山東省黃河流域用水結(jié)構(gòu)演變特征及空間分布規(guī)律

摘 要：為了協(xié)調(diào)黃河流域水資源與經(jīng)濟社會發(fā)展之間的關(guān)系，基于2008—2022年山東省黃河流域用水現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，采用信息熵和均衡度、洛倫茨曲線和基尼系數(shù)等，分析山東省黃河流域用水結(jié)構(gòu)演變特征及空間分布規(guī)律。結(jié)果表明：山東省黃河流域農(nóng)業(yè)用水不再具備單一的絕對優(yōu)勢，水資源分配正向多目標轉(zhuǎn)化；信息熵和均衡度呈同步上升趨勢，表明各類用水量的分布向均勻性發(fā)展；2008—2022年山東省黃河流域農(nóng)業(yè)用水的空間均衡度明顯下降，工業(yè)用水的空間均衡度略微上升，生活用水的空間均衡狀態(tài)未出現(xiàn)較大變化，生態(tài)用水的空間均衡度明顯提升；2008—2022年山東省黃河流域農(nóng)業(yè)用水的空間分布由明顯均衡狀態(tài)變?yōu)楸容^均衡狀態(tài)，工業(yè)和生活用水的空間分布一直為比較均衡狀態(tài)，生態(tài)用水的空間分布由均衡較差狀態(tài)變?yōu)楸容^均衡狀態(tài)；德州的農(nóng)業(yè)用水量占比最高，淄博的工業(yè)用水量占比明顯超過其他區(qū)域，濟南的生活用水量占比最高且緩慢上升，2018年濟南生態(tài)用水量占比最高，德州生態(tài)用水量占比最低。

關(guān)鍵詞：用水結(jié)構(gòu)；信息熵；均衡度；洛倫茨曲線；基尼系數(shù)；山東省

中圖分類號：TV213.4 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.02.012

引用格式：蔣亞，李華云，焦紅波.山東省黃河流域用水結(jié)構(gòu)演變特征及空間分布規(guī)律[J].人民黃河，2025，47（2）：81-86.

基金項目：河南省水利科技攻關(guān)項目（GG202261）；河南省軟科學(xué)研究項目（232400411111）

EvolutionCharacteristicsandSpatialDistributionLawofWaterUseStructure intheYellowRiverBasinofShandongProvince

JIANGYa1，LIHuayun2，JIAOHongbo3

（1.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandHydropower，Zhengzhou450046，China；2.HenanMetrologyStandardsandProductQualityInspectionandTestingCenter，Zhengzhou450000，China；3.ZhengzhouInstituteofEngineeringandTechnology，Zhengzhou450044，China）

Abstract：InordertocoordinatetherelationshipbetweenwaterresourcesandeconomicandsocialdevelopmentintheYellowRiverBasin，basedonthecurrentwaterconsumptiondataoftheYellowRiverBasininShandongProvincefrom2008to2022，theevolutioncharacteristics andspatialdistributionlawofwaterconsumptionstructureintheYellowRiverBasininShandongProvincewereanalyzedbyusingthemeth？ odsofinformationentropyandequilibriumdegree，LorenzcurveandGinicoefficient.Theresultsshowthattheagriculturalwateruseinthe YellowRiverBasininShandongProvincenolongerhasasingleabsoluteadvantage，andthewaterresourcesallocationistransforminginto multi？objective.Theinformationentropyandequilibriumdegreeshowasynchronousupwardtrend，indicatingthatthedistributionofvarious typesofwaterconsumptionisdevelopingtowardsuniformity.From2008to2022，thespatialequilibriumdegreeofagriculturalwaterusein theYellowRiverBasinofShandongProvinceisisdecreasedobviously，thespatialequilibriumdegreeofindustrialwateruseisincreased slightly，thespatialequilibriumstateofdomesticwaterusedoesnotchangegreatly，andthespatialequilibriumdegreeofecologicalwateruse isincreasedobviously.From2008to2022，thespatialdistributionofagriculturalwateruseintheYellowRiverBasininShandongProvince changsfromanobviousequilibriumstatetoarelativelybalancedstate，whilethespatialdistributionofindustrialanddomesticwaterusehas alwaysbeenrelativelybalanced，andthespatialdistributionofecologicalwaterusehaschangedfromapoorequilibriumstatetoarelatively balancedstate.TheproportionofagriculturalwaterinDezhouisthehighest，theproportionofindustrialwaterinZiboisobviouslyhigherthan thatinotherregions，andtheproportionofdomesticwaterinJinanisthehighestandslowlyrising.In2018，theproportionofecologicalwater inJinanisthehighest，andtheproportionofecologicalwateristhelowestinDezhou.

