基于信息熵的安徽省淮河流域用水結構演變分析

姜驍驊，徐超

（1.淮河水利委員會水利水電工程技術研究中心，安徽 蚌埠 233001 2.淮河水利委員會水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001）

1 區域概況

安徽省淮河流域涉及阜陽市、蚌埠市、淮南市、淮北市、亳州市、宿州市、六安市、滁州市、安慶市和合肥市10 個省轄市，流域面積約6.69 萬km2，占淮河流域總面積的35.21%，占安徽省總面積的47.75%。淮河安徽段處于淮河中游，全長430km，上自豫、皖交界的洪河口起，下至皖、蘇交界的洪山頭止，淮河以北是黃淮沖積平原，平坦遼闊，土層深厚，面積約為3.7 萬km2，氣候為溫帶半濕潤季風氣候；淮河以南多為丘陵和山區，面積約為2.9 萬km2，氣候為亞熱帶濕潤季風氣候；沿淮兩岸分布著灣地、洼地和湖泊，是淮河滯洪、行洪地帶。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文基礎數據來源于2017—2021 年的《安徽省水資源公報》和《安徽省統計年鑒》。本文參考以往用水結構演變分析方法[1]，將用水類型分為農業用水、工業用水、生活用水和生態用水四類開展分析，綜合評價安徽省淮河流域典型城市用水結構演變特征和空間分布均衡度，為安徽省淮河流域各市優化水資源配置提供參考。

2.2 研究方法

Shannon 在20 世紀40 年代借鑒了熱力學的概念，把“熵”引入信息論中，作為系統有序化程度的一個度量，用以表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度，能量分布得越均勻，熵就越大[2]。而在分析用水結構演變的過程中，引入信息熵理論可以直觀地反映出用水量分布的均勻程度，詳細理論如下。

假設某一區域的用水總量為Q，該區域共有n種用水類型，每種用水類型的用水量用q1，q2，…，qn來表示，pi則表示每種用水類型的用水量在區域用水總量Q 中所占比重，即為pi=qi/Q。該區域用水結構信息熵H 可由公式（1）所示。

考慮到各區域不同時間尺度下的用水類型有所差別[3]，引入均衡度J，表示H 與信息熵最大值Hmax的比值。理論上當區域內各類型用水量相等，即p1=p2=…=1/n 時，該區域各類型用水量達到最為均衡的狀態，n 種用水類型下信息熵的最大值即為Hmax=lnn。均衡度計算如公式（2）所示。

綜上所述，當信息熵H 較大時，表明區域內用水結構系統越復雜和無序，各類型用水量的分布則越均衡，反之，用水量分布則越集中。當均衡度J 較大時，表明區域內某一種用水類型的優勢度較低，各用水類型之間差別較小，用水結構整體均衡度則較高。

3 用水結構演變特征分析

3.1 安徽省淮河流域用水量演變分析

根據《安徽省水資源公報》統計數據顯示，2017—2021 年間，安徽省淮河流域用水總量呈下降態勢，從2017 年的118.24 億m3減少至2021 年的110.4 億m3，年均減少1.7%。2021 年總用水量較2017 年下降7.84 億m3，降幅為6.63%，較2020 年下降0.95 億m3，降幅為0.85%。具體變化如圖1 所示。

圖1 2017—2021 年安徽省淮河流域用水總量演變趨勢圖

安徽省淮河流域各類型用水量及所占比重如表1 和圖2 所示。分析數據可知，在農業用水方面：5年間農業用水所占比重均位于四類用水中第一位，5年內農業用水量以年均2.14%的速度減少，2021 年農業用水總量較2017 年減少6.37 億m3，降幅達到8.32%；工業用水方面：5 年間工業用水總量持續減少，但其所占比重仍位于四類用水中第二位，5 年內工業用水量年均降幅為4.66%，2021 年工業用水總量較2017 年大幅減少4.07 億m3，降幅為17.47%；生活用水方面：5 年間生活用水總量以年均1.89%的增長率緩慢上升，其所占比重位于四類用水中第三位，與工業用水所占比重之間的差距逐年縮小，2021年生活用水總量較2017 年增長1.23 億m3，增幅為7.73%；生態用水方面：5 年間生態用水總量的年均增長率為11.79%，保持高速增長的態勢，但其所占比重仍位于四類用水中的末位，2021 年生態用水總量較2017 年增長1.37 億m3，增幅高達55.02%。總的來看，2017—2021 年間安徽省淮河流域生活和生態用水量及所占比重呈增長態勢，其中生態用水呈高速增長態勢。農業和工業用水量及所占比重呈下降態勢。

