廣州市水資源承載力的主成分分析

陳雯，黃長生，王寧濤

CHEN Wen，HUANG Chang-Sheng，Wang Ning-Tao

（中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢 430205）（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205）

廣州市水資源承載力的主成分分析

陳雯，黃長生，王寧濤

CHEN Wen，HUANG Chang-Sheng，Wang Ning-Tao

（中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢 430205）（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205）

水資源承載力是衡量經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要指標。本文以廣州市水資源承載力為研究對象，在現(xiàn)有資料的基礎上，運用主成分分析法從14個指標中提取出影響水資源承載力動態(tài)變化的兩個主成分，并對廣州市水資源承載力年際變化進行了綜合評價。結果表明：2005-2010年，廣州市水資源承載力呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。但就目前情況來看，通過擴展供水工程、加強節(jié)水措施等能緩解供需矛盾，水資源承載力還存在一定的提升空間。

主成分分析；水資源承載力；廣州市

水資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質基礎。近年來，由于水資源不合理開發(fā)利用以及工農業(yè)污染造成的水環(huán)境惡化等問題，不僅進一步加劇了水資源供需矛盾，也給水資源可持續(xù)利用帶來威脅。因此，水資源承載力作為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項重要指標，成為當前水資源科學領域研究的重點和熱點。

廣州市地處廣東省中南部，珠江三角洲北緣，全市面積7434.4 km2，下轄越秀區(qū)、荔灣區(qū)、海珠區(qū)、天河區(qū)、白云區(qū)、黃埔區(qū)、番禺區(qū)、花都區(qū)、南沙區(qū)、蘿崗區(qū)10個市轄區(qū)及增城市、從化市2個縣級市。廣州市本地水資源較少，全市多年本地平均水資源總量為79.79億m3，人均水資源占有量僅為1375 m3，不到全國人均水平的1/2。入境水量相對豐富，多年平均徑流量為1141億m3，為本地水資源的14倍[1]。在城市化進程不斷推進的背景下，經(jīng)濟快速增長和人口劇增使得廣州市用水需求不斷增加，水資源供需矛盾日益突出，已成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”因素。因此，研究廣州市水資源承載力，全面分析水資源承載力現(xiàn)狀，對促進當?shù)厮Y源可持續(xù)利用以及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

自20世紀80年代末以來，我國許多學者在不同流域、區(qū)域、城市開展了水資源承載力研究，已有的研究成果主要集中在以下三個方面[2-14]：（1）對水資源承載力評價指標建立的探索；（2）對水資源承載力著重概念、內涵等方面的理論研究；（3）對水資源承載力量化方法、評價模型上的探索。存在的主要問題在于，目前水資源承載力研究理論基礎不完善，尚未形成公認的基礎理論和研究方法。綜合評價水資源承載力的量化方法有很多，常見的包括常規(guī)趨勢法、系統(tǒng)動力學法、模糊綜合評價法等，各種方法的應用中均存在不足之處[13]。主成分分析法基于降維思想，通過線性變換，將多個指標進行最佳綜合與簡化，通過少數(shù)幾個主成分來揭示多個指標間的內部結構關系，并盡可能多地保留原始指標的信息。本文采用主成分分析法，把影響廣州市水資源承載力的多個因子轉化為少數(shù)幾個綜合指標，并綜合分析廣州市水資源承載力的年際變化趨勢。

1 主成分分析法

本次研究運用SPSS16.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理。設水資源承載力評價指標體系原來有p個評價指標，用X1、X2、…、Xp表示，經(jīng)主成分分析后得到m（m＜p）個主成分Z1、Z2、…、Zp，則主成分分析的主要步驟為：（1）原始數(shù)據(jù)進行標準化處理；（2）計算相關矩陣R；（3）計算R的J個特征根λ1、λ2、…、λJ，以及每個特征根對應的特征向量U1、U2、…、UJ；（4）通過計算累計貢獻率，貢獻率E＞85%的原則確定主成分個數(shù)m；（5）求主成分權重ek；（6）求綜合評價指數(shù)Z。綜合評價指數(shù)Z越大，反映了水資源承載力狀況越強，反之，評價值越小，水資源承載力越弱。

本文采用的數(shù)據(jù)資料來自《廣州市統(tǒng)計年鑒》、《廣東省水資源公報》、《廣州市水資源公報》，選取2005-2010年統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為評價的原始數(shù)據(jù)。

