基于信息熵与灰关联的西安市城市经济与用水结构的耦合度研究

张黎鸣+赵岩+王红瑞+潘成忠

摘要：基于2005年-2014年西安市城市用水和经济社会发展的数据，运用信息熵和灰色关联分析法，从时间序列上对西安市城市经济发展和用水结构之间的相互关系进行了实证分析。研究结果表明：西安市用水结构信息熵不断增长，单一用水类型的优势性减弱，系统均衡性增强，用水结构趋于合理化；西安市城市经济发展与用水结构之间的关联度都在0.45以上，说明二者存在很大的相关性；城市经济与用水结构的耦合度分布在0.6～1之间，表明城市经济发展与用水结构交互耦合比较紧密；针对西安市水源利用的供需矛盾，可采取相应的措施加以控制，节水技术的创新与推广使用是关键。

关键词：城市经济发展；用水结构；信息熵；灰关联；耦合度

中图分类号：F205 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）04-0186-07

Abstract：[JP+3]Based on the water consumption data and economic and social development data of Xi′an City during 2005-2014，the relationship between urban economic development and water consumption structure was analyzed using information entropy and grey correlation method in terms of the time series.The results showed that：the information entropy of Xi′an water structure was growing；the advantage of a single water-consumption type was weakening；and the system balance was improving.The water consumption structure was becoming more reasonable.The correlation coefficients between the economic development and water structure of Xi′an were all above 0.45，suggesting significant correlations.The coupling degrees between urban economy and water structure were between 0.6 and 1，indicating a relatively close interactive coupling between urban economic development and water consumption structure.We suggest taking corresponding measures to control and ensure the balance between water supply and demand in Xi′an，and the key to doing so is to create and promote water-saving technologies.

Key words：urban economic development；water consumption structure；information entropy；grey correlation；coupling degree

水资源是社会经济发展的重要资源，水资源利用状况直接影响着城市经济的可持续发展，城市经济的发展也会在一定程度上对水资源利用结构产生影响[1]。水资源短缺问题是当今世界普遍面临的主要水危机，其中水贫困指数可以作为定量评价某一国家或地区间相对缺水程度的重要指标，而我国水贫困与经济贫困属于中度以上耦合的省市占全国省市总数的90.3%，且二者耦合程度随经济发展水平的高低呈由东南部地区至西北地区逐渐减弱的趋势[2]。陕西省2012年水资源公报中数据显示，2012年陕西省水资源总量为390.5亿m3，年末总人口为3 753万人，人均水资源占有量为1 041 m3，约占国内人均水平的50%。人均占有水资源量为1 000 m3是国际公认的重度缺水警戒线[3]，由此可以看出，陕西省近乎于重度缺水地区。水资源时空分布不均、用水总量的增长又加剧了陕西省水资源的供需矛盾，水资源问题已经严重制约了城市经济的发展。现有国内外研究针对区域用水结构和国民经济产业结构相互影响的文献相对较少，多集中在水资源利用和国民经济发展之间关系及其演变相互影响规律方面[4-7]。

行政区域内的水资源问题的研究方向不够完善，如对陕西省水资源的研究主要包括水资源价值量核算[8]、水资源承载力研究[9]、水资源短缺风险评价[10]、水资源供需平衡分析[11]以及水资源的可持续发展研究[12]等，但从时间序列上对城市经济发展与水资源利用结构系统演变之间的关系分析还相对较少。本研究以西安市作为研究对象，选取了2005年-2014年西安城市经济发展主要指标与用水结构指标的相关数据，利用信息熵、灰色关联法以及系统关联的耦合度模型，分析了城市经济发展和用水结构之间的相互关系，对优化西安市水资源配置，缓解水资源供需矛盾提供理论依据。

2 西安市城市经济发展与水资源利用结构

2.1 城市经济发展

据已有资料统计显示，2005年西安市年末总人口为741.73万人，城市化率为63.3%，2014年西安市年末总人口為815.29万人，城市化率为72.6%，城市化率与2005年相比增加了约9.3个百分点，年末总人口年均增长率为1.05%，呈直线上升趋势（图1）。

