摘 要：為了協(xié)調黃河流域水資源與經濟社會發(fā)展之間的關系，基于2008—2022年山東省黃河流域用水現狀數據，采用信息熵和均衡度、洛倫茨曲線和基尼系數等，分析山東省黃河流域用水結構演變特征及空間分布規(guī)律。結果表明：山東省黃河流域農業(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。

關鍵詞：用水結構；信息熵；均衡度；洛倫茨曲線；基尼系數；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構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項目（GG202261）；河南省軟科學研究項目（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)域經濟社會發(fā)展有重要影響，因此探討用水結構演變特征、合理調整用水結構，對于區(qū)域經濟社會發(fā)展有重要意義。

用水結構相關問題的研究成果有很多。一些學者基于系統(tǒng)學理論的信息熵和均衡度模型對用水結構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構研究，采用信息熵和均衡度定量分析黃河流域1988—2019年用水結構演變規(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年用水結構時空演變特征進行分析。一些學者基于經濟學理論的洛倫茨曲線和基尼系數對用水結構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)利用率的基尼系數等，研究了國家中心城市的水資源情況及供水結構的地區(qū)差異；張洪波等[6]利用洛倫茨曲線和基尼系數分析榆林市各類型用水的空間分布及空間變化特點。另有學者基于生態(tài)學理論的生態(tài)位及熵值對用水結構的態(tài)勢進行研究，例如：胡德秀等[7]利用生態(tài)位理論，構建陜西省渭河流域用水結構生態(tài)位及熵值模型，分析渭河流域用水結構的演變趨勢；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、變異系數分析了黃河流域農業(yè)用水結構均衡度，陳穎杰等[11]基于生態(tài)位理論分析了黃河流域主要?。▍^(qū)）用水結構演變特征。

在有關學者研究用水結構的基礎上，筆者采用信息熵、均衡度、洛倫茨曲線和基尼系數等，分析2008—2022年山東省黃河流域用水結構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)概況與數據來源

黃河流經山東省菏澤、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個地級市生產總值為42159億元（占全省生產總值的48.22%），人均生產總值77928元，常住人口5410.05萬（占全省總人口的53.23%）。

本研究所用數據來源于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。在水資源領域，信息熵被用來表示用水結構的動態(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時用水結構為最理想狀態(tài)。

2.2 洛倫茨曲線

20世紀初，美國經濟學家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，洛倫茨曲線廣泛應用于用水結構分析[15]等領域。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

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

3 結果與分析

3.1 山東省黃河流域用水結構演變情況

2008—2022年山東省黃河流域用水結構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，表明用水結構向良好方向發(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，說明農業(yè)用水不再具備絕對優(yōu)勢，水資源分配正向多目標轉化，用水方式由粗放型向節(jié)約集約型轉變，用水結構朝均衡性方向發(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年用水結構的演變規(guī)律。由圖1可以看出：1）相比2008年，2015年和2022年農業(yè)用水曲線依次遠離絕對平均線，說明農業(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和評價結果見表3。由表3可知：1）農業(yè)用水基尼系數從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年農業(yè)用水的均衡程度為“絕對平均”；2）工業(yè)用水基尼系數從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，使用水結構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，結合洛倫茨曲線和區(qū)位熵分析用水結構的空間變化情況，選取典型年2008年、2012年、2018年和2022年用水量數據繪制洛倫茨曲線（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，農業(yè)用水方面，2008年、2012年、2018年農業(yè)用水曲線均接近絕對平均線，說明農業(yè)用水的空間分布明顯均衡，2022年農業(yè)用水曲線離絕對平均線均較遠，說明農業(yè)用水的空間分布比較均衡；德州、濱州、聊城、菏澤和濟寧的農業(yè)用水占比較高，這5個地級市農業(yè)用水的區(qū)位熵均在1.0以上，2008年、2012年、2018年和2022年德州的農業(yè)用水區(qū)位熵分別為1.133、1.128、1.200、1.222，農業(yè)用水比例最高，原因是德州多年來立足發(fā)展特色農業(yè)，加強農業(yè)基礎設施建設，農業(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、經濟、文化和交通中心，經濟發(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?。ǚ謩e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構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】