基于信息熵與灰關(guān)聯(lián)的西安市城市經(jīng)濟(jì)與用水結(jié)構(gòu)的耦合度研究

張黎鳴+趙巖+王紅瑞+潘成忠

摘要：基于2005年-2014年西安市城市用水和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的數(shù)據(jù)，運(yùn)用信息熵和灰色關(guān)聯(lián)分析法，從時(shí)間序列上對(duì)西安市城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用水結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系進(jìn)行了實(shí)證分析。研究結(jié)果表明：西安市用水結(jié)構(gòu)信息熵不斷增長(zhǎng)，單一用水類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)性減弱，系統(tǒng)均衡性增強(qiáng)，用水結(jié)構(gòu)趨于合理化；西安市城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用水結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)度都在0.45以上，說(shuō)明二者存在很大的相關(guān)性；城市經(jīng)濟(jì)與用水結(jié)構(gòu)的耦合度分布在0.6～1之間，表明城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用水結(jié)構(gòu)交互耦合比較緊密；針對(duì)西安市水源利用的供需矛盾，可采取相應(yīng)的措施加以控制，節(jié)水技術(shù)的創(chuàng)新與推廣使用是關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展；用水結(jié)構(gòu)；信息熵；灰關(guān)聯(lián)；耦合度

中圖分類(lèi)號(hào)：F205 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

水資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，水資源利用狀況直接影響著城市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也會(huì)在一定程度上對(duì)水資源利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[1]。水資源短缺問(wèn)題是當(dāng)今世界普遍面臨的主要水危機(jī)，其中水貧困指數(shù)可以作為定量評(píng)價(jià)某一國(guó)家或地區(qū)間相對(duì)缺水程度的重要指標(biāo)，而我國(guó)水貧困與經(jīng)濟(jì)貧困屬于中度以上耦合的省市占全國(guó)省市總數(shù)的90.3%，且二者耦合程度隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的高低呈由東南部地區(qū)至西北地區(qū)逐漸減弱的趨勢(shì)[2]。陜西省2012年水資源公報(bào)中數(shù)據(jù)顯示，2012年陜西省水資源總量為390.5億m3，年末總?cè)丝跒? 753萬(wàn)人，人均水資源占有量為1 041 m3，約占國(guó)內(nèi)人均水平的50%。人均占有水資源量為1 000 m3是國(guó)際公認(rèn)的重度缺水警戒線[3]，由此可以看出，陜西省近乎于重度缺水地區(qū)。水資源時(shí)空分布不均、用水總量的增長(zhǎng)又加劇了陜西省水資源的供需矛盾，水資源問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重制約了城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究針對(duì)區(qū)域用水結(jié)構(gòu)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相互影響的文獻(xiàn)相對(duì)較少，多集中在水資源利用和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間關(guān)系及其演變相互影響規(guī)律方面[4-7]。

行政區(qū)域內(nèi)的水資源問(wèn)題的研究方向不夠完善，如對(duì)陜西省水資源的研究主要包括水資源價(jià)值量核算[8]、水資源承載力研究[9]、水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[10]、水資源供需平衡分析[11]以及水資源的可持續(xù)發(fā)展研究[12]等，但從時(shí)間序列上對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)演變之間的關(guān)系分析還相對(duì)較少。本研究以西安市作為研究對(duì)象，選取了2005年-2014年西安城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要指標(biāo)與用水結(jié)構(gòu)指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用信息熵、灰色關(guān)聯(lián)法以及系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的耦合度模型，分析了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用水結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，對(duì)優(yōu)化西安市水資源配置，緩解水資源供需矛盾提供理論依據(jù)。

2 西安市城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用結(jié)構(gòu)

2.1 城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展

據(jù)已有資料統(tǒng)計(jì)顯示，2005年西安市年末總?cè)丝跒?41.73萬(wàn)人，城市化率為63.3%，2014年西安市年末總?cè)丝跒?15.29萬(wàn)人，城市化率為72.6%，城市化率與2005年相比增加了約9.3個(gè)百分點(diǎn)，年末總?cè)丝谀昃鲩L(zhǎng)率為1.05%，呈直線上升趨勢(shì)（圖1）。

2005年-2014年間，西安市進(jìn)入了城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展軌道。GDP從1 313.93億元增長(zhǎng)至5 492.64億元，年均增長(zhǎng)率為17.2%。城鎮(zhèn)居民人均可支配收入在2005年-2014年間以年均15.8%的速度快速增長(zhǎng)，2014年達(dá)到3.61萬(wàn)元。城市經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，三次產(chǎn)業(yè)狀況更為合理。第一產(chǎn)業(yè)比重有所下降，2005年為5.02%，2014年下降為3.91%，下降了1.11個(gè)百分點(diǎn)。第二產(chǎn)業(yè)比重下降，2014年比2005年下降了1.18個(gè)百分點(diǎn)，雖然個(gè)別年份有所上升，但總體趨于下降。第三產(chǎn)業(yè)比重持續(xù)上升，2005年為53.84%，2014年為56.13%，年均增長(zhǎng)率為0.5%。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度和第三產(chǎn)業(yè)所占比例往往成正比，2014年西安市第三產(chǎn)業(yè)比重超過(guò)第二產(chǎn)業(yè)比重近20個(gè)百分點(diǎn)，這預(yù)示經(jīng)濟(jì)發(fā)展新方向，說(shuō)明西安市將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘谌a(chǎn)業(yè)領(lǐng)先發(fā)展的經(jīng)濟(jì)中心城市，有利于西安市實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)（圖2）。

