北部湾经济区用水结构演变及其驱动因子分析

熊小菊 廖春贵 贺同鑫 胡宝清

摘要：为探讨广西北部湾经济区用水结构的变化特征，实现区域水资源的合理配置，基于2006～2017年的用水数据，运用信息熵、灰色关联分析模型，对该区域的用水结构、信息熵、均衡度以及驱动因子进行了研究分析。分析结果表明：① 2006～2017年，北部湾经济区用水总量波动变化显著，农业用水量和比重虽然处于“双高”地位，但是呈下降的趋势，工业用水量总体来说呈增长的趋势，生活用水量呈现为逐年增加-剧烈变化-平稳增加的变化历程;② 用水结构信息熵与均衡度同步变化，信息熵在0.80以上，均衡度在0.59以上，二者都为先快速提升后波动缓慢上升;③ 有效灌溉面积、工业企业单位数、家庭总户数分别是农业、工业、生活用水变化的重要驱动因子，二者的关联度分别为0.930，0.956和0.953。

关 键 词：用水结构演变; 信息熵; 灰色关联分析; 北部湾经济区

1 研究背景

水伴随着人类社会发展的始终，是社会发展及人类生存不可缺少的重要资源。改革开放40 a来，我国经济得到了飞速发展，工业化、城镇化水平不断提高，产业类型齐全，产业数量不断增长，人口也不断向城镇集聚，这样一来，一方面加大了区域水资源供需矛盾，导致用水紧张;另一方面，为了缓解人水矛盾，通过大量开采地下水等方式弥补经济发展所需，而且工农业废水和生活污水的排放量大幅增加，这些未达到排放标准的废水又会影响到水质，扩大污染面，从而进一步激化了水资源供需矛盾[1-2]。2012年，国务院印发《关于实行最严格水资源管理制度的意见》后[3]，各地纷纷制定了水资源管理办法，严格把控用水“三条红线”;青山绿水发展观念也进一步明确了经济发展应与生态环境保护同步，要实现经济社会发展与水环境、水生态、水资源承载力的协调，这样才能实现绿色、协调、共享的新发展理念。

用水结构演变是当前学术界对水资源研究的一个热点问题，研究内容主要集中在以下3个方面。

（1） 产业结构与用水结构的协调关联研究，比如陈晓等[4]对2005～2014年南京市产业结构和用水结构进行了耦合协调和关联分析，结果发现：南京市产业结构与用水结构关联度在0.5以上，产业结构与用水结构耦合的空间差异明显。

（2） 对典型区域的用水结构变化特征和驱动力进行了分析，尚晓三对2006～2015年安徽全省、省内三大流域和6个典型城市的用水结构进行了研究[5];刘兵等[6]以干旱灌区中的石河子垦区为研究对象，采用信息熵理论、Hurst 系数等方法，对垦区1988～2011年的用水结构进行了分析，结果发现垦区的用水结构信息熵值均不超过0.5，但呈现为持续稳定的上升趋势，节水技术及产值为主的社会经济因素对其用水结构演变过程起主导作用。

（3） 城镇化水平与用水结构变化的相关研究，比如华佳等对2008～2014年江苏省淮安市的城市化演变历程和用水结构变化情况进行了关联分析[7]，结果发现，淮安市城市化率与产业结构、用水结构的关联性最强，生产用水和工业用水对城市化水平的影响较大;曹飞采用库兹涅茨曲线对2004～2013年中国城镇化与用水结构之间的关系进行了评判[8]。

目前，学术界对用水结构变化方面的研究已经取得了一定的成果，但是以下个几方面仍需要继续开展研究。

（1） 对用水结构变化的驱动因子研究主要集中在用水总量上，研究并未详细地探讨具体某一部门用水变化的驱动因子，对驱动因子的研究也主要是采用定性研究的方法，然而应当采取定性与定量相结合的方法进行研究;

（2） 对用水结构的演变研究主要集中在我国北方和西部缺水的地区，对南方地区用水结构演变的研究较少;特别是工业化、城镇化稳步推进的城市群还有待研究。

基于此，文章运用2006～2017年《广西水资源公报》数据，采用信息熵、灰色关联分析模型，以经济发展起步晚、发展速度快的北部湾经济区为研究对象，对北部湾经济区的农业、工业、生活等用水类型用水量的演变趋势、用水结构信息熵及均衡度进行了分析，并探讨了不同部门用水结构变化的主要驱动因子，以期为北部湾经济区实现健康可持续发展提供理论依据。