2 廣州市水資源承載力分析

2.1 指標選取

水資源承載力既受到自然地理條件的約束，又受到區(qū)域人口、社會、經(jīng)濟、生產(chǎn)力水平等多方面的影響。在充分考慮廣州市水資源承載力現(xiàn)狀及各類影響因素的基礎上，指標體系的建立主要包含以下四個方面：（1）反映水資源條件；（2）反映水資源供需關系；（3）反映社會經(jīng)濟發(fā)展狀況；（4）反映污水排放處理狀況。同時，也參考了前人的研究工作，基于科學性、可比性等原則，在2005-2010年基礎數(shù)據(jù)資料中，選取了14個指標（表1）對廣州市水資源承載力進行動態(tài)綜合評價（表1）。具體包括：

表1 廣州市水資源承載力評價指標Table 1 Water resources carrying capacity evaluation of Guangzhou City

GDP X1，億元；固定資產(chǎn)投資額X2，億元；總人口X3，萬人；水資源總量X4，億m3；全市入境水量X5，億m3；總供水量X6，億m3；工業(yè)用水量X7，億m3；農業(yè)用水量X8，億m3；生活用水量X9，億m3；城鎮(zhèn)居民生活人均日用水量X10，L/d；萬元GDP用水量X11，m3；萬元工業(yè)增加值用水量X12，m3；農田灌溉畝均用水量X13，m3；污水處理率X14，%。

2.2 主成分分析

運用SPSS16.0軟件進行數(shù)據(jù)分析計算，得出各評價指標的標準化矩陣、相關系數(shù)矩陣、特征值、主成分貢獻率和累計貢獻率（表2）。

表2 評價指標體系標準化矩陣Table 2 Standardized evaluation system matrix

從表3可以看出，所選取的評價指標如X6和X7、X8存在一定的相關性，相關系數(shù)分別為0.953、0.925。指標間的相關性是進行主成分分析的基礎，也進一步說明了進行主成分分析的必要性和科學性。

表3 評價指標體系相關系數(shù)矩陣Table 3 correlation matrix evaluation system

表4列出了計算之后所有主成分的特征根、主成分貢獻率及累計貢獻率。前兩個主成分的累積貢獻率已達到88.328%，根據(jù)累積貢獻率＞85%的原則，選擇前兩個主成分進行數(shù)據(jù)分析。

表4 主成分特征值及貢獻率Table 4 Principal component eigenvalues and contribution rates

運用SPSS16.0軟件可直接得到主成分荷載矩陣（表5），它是主成分與對應變量的相關系數(shù)。

表5 主成分荷載矩陣Table 5 Principal component loading matrix

從表5分析可知，第一主成分與X1、X2、X3、X14之間存在著強負相關關系，與X6、X7、X8、X10、X11、X12之間存在較強的正相關關系；第二主成分與X4、X5之間存在較強的正相關關系。這兩個主成分概括了人口、經(jīng)濟社會發(fā)展、水資源利用情況和區(qū)域水資源條件方面的內容，因此可以用這些因素的變化來反映廣州市水資源承載力情況：

（1）社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源承載力

2005-2010年，廣州市GDP總量翻了一番，經(jīng)濟快速增長伴隨著城市化進程不斷加快，導致用水需求不斷增長，但總供水量卻總體上逐年下降，使得現(xiàn)有供水能力與經(jīng)濟增長速度不匹配，對水資源承載力構成很大壓力。

（2）人口與水資源承載力

廣州市人口總量從2005年750.53萬增長到2010年1270.96萬，在常住人口持續(xù)增長，外地務工人員大量涌入的情況下，生活用水量劇增，但實際生活供水能力并未隨著人口的增長幅度相應增長。2010年相比2005年，供水能力僅從8.69億m3增長到9.81億m3。同時，人類活動造成的水資源污染不斷加劇，從而引起水資源承載能力降低。

（3）水資源利用情況與水資源承載力

廣州市用水結構以工業(yè)、農業(yè)、生活用水為主。近年來，通過調整產(chǎn)業(yè)結構，逐漸由耗水型向節(jié)水型轉變，取得了一定效果，萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農田灌溉畝均用水量等指標都逐年有所下降（表1），但與全國平均水平相比（2005-2010年中國水資源公報），仍存在一定的節(jié)水空間。

