基于信息熵與灰關聯的西安市城市經濟與用水結構的耦合度研究

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濟社會發展的數據，運用信息熵和灰色關聯分析法，從時間序列上對西安市城市經濟發展和用水結構之間的相互關系進行了實證分析。研究結果表明：西安市用水結構信息熵不斷增長，單一用水類型的優勢性減弱，系統均衡性增強，用水結構趨于合理化；西安市城市經濟發展與用水結構之間的關聯度都在0.45以上，說明二者存在很大的相關性；城市經濟與用水結構的耦合度分布在0.6～1之間，表明城市經濟發展與用水結構交互耦合比較緊密；針對西安市水源利用的供需矛盾，可采取相應的措施加以控制，節水技術的創新與推廣使用是關鍵。

關鍵詞：城市經濟發展；用水結構；信息熵；灰關聯；耦合度

中圖分類號：F205 文獻標識碼：A 文章編號：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

水資源是社會經濟發展的重要資源，水資源利用狀況直接影響著城市經濟的可持續發展，城市經濟的發展也會在一定程度上對水資源利用結構產生影響[1]。水資源短缺問題是當今世界普遍面臨的主要水危機，其中水貧困指數可以作為定量評價某一國家或地區間相對缺水程度的重要指標，而我國水貧困與經濟貧困屬于中度以上耦合的省市占全國省市總數的90.3%，且二者耦合程度隨經濟發展水平的高低呈由東南部地區至西北地區逐漸減弱的趨勢[2]。陜西省2012年水資源公報中數據顯示，2012年陜西省水資源總量為390.5億m3，年末總人口為3 753萬人，人均水資源占有量為1 041 m3，約占國內人均水平的50%。人均占有水資源量為1 000 m3是國際公認的重度缺水警戒線[3]，由此可以看出，陜西省近乎于重度缺水地區。水資源時空分布不均、用水總量的增長又加劇了陜西省水資源的供需矛盾，水資源問題已經嚴重制約了城市經濟的發展。現有國內外研究針對區域用水結構和國民經濟產業結構相互影響的文獻相對較少，多集中在水資源利用和國民經濟發展之間關系及其演變相互影響規律方面[4-7]。

行政區域內的水資源問題的研究方向不夠完善，如對陜西省水資源的研究主要包括水資源價值量核算[8]、水資源承載力研究[9]、水資源短缺風險評價[10]、水資源供需平衡分析[11]以及水資源的可持續發展研究[12]等，但從時間序列上對城市經濟發展與水資源利用結構系統演變之間的關系分析還相對較少。本研究以西安市作為研究對象，選取了2005年-2014年西安城市經濟發展主要指標與用水結構指標的相關數據，利用信息熵、灰色關聯法以及系統關聯的耦合度模型，分析了城市經濟發展和用水結構之間的相互關系，對優化西安市水資源配置，緩解水資源供需矛盾提供理論依據。

2 西安市城市經濟發展與水資源利用結構

2.1 城市經濟發展

據已有資料統計顯示，2005年西安市年末總人口為741.73萬人，城市化率為63.3%，2014年西安市年末總人口為815.29萬人，城市化率為72.6%，城市化率與2005年相比增加了約9.3個百分點，年末總人口年均增長率為1.05%，呈直線上升趨勢（圖1）。

2005年-2014年間，西安市進入了城市經濟的快速發展軌道。GDP從1 313.93億元增長至5 492.64億元，年均增長率為17.2%。城鎮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，2014年達到3.61萬元。城市經濟結構進一步優化，三次產業狀況更為合理。第一產業比重有所下降，2005年為5.02%，2014年下降為3.91%，下降了1.11個百分點。第二產業比重下降，2014年比2005年下降了1.18個百分點，雖然個別年份有所上升，但總體趨于下降。第三產業比重持續上升，2005年為53.84%，2014年為56.13%，年均增長率為0.5%。經濟發達程度和第三產業所占比例往往成正比，2014年西安市第三產業比重超過第二產業比重近20個百分點，這預示經濟發展新方向，說明西安市將逐步轉變為以第三產業領先發展的經濟中心城市，有利于西安市實現經濟的良性循環（圖2）。

2.2 西安市水資源利用結構

2.2.1 西安市水資源利用現狀

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，比重最大的農業用水占了36.8%，其次是居民生活用水和工業用水，占比分別為25.9%和20.3%；城鎮公共用水和生態環境用水所占比重較小。