2.2 西安市水資源利用結(jié)構(gòu)

2.2.1 西安市水資源利用現(xiàn)狀

2005年-2014年間，西安市水資源利用的變化情況如下（表1）：

（1）2014年西安市用水總量為17.46億m3，其中，比重最大的農(nóng)業(yè)用水占了36.8%，其次是居民生活用水和工業(yè)用水，占比分別為25.9%和20.3%；城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水所占比重較小。

（2） 西安市水資源利用結(jié)構(gòu)變化明顯，其中農(nóng)業(yè)用水占比2005年為49%，2014年下降至36.8%，下降了12.2個(gè)百分點(diǎn)；工業(yè)用水占比2005年為26%，2014年下降至20.3%，下降了5.7個(gè)百分點(diǎn)；居民生活用水占比增加了9.14個(gè)百分點(diǎn)，用水量年均增長(zhǎng)率為6.18%；城鎮(zhèn)公共用水占比增加了1個(gè)百分點(diǎn)；生態(tài)環(huán)境用水從2005年的0.36億m3增加到了2014年的1.61億m3，年均增長(zhǎng)率為18.1%，上升趨勢(shì)明顯。

（3） 農(nóng)業(yè)用水量和工業(yè)用水量呈下降趨勢(shì)，但陜西省仍然是農(nóng)業(yè)大省，加之農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)相對(duì)落后，農(nóng)業(yè)用水在西安市用水總量中仍然占主要比重。第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、城市人口規(guī)模的擴(kuò)張將促使西安市居民生活用水持續(xù)增加[17]。生態(tài)環(huán)境用水是指為生態(tài)環(huán)境修復(fù)與建設(shè)以及維持生態(tài)平衡所需要的最小用水量。生態(tài)環(huán)境用水量增加說(shuō)明人們已認(rèn)識(shí)到水資源生態(tài)功能的重要性，對(duì)城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)日益重視。

2.2.2 基于信息熵的西安市用水結(jié)構(gòu)演變分析

根據(jù)上述方法，利用2005年-2014年西安市各類(lèi)型用水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算了信息熵和均衡度，結(jié)果見(jiàn)表2。除個(gè)別年份以外，西安市用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度總體上呈逐年遞增的趨勢(shì)。信息熵與均衡度值于2014年分別達(dá)到最大值1.460 1 nat和0.907 3，說(shuō)明西安市用水結(jié)構(gòu)在加速無(wú)序發(fā)展的同時(shí)，均衡度有所增加，用水系統(tǒng)受某一種用水類(lèi)型的影響越來(lái)越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加。

3 城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用的關(guān)系分析

3.1 城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用關(guān)聯(lián)性分析

西安市城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用的關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

（1 ）按照關(guān)聯(lián)度介于0～0.35之間為弱關(guān)聯(lián)、介于0.35～0.65之間為中關(guān)聯(lián)、介于0.65～1之間為強(qiáng)關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，水資源利用結(jié)構(gòu)與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的18個(gè)指標(biāo)65個(gè)關(guān)聯(lián)值中，有16個(gè)呈現(xiàn)中度關(guān)聯(lián)，有49個(gè)呈現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)。這說(shuō)明本文所選的13個(gè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)與西安市各類(lèi)用水的相關(guān)性都很高，符合進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析的基本要求。

（2）西安市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化主要體現(xiàn)在三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重的變化上。第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重（Y4）、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重（Y5）、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重（Y6）三個(gè)指標(biāo)與各類(lèi)用水的關(guān)聯(lián)度值普遍較高，其中強(qiáng)關(guān)聯(lián)出現(xiàn)的次數(shù)占所有強(qiáng)關(guān)聯(lián)個(gè)數(shù)的27%。2005-2014年西安市農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水量呈下降趨勢(shì)，居民生活用水量增加，這和產(chǎn)業(yè)比重變化趨勢(shì)一致（圖3）。

