标识码 A文章编号 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

水資源作为社会经济发展过程中的重要经济资源，在综合国力的构成中占有重要位置，对水资源进行合理利用关系到区域经济增长、生态进程以及人们生活质量的可持续发展［1］。我国是一个缺水较为严重的国家，水资源短缺已成为制约区域经济发展的重要因素之一。近年来，随着社会经济的快速发展和城市化进程的推进，我国很多地区都出现了用水方式不科学、不合理的问题，再加上我国南北水资源空间分布不均、差异较为明显，导致水资源紧缺、用水结构不合理配置的问题愈发严重［2］。面对严峻形势，中央提出新时代治水方针“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”，而科学规划用水结构是一项贯彻新时代治水方针的重要举措［3］。因此，在社会经济快速发展的背景下，科学审视各地区水资源利用现状，并积极探索用水结构变化具有重要意义。目前，针对水资源分配不均而导致社会经济与产业结构无法协调可持续发展的问题，大量学者进行了相关研究。如陈良等［4］采用洛伦兹曲线法分析了甘肃省用水结构特征，结果发现甘肃省用水结构差异性大；侯林秀等［5］采用量化水足迹法分析了内蒙古用水结构变化，结果发现研究区水足迹呈现逐渐上升趋势；焦士兴等［6］采用生态位理论方法研究了河南省安阳市用水结构与产业结构的耦合度，结果发现两者的耦合度呈现逐渐优化；何艳虎等［7］采用信息熵方法研究了我国不同省份用水结构的演变，结果显示我国东部地区较其他地区的用水结构更加稳定。以上不同研究方法中，洛伦兹曲线法存在无法量化不同产业用水差异程度的缺陷，量化水足迹法无法直观描述用水结构的均衡性，生态位理论法在反映区域用水结构稳定性方面缺乏系统性，而信息熵法可以客观地反映出区域用水结构的平衡度，且具有计算简便、结果直观等优点，因此被广泛应用于研究区域用水结构的变化规律。

安徽省水资源较为缺乏，加上受到地区气候差异的影响，水资源南北空间分布不均问题日益突出，已成为制约经济发展的重要因素。基于此，笔者采用信息熵法研究了2002—2021年安徽省用水结构变化特征，并分析了用水结构驱动力因素，以期为安徽省制定更加科学的水资源调配方案和区域未来产业优化布局提供决策参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

安徽省位于长江三角洲腹部，介于114°54′～119°37′E、29°41′～34°38′N，总面积14.01万km2，下辖16个地级市，与河南、湖北、浙江、江西和山东接壤；境内地形主要为平原、山地和丘陵，地跨淮河、长江、新安江三大水系，省内共有2 000多条河流、580多个湖泊。2021年，安徽省常住人口6 113万，GDP总量42 959.18亿元，较2020年增加8.3%，人均生产总值70 321元；全年降水量为1 291.60 mm，人均水资源量1 446.12 m3，远低于全国人均水资源量（2 098.50 m3），人均用水量444.8 m3，高于全国人均综合用水量（419.0 m3），安徽省区域发展与水资源供给存在较为突出的矛盾。

1.2 研究方法

1.2.1 信息熵。

信息熵可以客观地描述系统的混乱度和无序度，广泛应用于评价用水结构和分析各影响因子内部结构的演变，可以较好地表示各用水类型的多少、用水量的分布均匀度和用水结构的均衡性［8］。信息熵值可以表征用水量在不同用水部门之间的分配差异性，值越大，表明单一类型用水量的比重降低，各类型用水量较为均衡。公式如下：

式中：H代表信息熵值（nat）；n代表区域用水类型的总个数；i代表用水类型；Pi代表第i种类型用水量占用水总量的比例。

1.2.2 均衡度。

由于不同时间内的区域水资源利用类型存在一定差异，不同时间范围内的不同水资源利用类型的信息熵不具有可比性，只有在时间尺度和水资源利用类型均相同情况下的信息熵才具有可比性，因此引入均衡度［9］。均衡度表征实际信息熵与最大信息熵的比值，取值范围（0，1），值越大表明系统结构的均衡性越强，用水结构系统越复杂稳定，水资源开发利用越合理。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 灰色关联度法。