（2） 西安市水資源利用結構變化明顯，其中農業用水占比2005年為49%，2014年下降至36.8%，下降了12.2個百分點；工業用水占比2005年為26%，2014年下降至20.3%，下降了5.7個百分點；居民生活用水占比增加了9.14個百分點，用水量年均增長率為6.18%；城鎮公共用水占比增加了1個百分點；生態環境用水從2005年的0.36億m3增加到了2014年的1.61億m3，年均增長率為18.1%，上升趨勢明顯。

（3） 農業用水量和工業用水量呈下降趨勢，但陜西省仍然是農業大省，加之農業灌溉技術相對落后，農業用水在西安市用水總量中仍然占主要比重。第三產業的發展、城市人口規模的擴張將促使西安市居民生活用水持續增加[17]。生態環境用水是指為生態環境修復與建設以及維持生態平衡所需要的最小用水量。生態環境用水量增加說明人們已認識到水資源生態功能的重要性，對城市生態環境建設日益重視。

2.2.2 基于信息熵的西安市用水結構演變分析

根據上述方法，利用2005年-2014年西安市各類型用水數據，計算了信息熵和均衡度，結果見表2。除個別年份以外，西安市用水結構信息熵和均衡度總體上呈逐年遞增的趨勢。信息熵與均衡度值于2014年分別達到最大值1.460 1 nat和0.907 3，說明西安市用水結構在加速無序發展的同時，均衡度有所增加，用水系統受某一種用水類型的影響越來越小，系統穩定性增加。

3 城市經濟發展與水資源利用的關系分析

3.1 城市經濟發展與水資源利用關聯性分析

西安市城市經濟發展與水資源利用的關聯度計算結果見表3。

（1 ）按照關聯度介于0～0.35之間為弱關聯、介于0.35～0.65之間為中關聯、介于0.65～1之間為強關聯的標準，水資源利用結構與城市經濟發展的18個指標65個關聯值中，有16個呈現中度關聯，有49個呈現強關聯。這說明本文所選的13個城市經濟發展指標與西安市各類用水的相關性都很高，符合進行關聯分析的基本要求。

（2）西安市產業結構的變化主要體現在三次產業產值比重的變化上。第一產業產值比重（Y4）、第二產業產值比重（Y5）、第三產業產值比重（Y6）三個指標與各類用水的關聯度值普遍較高，其中強關聯出現的次數占所有強關聯個數的27%。2005-2014年西安市農業用水和工業用水量呈下降趨勢，居民生活用水量增加，這和產業比重變化趨勢一致（圖3）。

（3）第一產業產值比重（Y4）、農田灌溉畝均用水量（Y11）、耕地面積（Y13）三個指標與農業用水的關聯度值分別為0.91、0.93、0.91，說明這三者較其他經濟指標對農業用水量變化的影響較大。西安市2005年-2014年農業總產值、耕地面積和有效灌溉面積變化情況見圖4。2005年-2014年間，西安市耕地面積逐年遞減，由2005年的400.17萬畝，減少到了2014年的360.73萬畝，第一產業比重下降與農業耕地面積減少有直接關系，而耕地面積減少又直接導致了西安市農業用水量的下降。在陜西省農業用水總量中，農溉用水量占絕大部分，而陜西省農業灌溉用水量在相當大程度上依賴于地下水資源開采，這直接導致了地下水位的下降，有效灌溉面積減少，農業減產，進而又對農業用水量產生影響。

（4） 經濟指標與居民生活用水（X3）、城鎮公共用水（X4）的關聯值中，強關聯出現的次數占所有強關聯個數的33%，這說明城市經濟的發展對這兩類用水量變化的影響較大。西安市將城市經濟發展發展定位于國際大都市，這就從客觀上對產業結構升級提出了更高的要求，“三、二、一”的產業結構有利于西安市城市化水平的提高。近年來，西安市加快了現代服務業與旅游業的發展力度，來西安旅游的人數不斷增加，這直接導致了餐飲、住宿、娛樂等行業用水量增加。西安市擁有區域內高等院校眾多的優勢資源，學校用水尤其是學校洗浴用水是西安市生活用水的重要組成部分。人均GDP和第三產業比重對用水效率有正的影響[18]，從用水效益來看，西安市萬元GDP用水量呈現下降趨勢（圖5），萬元GDP用水量2005年為134.7 m3/萬元，2014年降為31.9 m3/萬元，下降趨勢明顯。

