基于信息熵的安徽省淮河流域用水结构演变分析

姜骁骅，徐超

（1.淮河水利委员会水利水电工程技术研究中心，安徽 蚌埠 233001 2.淮河水利委员会水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001）

1 区域概况

安徽省淮河流域涉及阜阳市、蚌埠市、淮南市、淮北市、亳州市、宿州市、六安市、滁州市、安庆市和合肥市10 个省辖市，流域面积约6.69 万km2，占淮河流域总面积的35.21%，占安徽省总面积的47.75%。淮河安徽段处于淮河中游，全长430km，上自豫、皖交界的洪河口起，下至皖、苏交界的洪山头止，淮河以北是黄淮冲积平原，平坦辽阔，土层深厚，面积约为3.7 万km2，气候为温带半湿润季风气候；淮河以南多为丘陵和山区，面积约为2.9 万km2，气候为亚热带湿润季风气候；沿淮两岸分布着湾地、洼地和湖泊，是淮河滞洪、行洪地带。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文基础数据来源于2017—2021 年的《安徽省水资源公报》和《安徽省统计年鉴》。本文参考以往用水结构演变分析方法[1]，将用水类型分为农业用水、工业用水、生活用水和生态用水四类开展分析，综合评价安徽省淮河流域典型城市用水结构演变特征和空间分布均衡度，为安徽省淮河流域各市优化水资源配置提供参考。

2.2 研究方法

Shannon 在20 世纪40 年代借鉴了热力学的概念，把“熵”引入信息论中，作为系统有序化程度的一个度量，用以表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大[2]。而在分析用水结构演变的过程中，引入信息熵理论可以直观地反映出用水量分布的均匀程度，详细理论如下。

假设某一区域的用水总量为Q，该区域共有n种用水类型，每种用水类型的用水量用q1，q2，…，qn来表示，pi则表示每种用水类型的用水量在区域用水总量Q 中所占比重，即为pi=qi/Q。该区域用水结构信息熵H 可由公式（1）所示。

考虑到各区域不同时间尺度下的用水类型有所差别[3]，引入均衡度J，表示H 与信息熵最大值Hmax的比值。理论上当区域内各类型用水量相等，即p1=p2=…=1/n 时，该区域各类型用水量达到最为均衡的状态，n 种用水类型下信息熵的最大值即为Hmax=lnn。均衡度计算如公式（2）所示。

综上所述，当信息熵H 较大时，表明区域内用水结构系统越复杂和无序，各类型用水量的分布则越均衡，反之，用水量分布则越集中。当均衡度J 较大时，表明区域内某一种用水类型的优势度较低，各用水类型之间差别较小，用水结构整体均衡度则较高。

3 用水结构演变特征分析

3.1 安徽省淮河流域用水量演变分析

根据《安徽省水资源公报》统计数据显示，2017—2021 年间，安徽省淮河流域用水总量呈下降态势，从2017 年的118.24 亿m3减少至2021 年的110.4 亿m3，年均减少1.7%。2021 年总用水量较2017 年下降7.84 亿m3，降幅为6.63%，较2020 年下降0.95 亿m3，降幅为0.85%。具体变化如图1 所示。

图1 2017—2021 年安徽省淮河流域用水总量演变趋势图

安徽省淮河流域各类型用水量及所占比重如表1 和图2 所示。分析数据可知，在农业用水方面：5年间农业用水所占比重均位于四类用水中第一位，5年内农业用水量以年均2.14%的速度减少，2021 年农业用水总量较2017 年减少6.37 亿m3，降幅达到8.32%；工业用水方面：5 年间工业用水总量持续减少，但其所占比重仍位于四类用水中第二位，5 年内工业用水量年均降幅为4.66%，2021 年工业用水总量较2017 年大幅减少4.07 亿m3，降幅为17.47%；生活用水方面：5 年间生活用水总量以年均1.89%的增长率缓慢上升，其所占比重位于四类用水中第三位，与工业用水所占比重之间的差距逐年缩小，2021年生活用水总量较2017 年增长1.23 亿m3，增幅为7.73%；生态用水方面：5 年间生态用水总量的年均增长率为11.79%，保持高速增长的态势，但其所占比重仍位于四类用水中的末位，2021 年生态用水总量较2017 年增长1.37 亿m3，增幅高达55.02%。总的来看，2017—2021 年间安徽省淮河流域生活和生态用水量及所占比重呈增长态势，其中生态用水呈高速增长态势。农业和工业用水量及所占比重呈下降态势。