2005年-2014年间，西安市进入了城市经济的快速发展轨道。GDP从1 313.93亿元增长至5 492.64亿元，年均增长率为17.2%。城镇居民人均可支配收入在2005年-2014年间以年均15.8%的速度快速增长，2014年达到3.61万元。城市经济结构进一步优化，三次产业状况更为合理。第一产业比重有所下降，2005年为5.02%，2014年下降为3.91%，下降了1.11个百分点。第二产业比重下降，2014年比2005年下降了1.18个百分点，虽然个别年份有所上升，但总体趋于下降。第三产业比重持续上升，2005年为53.84%，2014年为56.13%，年均增长率为0.5%。经济发达程度和第三产业所占比例往往成正比，2014年西安市第三产业比重超过第二产业比重近20个百分点，这预示经济发展新方向，说明西安市将逐步转变为以第三产业领先发展的经济中心城市，有利于西安市实现经济的良性循环（图2）。

2.2 西安市水资源利用结构

2.2.1 西安市水资源利用现状

2005年-2014年间，西安市水资源利用的变化情况如下（表1）：

（1）2014年西安市用水总量为17.46亿m3，其中，比重最大的农业用水占了36.8%，其次是居民生活用水和工业用水，占比分别为25.9%和20.3%；城镇公共用水和生态环境用水所占比重较小。

（2） 西安市水资源利用结构变化明显，其中农业用水占比2005年为49%，2014年下降至36.8%，下降了12.2个百分点；工业用水占比2005年为26%，2014年下降至20.3%，下降了5.7个百分点；居民生活用水占比增加了9.14个百分点，用水量年均增长率为6.18%；城镇公共用水占比增加了1个百分点；生态环境用水从2005年的0.36亿m3增加到了2014年的1.61亿m3，年均增长率为18.1%，上升趋势明显。

（3） 农业用水量和工业用水量呈下降趋势，但陕西省仍然是农业大省，加之农业灌溉技术相对落后，农业用水在西安市用水总量中仍然占主要比重。第三产业的发展、城市人口规模的扩张将促使西安市居民生活用水持续增加[17]。生态环境用水是指为生态环境修复与建设以及维持生态平衡所需要的最小用水量。生态环境用水量增加说明人们已认识到水资源生态功能的重要性，对城市生态环境建设日益重视。

2.2.2 基于信息熵的西安市用水结构演变分析

根据上述方法，利用2005年-2014年西安市各类型用水数据，计算了信息熵和均衡度，结果见表2。除个别年份以外，西安市用水结构信息熵和均衡度总体上呈逐年递增的趋势。信息熵与均衡度值于2014年分别达到最大值1.460 1 nat和0.907 3，说明西安市用水结构在加速无序发展的同时，均衡度有所增加，用水系统受某一种用水类型的影响越来越小，系统稳定性增加。

3 城市经济发展与水资源利用的关系分析

3.1 城市经济发展与水资源利用关联性分析

西安市城市经济发展与水资源利用的关联度计算结果见表3。

（1 ）按照关联度介于0～0.35之间为弱关联、介于0.35～0.65之间为中关联、介于0.65～1之间为强关联的标准，水资源利用结构与城市经济发展的18个指标65个关联值中，有16个呈现中度关联，有49个呈现强关联。这说明本文所选的13个城市经济发展指标与西安市各类用水的相关性都很高，符合进行关联分析的基本要求。

（2）西安市产业结构的变化主要体现在三次产业产值比重的变化上。第一产业产值比重（Y4）、第二产业产值比重（Y5）、第三产业产值比重（Y6）三个指标与各类用水的关联度值普遍较高，其中强关联出現的次数占所有强关联个数的27%。2005-2014年西安市农业用水和工业用水量呈下降趋势，居民生活用水量增加，这和产业比重变化趋势一致（图3）。