2 研究区概况

北部湾经济区位于广西南部，处于华南经济圈、东盟经济圈的结合部，地理位置十分优越[9]。2006年，国务院批准成立北部湾经济区，其规划范围包括南宁、北海、防城港、钦州、玉林、崇左等6市[10]。研究区面积为7.338万km2，占广西总面积的30.88%;2017年，地区生产总值为10 007.27亿元，占广西生产总值的48.73%，年末户籍人口为2 415.13万人，占广西户籍总人口的43.13%。经过十几年的发展，研究区的产业结构不断优化升级，2006年，三大产业结构的比重为24∶35∶41，2017年则优化为14∶44∶42。

北部湾经济区属于亚热带气候，雨热同期，降水充沛[11]。2017年，北部湾经济区水资源总量为639.1亿m3，占广西水资源总量的26.76%;常用耕地面积为186万hm2，占廣西总耕地面积的43.03%。因此，北部湾经济区以不足广西3/10的水资源量要创造近1/2的地区生产总值，供2/5的人生活用水以及灌溉面积超过2/5的耕地用水。随着北部湾经济区建设的推进、城镇化率的提高，区域内对水资源的需求量必然会加大，供需矛盾将会进一步激化。

3 材料与方法

3.1 数据来源

本文研究数据包括研究区概况数据、用水量数据以及驱动因子数据。研究区概况数据来源于《广西统计年鉴-2018》和广西北部湾经济区规划建设管理办公室网站（http：//www.bbw.gov.cn/）;用水量数据来源于《广西水资源公报》（2006～2017年）;驱动因子数据来源于《广西统计年鉴》（2007～2018）和《中国城市统计年鉴》（2007～2018），以及研究区各地级市的国民经济和社会发展公报;对于个别缺失数据进行了插值处理。

3.2 研究方法

3.2.1 信息熵

4 结果与分析

4.1 用水结构演变分析

4.1.1 用水总量变化

2006～2017年，北部湾经济区用水总量波动变化显著，大致经过了以下3个阶段。

（1） 2006～2008年为第一阶段，该阶段的用水量直线上升，从2006年的109.04亿m3增长至2008年的115.46亿m3，主要原因是经济区正处于大规模建设的初期，各行业的用水需求量激增，因此用水总量增加明显。

（2） 2009～2013年为第二阶段，该阶段的用水总量波动上升，年均增长率为1.25%。

（3） 2014～2017年为第三阶段，该阶段的用水总量总体上呈下降的趋势，2014年的总用水量为111.53亿m3，到2016年则减少到了107.21亿m3，2017年的总用水量出现了回升，达到了107.70亿m3，如表1所示。

4.1.2 用水结构变化

农业用水处于“双高”地位，即农业用水总量大，占比高。从表1和图1可以看出：2006～2017年，研究区的用水大户是农业，历年用水总量在70.00亿m3以上。农业用水量的占比远远高于工业和生活用水量的占比，多年居于65%以上的高水平。工業用水量总体呈增长的趋势，比重波动上升。2006～2013年，工业用水从11.84亿m3增加到20.91亿m3，年均增长1.13亿m3，年均增长率为8.46%;2014～2017年，工业用水总量总体呈下降趋势，比重略高于17%。生活用水量呈逐年增加-剧烈变化-平稳增加的演变历程。生活用水所占的比重在9.39%～11.81%之间变化，生活用水所占比重偏低，说明北部湾经济区在今后的发展中要注重产业的转型升级，加大科学技术投入，发展高质量的经济，为建成中国经济增长第四极打下坚实的基础。其他用水类型的用水量较少，占比也较低。