3.2 城市經濟發展與用水結構耦合度的時序分析

耦合度可以用來衡量城市經濟各項指標與用水結構之間相互作用強度的大小[19]，耦合度越大，說明系統之間相互作用越強烈，城市經濟發展通過非線性相互作用將引起用水結構信息熵的大幅度波動，耦合度越小，說明子系統間協調性越高，城市經濟發展變化在短期內不會引起用水結構發生較大波動。根據式（5），計算2005年-2014年西安市城市經濟發展與用水結構的耦合度，結果見表4：

西安市2005年-2014年城市經濟發展與用水結構的耦合度分布在0.5～0.8之間，反映了城市經濟發展與用水結構有非常緊密的交互耦合，子系統間處于磨合階段。

4 結語

在對西安市城市經濟發展及水資源利用現狀進行分析的基礎之上，選取相關指標，利用灰關聯模型和耦合度模型對城市經濟發展和用水結構的相互關系進行了實證研究，結果如下。

（1）水資源利用與城市經濟發展整體上有著較強的相關性，城市發展過程中產業結構調整對水資源利用結構變化的推動作用較大，產業結構升級在一定程度上可以有優化城市用水結構。西安市第一、二產業的萎縮帶來了工農業用水的絕對降低，第三產業比重的增長使得生活用水逐年遞增。

（2）產業用水效率的提高對城市用水結構的變化也發揮著至關重要的作用。應進一步壓縮高耗能、高污染行業的絕對規模，大力發展高效節水農業，提高工業用水重復利用率，降低農田灌溉畝均用水量以及工業萬元GDP用水量，節水技術的創新與使用將是降低水資源消耗的主要推動力。

（3）城市經濟的發展與水資源利用呈現高度耦合關系，耦合階段處于磨合期。城市發展給水資源利用帶來壓力的同時，也使得城市更具有能力進行環保投資。應把節水減排作為調整經濟結構、轉變經濟發展方式的重要突破口[20]，加大節水投入，積極推廣節水灌溉技術，同時，通過節約用水的宣傳教育、制定合理的水價等措施來提高人們的節水意識，降低水資源消耗，有效緩解西安市水資源利用的供需矛盾。

參考文獻（References）：

[1] Bao C，Fang C.Water resources constraint force on urbanization in water deficient regions：A case study of the Hexi Corridor，arid area of NW China[J].Ecological Economics，2007，62（3）：508-517.

[2] 王雪妮，孫才志，鄒瑋.中國水貧困與經濟貧困空間耦合關系研究[J].中國軟科學，2011 （12）：180-192.（WANG Xue-ni，SUN Cai-zhi，ZOU Wei.Coupling relation analysis between water poverty and economic poverty in China[J].China Soft Science，2011 （12）：180-192.（in Chinese））

[3] 張利平，夏軍，胡志芳.中國水資源狀況與水資源安全問題分析[J].長江流域資源與環境，2009，18（2）：116-120.（ZHANG Li-ping，XIA Jun，HU Zhi-fang.Situation and problem analysis of water resource security in China[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin，2009，18（2）：116-120.（in Chinese））

[4] 朱洪利，潘麗君，李巍，等.十年來云貴兩省水資源利用與經濟發展脫鉤關系研究[J].南水北調與水利科技，2013，11（5）：1-5.（ZHU Hong-li，PAN Li-jun，LI Wei，et al.Decoupling relationship between water use and economic development in Yunnan and Guizhou provinces during the first ten years of the great western development strategy[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2013，11（5）：1-5.（in Chinese））

[5] 成琨，付強，陳曦，等.基于投入產出模型的黑龍江省水資源利用效率分析[J].南水北調與水利科技，2013，11（5）：141-145.（CHENG Kun，FU Qiang，CHEN Xi，et al.Analysis of water resources utilization efficiency in Heilongjiang province based on input-output model[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2013，11（5）：141-145.（in Chinese））

[6] 張兵兵，沈滿洪.工業用水與工業經濟增長，產業結構變化的關系[J].中國人口資源與環境，2015，25（2）：9-14.（ZHANG Bing-bing，SHEN Man-hong.Relationship between the industrial water usage and the industrial economic growth and the industrial structural change[J].China Population Resources and Environment，2015，25（2）：9-14.（in Chinese））

[7] 吳麗，田俊峰.區域產業結構與用水協調的優化模型及評價[J].南水北調與水利科技，2011，9（4）：51-54.（WU Li，TIAN Jun-feng.Opitimal model of coordination between industrial structure and water resources utilization as well as its evalution[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2011，9（4）：51-54.（in Chinese））

[8] 高鑫，解建倉，汪妮，等.基于物元分析與替代市場法的水資源價值量核算研究[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2012，40（5）：224-230.（GAO Xin，XIE Jian-cang，WANG Ni，et al.Accounting the value of water resources based on the matter-element and alternative market method[J].Journal of Northwest A & F University ：Natural Science Edition，2012，40（5）：224-230.（in Chinese））