表1 2017—2021 年安徽省淮河流域用水结构表（亿m3，%）

图2 2017—2021 年安徽省淮河流域各类型用水量演变趋势图

3.2 安徽省淮河流域用水结构演变分析

根据公式（1）和公式（2），对2017—2021 年安徽省淮河流域用水结构信息熵和均衡度进行计算，计算结果和演变趋势如表2 和图3 所示。

表2 2017—2021 年安徽省淮河流域用水结构信息熵和均衡度表

图3 2017—2021 年安徽省淮河流域用水结构信息熵和均衡度演变趋势图

由表2 计算结果可知，2017—2021 年间安徽省淮河流域信息熵和均衡度整体呈小幅增长态势。2017 年用水结构信息熵为0.953，均衡度为0.687，二者均为5 年间最低值；2021 年用水结构信息熵和均衡度为5 年间最高值，数值分别为0.999 和0.721。安徽省淮河流域用水结构信息熵和均衡度的年均增长率为1.19%，呈缓慢增长态势。

结合表1 用水量及所占比重数据分析可知，安徽省淮河流域的农业用水和工业用水作为占总用水量比重最大的两种用水类型，其所占比重逐年下降，而生活用水和生态用水所占比重则逐年上升，其中生活用水所占比重已接近工业用水所占比重。农业用水和工业用水的优势度逐渐降低，各类型用水量分布的均衡度逐年上升，用水结构不断优化，稳定性显著提升。

根据表1 和表2 数据进一步分析安徽省淮河流域各类型用水量变化原因：（1）由于近年来农业水价综合改革和农业灌溉用水计量等节水制度的推行，灌区的用水管理逐渐规范，高效节水灌溉面积逐年增加，农业用水效率得到显著提升，农业用水量逐渐下降。（2）流域主要工业城市逐步进行产业结构调整，对传统工业产业进行绿色改造，推广工业节水技术，有效提升工业用水效率和重复利用率，工业用水量稳步下降。（3）由于社会经济快速发展及城市化进程的加快，以及生态补水需求量的增加，生活和生态用水量逐年上升。

3.3 安徽省淮河流域典型城市用水结构演变分析

安徽省淮河流域覆盖10 个省辖市，为保证数据的统一性和完整性，本文选取淮河干流流经的5 个城市开展用水结构演变分析，5 个典型城市分别为滁州市、阜阳市、淮南市、六安市和蚌埠市，安徽省淮河流域典型城市信息熵与均衡度如图4 所示。

图4 2017—2021 年安徽省淮河流域典型城市用水结构图

分析图4 和5 市水资源公报数据可知：（1）2020年之前，阜阳市用水结构信息熵和均衡度为最高，2020—2021 年淮南市用水结构最为均衡。（2）5 个典型城市中信息熵和均衡度最低的是六安市，其年均信息熵为0.725，年均均衡度为0.523。主要原因是由于六安市耕地面积较大，农业用水量常年位居安徽省第一，农业用水所占比重始终较高。但2019年之后由于农业节水技术改造及节水型灌区的推广，农业用水量有小幅下降的趋势，用水结构趋于稳定，均衡度缓慢上升。（3）蚌埠市、滁州市、阜阳市和六安市在2020 年之前用水结构信息熵及均衡度呈平稳上升和小幅波动态势，但2020—2021 年四市信息熵和均衡度均有小幅下降，建议四市优化产业结构，合理配置水资源，用水结构稳定性亟待巩固。

4 结论

（1）安徽省淮河流域用水总量由2017 年的118.24 亿m3减少至2021 年的110.4 亿m3，总体呈下降态势，其中农业和工业用水量逐年减少，生活和生态用水量稳步上升，用水量分布情况趋于均衡。

（2）安徽省淮河流域用水结构信息熵由2017 年的0.953 上升至2021 年的0.999。均衡度由2017 年的0.687 上升至2021 年的0.721，近年来流域各市大力推广各行业节水技术改造升级，随着灌区的用水管理和制度日渐规范，工业产业结构的调整以及流域社会经济的快速发展，各类型用水方式由粗放型向集约型转变，用水结构稳定性整体向好。

（3）安徽省淮河流域典型城市用水结构于2020年前整体呈缓慢增长和小幅波动态势，但2020 年后均衡度有所下降。建议各市继续对水资源进行优化配置，协调各类用水竞争，衡量经济与生态环境用水效益，实现水资源可持续利用■