An Integrative Dynamic Model of Colombian Population Distribution, Based on the Maximum Entropy Principle and Matter, Energy, and Information Flow

Abstract

Human society has increased its capacity to exploit natural resources thanks to new technologies, which are one of the results of information exchange in the knowledge society. Many approaches to understanding the interactions between human society and natural systems have been developed in the last decades, and some have included considerations about information. However, none of them has considered information as an active variable or flowing entity in the human–natural/social-ecological system, or, moreover, even as a driving force of their interactions. This paper explores these interactions in socio-ecological systems by briefly introducing a conceptual frame focused on the exchange of information, matter, and energy. The human population is presented as a convergence variable of these three physical entities, and a population distribution model for Colombia is developed based on the maximum entropy principle to integrate the balances of related variables as macro-state restrictions. The selected variables were electrical consumption, water demand, and higher education rates (energy, matter, and information). The final model includes statistical moments for previous population distributions. It is shown how population distribution can be predicted yearly by combining these variables, allowing future dynamics exploration. The implications of this model can contribute to bridging information sciences and sustainability studies.

Integrated Water Resources Management in Colombia: A Historical Perspective

“…Rubio-Goyes (2019) studied the articulation and institutional capacity to implement the PNGIRH and demonstrated how the operational capacity is currently fragmented, with 22 entities having influence over different aspects of water management. This validates the concerns raised by Restrepo (2003) and Blanco (2008). This questions the effectiveness of integrated management guidelines in achieving effective synergies in natural resource management.…”

“…Subsequent legal arrangements, such as Decree 1594 of 1984, focused on water uses and responsibilities for pollution. Decree 1729 of 2002 provided guidelines for watershed management, although many watershed management plans still remained in the formulation phase with limited practical effects (BLANCO, 2008).…”

“…However, water management continued to be sectoral and divergent (RESTREPO, 2003). According to Blanco (2008), the integrated watershed management plans in Colombia in the first decade of this century did not comply with any integration guidelines, nor were they useful for decision-making or influencing administrative instruments. They were merely descriptive plans.…”

Roads of the Caribbean: regional analysis from Environmental Impact Assessments in Colombia

“…These indicators evaluate habitat dynamics and local ecosystem processes, facilitating loss of territorial connectivity monitoring in habitats at various scales (MARM, 2010). Similar to freshwater ecosystems, barrier-effect territorial discontinuities alter natural material, energy, and information flow in the territory, which are the basis of system development and richness (Cardona-Almeida et al, 2019) affecting biodiversity and ecological redundancy (Jørgensen, 2012). Only projects 1 and 3 observed safe fauna passes through water-drainage box culverts.…”

Town formation and development potential of East African countries based on maximum entropy model

“…型的关键 [3] 。已有研究基于案例分析， 指出加强制 造业基地建设、 提升服务业水平、 增强与区域和全 球经济联系、 建设城市网络， 将有助于促进不同类 型国家中小城市发展和区域经济结构转型 [7][8][9][10] 。然 而， 非洲城镇化研究长期以来受数据稀缺限制， 难 以获得城市人口及城市地域范围的最新和准确数 据， 已有研究关注肯尼亚、 坦桑尼亚等个别国家 [11][12] ， 需要更多系统性分析来深化理解中小城市时空演 化规律， 指导中小城市网络化发展。 国内城市形成发展的相关研究侧重于利用历 史数据对不同尺度区域内城市的空间演化规律进 行分析， 从地形、 气候、 河流、 森林、 矿产资源等自然 环境因素， 以及交通、 基础设施、 城市所处的经济发 展阶段与工业化进程等社会经济因素入手， 探究影 响城市空间分布的因素 [13][14][15][16] 。相较于对国内城镇研 究， 对非洲人口及城市空间分布的分析除考虑自然 条件外， 已有研究更着重于其殖民主义基础， 强调 沿海港口、 交通枢纽等的作用 [17][18][19] 。受数据资料获 取的限制， 对非洲城市空间分布影响因素， 尤其是 社会经济因素的量化分析不足。最大熵(maximum entropy)原理起源于信息论与统计力学， 是利用有 限信息无偏推断未知分布的一种方法， 普遍适用于 预测物种空间分布 [20][21] 、 物种间相互作用 [22] 、 食物网 的度分布 [23] 等生态学应用。在预测物种空间分布 方面， 以最大熵原理为基础的生态位模型应用最为 广泛。近年来， 地理学研究中开始引入最大熵模 型， 主要应用仍是通过自然环境变量进行预测， 包 括遗址预测 [24] 、 人类活动适宜区预测 [25][26] 、 人类活动 演变规律探索 [27] 等。最大熵模型也常与其他传统 地理学方法相结合， 例如与元胞自动机结合 [28] 、 与 AHP 结合 [29] ， 以提高结果精确度。此外， 将社会经 济变量融入传统的最大熵模型， 已成为一种研究趋 势。Bajat 等 [30] 利用最大熵模型在空间上追踪塞尔 维亚南部人口变化情况， 认为除考虑居住环境的偏 好 外 ， 也 应 考 虑 政 治 与 社 会 经 济 问 题 ； Cardona-Almeida 等 [31] 选定电力消耗、 水需求、 高等教育率 3 个社会经济变量， 建立了哥伦比亚人口分布最大熵 模型。尽管最大熵原理在地理学的应用范围正逐 步拓展， 但目前应用于城市研究的最大熵模型仅仅 是其衍生的熵权法、 TOPSIS 熵权法、 最大熵出行分 配等方面， 在城市的不确定性问题上仍缺乏充分 的探索 [32] 。 东非各国在整个非洲地区的城市化基础最为 薄弱， 1970 年城市化水平约为 10% [33] ， 至 2018 年达 到 28%， 仅增长了不到 20 个百分点， 远低于同年非 洲整体水平(43%) [34] 。此外， 2016 年东非居住在小 于 50 万居民的定居点的人口比例高达 91%， 而这一 比例在非洲其他地区均未超过 80%(西非 80%、 北非 77%、 中非 74%、 南非 65%) [4] 。2015 年 3 月， 国家发 展改革委、 外交部、 商务部联合发布了 《推动共建丝 绸之路经济带和 21 世纪海上丝绸之路的愿景与行 动》 ， 提出 "一带一路" 建设将致力于亚欧非大陆的 互联互通 [35] 。东非作为非洲大陆的重要门户， 既是 海上丝绸之路的自然延伸， 也是向非洲内陆辐射的重 要节点， 在 "一带一路" 建设中发挥着重要的作用 [36] 。 中国与东非国家的合作面临着 5 大挑战： 政治转型 的影响、 营商环境有待改善、 制约发展的瓶颈突出、 安全风险总体较高、 外部经济环境冲击 [37]…”