[9] 王靜，周慶華.西安段秦嶺北麓旅游水資源承載力[J].西北大學學報：自然科學版，2015，45（6）：996-1000.（WANG Jing，ZHOU Qing-hua.North Qinling Mountains Xi′an tourism carrying capacity of water resources in the area[J].Journal of Northwest University ：Natural Science Edition，2015，45（6）：996-1000.（in Chinese））

[10] 嚴伏朝，解建倉，秦濤，等.基于信息擴散理論的水資源短缺風險評價[J].西安理工大學學報，2011，27（3）：285-289.（YAN Fu-chao，XIE Jian-cang，QIN Tao，et al.Risk evaluation of water shortage based on information diffusion theory[J].Journal of Xi′an University of Technology，2011，27（3）：285-289.（in Chinese））

[11] 張欣瑩，劉建林，李曉輝，等.西安市供用水現狀及水資源供需平衡分析[J].水資源與水工程學報，2013，24（6）：38-42.（ZHANG Xin-ying，LIU Jian-lin，LI Xiao-hui，et al.Analysis of water use status and supply-demand balance of water resources in Xi′an[J].Journal of Water Resources and Water Engineering，2013，24（6）：38-42.（in Chinese））

[12] 史興民，溫文娟.基于水資源的陜西生態安全基尼系數分析[J].干旱地區農業研究，2010 （4）：233-236.（SHI Xing-min，WEN Wen-juan.Gini coefficient of ecological security of Shaanxi based on water resources[J].Agricultural Research in the Arid Areas，2010 （4）：233-236.（in Chinese））

[13] 劉燕，胡安焱，鄧亞芝.基于信息熵的用水系統結構演化研究[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2006，34（6）：141-144.（LIU Yan，HU An-yan，DENG Ya-zhi.Study on the evolution of water resource structure based on information entropy[J].Journal of Northwest A & F University：Natural Science Edition，2006，34（6）：141-144.（in Chinese））

[14] 沈永躍.河南省經濟增長和教育發展的灰色關聯度分析[J].技術經濟，2009，28（7）：105-108.（SHEN Yong-yue.Grey relational grade analysis on relationship between education development and economic growth in Henan province[J].Technology Economics，2009，28（7）：105-108.（in Chinese））

[15] 孫愛軍，董增川，張小艷.中國城市經濟與用水技術效率耦合協調度研究[J].資源科學，2008，30（3）：446-453.（SUN Ai-jun，DONG Zeng-chuan ZHANG Xiao-yan.Coupling degree between urban economy and technical efficiency of water use in China[J].Resources Science，2008，30（3）：446-453.（in Chinese））

[16] 李英俊，趙安周，衛海燕，等.西安市城市化與生態環境協調發展研究[J].江西農業學報，2012，24（8）：125-129.（LI Ying-jun，ZHAO An-zhou，WEI Hai-yan，et al.Study on coordinated development between urbanization and ecological environment of Xi′ an city[J].Acta Agriculturae Jiangxi，2012，24（8）：125-129.（in Chinese））

[17] 張靜，秦公偉.西安市用水結構變化及驅動力分析[J].水資源保護，2012，28（4）：87-90.（ZHANG Jing，QIN Gong-wei.Driving forces of change of water consumption structure in Xi′an city[J].Water Resources Protection，2012，28（4）：87-90.（in Chinese））

[18] 孫才志，王言鑫.遼寧省用水效率動態變化的 Malmquist 指數分析[J].統計與決策，2008 （14）：108-110.（SUN Cai-zhi，WANG Yan-xin.Water use efficiency in Liaoning province of Malmquist index analysis[J].Statistics and Decision，2008 （14）：108-110.（in Chinese））

[19] 蓋美，劉偉光，田成詩.中國沿海地區海陸產業系統時空耦合分析[J].資源科學，2013，35（5）.（GAI Mei，LIU Wei-guang，TIAN Cheng-shi.Spatial-Temporal coupling on marine and land industrial systems in coastal regions of China[J].Resources Science，2013，35（5）.（in Chinese））

[20] 何慧爽.河南省用水結構演變與驅動因子灰色關聯研究[J].人民黃河，2015，37（2）：50-53.（HE Hui-shuang.Analysis of water utilization structure evolvement and its driving forces based on grey relation degree in Henan province[J].Yellow River，2015，37（2）：50-53.（in Chinese））