（3）第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重（Y4）、農(nóng)田灌溉畝均用水量（Y11）、耕地面積（Y13）三個(gè)指標(biāo)與農(nóng)業(yè)用水的關(guān)聯(lián)度值分別為0.91、0.93、0.91，說(shuō)明這三者較其他經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)農(nóng)業(yè)用水量變化的影響較大。西安市2005年-2014年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、耕地面積和有效灌溉面積變化情況見(jiàn)圖4。2005年-2014年間，西安市耕地面積逐年遞減，由2005年的400.17萬(wàn)畝，減少到了2014年的360.73萬(wàn)畝，第一產(chǎn)業(yè)比重下降與農(nóng)業(yè)耕地面積減少有直接關(guān)系，而耕地面積減少又直接導(dǎo)致了西安市農(nóng)業(yè)用水量的下降。在陜西省農(nóng)業(yè)用水總量中，農(nóng)溉用水量占絕大部分，而陜西省農(nóng)業(yè)灌溉用水量在相當(dāng)大程度上依賴(lài)于地下水資源開(kāi)采，這直接導(dǎo)致了地下水位的下降，有效灌溉面積減少，農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，進(jìn)而又對(duì)農(nóng)業(yè)用水量產(chǎn)生影響。

（4） 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與居民生活用水（X3）、城鎮(zhèn)公共用水（X4）的關(guān)聯(lián)值中，強(qiáng)關(guān)聯(lián)出現(xiàn)的次數(shù)占所有強(qiáng)關(guān)聯(lián)個(gè)數(shù)的33%，這說(shuō)明城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)這兩類(lèi)用水量變化的影響較大。西安市將城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)展定位于國(guó)際大都市，這就從客觀上對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)提出了更高的要求，“三、二、一”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有利于西安市城市化水平的提高。近年來(lái)，西安市加快了現(xiàn)代服務(wù)業(yè)與旅游業(yè)的發(fā)展力度，來(lái)西安旅游的人數(shù)不斷增加，這直接導(dǎo)致了餐飲、住宿、娛樂(lè)等行業(yè)用水量增加。西安市擁有區(qū)域內(nèi)高等院校眾多的優(yōu)勢(shì)資源，學(xué)校用水尤其是學(xué)校洗浴用水是西安市生活用水的重要組成部分。人均GDP和第三產(chǎn)業(yè)比重對(duì)用水效率有正的影響[18]，從用水效益來(lái)看，西安市萬(wàn)元GDP用水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖5），萬(wàn)元GDP用水量2005年為134.7 m3/萬(wàn)元，2014年降為31.9 m3/萬(wàn)元，下降趨勢(shì)明顯。

3.2 城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用水結(jié)構(gòu)耦合度的時(shí)序分析

耦合度可以用來(lái)衡量城市經(jīng)濟(jì)各項(xiàng)指標(biāo)與用水結(jié)構(gòu)之間相互作用強(qiáng)度的大小[19]，耦合度越大，說(shuō)明系統(tǒng)之間相互作用越強(qiáng)烈，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展通過(guò)非線性相互作用將引起用水結(jié)構(gòu)信息熵的大幅度波動(dòng)，耦合度越小，說(shuō)明子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性越高，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化在短期內(nèi)不會(huì)引起用水結(jié)構(gòu)發(fā)生較大波動(dòng)。根據(jù)式（5），計(jì)算2005年-2014年西安市城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用水結(jié)構(gòu)的耦合度，結(jié)果見(jiàn)表4：

西安市2005年-2014年城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用水結(jié)構(gòu)的耦合度分布在0.5～0.8之間，反映了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用水結(jié)構(gòu)有非常緊密的交互耦合，子系統(tǒng)間處于磨合階段。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)西安市城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展及水資源利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，選取相關(guān)指標(biāo)，利用灰關(guān)聯(lián)模型和耦合度模型對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用水結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系進(jìn)行了實(shí)證研究，結(jié)果如下。

（1）水資源利用與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展整體上有著較強(qiáng)的相關(guān)性，城市發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)水資源利用結(jié)構(gòu)變化的推動(dòng)作用較大，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)在一定程度上可以有優(yōu)化城市用水結(jié)構(gòu)。西安市第一、二產(chǎn)業(yè)的萎縮帶來(lái)了工農(nóng)業(yè)用水的絕對(duì)降低，第三產(chǎn)業(yè)比重的增長(zhǎng)使得生活用水逐年遞增。

（2）產(chǎn)業(yè)用水效率的提高對(duì)城市用水結(jié)構(gòu)的變化也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。應(yīng)進(jìn)一步壓縮高耗能、高污染行業(yè)的絕對(duì)規(guī)模，大力發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高工業(yè)用水重復(fù)利用率，降低農(nóng)田灌溉畝均用水量以及工業(yè)萬(wàn)元GDP用水量，節(jié)水技術(shù)的創(chuàng)新與使用將是降低水資源消耗的主要推動(dòng)力。

（3）城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與水資源利用呈現(xiàn)高度耦合關(guān)系，耦合階段處于磨合期。城市發(fā)展給水資源利用帶來(lái)壓力的同時(shí)，也使得城市更具有能力進(jìn)行環(huán)保投資。應(yīng)把節(jié)水減排作為調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要突破口[20]，加大節(jié)水投入，積極推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，同時(shí)，通過(guò)節(jié)約用水的宣傳教育、制定合理的水價(jià)等措施來(lái)提高人們的節(jié)水意識(shí)，降低水資源消耗，有效緩解西安市水資源利用的供需矛盾。

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