灰色关联度法是基于各因素的样本数据，利用灰色关联度来描述各因子间关系的强弱和次序，该方法克服了对数据要求较高的局限性，应用较为广泛［10］。公式如下：

式中：k为各数列的数据个数；r（X0（k），Xi（k））表示k点的灰色关联系数；ρ表示分辨系数，ρ∈（0，1），一般取值0.5 ；Xi（k）表示无量纲处理后数据；Xi′（k）表示第i年指标值。

式中：r（X0，Xi）表示X0对Xi的灰色关联度；n表示各数列的数据个数。

1.3 数据来源

该研究涉及数据来自官方水资源公报和统计年鉴。其中，信息熵和均衡度计算相关数据来自2002—2021年《安徽省水资源公报》和安徽省下辖各地级市水资源公报；灰色关联度分析论证相关指标数据来自《安徽统计年鉴》。

2 结果与分析

2.1 安徽省各类型用水量变化分析

根据2002—2021年《安徽省水资源公报》，得到各类型用水量（图1）及占比（图2）。由图1可知，2002—2021年安徽省用水总量总体上呈现出增加的趋势，由2002年的209.12亿m3增加至2021年的271.69亿m3，增加了62.57亿m3，增长率为29.92%。农业用水量与用水总量的变化规律相一致，由2002年的127.88亿m3增加至2021年的144.11亿m3，增加了16.23亿m3，增长率为12.63%。工业用水量总体上呈增加的趋势，由2002年的60.36亿m3增加至2021年的82.08亿m3，增加了21.72亿m3，增长率为35.93%。生活用水量也呈现出逐渐增加的趋势，由2002年的20.88亿m3增加至2021年的36.48亿m3，增加了15.60亿m3，增长率为74.71%。生态用水量总体上呈现出增加趋势，由2002年的0增加至2021年的9.02亿m3，增加了9.02亿m3。

由图2可知，2002—2021年安徽省农业用水量在用水总量中的占比最大，但总体呈现出小幅下降的趋势，由2002年的61.15%下降至2021年的53.04%；这主要是由于近年来安徽省加大了对灌区的工程投入，持续推进灌区续建配套和节水改造工程的建设，积极引用滴灌、喷灌、渗灌、微喷和低压管灌等高效节水技术，有效发挥了高效节水灌溉的效益，提升了农业用水效率。工业用水量占比位居第二，呈现出波动变化特征，由2002年的28.86%上升至2021年的30.21%；这主要是因为随着安徽省区域产业的发展和完善，产业不断转型和升级，除煤炭、机械等支柱產业外，医药、化工、电子制造业等也逐渐成为安徽省区域重要产业，由此导致工业用水占比上升；但是近年来安徽省淘汰了一批高耗水产业、推广实施了工业节水技术以及产业结构调整，一定程度上约束了工业用水需求，因此工业用水量占比有小幅降低趋势。生活用水量占比位居第三，且呈现不断上升的趋势，由2002年的9.99%上升至2021年的13.43%。这可能与安徽省城镇化率和生活水平不断提高有关，《安徽省水资源公报》显示，2002年安徽省城镇居民人均生活用水量为59.3 m3，农村居民人均生活用水量为26.0 m3，而到2021年安徽省城镇居民生活人均日用水量增长至141.9 m3，农村居民生活人均日用水量增长至100.6  m3，增长趋势明显。生态用水量占比总体呈上升趋势，由2002年的0逐渐增长至2021年的3.32%，已成为用水结构中不可忽视的组成部分。

2.2 安徽省用水结构变化分析

根据2002—2021年安徽省各类型用水量数据，采用信息熵和均衡度理论，计算出2002—2021年安徽省用水结构信息熵和均衡度，并绘制出变化趋势图（图3）。由图3可知，2002—2021年安徽省用水结构信息熵和均衡度总体上均呈上升趋势，分别由2002年的0.888 nat和0.640上升至2021年的1.052 nat和0.759。具体表现：2002—2003年信息熵和均衡度均出现快速上升，2004年骤降，2005年有所回升，2006 年又表现为大幅降低，2007年又有明显上升，2008年又下降明显，2009—2021年虽然有微弱波动，但总体稳定上升。这表明2002—2021年安徽省用水结构经历了从不稳定到较稳定再到趋于稳定的过程，说明安徽省用水结构在向无序发展的同时，用水分配逐渐趋于均衡，用水结构系统越来越复杂稳定，水资源开发利用越来越合理。

