尚 晓 三
(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230088)
摘要：根据安徽省水资源公报数据，采用信息熵和均衡度方法对全省的用水结构变化特征展开了分析研究。研究结果表明：2006～2015年的10 a期间，安徽全省、省内三大流域和6个典型城市的用水结构总体相对稳定，部分年份有所波动，而且农业用水仍占据主导地位。受地理位置和气候等因素差异的影响，三大流域和典型地市用水结构变化特征也存在着差异，其中，长江流域用水结构与全省的变化特征基本一致，滁州市用水结构的均匀性低于全省的平均水平。相对于“十一五”而言，“十二五”期间的用水结构有所调整：即农业用水比重下降，非农用水比重上升，整体上是朝着更加均衡的方向发展。对安徽省用水结构演变特征的研究，可为安徽省“十三五”水资源管理和年度计划的制定提供参考和依据。
关 键 词：信息熵； 均衡度； 用水结构； 变化特征； 安徽省
安徽省位于中国大陆的中东部，淮河、长江自东向西穿境而过，全省被划分为淮北、江淮和江南三大区域；省内陆势西高东低、南峻北坦。大致以淮河为界，安徽省北部为暖温带半湿润季风气候，南部为亚热带湿润季风气候。全省多年平均降水量为1 175 mm，受季风和地形的影响，地区之间的降水量差异明显，由南向北递减，其中，淮河以北降水量最小，年平均降水量为800 mm。全省多年平均水资源总量为716亿m3，人均占有量为1 171 m3[1]，约为全国的1/2和世界的1/4，总体上，属于水资源紧缺的省份。其中，淮河以北地区的人均水资源量仅为479 m3，低于国际公认的人均500 m3的严重缺水线，属于极度缺水地区[2]。
水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是人类社会生存和经济社会发展不可替代的载体，各项生产活动都是水资源利用结构变化的体现[3]。用水结构表征了用水总量指标的分配情况，彼此之间相互依存、相互影响，用水结构合理演化可以保障地区经济社会的可持续发展和协调发展[4]。
用水结构开放性系统，是人类社会实践活动的反映，符合耗散性结构特征，其演变过程始终处于有序和混沌之间[3]。信息熵是反映系统结构状态的重要特征量，可描述系统变化过程的稳定程度，将用水结构复杂性从整体的角度进行分析，相对于成分数据、线性比较以及贡献率分析等方法而言，熵值的大小直接反映了用水结构类别的多少和各类别用水量分布的均匀程度，体现了农业、工业、生活和生态环境用水比例的分配状态，能够较好地反映用水结构的演变特征，在用水结构分析中得到了广泛应用。
粟晓玲等采用信息熵理论分析了关中地区近20 a的用水结构演变特征，并分析了这些特征产生的原因[5]；王小军等以西北干旱区的榆林市为例，采用信息熵和均衡度计算了不同年份的用水量熵值及优势度动态变化情况，并以此提出具有针对性的水资源调控政策[6]；崔嫱等根据信息熵理论[7]，分析了忻州市1983～2012年的用水结构演变特征，同时采用因子分析方法分析了用水结构演变的驱动力，并指出了忻州市水资源利用调整的方向。
对用水结构的变化特征进行研究，有助于了解各行业用水量的变化特征，充分发挥水资源的效益和潜力，实现区域水资源的合理配置，对未来用水量和用水结构的演变趋势做出预测。为此，本文采用信息熵[3，5，6，8，9]和均衡度[3，8]分析方法，对水资源条件的变化、社会经济的发展变化以及社会经济各部门用水结构的变化情况进行了分析研究；根据安徽省2006～2015年的水资源公报[10]，分析了近10 a来全省用水结构变化的特征，对比了“十一五”和“十二五”期间安徽全省、省内流域和典型城市用水结构的总体变化情况；结合最严格的水资源管理制度的要求，为安徽省“十三五”水资源管理和年度计划的制定提供参考和依据。
2.1 信息熵理论
熵是衡量系统不确定性的一个量度。1948年，Shannon把熵的概念引入信息论，称为信息熵，用以描述系统的不确定性、稳定程度和信息量[11]。当利用信息熵理论来分析用水结构变化时，信息熵越大，说明用水量就越为均匀；相反，信息熵越小，说明用水量就越不均匀，而是以某种用水量为主导[3，5]。对于安徽省而言，农业用水量通常占据主导地位。一般来说，农业用水比重大，说明农业在国民经济中所占的比重大，且农业现代化水平相对落后；工业用水比重大，说明工业化程度较高；生活用水比重大，说明高科技产业和服务行业发达，且生活质量较高[3]。
假定区域用水总量为Q，共有n种用水类型，其中每一种类型的用水量分别为q1,q2,q3,…,qi，…,qn，那么，q1+q2+q3+…+ qi…+qn=Q。每种用水类型比重为pi=qi/Q，对所有的用水类型pi>0，且∑pi=1。那么，用水结构的信息熵值可以通过下面公式进行计算得到
(1)
式中，H为用水结构的信息熵。
2.2 均衡度
在实际应用中，在不同的发展阶段，水资源开发利用结构是不同的。比如，自2003年开始，安徽省的水资源公报中，新增了统计生态环境用水，并将其作为一种用水类型纳入用水量统计当中[3]。由于用水结构可能不同，此时的信息熵值难以比较，为了使信息熵对用水结构的分析有可比性，研究人员借助于均衡度来分析用水类型的变化情况[3，7]，其计算公式如下：
J=
(2)