Keywords：waterusestructure；informationentropy；balancedegree；Lorenzcurve；Ginicoefficient；ShandongProvince

0 引言

水資源是人們賴以生存的基本自然資源，也是維持生態(tài)系統(tǒng)的決定性要素[1]。我國人均水資源量嚴重不足，僅為世界平均水平的1/4，同時面臨水資源時空分布不均衡、利用效率低等問題[2]，水資源短缺嚴重影響我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。各用水部門的用水量和用水效率對區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展有重要影響，因此探討用水結(jié)構(gòu)演變特征、合理調(diào)整用水結(jié)構(gòu)，對于區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展有重要意義。

用水結(jié)構(gòu)相關(guān)問題的研究成果有很多。一些學(xué)者基于系統(tǒng)學(xué)理論的信息熵和均衡度模型對用水結(jié)構(gòu)的演變特征進行分析，例如：鄭小康等[3]將熵的概念引入用水結(jié)構(gòu)研究，采用信息熵和均衡度定量分析黃河流域1988—2019年用水結(jié)構(gòu)演變規(guī)律和空間分布特征；易晶晶等[4]運用信息熵對廣東省1980—2015年用水結(jié)構(gòu)時空演變特征進行分析。一些學(xué)者基于經(jīng)濟學(xué)理論的洛倫茨曲線和基尼系數(shù)對用水結(jié)構(gòu)的空間均衡度進行研究，例如：李運濤等[5]采用水資源開發(fā)利用率的基尼系數(shù)等，研究了國家中心城市的水資源情況及供水結(jié)構(gòu)的地區(qū)差異；張洪波等[6]利用洛倫茨曲線和基尼系數(shù)分析榆林市各類型用水的空間分布及空間變化特點。另有學(xué)者基于生態(tài)學(xué)理論的生態(tài)位及熵值對用水結(jié)構(gòu)的態(tài)勢進行研究，例如：胡德秀等[7]利用生態(tài)位理論，構(gòu)建陜西省渭河流域用水結(jié)構(gòu)生態(tài)位及熵值模型，分析渭河流域用水結(jié)構(gòu)的演變趨勢；焦士興等[8]采用生態(tài)位及熵值模型，分析河南省安陽市水資源利用生態(tài)位與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系。在黃河流域水資源分配研究方面，楊翊辰等[9]采用多種研究方法對黃河流域用水演變特征、用水變化影響因素及未來水資源開發(fā)進行了探討，高蕓等[10]采用均衡度指標、變異系數(shù)分析了黃河流域農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)均衡度，陳穎杰等[11]基于生態(tài)位理論分析了黃河流域主要?。▍^(qū)）用水結(jié)構(gòu)演變特征。

在有關(guān)學(xué)者研究用水結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，筆者采用信息熵、均衡度、洛倫茨曲線和基尼系數(shù)等，分析2008—2022年山東省黃河流域用水結(jié)構(gòu)演變特征及空間分布規(guī)律，以期為水資源管理和優(yōu)化配置提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

黃河流經(jīng)山東省菏澤、濟寧、泰安、聊城、濟南、德州、濱州、淄博和東營9個地級市。黃河山東段全長628km，占黃河總長度的11.49%；山東省境內(nèi)黃河流域面積約1.3萬km2，占黃河流域總面積的1.6%。黃河山東段屬暖溫帶季風氣候區(qū)，多年平均氣溫11℃，多年平均降水量650mm，降水主要集中在6—9月。2022年黃河山東段9個地級市生產(chǎn)總值為42159億元（占全省生產(chǎn)總值的48.22%），人均生產(chǎn)總值77928元，常住人口5410.05萬（占全省總?cè)丝诘?3.23%）。

本研究所用數(shù)據(jù)來源于2008—2022年《山東省水資源公報》《山東統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法

2.1 信息熵

20世紀40年代，Shannon[12]把“熵”引入信息論，用來表示一種能量的空間均衡程度，能量分布越均勻熵越大。在水資源領(lǐng)域，信息熵被用來表示用水結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變規(guī)律，反映各用水部門的空間均衡程度[13]，信息熵越大表明各類用水分布越均勻。為實現(xiàn)各區(qū)域信息熵的標準化和可比性，引入均衡度，均衡度越大表明各類用水越合理。

均衡度J的值域為[0，1]，當J=1時用水結(jié)構(gòu)為最理想狀態(tài)。

2.2 洛倫茨曲線

20世紀初，美國經(jīng)濟學(xué)家Lorenz[14]提出洛倫茨曲線，用于描述各區(qū)域收入與財富分配的不均勻情況。目前，洛倫茨曲線廣泛應(yīng)用于用水結(jié)構(gòu)分析[15]等領(lǐng)域。y=x為絕對平均線，y=f（x）為不同研究對象的累計曲線，y=x與y=f（x）間的距離為每個研究對象的空間分布均勻程度。y=f（x）距離y=x越近，表明研究對象的空間分布越均衡；y=f（x）距離y=x越遠，表明研究對象的空間分布均衡性越差。繪制洛倫茨曲線時，首先計算各區(qū)域的區(qū)位熵，計算公式為