2.3 安徽省用水结构驱动力分析

选取与安徽省用水结构密切相关的18个指标进行用水结构驱动力分析，并将以上指标与安徽省用水结构信息熵进行灰色关联度分析，结果见表1。

由表1可知，影响安徽省用水结构变化的驱动因子集中在农业用水和生活用水方面，农业用水方面的耕地面积、农田有效灌溉面积、粮食产量、降水量、气温5个影响因素和生活用水方面的常住人口、城镇化率2个影响因素与信息熵的灰色关联度均超过0.90，且耕地面积、农田有效灌溉面积、粮食产量、常住人口4个影响因素与信息熵的灰色关联度均超过0.95，为安徽省用水结构变化的主要驱动因子。工业用水方面的4个影响因素与安徽省用水结构信息熵的灰色关联度均较低，均低于0.80。生态用水方面的4个影响因素与安徽省用水结构信息熵的灰色关联度均较低，均低于0.90。

3 结论与建议

3.1 结论

（1）2002—2021年安徽省农业用水量在用水总量中的占比最大，但总体呈现出小幅下降的趋势；工业用水量占比位居第二，呈现出波动变化特征；生活用水量占比位居第三，且呈现不断上升的趋势；生态用水量虽然在用水总量中的占比最小，但是呈持续上升趋势，已成为用水结构中不可忽视的组成部分。

（2）2002—2021年安徽省用水结构信息熵和均衡度总体上均呈上升趋势，表明安徽省用水结构在向无序发展的同时，用水分配逐渐趋于均衡，用水结构系统越来越复杂稳定，水资源开发利用越来越合理。

（3）2002—2021年安徽省用水結构变化的主要驱动因子包括农业用水方面的耕地面积、农田有效灌溉面积、粮食产量、降水量、气温5个影响因素以及生活用水方面的常住人口、城镇化率2个影响因素。

3.2 建议

安徽省要在结合当地实际的基础上，逐步提高非农用水比重，不断优化用水结构，促进用水结构朝着稳定均衡方向发展。调整产业布局，提高工业水资源利用率，淘汰高污染落后企业；加强节水宣传教育工作，营造良好的舆论氛围，提高人们对水资源保护的自我参与度。大力发展高效节水灌溉技术，并形成大规模灌溉集群；加快灌溉蓄水工程建设进程，推进灌区配套工程和改造工程建设，加快农田灌溉用水管理体制改革，以缓解水资源供需压力，提高水资源利用效率。

参考文献

［1］ 陈向荣.滦州市水资源开发利用状况分析［J］.河北建筑工程学院学报，2022，40（4）：139-143.

［2］ 魏杰，楼凯.国土空间规划背景下的深圳市用水量预测指标优化研究［J］.给水排水，2022，58（10）：39-44.

［3］ 张细兵.十六字治水方针的科学内涵及其对长江治理的启示［J］.人民长江，2019，50（S1）：1-5.

［4］ 陈良，杨银科，刘宇，等.基于洛伦兹曲线的甘肃省用水结构分析［J］.长江科学院院报，2021，38（5）：25-33.

［5］ 侯林秀，温璐，张雪峰，等.内蒙古地区水足迹量化及水资源评价分析［J］.中国农业大学学报，2021，26（8）：182-195.

［6］ 焦士兴，李青云，王安周，等.基于生态位的安阳市用水结构与产业结构动态演化分析［J］.水资源保护，2021，37（1）：79-85，109.

［7］ 何艳虎，李深林，杨洁，等.我国不同区域用水结构变化及其驱动因素分析［J］.水资源与水工程学报，2016，27（4）：1-6.

［8］ 郑小康，彭少明，王煜，等.基于信息熵的黄河流域用水结构演变规律及空间分布特征［J］.水资源与水工程学报，2022，33（1）：8-14.

［9］ 张立.信息熵在人工湿地布水性能评价中的应用探析［J］.安徽农业科学，2019，47（21）：219-222.

［10］ 管新建，秦海东，孟钰.基于CRITIC-TOPSIS-灰色关联度的淮河流域水资源利用效率评估［J］.节水灌溉，2018（11）：73-76，80.

作者简介 李宝春（1978—），男，安徽六安人，工程师，从事水利工程设计研究。

收稿日期 2023-03-30