式中，J为均衡度，即实际信息熵H与最大信息熵Hmax的比值，其值为实际熵值与信息熵值之比，其值越大，表明用水结构中单一用水类型的优势性越弱，各用水种类之间的比例差别越小，系统的均衡性越强。借助信息熵和均衡度，可以探索用水结构的动态演变规律[4-8]。
3.1 2006～2015年用水量变化
2006～2015年的用水量数据来源于安徽省水资源公报[8]。公报一般将用水量分为农田灌溉、林牧渔畜、工业、城镇公共、居民生活和生态环境共6类。按照水资源综合规划的要求[2]，本文对其进行了归类，将农田灌溉和林牧渔畜归类为农业用水，将城镇公共和居民生活归类为生活用水，从而划分成了农业用水、工业用水、生活用水和生态环境用水四大种类。安徽省2006～2015年用水总量及用水结构情况列于表1，计算出的各用水结构占用水总量的比重情况示于图1。
表1 安徽省2006～2015年用水总量及用水结构 亿m3
年份农业用水工业用水生活用水生态环境用水总量2006138.2782.6922.771.44245.172007122.8483.8123.801.60232.052008154.1585.4025.181.63266.362009169.4293.6626.821.95291.852010167.5794.3328.322.30292.522011170.9290.6229.133.96294.632012156.6997.0231.093.78288.582013162.0998.4331.454.05296.022014142.8392.7131.904.65272.092015157.5093.5132.754.90288.66
根据表1中的用水结构数据，分别从用水总量、农业用水、工业用水、生活用水以及生态环境用水等方面进行了分析，具体分析情况如下。
(1) 用水总量。2006～2015年，全省用水总量总体上为平稳增长，年均增长率为1.83%，受农业灌溉因素的影响，部分年份的用水总量有所波动；三大流域的用水总量变化特征不一致，其中，淮河流域和长江流域为平稳增长，年均增长率分别为0.65%和2.84%；新安江流域的用水总量为平稳下降，由2006年的4.50亿m3减少至2015年的4.22亿m3。
(2) 农业用水量。农业灌溉用水是安徽省主要的用水户，2006～2015年，比重均超过了50%；受气候条件的变化，部分年份的农业用水量有所波动，用水量最多的年份较最少的年份用水量多出了48.08亿m3，但是农业用水量占用水总量的比重变化幅度不大。
(3) 工业用水量。工业用水量由2006年的82.69亿m3增长至2015年的93.51亿m3，工业用水增加了10.82亿m3，年均增长为1.38%；“十一五”期间的用水量增长速度快于“十二五”，但其在用水总量中所占的比重波动不大，约占1/3。
图1 安徽省2006～2015年用水结构比重及信息熵和均衡度变化曲线
(4) 生活用水量。生活用水量基本上保持稳定增长，由2006年的22.77亿m3增长到了2015年的32.75亿m3，用水总量增长了9.98亿m3，年均增长率为4.1%。其中，“十一五”期间增长了5.55亿m3，“十二五”期间增长了3.62亿m3，占用水总量的比重变化也呈稳步增长，由2006年的9.3%增长到11.3%。
(5) 生态用水量。生态用水量保持大幅度增长，其用水量由2006年的1.44亿m3增长至2015年的4.9亿m3，总量增长了3.46亿m3；年均增长率为14.6%，其占用水总量的比重也在逐年增加，由2006年的0.6%增加至1.7%，但占用水总量的比重仍然较小。
3.2 全省用水结构变化特征分析
本文根据信息熵理论和均衡度理论公式，对2006～2015年安徽省全省的用水结构信息熵和均衡度值进行了计算，具体计算结果分别见表2和图1；同时对全省的用水结构也进行了分析，具体分析结果如下。
(1) 2006～2015年全省用水结构信息熵值和均衡度变化不大，呈现上升趋势，但趋势并不明显，这表明在这10 a期间全省的用水结构总体相对稳定，用水结构有细微调整，总体而言，是朝着均衡方向发展，农业用水比重下降，其他非农用水比重上升。
表2 安徽省2006～2015年用水结构信息熵和均衡度
年份信息熵均衡度年份信息熵均衡度20060.940.6820110.970.7020070.970.7020120.990.7220080.940.6720130.990.7220090.930.6720141.030.7420100.950.6820151.010.73
(2) 受农业用水波动的影响，部分年份的信息熵和均衡度有所差别。2014年的信息熵和均衡度值最大，表明该年全省用水结构不均匀性最小，结合表1和图1来看，该年度的农业用水比重最小，仅占52.5%，生活用水量和生态用水量所占比例最大，达到了13.4%。2009年，信息熵值和均衡度值最小，表明该年度的用水结构最不均匀，对比图1可见，该年度的农业用水所占比例最大，为58.1%，其他非农用水所占比重最小。可见，采用信息熵和均衡度方法的分析结果与采用用水比重来分析结构的结果基本一致。
