基于信息熵的黃河流域用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及空間分布特征

鄭小康， 彭少明， 王 煜， 蔣桂芹

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003； 2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)， 河南 鄭州 450003)

1 研究背景

由于人口增長(zhǎng)以及城市化和工業(yè)化的不斷發(fā)展，部門(mén)間用水競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，加之氣候變化影響下水資源短缺狀況進(jìn)一步惡化，水資源供需不平衡問(wèn)題更加突出[1-3]。用水結(jié)構(gòu)可以反映區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)的協(xié)調(diào)程度[4]，研究用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律和驅(qū)動(dòng)因素對(duì)于區(qū)域或流域水資源合理配置具有重要意義[5]。

近年來(lái)，針對(duì)區(qū)域或流域用水結(jié)構(gòu)的研究逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，且多集中在用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演變規(guī)律分析、驅(qū)動(dòng)因素識(shí)別、未來(lái)用水結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)等方面[6]。針對(duì)用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的研究主要采用的方法有信息熵理論、基尼系數(shù)與洛倫茲曲線、生態(tài)位理論和水足跡理論等[7-10]。其中信息熵方法由于計(jì)算簡(jiǎn)便、結(jié)果表達(dá)直觀等優(yōu)點(diǎn)被眾多學(xué)者廣泛采用。何艷虎等[11]采用信息熵方法，分析了我國(guó)中、東、西部地區(qū)1999-2014年用水結(jié)構(gòu)的變化特征，結(jié)果表明中、東部發(fā)達(dá)地區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵明顯高于西部地區(qū)。張洪波等[12]利用生態(tài)位及其熵值模型分析了榆林市用水結(jié)構(gòu)的變化特征，并針對(duì)榆林市用水結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的3個(gè)分區(qū)特點(diǎn)提出了針對(duì)性的節(jié)水措施。李揚(yáng)[13]將信息熵和洛倫茲曲線相結(jié)合研究了山西省各地市2003-2017年用水結(jié)構(gòu)的空間分布及變化，發(fā)現(xiàn)工業(yè)和生態(tài)用水較其他行業(yè)用水區(qū)域性差異更大。還有一些學(xué)者運(yùn)用信息熵原理，針對(duì)某一區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)和演變特征進(jìn)行研究，表明不同區(qū)域用水結(jié)構(gòu)各異，但用水結(jié)構(gòu)信息熵均呈明顯的上升趨勢(shì)，說(shuō)明隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)更趨于合理和穩(wěn)定[14-16]，并通過(guò)采用主成分分析、回歸分析和灰色關(guān)聯(lián)分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法研究用水結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)因子，認(rèn)為人口、城鎮(zhèn)化水平、各產(chǎn)業(yè)增加值和灌溉面積等是用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子[5,17]。但上述研究多針對(duì)某一特定區(qū)域，缺乏以整體流域?yàn)檠芯繉?duì)象并對(duì)其不同時(shí)空尺度用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較的研究，難以為流域水資源調(diào)控措施的制訂提供詳細(xì)的指導(dǎo)意見(jiàn)。

近30年來(lái)，黃河流域用水結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，從20世紀(jì)80年代農(nóng)業(yè)用水占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的初級(jí)階段發(fā)展到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水相對(duì)均衡的高級(jí)階段[18-20]。本文通過(guò)建立用水結(jié)構(gòu)信息熵模型，分析了黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，研究了黃河流域用水階段劃分及其時(shí)空演變規(guī)律，以期為優(yōu)化流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展布局、促進(jìn)流域水資源可持續(xù)利用提供技術(shù)支撐。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

