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)濟社會發(fā)展的數(shù)據(jù)，運用信息熵和灰色關聯(lián)分析法，從時間序列上對西安市城市經(jīng)濟發(fā)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(yōu)勢性減弱，系統(tǒng)均衡性增強，用水結構趨于合理化；西安市城市經(jīng)濟發(fā)展與用水結構之間的關聯(lián)度都在0.45以上，說明二者存在很大的相關性；城市經(jīng)濟與用水結構的耦合度分布在0.6～1之間，表明城市經(jīng)濟發(fā)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(jié)水技術的創(chuàng)新與推廣使用是關鍵。

關鍵詞：城市經(jīng)濟發(fā)展；用水結構；信息熵；灰關聯(lián)；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(jīng)濟發(fā)展的重要資源，水資源利用狀況直接影響著城市經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，城市經(jīng)濟的發(fā)展也會在一定程度上對水資源利用結構產(chǎn)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(shù)可以作為定量評價某一國家或地區(qū)間相對缺水程度的重要指標，而我國水貧困與經(jīng)濟貧困屬于中度以上耦合的省市占全國省市總數(shù)的90.3%，且二者耦合程度隨經(jīng)濟發(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[2]。陜西省2012年水資源公報中數(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(qū)。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(jīng)嚴重制約了城市經(jīng)濟的發(fā)展?，F(xiàn)有國內外研究針對區(qū)域用水結構和國民經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)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(jīng)濟發(fā)展之間關系及其演變相互影響規(guī)律方面[4-7]。

行政區(qū)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(xù)發(fā)展研究[12]等，但從時間序列上對城市經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用結構系統(tǒng)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(jīng)濟發(fā)展主要指標與用水結構指標的相關數(shù)據(jù)，利用信息熵、灰色關聯(lián)法以及系統(tǒng)關聯(lián)的耦合度模型，分析了城市經(jīng)濟發(fā)展和用水結構之間的相互關系，對優(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)濟發(fā)展與水資源利用結構

2.1 城市經(jīng)濟發(fā)展

據(jù)已有資料統(tǒng)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(jīng)濟的快速發(fā)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(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，2014年達到3.61萬元。城市經(jīng)濟結構進一步優(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個百分點。第二產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)比重持續(xù)上升，2005年為53.84%，2014年為56.13%，年均增長率為0.5%。經(jīng)濟發(fā)達程度和第三產(chǎn)業(yè)所占比例往往成正比，2014年西安市第三產(chǎn)業(yè)比重超過第二產(chǎn)業(yè)比重近20個百分點，這預示經(jīng)濟發(fā)展新方向，說明西安市將逐步轉變?yōu)橐缘谌a(chǎn)業(yè)領先發(fā)展的經(jīng)濟中心城市，有利于西安市實現(xiàn)經(jīng)濟的良性循環(huán)（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(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構變化明顯，其中農業(yè)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(yè)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(zhèn)公共用水占比增加了1個百分點；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，年均增長率為18.1%，上升趨勢明顯。

（3） 農業(yè)用水量和工業(yè)用水量呈下降趨勢，但陜西省仍然是農業(yè)大省，加之農業(yè)灌溉技術相對落后，農業(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)境修復與建設以及維持生態(tài)平衡所需要的最小用水量。生態(tài)環(huán)境用水量增加說明人們已認識到水資源生態(tài)功能的重要性，對城市生態(tài)環(huán)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(jù)上述方法，利用2005年-2014年西安市各類型用水數(shù)據(jù)，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(fā)展的同時，均衡度有所增加，用水系統(tǒng)受某一種用水類型的影響越來越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加。

3 城市經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用的關系分析

3.1 城市經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用關聯(lián)性分析

西安市城市經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用的關聯(lián)度計算結果見表3。

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

（2）西安市產(chǎn)業(yè)結構的變化主要體現(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）三個指標與各類用水的關聯(lián)度值普遍較高，其中強關聯(lián)出現(xiàn)的次數(shù)占所有強關聯(lián)個數(shù)的27%。2005-2014年西安市農業(yè)用水和工業(yè)用水量呈下降趨勢，居民生活用水量增加，這和產(chǎn)業(yè)比重變化趨勢一致（圖3）。

（3）第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)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(yè)用水的關聯(lián)度值分別為0.91、0.93、0.91，說明這三者較其他經(jīng)濟指標對農業(yè)用水量變化的影響較大。西安市2005年-2014年農業(yè)總產(chǎn)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(chǎn)業(yè)比重下降與農業(yè)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(yè)用水量的下降。在陜西省農業(yè)用水總量中，農溉用水量占絕大部分，而陜西省農業(yè)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(yè)減產(chǎn)，進而又對農業(yè)用水量產(chǎn)生影響。

（4） 經(jīng)濟指標與居民生活用水（X3）、城鎮(zhèn)公共用水（X4）的關聯(lián)值中，強關聯(lián)出現(xiàn)的次數(shù)占所有強關聯(lián)個數(shù)的33%，這說明城市經(jīng)濟的發(fā)展對這兩類用水量變化的影響較大。西安市將城市經(jīng)濟發(fā)展發(fā)展定位于國際大都市，這就從客觀上對產(chǎn)業(yè)結構升級提出了更高的要求，“三、二、一”的產(chǎn)業(yè)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(xiàn)代服務業(yè)與旅游業(yè)的發(fā)展力度，來西安旅游的人數(shù)不斷增加，這直接導致了餐飲、住宿、娛樂等行業(yè)用水量增加。西安市擁有區(qū)域內高等院校眾多的優(yōu)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(chǎn)業(yè)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(xiàn)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(jīng)濟發(fā)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(jīng)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(tǒng)之間相互作用越強烈，城市經(jīng)濟發(fā)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(tǒng)間協(xié)調性越高，城市經(jīng)濟發(fā)展變化在短期內不會引起用水結構發(fā)生較大波動。根據(jù)式（5），計算2005年-2014年西安市城市經(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟發(fā)展與用水結構有非常緊密的交互耦合，子系統(tǒng)間處于磨合階段。

4 結語

在對西安市城市經(jīng)濟發(fā)展及水資源利用現(xiàn)狀進行分析的基礎之上，選取相關指標，利用灰關聯(lián)模型和耦合度模型對城市經(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟發(fā)展整體上有著較強的相關性，城市發(fā)展過程中產(chǎn)業(yè)結構調整對水資源利用結構變化的推動作用較大，產(chǎn)業(yè)結構升級在一定程度上可以有優(yōu)化城市用水結構。西安市第一、二產(chǎn)業(yè)的萎縮帶來了工農業(yè)用水的絕對降低，第三產(chǎn)業(yè)比重的增長使得生活用水逐年遞增。

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

（3）城市經(jīng)濟的發(fā)展與水資源利用呈現(xiàn)高度耦合關系，耦合階段處于磨合期。城市發(fā)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(huán)保投資。應把節(jié)水減排作為調整經(jīng)濟結構、轉變經(jīng)濟發(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，同時，通過節(jié)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(jié)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。

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