(3) “十二五”期间的用水结构信息熵和均衡度平均值大于“十一五”期间的。相对于“十一五”期间而言，农业用水量占据用水总量比重在下降，各用水种类之间的比例差别在减小，说明全省的用水结构在朝着更加稳定的方向发展，系统的均衡性也更强。这与“十二五”期间全省落实最严格的水资源管理制度相一致，用水效率得到提高，推动了用水结构的调整，朝着更为均衡的方向发展。
3.3 各流域用水结构变化特征分析
采用信息熵和均衡度来分析和计算全省三大流域用水结构变化特征，计算结果见表3，具体分析如下。
表3 安徽省三大流域2006～2015年用水结构信息熵和均衡度
年份信息熵淮河流域长江流域新安江流域均衡度淮河流域长江流域新安江流域20060.930.940.920.670.680.6620070.970.970.980.700.700.7120080.900.940.970.650.680.7020090.900.940.890.650.680.6420100.910.960.900.650.690.6520110.900.990.910.650.720.6620120.921.011.040.670.730.7520130.921.011.030.660.730.7420140.941.041.020.680.750.7420150.921.030.980.660.740.70
(1) 2006～2015年，三大流域用水结构信息熵值的变化不大，说明各流域的用水结构总体上相对比较稳定，但是对比“十一五”和“十二五”期间三大流域的用水结构，淮河流域变化总体不大，“十一五”和“十二五”期间用水结构信息熵均值均为0.92，但“十一五”期间的信息熵值变化幅度大于“十二五”期间的；长江流域和新安江流域的信息熵值均有所增加，其中，长江流域的变化最大，这说明长江流域用水“十二五”期间的较“十一五”期间的更加均匀，非农用水比重上升幅度更大。
(2) 对比表2和表3可以发现，2006～2015年，长江流域的用水结构信息熵值与全省的最为接近，表明其与全省的用水结构变化特征相似；新安江流域的用水结构信息熵值在全省水平的基础上上下波动，其主要原因是该流域的用水总量占全省的比重较小，受农业用水的影响，流域的用水结构信息熵值也发生了变化；淮河流域的用水结构信息熵值均小于全省的熵值，该流域的用水结构更加集中，农业用水比重超过了全省的水平，其他非农用水比重相对较小。
(3) 2006～2015年，三大流域的用水结构均衡度与信息熵值呈现出了相同的变化特点，淮河流域的用水结构变化不大，长江流域和新安江流域的在“十二五”期间均有所增加，表明这两大流域各用水种类之间的比例差别在缩小，系统的均衡性在增强。
3.4 典型城市用水结构变化特征分析
本文根据安徽省内流域的分布状况，分别选取了合肥、淮北、蚌埠、滁州、芜湖、黄山6市为例，来分析城市用水结构的变化特征。其中，合肥市为安徽省省会，淮北市位于淮北平原，蚌埠市位于沿淮地区，滁州市位于江淮分水岭，芜湖市位于沿江圩区，黄山市位于新安江流域，对这6市的用水结构信息熵和均衡度值进行了计算，图2为全省典型地市2006～2015年用水结构信息熵值和均衡度变化曲线。根据所计算的结果，对6市的用水结构进行了分析，具体分析内容如下。
(1) 这6个城市的用水结构信息熵值和均衡度变化相对而言不大，说明2006～2015年的用水结构相对比较稳定，其中，合肥市、蚌埠市和黄山市的用水结构总体变化幅度较大，超过了安徽省的平均水平。对比“十一五”和“十二五”期间典型市的用水结构信息熵值，总体而言，“十一五”较“十二五”期间的用水结构变化大，“十二五”阶段用水结构变得相对稳定，这与“十二五”期间国家全面实行最严格的水资源管理制度相一致；但滁州市“十二五”期间的用水结构信息熵和均衡度的均值小于“十一五”期间，用水结构更加不均匀和不均衡。
(2) 对比这6市2006～2015年的用水结构信息熵值和均衡度，可以看出，淮北市的用水结构信息熵值和均衡度最大，滁州市的最小，其他4市的用水结构信息熵值与全省的平均水平相差不大，在全省水平的基础上，上下波动；其原因为滁州市位于江淮分水岭地区，作为安徽省乃至全国重要的粮食生产基地，由于特殊的地理位置和地形地貌，农业用水占据区域用水总量的比重仍较高，其他用水结构的比重较低，导致其用水结构信息熵和均衡度小于全省平均水平。
图2 典型6市2006～2015年用水结构信息熵值和均衡度变化曲线
(3) 对比6市的用水结构信息熵值，其最大值和最小值差别较大，发生年份也不相同，与全省的平均水平也不相同。经分析，其主要原因是6市的地理位置和地形地貌不一致，现阶段农业用水量比重仍然占据主导地位，且各市的工业和城市化水平差异较大，主要是因为全省各地的经济水平差异较大，从而导致工业用水和生活用水结构占用水总量的比重差异较大，进而形成了用水结构信息熵和均衡度在区域和年际上有所差异。
本文采用信息熵和均衡度方法，对安徽省全省以及省内的三大流域和6个典型地市在2006～2015年的用水结构变化特征进行了分析，从而得出了以下结论。
(1) 对全省、省内三大流域和6个典型市的用水结构进行了分析，分析结果表明，2006～2015年，区域或流域的信息熵值和均衡度数值变化不大，说明这10 a期间的用水结构总体上变化不大。然而，由于受气候条件的影响，部分年份的农业用水量有所波动，导致用水结构信息熵和均衡度值均有所变化，但农业用水量仍占据主导地位，进而造成了全省的用水结构均衡性较差。