（3）第一产业产值比重（Y4）、农田灌溉亩均用水量（Y11）、耕地面积（Y13）三个指标与农业用水的关联度值分别为0.91、0.93、0.91，说明这三者较其他经济指标对农业用水量变化的影响较大。西安市2005年-2014年农业总产值、耕地面积和有效灌溉面积变化情况见图4。2005年-2014年间，西安市耕地面积逐年递减，由2005年的400.17万亩，减少到了2014年的360.73万亩，第一产业比重下降与农业耕地面积减少有直接关系，而耕地面积减少又直接导致了西安市农业用水量的下降。在陕西省农业用水总量中，农溉用水量占绝大部分，而陕西省农业灌溉用水量在相当大程度上依赖于地下水资源开采，这直接导致了地下水位的下降，有效灌溉面积减少，农业减产，进而又对农业用水量产生影响。

（4） 经济指标与居民生活用水（X3）、城镇公共用水（X4）的关联值中，强关联出现的次数占所有强关联个数的33%，这说明城市经济的发展对这两类用水量变化的影响较大。西安市将城市经济发展发展定位于国际大都市，这就从客观上对产业结构升级提出了更高的要求，“三、二、一”的产业结构有利于西安市城市化水平的提高。近年来，西安市加快了现代服务业与旅游业的发展力度，来西安旅游的人数不断增加，这直接导致了餐饮、住宿、娱乐等行业用水量增加。西安市拥有区域内高等院校众多的优势资源，学校用水尤其是学校洗浴用水是西安市生活用水的重要组成部分。人均GDP和第三产业比重对用水效率有正的影响[18]，从用水效益来看，西安市万元GDP用水量呈现下降趋势（图5），万元GDP用水量2005年为134.7 m3/万元，2014年降为31.9 m3/万元，下降趋势明显。

3.2 城市经济发展与用水结构耦合度的时序分析

耦合度可以用来衡量城市经济各项指标与用水结构之间相互作用强度的大小[19]，耦合度越大，说明系统之间相互作用越强烈，城市经济发展通过非线性相互作用将引起用水结构信息熵的大幅度波动，耦合度越小，说明子系统间协调性越高，城市经济发展变化在短期内不会引起用水结构发生较大波动。根据式（5），计算2005年-2014年西安市城市经济发展与用水结构的耦合度，结果见表4：

西安市2005年-2014年城市经济发展与用水结构的耦合度分布在0.5～0.8之间，反映了城市经济发展与用水结构有非常紧密的交互耦合，子系统间处于磨合阶段。

4 结语

在对西安市城市经济发展及水资源利用现状进行分析的基础之上，选取相关指标，利用灰关联模型和耦合度模型对城市经济发展和用水结构的相互关系进行了实证研究，结果如下。

（1）水资源利用与城市经济发展整体上有着较强的相关性，城市发展过程中产业结构调整对水资源利用结构变化的推动作用较大，产业结构升级在一定程度上可以有优化城市用水结构。西安市第一、二产业的萎缩带来了工农业用水的绝对降低，第三产业比重的增长使得生活用水逐年递增。

（2）产业用水效率的提高对城市用水结构的变化也发挥着至关重要的作用。应进一步压缩高耗能、高污染行业的绝对规模，大力发展高效节水农业，提高工业用水重复利用率，降低农田灌溉亩均用水量以及工业万元GDP用水量，节水技术的创新与使用将是降低水资源消耗的主要推动力。

（3）城市经济的发展与水资源利用呈现高度耦合关系，耦合阶段处于磨合期。城市发展给水资源利用带来压力的同时，也使得城市更具有能力进行环保投资。应把节水减排作为调整经济结构、转变经济发展方式的重要突破口[20]，加大节水投入，积极推广节水灌溉技术，同时，通过节约用水的宣传教育、制定合理的水价等措施来提高人们的节水意识，降低水资源消耗，有效缓解西安市水资源利用的供需矛盾。

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