（4）水資源條件與水資源承載力

廣州市入境水量的補給在一定程度上緩解了水資源承載壓力。目前，全市過境河流主要有東江、西江、北江。東江水質有局部惡化現(xiàn)象，枯水期不能滿足用水需求。西江、北江水質較好。西江開發(fā)利用率較高，且入境水量大，整個流域尚存在較大開發(fā)利用空間；北江全流域開發(fā)利用率小于20%，尚有一定的開發(fā)潛力[15]。

2.3 主成分綜合評價分析

根據(jù)公式（4）、（5）、（6）利用SPSS16.0計算出廣州市水資源承載力主成分單因子得分，再根據(jù)單因子與其特征根貢獻率來確定兩個主成分的綜合得分，由此分析廣州市水資源承載力的變化情況（表6，圖1）。從表6和圖1可以看出，主成分得分有正有負，正負值并不代表水資源承載力的真實水平，而是反映其所處的相對位置，負值表示該年份處于平均水平之下，正值說明該年份處于平均水平之上。綜合指數(shù)Z值越大，說明水資源承載力越大，反之越小。總體而言，2005-2010年廣州市水資源承載力基本呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，但在2007年出現(xiàn)波動，主要是由于當年入境水量相對偏少。

表6 2005-2010年水資源承載力綜合得分Table 6 Water Resources Carrying Capacity composite score in 2005-2010

從圖1可以看出，第一主成分的變化趨勢與水資源承載力變化總體趨勢基本一致。第二主成分則波動較大，經(jīng)歷了先上升再下降再上升的過程，說明廣州市水資源條件具有不穩(wěn)定性。

圖1 主成分趨勢圖Fig.1 Main components of Trend

3 結論與討論

（1）運用主成分分析法，在保證原始數(shù)據(jù)信息損失最小的情況下，通過線性變換，用少數(shù)幾個具有代表意義的新變量代替原有變量，避免了主觀隨意性，能夠比較客觀全面地反映當?shù)厮Y源承載力現(xiàn)狀。

（2）通過主成分分析，確定了人口、社會經(jīng)濟發(fā)展狀況、水資源利用情況以及水資源條件為影響廣州市水資源承載力的主要因素。

（3）從單個因子分析，GDP和固定資產(chǎn)投資額的荷載數(shù)值分別為0.984、0.985，可見經(jīng)濟高速發(fā)展對水資源承載力造成了巨大壓力。廣州市作為廣東省的省會城市和經(jīng)濟重鎮(zhèn)，經(jīng)濟一直處于高速發(fā)展狀態(tài)，那么在擴展供水工程（地表水、地下水）的同時加強節(jié)水措施，走“集約”型用水道路能很好地延緩供需矛盾加劇問題，促進水資源可持續(xù)利用。

（4）本次研究由于資料有限，選取的評價指標不夠全面，為了更加全面、客觀地掌握廣州市水資源承載力狀況，還需要進一步收集數(shù)據(jù)資料分析研究，尤其是水資源污染相關數(shù)據(jù)資料，并開展不同評價方法所得結果的對比分析。

（5）本次研究僅僅對廣州市2005-2010年水資源承載力的年際變化情況進行了初步評價，未能深入分析各影響因素對水資源承載力的具體影響，這有待進一步研究。

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Evaluation on water resources carrying capacity in Guangzhou City using principal components analysis.

Chen W,Huang C S and Wang N T.

Water resources carrying capacity is an important indicator to measure sustainable economic and social development.In this paper,by taking the water resources carrying capacity of Guangzhou City as the research object,based on the available data,using principal components analysis to extract two principal components that affect the dynamic changes of water resources carrying capacity,and making a comprehensive evaluation of annual variation of Guangzhou City.The results show that Guangzhou water resources carrying capacity from 2005 to 2010 was declining,but so far as the status,by extending the water supply project and strengthening water saving measures to relieve the imbalance between supply and demand,the water resources carrying capacity of Guangzhou still exists some rising space.

principal components analysis;water resources carrying capacity;Guangzhou City

P641.1

A

1007-3701(2013)04-322-05

10.3969/j.issn.1007-3701.2013.04.008

2013-07-10；

2013-11-15.

中國地質調查局地質調查項目“珠三角-環(huán)北部灣經(jīng)濟區(qū)地質環(huán)境調查評價綜合研究”（1212011220012）資助。

陳雯（1985—），女，工程師，研究方向環(huán)境地質、水文地質，E-mail：diandian259@tom.com.