黃河流域面積為79.5×104km2，占全國(guó)國(guó)土面積的8.3%，包括青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個(gè)省(區(qū))(圖1)。截至2019年底，黃河流域總?cè)丝跒?.22×108人，占全國(guó)總?cè)丝诘?.7%。黃河流域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有悠久的歷史，是我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)最早的地區(qū)，流域內(nèi)共有耕地1 626.67×104km2，農(nóng)村人均耕地3.5畝，約為全國(guó)農(nóng)村人均耕地的1.4倍，其中分布有青銅峽灌區(qū)、河套灌區(qū)、汾渭灌區(qū)和下游引黃灌區(qū)等大型灌區(qū)，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。此外，黃河流域的煤炭、石油和天然氣等化石能源豐富，是我國(guó)重要的能源、化工、原材料和基礎(chǔ)工業(yè)基地。黃河流域?qū)儋Y源型缺水地區(qū)，多年平均河川天然徑流量為535×108m3，人均和畝均水資源量?jī)H為全國(guó)平均水平的1/5和1/7。

圖1 黃河流域行政區(qū)劃圖

2019年9月18日，習(xí)近平總書(shū)記在鄭州主持召開(kāi)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)時(shí)指出，黃河流域水資源保障形勢(shì)嚴(yán)峻，要推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用，把水資源作為最大的剛性約束，合理規(guī)劃人口、城市和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，堅(jiān)決抑制不合理用水需求，大力發(fā)展節(jié)水產(chǎn)業(yè)和技術(shù)，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水，實(shí)施全社會(huì)節(jié)水行動(dòng)，推動(dòng)用水方式由粗放向節(jié)約集約轉(zhuǎn)變[21]。然而，近30多年來(lái)黃河流域用水量在不斷增加[22]，1980年黃河流域年用水量不足450×108m3，2019年用水量增加至556×108m3，增加了106×108m3。黃河流域地表水開(kāi)發(fā)利用率高達(dá)83%，耗水率達(dá)到69%，遠(yuǎn)超流域水資源承載能力，水資源短缺是流域最大的問(wèn)題[23]。受人類活動(dòng)和氣候變化的綜合作用影響，黃河徑流將進(jìn)一步減少，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，近期用水需求會(huì)不斷增長(zhǎng)，水資源供需矛盾將更加突出[24-28]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的黃河流域1988-2019年用水量資料來(lái)源于《黃河水資源公報(bào)》[22]，其中2002年以前黃河流域用水劃分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村人畜4個(gè)類別，2003年以后細(xì)分為農(nóng)田灌溉、林牧漁畜、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活和生態(tài)環(huán)境6個(gè)類別。本研究中用水總量演變特征按農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活3個(gè)門(mén)類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2002年以前將城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村人畜合并為生活用水統(tǒng)計(jì)，2003年以后將農(nóng)田灌溉和林牧漁畜合并為農(nóng)業(yè)用水統(tǒng)計(jì)，將城鎮(zhèn)公共、居民生活和生態(tài)環(huán)境合并為生活用水統(tǒng)計(jì)。

2.3 研究方法

“熵”是熱力學(xué)的概念，用來(lái)表示某種能量在空間中分布的均勻程度。熵值越大表示系統(tǒng)越無(wú)序，能量分布越均勻；熵值越小表示系統(tǒng)越有序，能量分布越集中[29]。Silva等[30]在此基礎(chǔ)上將熵引入信息論中，首次提出了信息熵的概念，用來(lái)描述系統(tǒng)的信息量、穩(wěn)定程度和不確定性，表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變特征。假定某一區(qū)域或流域的用水總量為Q(m3)，共有n種用水類別，qi為每種用水類別對(duì)應(yīng)的用水量(m3)，pi為每種用水類別的用水量占總用水量的比例，即pi=qi/Q，且有∑pi=1，則在一定時(shí)間尺度下，此區(qū)域或流域用水結(jié)構(gòu)的信息熵H為：

(1)

由于不同時(shí)間尺度區(qū)域或流域的用水類別不一樣，會(huì)造成信息熵的大小不能真實(shí)反映用水結(jié)構(gòu)的合理性[31]。為此，本次研究考慮用水類別個(gè)數(shù)n的影響，引入均衡度J，表示實(shí)際信息熵H與最大信息熵Hm的比值：