以總用水量累計百分比為橫坐標、各類用水量累計百分比為縱坐標，以（0，0）為起點、（1，1）為終點，按區(qū)位熵從小到大的順序繪制洛倫茨曲線。

2.3 基尼系數(shù)

采用國際公認的基尼系數(shù)評價區(qū)間劃分標準（見表1）[20]，評價山東省黃河流域用水結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 山東省黃河流域用水結(jié)構(gòu)演變情況

2008—2022年山東省黃河流域用水結(jié)構(gòu)與信息熵及均衡度變化情況見表2。由表2可知：1）信息熵和均衡度均呈波動上升趨勢，與總用水量的變化基本一致，信息熵和均衡度分別由2008年的0.694nat、0.501上升到2022年的1.078nat、0.777，其中2013年之前為波動變化階段，2014—2021年為穩(wěn)步上升階段，2022年信息熵和均衡度有所下降，各用水部門的用水量越來越均勻，表明用水結(jié)構(gòu)向良好方向發(fā)展；2）總用水量從2008年的151.84億m3減少為2022年的144.71億m3，減少了7.13億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量占比減小17.8%，工業(yè)、生活、生態(tài)用水量分別增長5.3%、5.1%、7.4%。農(nóng)業(yè)用水量占比仍最高但呈下降趨勢，工業(yè)、生活、生態(tài)用水量占比呈緩慢上升趨勢，說明農(nóng)業(yè)用水不再具備絕對優(yōu)勢，水資源分配正向多目標轉(zhuǎn)化，用水方式由粗放型向節(jié)約集約型轉(zhuǎn)變，用水結(jié)構(gòu)朝均衡性方向發(fā)展。

3.2 各類用水的時間演變規(guī)律

選取典型年2008年、2015年和2022年山東省黃河流域各類用水的洛倫茨曲線（見圖1），分析2008—2022年用水結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。由圖1可以看出：1）相比2008年，2015年和2022年農(nóng)業(yè)用水曲線依次遠離絕對平均線，說明農(nóng)業(yè)用水分布的均衡程度逐步下降；2）相比2008年，2015年和2022年工業(yè)用水曲線均距離絕對平均線更近，但這3條曲線相差并不大，說明工業(yè)用水分布的均衡程度略微上升；3）2008年、2015年和2022年的生活用水洛倫茨曲線基本重合，說明生活用水的均衡程度基本保持穩(wěn)定；4）相比2008年，2015年生態(tài)用水曲線距離絕對平均線更遠，說明生態(tài)用水的均衡程度明顯下降；2022年生態(tài)用水曲線距離絕對平均線更近，說明生態(tài)用水的均衡程度明顯上升，生態(tài)環(huán)境的保護和治理得到逐步加強。

2008—2022年山東省黃河流域各類用水的基尼系數(shù)和評價結(jié)果見表3。由表3可知：1）農(nóng)業(yè)用水基尼系數(shù)從2008年的0.058穩(wěn)步上升至2021年的0.128，2022年下降為0.113，2008—2022年農(nóng)業(yè)用水的均衡程度為“絕對平均”；2）工業(yè)用水基尼系數(shù)從2008年的0.298逐年下降至2012年的0.209，2013年開始波動上升至2022年的0.254，2008—2022年整體為下降，工業(yè)用水的均衡程度為“比較平均”；3）2008—2022年生活用水基尼系數(shù)呈波動變化狀態(tài)，2011年最?。?.179）、2018年最大（0.220），2008年、2010年和2011年生活用水的均衡程度為“絕對平均”，其他年份為“比較平均”；4）生態(tài)用水基尼系數(shù)從2008年的0.362逐年增大至2012年的0.427，2013年下降至0.377后逐年增大至2016年的0.479，2019年達到峰值0.492之后逐年下降至2022年的0.250，2008年、2009年、2013年、2014年和2021年生態(tài)用水的均衡程度為“相對合理”，2022年生態(tài)用水的均衡程度為“比較平均”，其他年份為“差距較大”。因此，需繼續(xù)增大山東省黃河流域生態(tài)用水量，使用水結(jié)構(gòu)的均衡程度更趨平穩(wěn)。