(2) 对比“十一五”和“十二五”期间的情况，“十二五”期间全省、省内三大流域和6个典型市的用水结构信息熵和均衡度的均值都较大。表明相对于“十一五”而言，该时段的用水结构有所调整，农业用水比重总体上呈下降的趋势，其他用水比重则有所上升，特别是生态环境用水比重上涨最快，用水结构整体上朝着更加均衡的方向发展。
(3) 对比省内三大流域的用水结构，根据计算的信息熵值和均衡度，长江流域的用水结构与全省的变化特征基本保持一致，新安江流域的用水结构变化幅度较大，淮河流域的用水结构均衡度要低于全省平均水平，其农业用水主导地位更为明显。
(4) 对比6个典型地市的用水结构，可以发现，在现阶段，农业用水的比重仍占据着主导地位，6个典型地市由于地形地貌、地理位置的差异，使农业用水量变化较大。另外，全省各地的经济和城市化水平差异较大，导致非农用水比重差异较大，从而造成用水结构的信息熵和均衡度存在着差异。总体而言，城市化和经济水平较高，以及农业用水比重低的城市，其用水结构更加合理和均衡。
根据上述分析及分析结论，提出以下建议。
建议在“十三五”期间，应按照用水结构的演变特点，合理制定各年度的用水计划，逐步调整用水结构，提高生态环境用水等非农业用水的比重，从而推进用水结构朝着均衡的方向发展。同时，必须继续全面落实最严格的水资源管理制度和《“十三五”水资源消耗总量和强度双控行动方案》《水效领跑者引领行动实施方案》等一系列水资源管理方面的政策，进一步提高水资源管理能力和水平。
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(编辑：赵秋云)
Abstract: According to the data published by Anhui Water Resources Bulletin, the variation in the characteristics of water use structure was studied and analyzed using methods of information entropy and balance degree. During ten years from 2006 to 2015, water use structure remained relatively stable for six typical cities, three major river basins and the entire province; there were slight fluctuations for some years, however, water use for agriculture remained its dominant position. Due to the differences in geographic location and climate, there are differences in the variation characteristics of water use structure in three major basin and cities; however, the variation characteristics of water use structure in Yangtze River basin is consistent with that of the entire province, water use structure of Chuzhou city is below the average level of the entire province. Water use structure was adjusted during the 'twelfth five-year plan'; the proportion of water allocated to agriculture declined whereas non-agricultural water use increased, and in general it is going towards a more balance direction.
Key words: information entropy; balance degree; water use structure; variation characteristics; Anhui Province
SHANG Xiaosan
(Anhui Design Institute of Water Conservancy and Hydro-electric Power, Hefei 230088 China)
中图法分类号： TV211
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.18.010
收稿日期：2017-04-21
作者简介：尚晓三，男，工程师，研究方向为水文水资源应用与研究。E-mail:shangxiaosan@gmail.com
文章编号：1001-4179(2017)18-0045-05
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