(2)

根據(jù)公式(2)可知，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)各用水類別用水量完全相等時(shí)，即p1=p2=…=1/n時(shí)，Hm=lnn，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)用水最為均勻，用水結(jié)構(gòu)達(dá)到最有序的狀態(tài)。相反，當(dāng)僅有1種用水類別時(shí)，系統(tǒng)處于最簡(jiǎn)單的狀態(tài)，此時(shí)H=0，J=0，說(shuō)明系統(tǒng)用水結(jié)構(gòu)最為集中，處于最不均衡狀態(tài)。因此，各用水類別用水量越趨于均衡，單一用水類別的優(yōu)勢(shì)度就越小，區(qū)域或流域用水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越趨向復(fù)雜和穩(wěn)定，系統(tǒng)越向良性循環(huán)的方向發(fā)展。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究期黃河流域年用水總量和用水結(jié)構(gòu)演變特征

3.1.1 年用水總量演變特征 根據(jù)《黃河水資源公報(bào)》[22]統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，1988-2019年黃河流域年均用水總量為500.47×108m3，其中農(nóng)業(yè)年均用水量為385.46×108m3，占總用水量的77.0%，工業(yè)年均用水量為64.88×108m3，占總用水量的13.0%，生活年均用水量為50.13×108m3，占總用水量的10.0%。1988-2019年黃河流域總用水量呈現(xiàn)兩個(gè)階段的變化：(1)第1階段為1988-2003年，黃河流域年用水總量總體呈減少趨勢(shì)，1988年為該階段用水量最多的年份，年均用水量為549.34×108m3，之后用水量有所減少，1991-1995年間基本穩(wěn)定在495×108m3左右，至1997年達(dá)到最小值401.88×108m3，1998-2002年穩(wěn)定在492×108m3左右，至2003年達(dá)到第2個(gè)用水量低值429.12×108m3。(2)第2階段為2004-2019年，黃河流域年用水總量呈明顯上升趨勢(shì)，2013-2015年年用水總量穩(wěn)定在534×108m3左右，2016年減少至514×108m3，2019年年用水總量增加至整個(gè)研究期的最大值，為556×108m3。1988-2019年黃河流域各部門(mén)年用水總量變化見(jiàn)圖2。

圖2 1988-2019年黃河流域各部門(mén)年用水總量變化

3.1.2 用水結(jié)構(gòu)演變特征 黃河流域農(nóng)業(yè)部門(mén)(包含林牧漁畜)是用水第一大戶，1988-2019年農(nóng)業(yè)年均用水量占總用水量的77.0%，其次是工業(yè)和生活，年平均用水量分別占總用水量的13.0%和10.0%。從研究期用水結(jié)構(gòu)演變來(lái)看，農(nóng)業(yè)用水占比呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)，從1989年的最大值84.3%減小至2012年的71.9%，并在2017-2019年穩(wěn)定在70.4%左右；工業(yè)用水占比呈現(xiàn)波浪式微增加趨勢(shì)，從1989年的10.4%增加至2003年的最大值15.5%，之后略有減少，2017-2019年穩(wěn)定在12.0%左右；生活用水占比則呈現(xiàn)穩(wěn)步增加趨勢(shì)，從1988年的5.4%逐漸增加至2019年的18.7%，約增加了2.5倍。1988-2019年黃河流域各部門(mén)用水結(jié)構(gòu)變化見(jiàn)圖3。

圖3 1988-2019年黃河流域各部門(mén)用水結(jié)構(gòu)變化

3.2 研究期黃河流域用水結(jié)構(gòu)的信息熵變化分析

3.2.1 用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度變化 根據(jù)公式(1)和(2)分別計(jì)算1988-2019年黃河流域水資源利用結(jié)構(gòu)的信息熵和均衡度，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵在整個(gè)研究期呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)，由1988年的0.60增大至2019年的1.20，增加了1倍；用水結(jié)構(gòu)均衡度也呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)，由1988年的0.44增大至2019年的0.67，增加了52.3%，這說(shuō)明黃河流域的水資源利用結(jié)構(gòu)是向有利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的方向演變。