4.2 基于信息熵的用水结构演变分析

为了探究北部湾经济区用水结构的合理性，在表1数据的基础上，运用信息熵计算模型，对研究区的用水结构信息熵和均衡度进行计算，如图2所示。

由图2可以看出，信息熵先快速提升后再波动、缓慢上升。2006～2011年，研究区的用水结构信息熵提升速度较快，势头旺盛。主要原因是2006年国家开始建设北部湾经济区，一系列的重点园区、深水码头等重大基础设施的建设以及工业的快速发展，加大了对水资源的利用，工业用水比重、建筑业和服务行业用水占比也随之提升，信息熵不断接近最大值。2012年，信息熵下降到了0.852，主要是该年经济发展的外部环境不乐观，在世界经济疲弱的背景下，国家实施了宏观调控，经济增长速度放缓。2013～2017年，信息熵又提升到了0.900以上的较高水平。主要原因是经济区经过6～7 a的发展，已经具备了一定的经济基础，经济发展需要实现从量到质的突破，优化产业格局，实现创新、绿色、协调发展。

2016～2017年，研究区的用水结构均衡度与信息熵变化同步。均衡度在2006～2011年稳步提升，2011年达到了研究期的最高值0.702，说明该阶段经济区内的农业用水优势减弱，系统用水分配逐步均匀，系统越发稳定。2012年均衡度回落到了0.615，系统用水分配均匀度降低。2013～2017年，均衡度以较平缓的速度波动增长，均衡度值维持在0.650左右。总体来看，北部湾经济区的用水结构信息熵增速缓慢，增幅小，用水结构均衡度偏低，区域用水结构不合理，农业用水量大，这些都对区域的用水结构变化影响显著。

4.3 基于灰色关联度的驱动因子分析

4.3.1 农业用水变化驱动因子分析

为了探究影响北部湾经济区农业用水的主要驱动因子，选取常用耕地面积（A1）、农林牧渔业总产值（A2）、有效灌溉面积（A3）、粮食作物总播种面积（A4）、经济和其他农作物播种面积（A5）等5项因子数据作为比较序列[17-19]，以2006～2017年北部湾经济区农业用水量作为参考序列，进行关联度分析。

表2数据显示，rA3>rA4>rA5>rA1>rA2。有效灌溉面积、粮食作物总播种面积与农业用水的关联度很强，分别为0.930和0.920，说明区域内的灌溉面积和粮食作物播种面积对农业用水变化影响大。

研究区地势较平坦，水稻种植面积广，基本采用漫灌形式，滴管、喷灌等现代农业技术采用率低，因此经济区中灌溉面积和粮食作物播种面积与农业用水的关联度高达0.900以上。经济和其他农作物播种面积与农业用水的关联度为0.860，属于较高关联。在经济和其他作物中，蔬菜、甘蔗种植面积广;2017年，北部湾经济区的甘蔗种植面积占农作物总播种面积的21%以上，蔬菜种植面积占比也接近20%，蔬菜和甘蔗在生长期需水量大，从而提升了经济和其他农作物播种面积与农业用水的关联度。常用耕地面积、农林牧渔业总产值与农业用水的关联度分别为0.730和0.560。对比其他3个驱动因子的关联度，常用耕地面积和农林牧渔业总产值对农业用水变化的影响较小。

4.3.2 工业用水变化驱动因子分析

为了探究影响北部湾经济区工业用水的主要驱动因子，选取固定资产投资（B1）、工业企业单位数（B2）、轻工业产值（B3）、重工业产值（B4）、工业废水排放量（B5）等5项因子数据作为比较序列[18-19]，以2006～2017年北部湾经济区工业用水量作为参考序列，进行关联分析。

表3数据显示，rB2>rB5>rB3>rB4>rB1>0.600，说明工业企业单位数、工业废水排放量、轻工业产值、重工业产值、固定资产投资对工业用水变化影响较大。工业企业单位数与工业用水之间的关联度高达0.956，说明工业企业单位数是影响北部湾经济区工业用水的最主要驱动因子。工业废水排放量与工业用水的关联度为0.863，二者关联度较高。工业企业数量的增加，导致工业用水量增加，也会影响工业废水排放量的增加。轻工业产值、重工业产值与工业用水的关联度在0.650左右，研究区多个组团重点发展的是加工制造业、物流等现代服务业，轻工业企业数量多，因此，轻工业产值与工业用水的关联度略高于重工业产值。固定资产投资与其他4个因子相比，其与工业用水的关联较弱，关联度为0.612。固定资产的增加会影响工业企业数量的增加和生产规模的扩大，进而影响工业用水。