表1 2017—2021 年安徽省淮河流域用水結構表（億m3，%）

圖2 2017—2021 年安徽省淮河流域各類型用水量演變趨勢圖

3.2 安徽省淮河流域用水結構演變分析

根據公式（1）和公式（2），對2017—2021 年安徽省淮河流域用水結構信息熵和均衡度進行計算，計算結果和演變趨勢如表2 和圖3 所示。

表2 2017—2021 年安徽省淮河流域用水結構信息熵和均衡度表

圖3 2017—2021 年安徽省淮河流域用水結構信息熵和均衡度演變趨勢圖

由表2 計算結果可知，2017—2021 年間安徽省淮河流域信息熵和均衡度整體呈小幅增長態勢。2017 年用水結構信息熵為0.953，均衡度為0.687，二者均為5 年間最低值；2021 年用水結構信息熵和均衡度為5 年間最高值，數值分別為0.999 和0.721。安徽省淮河流域用水結構信息熵和均衡度的年均增長率為1.19%，呈緩慢增長態勢。

結合表1 用水量及所占比重數據分析可知，安徽省淮河流域的農業用水和工業用水作為占總用水量比重最大的兩種用水類型，其所占比重逐年下降，而生活用水和生態用水所占比重則逐年上升，其中生活用水所占比重已接近工業用水所占比重。農業用水和工業用水的優勢度逐漸降低，各類型用水量分布的均衡度逐年上升，用水結構不斷優化，穩定性顯著提升。

根據表1 和表2 數據進一步分析安徽省淮河流域各類型用水量變化原因：（1）由于近年來農業水價綜合改革和農業灌溉用水計量等節水制度的推行，灌區的用水管理逐漸規范，高效節水灌溉面積逐年增加，農業用水效率得到顯著提升，農業用水量逐漸下降。（2）流域主要工業城市逐步進行產業結構調整，對傳統工業產業進行綠色改造，推廣工業節水技術，有效提升工業用水效率和重復利用率，工業用水量穩步下降。（3）由于社會經濟快速發展及城市化進程的加快，以及生態補水需求量的增加，生活和生態用水量逐年上升。

3.3 安徽省淮河流域典型城市用水結構演變分析

安徽省淮河流域覆蓋10 個省轄市，為保證數據的統一性和完整性，本文選取淮河干流流經的5 個城市開展用水結構演變分析，5 個典型城市分別為滁州市、阜陽市、淮南市、六安市和蚌埠市，安徽省淮河流域典型城市信息熵與均衡度如圖4 所示。

圖4 2017—2021 年安徽省淮河流域典型城市用水結構圖

分析圖4 和5 市水資源公報數據可知：（1）2020年之前，阜陽市用水結構信息熵和均衡度為最高，2020—2021 年淮南市用水結構最為均衡。（2）5 個典型城市中信息熵和均衡度最低的是六安市，其年均信息熵為0.725，年均均衡度為0.523。主要原因是由于六安市耕地面積較大，農業用水量常年位居安徽省第一，農業用水所占比重始終較高。但2019年之后由于農業節水技術改造及節水型灌區的推廣，農業用水量有小幅下降的趨勢，用水結構趨于穩定，均衡度緩慢上升。（3）蚌埠市、滁州市、阜陽市和六安市在2020 年之前用水結構信息熵及均衡度呈平穩上升和小幅波動態勢，但2020—2021 年四市信息熵和均衡度均有小幅下降，建議四市優化產業結構，合理配置水資源，用水結構穩定性亟待鞏固。

4 結論

（1）安徽省淮河流域用水總量由2017 年的118.24 億m3減少至2021 年的110.4 億m3，總體呈下降態勢，其中農業和工業用水量逐年減少，生活和生態用水量穩步上升，用水量分布情況趨于均衡。

（2）安徽省淮河流域用水結構信息熵由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，近年來流域各市大力推廣各行業節水技術改造升級，隨著灌區的用水管理和制度日漸規范，工業產業結構的調整以及流域社會經濟的快速發展，各類型用水方式由粗放型向集約型轉變，用水結構穩定性整體向好。

（3）安徽省淮河流域典型城市用水結構于2020年前整體呈緩慢增長和小幅波動態勢，但2020 年后均衡度有所下降。建議各市繼續對水資源進行優化配置，協調各類用水競爭，衡量經濟與生態環境用水效益，實現水資源可持續利用■