圖4 1988-2019年黃河流域水資源利用結(jié)構(gòu)的信息熵和均衡度變化

另外，黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度明顯呈現(xiàn)兩個(gè)階段的變化：(1)第1階段為1988-2002年，黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵平均水平較低，僅為0.65，表明用水系統(tǒng)有序度較低，此階段用水部門(mén)僅分為4個(gè)類別，且僅農(nóng)業(yè)用水即占總用水量的80%。但此階段用水結(jié)構(gòu)的均衡度呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，由1988年的0.44增長(zhǎng)至2002年的0.51，說(shuō)明系統(tǒng)的用水結(jié)構(gòu)有趨于均衡的發(fā)展態(tài)勢(shì)，原因是此階段農(nóng)業(yè)用水占比呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，而工業(yè)和生活用水占比呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。(2)第2階段為2003-2019年，黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵平均值達(dá)到了1.10，表明用水系統(tǒng)有序度大幅提高，此階段用水部分進(jìn)一步細(xì)分為6個(gè)類別，且各類別的用水占比更趨合理，此時(shí)除了保障生活和生產(chǎn)用水外，還細(xì)分了一部分生態(tài)環(huán)境用水。另外，此階段流域用水結(jié)構(gòu)的信息熵和均衡度除在2004-2005年略有減小外，其他年份均呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì)，且均在2019年達(dá)到最大值1.20和0.67，這表明流域用水系統(tǒng)的用水結(jié)構(gòu)更趨合理。

3.2.2 黃河流域9省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空演變特征 選取黃河流域用水系統(tǒng)用水結(jié)構(gòu)逐步趨于穩(wěn)定的2003-2019年時(shí)段，分別計(jì)算黃河流域9個(gè)省(區(qū))用水系統(tǒng)的信息熵，分析黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵的空間變化特征及各部門(mén)用水量變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 2003-2019年黃河流域各省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)信息熵及各部門(mén)用水量變化

由圖5中各省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)信息熵的平均水平來(lái)看，陜西省用水結(jié)構(gòu)信息熵平均值最高，達(dá)到了1.36，四川省和山西省次之，用水結(jié)構(gòu)信息熵平均值分別達(dá)到了1.30和1.28；用水結(jié)構(gòu)信息熵處于1.10與1.20之間的有3個(gè)省，分別是青海、甘肅和河南?。粚幭?、內(nèi)蒙古自治區(qū)和山東省的用水結(jié)構(gòu)信息熵最低，均在0.90以下。這是因?yàn)殛兾魇〉挠盟Y(jié)構(gòu)最為均衡，農(nóng)田灌溉、林牧漁畜、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活和生態(tài)環(huán)境用水比例為52∶10∶18∶3∶14∶3，四川省和山西省用水結(jié)構(gòu)相對(duì)均衡，各用水行業(yè)用水比例分別為28∶38∶11∶4∶18∶1和55∶4∶20∶4∶13∶4。寧夏、內(nèi)蒙古自治區(qū)和山東省的用水結(jié)構(gòu)極不均衡，3省(區(qū))農(nóng)業(yè)用水(包括農(nóng)田灌溉、林牧漁畜用水)占比分別達(dá)到88%、86%和80%，在黃河流域省(區(qū))中農(nóng)業(yè)用水占比排名前3位。