3.3 各類用水空間分布

為分析山東省黃河流域各類用水的空間均衡度，結(jié)合洛倫茨曲線和區(qū)位熵分析用水結(jié)構(gòu)的空間變化情況，選取典型年2008年、2012年、2018年和2022年用水量數(shù)據(jù)繪制洛倫茨曲線（見圖2），并計算2008年、2012年、2018年和2022年各地級市不同用水類型的區(qū)位熵（見圖3）。由圖2和圖3可以看出，農(nóng)業(yè)用水方面，2008年、2012年、2018年農(nóng)業(yè)用水曲線均接近絕對平均線，說明農(nóng)業(yè)用水的空間分布明顯均衡，2022年農(nóng)業(yè)用水曲線離絕對平均線均較遠，說明農(nóng)業(yè)用水的空間分布比較均衡；德州、濱州、聊城、菏澤和濟寧的農(nóng)業(yè)用水占比較高，這5個地級市農(nóng)業(yè)用水的區(qū)位熵均在1.0以上，2008年、2012年、2018年和2022年德州的農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵分別為1.133、1.128、1.200、1.222，農(nóng)業(yè)用水比例最高，原因是德州多年來立足發(fā)展特色農(nóng)業(yè)，加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，農(nóng)業(yè)發(fā)達、用水量大。

工業(yè)用水方面，2008年、2012年、2018年、2022年工業(yè)用水曲線稍遠離絕對平均線，說明工業(yè)用水的空間分布比較均衡；淄博的工業(yè)用水區(qū)位熵最大，2008年、2012年、2018年和2022年分別為2.559、1.997、2.520、2.179，總體呈緩慢減小趨勢，原因是淄博是山東省乃至全國重要的化工、電力、冶金、機械制造和建材等工業(yè)基地，多年來致力于發(fā)展工業(yè)，工業(yè)用水量相對較大。

生活用水方面，2008年、2012年、2018年、2022年生活用水曲線稍遠離絕對平均線，說明生活用水的空間分布比較均衡；濟南、淄博、泰安的生活用水量占比較高，2008年、2012年、2018年和2022年濟南的生活用水區(qū)位熵最大，分別為1.761、1.831、1.883和1.942，呈緩慢升高趨勢，原因是濟南作為山東省政治、經(jīng)濟、文化和交通中心，經(jīng)濟發(fā)展較快，人民生活水平不斷提升，生活用水比例持續(xù)提高。

生態(tài)用水方面，2008年、2012年、2018年生態(tài)用水曲線距離絕對平均線均較遠，說明這幾年生態(tài)用水的空間分布均衡度較差，2022年生態(tài)用水曲線距離絕對平均線最近，說明2022年生態(tài)用水的空間分布比較均衡。2008年、2012年、2018年和2022年生態(tài)用水區(qū)位熵最大的市分別為東營（2.496）、淄博（2.626）、濟南（3.053）、東營（1.919），德州4個年份都是最小（分別為0.204、0.181、0.395和0.451）。生態(tài)用水量少會帶來生態(tài)環(huán)境問題，比如生物多樣性受損、生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞等，須引起有關(guān)方面的高度重視，不斷增大生態(tài)用水量，提升生態(tài)用水的均衡度。

4 結(jié)論

1）從用水量分析，山東省黃河流域用水總量從2008年151.84億m3減少至2022年144.71億m3，總體呈下降趨勢，其中：農(nóng)業(yè)用水量占比最高但呈下降趨勢，工業(yè)、生活和生態(tài)用水量占比呈緩慢上升趨勢。

2）從熵值和均衡度分析，山東省黃河流域用水結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度同步變化，分別從2008年的0.694 nat、0.501上升為2022年的1.078nat、0.777，表明各類用水量的分布向均衡方向發(fā)展。

3）從時間變化分析，2008—2022年農(nóng)業(yè)用水的均衡度明顯下降，工業(yè)用水的均衡度略微提升，生活用水的均衡度未出現(xiàn)顯著變化，生態(tài)用水的均衡度顯著提升。

4）從空間分布分析，2008—2022年農(nóng)業(yè)用水的空間分布由明顯均衡狀態(tài)變?yōu)楸容^均衡狀態(tài)，德州的農(nóng)業(yè)用水區(qū)位熵大于其他地級市的；工業(yè)用水的空間分布一直為比較均衡狀態(tài)，淄博的工業(yè)用水量占比高于其他地級市且總體呈緩慢下降趨勢；生活用水的空間分布一直為比較均衡狀態(tài)，濟南的生活用水量占比最高且呈緩慢上升趨勢；生態(tài)用水的空間分布由均衡度較差狀態(tài)變?yōu)楸容^均衡狀態(tài)，2018年濟南的生態(tài)用水量占比最高，德州的生態(tài)用水量占比在4個典型年里都是最低的。

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【責任編輯 張華興】