4.3.3 生活用水变化驱动因子分析

为了探究北部湾经济区生活用水变化的主要驱动因子，选取市镇人口（C1）、乡村人口（C2）、总户数（C3）、农村居民人均纯收入（C4）、城镇居民人均可支配收入（C5）等5项因子数据作为比较序列[18-19]，以2006～2017年北部湾经济区生活用水量作为参考序列，进行关联分析。

表4数据显示，rC3>rC1>rC2>rC5>rC4>0.6，说明C1、C2、C3、C4、C5对生活用水变化影响作用较大，家庭户数和人口数量对生活用水的影响作用大于居民的经济收入水平。具体来看，总户数与生活用水的关联度高达0.953，是影响北部湾经济区生活用水变化的重要因子。市镇人口数量与生活用水的关联度为0.930，说明市镇地区是北部湾经济区生活用水的重心。乡村人口数量对生活用水的影响强度仅次于市镇人口数量，二者关联度为0.895。

虽然北部湾经济区城镇化水平不断提高，但其农村地域广大，乡村人口多，生活用水量不可小觑。居民的经济收入情况与生活用水关联度在0.630左右，相比于C1、C2、C3而言，其关联度大大下降。农村居民人均纯收入、城镇居民人均可支配收入与生活用水的关联度相差很小，因为水是人们日常生活必不可缺的，而且节水观念深入人心，因此，生活用水受经济收入水平的影响较小。

4.3.4 其他用水类型用水变化驱动因子分析

为了探究影响建筑业和服务行业、生态环境用水量变化的主要驅动因子，选取建筑企业单位数（D1）、建筑业总产值（D2）、社会消费品零售总额（D3）、批发和零售业、住宿和餐饮业企业数（D4）、国内旅游人数（D5）、卫生机构数（D6）、园林绿地面积（D7）、建成区绿化覆盖率（D8）等8项因子数据作为比较序列，以2006～2017年北部湾经济区其他用水类型用水量为参考序列，进行关联分析。

表5数据显示，rD8>rD1>rD7>rD6>rD4>rD2>rD3>rD5>0.650，说明建成区绿化覆盖率等8个因子与其他用水类型用水量变化有着较强关联性。其中，rD8>rD1>rD7>rD6>0.850，表明生态环境因子是影响其用水变化的重要因子，建筑业和服务行业中的建筑企业单位数和卫生机构数也是重要的驱动因子;D2、D3、D4等3个因子与其他用水类型用水量变化的关联度在0.700以上，只有D5的关联度在0.700以下，说明国内旅游人数对该类用水类型用水量变化的影响较小。

5 结论与讨论

通过对2006～2017年北部湾经济区用水结构演变和驱动因子进行分析，可以得到如下结论。

（1） 用水总量波动变化显著，2006～2008年用水总量直线上升，2009～2013年用水总量波动上升，2014～2017年用水总量总体上呈下降趋势。

（2） 农业用水总量和比重都呈下降趋势，但仍处于“双高”地位，比重在65%以上;工业用水总量总体呈增长趋势，比重波动上升;生活用水量呈现逐年增加-剧烈变化-平稳增加的变化历程，其他用水类型的用水总量较少，用水总量和占比均呈波动提升-下降-缓慢上升的变化历程。

（3） 2006～2017年，研究区的用水结构信息熵先快速提升后再波动、缓慢上升，用水结构均衡度与信息熵同步变化。

（4） 有效灌溉面积、粮食作物总播种面积与农业用水的关联度分别为0.930和0.920;工业企业单位数与工业用水的关联度高达0.956;总户数与生活用水的关联度高达0.953;园林绿地面积、建成区绿化覆盖率、建筑企业单位数、卫生机构数是其他用水类型用水总量变化的重要驱动因子。

本研究仍存在着以下不足：

（1） 研究时间尺度较短，经济区还处于发展的初期，区域用水矛盾还未很好地显露出来，因此，对其用水结构演变的规律未能进行准确分析。

（2） 只考虑到了部分社会经济因子，并未结合降水、蒸散发、自然灾害等自然因子进行研究，因此，未能综合探明影响用水结构变化的主要因子。

（3） 把北部湾经济区作为一个整体进行分析，并未具体分析该经济区内6市的具体情况，也没有找出哪些地级市对北部湾经济区用水结构变化的作用最强烈。

鉴于上述不足，还有待开展进一步的探讨分析。

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（编辑：赵秋云）