從各省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)信息熵的時(shí)間變化來(lái)看，青海省用水結(jié)構(gòu)信息熵增大趨勢(shì)最為明顯，2019年相對(duì)于2003年用水結(jié)構(gòu)信息熵增加了43%，這是因?yàn)?003-2019年青海省農(nóng)田灌溉用水占比減少了22%，而林牧漁畜、城鎮(zhèn)公共、居民生活和生態(tài)環(huán)境用水量均增加了1 倍以上，用水結(jié)構(gòu)向更為均衡的狀態(tài)發(fā)展；其次為山東和河南省，用水結(jié)構(gòu)信息熵分別增加了29%和22%，主要是由于該兩省占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的農(nóng)田灌溉用水減幅達(dá)到10%，而生態(tài)環(huán)境用水占比大幅增加了3～4倍；山西、陜西、寧夏、甘肅4省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)信息熵在波動(dòng)中上升，增幅在10%～20%之間，因?yàn)樵?省(區(qū))各行業(yè)用水占比變化幅度相對(duì)較?。粌?nèi)蒙古自治區(qū)用水結(jié)構(gòu)信息熵最為穩(wěn)定，2003-2019年略有增加，增幅僅為4%，因?yàn)樵搮^(qū)農(nóng)田灌溉、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共3個(gè)行業(yè)用水占比基本沒(méi)有變化，林牧漁畜用水占比稍有減少；9省(區(qū))中用水結(jié)構(gòu)信息熵唯一呈減小趨勢(shì)的是四川省，2003-2019年用水結(jié)構(gòu)信息熵減小了31%，這是因?yàn)樵摃r(shí)期四川省農(nóng)田灌溉和工業(yè)用水占比大幅減少3/4以上，而林牧漁畜用水占比卻增加了1倍，達(dá)到了63%，成為用水第一大戶，用水結(jié)構(gòu)朝著更不均衡的方向發(fā)展。

進(jìn)一步分析2003-2019年黃河流域各省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)均衡度的變化，其結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，各省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)均衡度的變化特征與其用水結(jié)構(gòu)信息熵基本一致。四川、陜西和山西省用水結(jié)構(gòu)均衡度均值處于0.70～0.90之間，在黃河流域處于較高水平；青海、甘肅和河南省用水結(jié)構(gòu)均衡度均值處于0.60～0.70之間，在黃河流域處于中等水平；寧夏、內(nèi)蒙古自治區(qū)和山東省的用水結(jié)構(gòu)均衡度均值小于0.50，說(shuō)明這3個(gè)省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)的合理性在黃河流域處于較差水平。從用水結(jié)構(gòu)均衡度的時(shí)間演變來(lái)看，2003-2019年除四川省用水結(jié)構(gòu)均衡度呈下降趨勢(shì)外，其他省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)均衡度均呈上升趨勢(shì)，其中青海省增幅最大，增加了43%，山東和河南省增幅均超過(guò)了20%，寧夏、山西、陜西和甘肅4省(區(qū))增幅在10%～20%之間，內(nèi)蒙古自治區(qū)增幅僅為4%，與各省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)信息熵的時(shí)間演變過(guò)程基本一致。

圖6 2003-2019年黃河流域各省(區(qū))用水結(jié)構(gòu)均衡度變化

4 討 論

用水結(jié)構(gòu)是水資源利用方式的具體體現(xiàn)，區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的合理性與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展布局相互影響并相互制約，一方面經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展可促進(jìn)用水結(jié)構(gòu)趨向合理性發(fā)展，另一方面用水結(jié)構(gòu)的調(diào)整可促進(jìn)區(qū)域水資源合理配置并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。陳曉清等[32]采用信息熵、均衡度、洛倫茲曲線和基尼系數(shù)等研究方法，對(duì)我國(guó)七大地理分區(qū)的用水結(jié)構(gòu)時(shí)空演變特征進(jìn)行了對(duì)比分析，其中將用水行業(yè)劃分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水，與文獻(xiàn)[11]～[13]以及本文所采用的用水結(jié)構(gòu)分類類型一致。但文獻(xiàn)[32]未將1997-2002年和2003-2018年兩個(gè)時(shí)段的用水結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行統(tǒng)一，所計(jì)算的用水結(jié)構(gòu)信息熵缺乏連續(xù)性，因而無(wú)法對(duì)全國(guó)和分區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)系列演變分析。文獻(xiàn)[7]、[12]～[16]基于信息熵原理分別對(duì)榆林市、山西省、廈門(mén)市、廣東省、山東省、新疆維吾爾自治區(qū)等地區(qū)的用水結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域用水結(jié)構(gòu)各異，但隨著各行業(yè)用水比重更加均衡，區(qū)域用水結(jié)構(gòu)信息熵均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，用水結(jié)構(gòu)均衡度整體朝著更有利的方向發(fā)展。

本文以黃河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于信息熵原理研究了流域9省(區(qū))1988-2019年用水結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化規(guī)律，根據(jù)流域用水特征將流域用水劃分為1988-2002年和2003-2019年兩個(gè)階段，并重點(diǎn)分析了后一階段用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度的動(dòng)態(tài)變化，解讀了區(qū)域用水結(jié)構(gòu)存在差異的原因。研究結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推移，流域整體用水結(jié)構(gòu)朝著更加合理的方向發(fā)展，但流域用水結(jié)構(gòu)合理性的空間差異明顯，與相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論一致。因此，本文研究結(jié)論總體上符合黃河流域?qū)嶋H情況，對(duì)黃河流域水資源的優(yōu)化配置與節(jié)水等水資源管理措施的制定具有一定的指導(dǎo)意義。

然而，由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響，加上黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略的深入實(shí)施，未來(lái)黃河流域天然徑流量的變化趨勢(shì)和能源化工等高耗水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展布局仍存在一定的不確定性，需要深入研究區(qū)域或流域用水結(jié)構(gòu)變化及其驅(qū)動(dòng)因子的定量貢獻(xiàn)，在水資源最大剛性約束制度下針對(duì)性地制訂不同行業(yè)用水的政策和管理措施，引導(dǎo)用水結(jié)構(gòu)向著更加合理的方向發(fā)展。

5 結(jié) 論

(1)黃河流域1988-2019年年總用水量呈現(xiàn)兩個(gè)階段的變化，總體上呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。從用水結(jié)構(gòu)上來(lái)看，黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度明顯也呈現(xiàn)兩個(gè)階段的變化，2002年以前黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵平均水平較低，2003年以后得到大幅提高，研究期內(nèi)黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明黃河流域的水資源利用結(jié)構(gòu)是向有利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的方向演變。

(2)從用水結(jié)構(gòu)空間分布來(lái)看，四川、陜西和山西省的用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度較高，用水結(jié)構(gòu)相對(duì)均衡；寧夏、內(nèi)蒙古自治區(qū)和山東省的用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度較低，用水結(jié)構(gòu)的合理性在黃河流域處于較差水平，原因是這3個(gè)省(區(qū))農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)占比均達(dá)到了80%以上，產(chǎn)業(yè)發(fā)展極不均衡。

(3)從用水結(jié)構(gòu)時(shí)間演變來(lái)看，2003-2019年，除四川省用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度呈減小趨勢(shì)外，其他8省(區(qū))的用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增幅最大的是青海省，該階段的用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度均增加了40%以上，這是因?yàn)樵撌∞r(nóng)田灌溉用水占比減小，而其他行業(yè)用水占比增加，用水結(jié)構(gòu)更趨均衡。

用水結(jié)構(gòu)的信息熵和均衡度可用來(lái)衡量區(qū)域用水結(jié)構(gòu)的合理性，并與各行業(yè)用水占比、用水占比優(yōu)勢(shì)度等有著直接關(guān)系，研究成果可為黃河流域水資源的優(yōu)化配置提供方向性引導(dǎo)和支撐。此外，由于篇幅所限，本文僅基于信息熵對(duì)黃河流域用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量分析，以后還需建立用水結(jié)構(gòu)與人口、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境等相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，辨析用水結(jié)構(gòu)變化的根本原因，這也是將來(lái)進(jìn)一步深入研究的方向。