基于主成分分析法的水資源承載力綜合評價——以新疆喀什地區(qū)為例

陳紅梅 李青

(塔里木大學經(jīng)濟與管理學院，新疆 阿拉爾 843300)

2010年6月，中發(fā)〔2010〕9 號文件正式?jīng)Q定設立喀什經(jīng)濟開發(fā)區(qū)?？κ簿o緊抓住新疆大建設、大開發(fā)、大發(fā)展的戰(zhàn)略機遇，大力實施優(yōu)勢資源轉換戰(zhàn)略，加快推進“打造喀什在中亞南亞經(jīng)濟圈重心地位”發(fā)展戰(zhàn)略?？κ矅撩娣e約占新疆的1/10，人口卻占新疆的1/5，社會經(jīng)濟發(fā)展相對滯后，自然條件相對惡劣、生產(chǎn)條件相對較差、發(fā)展基礎較為薄弱。在經(jīng)濟發(fā)展的同時，如何保證喀什市水資源承載力不超過其承載閥值，實現(xiàn)資源利用可持續(xù)發(fā)展，是擺在喀什市管理者面前亟需解決的問題。

新疆是典型的干旱地區(qū)，其水資源缺乏嚴重。有許多學者以新疆為研究對象，從不同角度，采用不同方法研究新疆整體或者局部地區(qū)的水資源承載力。董雯，劉志輝應用FAHP 原理研究了新疆博爾塔拉河流域和精河流域的水資源承載能力，提議建立節(jié)水型社會，并應優(yōu)先保障生態(tài)用水需求［1］。鄭奕等以新疆焉耆盆地為研究對象，運用多目標決策分析法研究其水資源承載力，建議加強農(nóng)業(yè)節(jié)水、加強對污水的控制與治理、湖濱濕地的生態(tài)恢復以提高其水資源承載力［2］。孟麗紅等以塔里木河流域為研究對象，采用可變模糊評價法，對其水資源狀況進行了評價研究［3］。熊黑剛等應用主成分分析法和熵權法對新疆奇臺綠洲水資源承載力評價研究，研究結果反映出經(jīng)濟迅猛發(fā)展、生態(tài)環(huán)境惡化、人口數(shù)量增加以及農(nóng)業(yè)灌溉水激增是導致水資源可進一步利用潛力減小的最主要因子［4］。進行喀什地區(qū)水資源承載力綜合評價研究對喀什建立經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，對發(fā)展當?shù)亟?jīng)濟、提高居民生活水平以及帶動周邊地區(qū)的快速發(fā)展有重要意義。本文綜合考慮多方面因素對水資源承載力的影響，建立主成分分析法評價模型，表征喀什地區(qū)水資源利用和承載狀況。

1 研究區(qū)基本狀況

喀什是中國的西大門，具有獨特的區(qū)位優(yōu)勢。喀什光熱水土條件得天獨厚，年均≥10℃的有效積溫在4 000℃以上，無霜期長達220 天，地表徑流量117 億m3。2010年，喀什地區(qū)的情況如下:

1.1 水資源總量與降水情況。2010年屬于偏豐水年，全區(qū)地表水資源量92.34 億m3，地下水資源量62.75 億m3，水資源總量為100.24 億m3;全區(qū)年平均降水量為195.3mm，山區(qū)年降水量與2009年比較，所有站點趨向增加趨勢，其中最為明顯的是卡群水文站增加76.4%、江卡站增加75.6%，克孜勒塔克站增加71%，其它站點也有明顯增加，降水量總體趨勢為上升增加趨勢。

1.2 供水用水情況。全區(qū)各類水利工程供水總量為103.9 億m3，其中地表水量占總供水水量的80.3%。2010年的供水模數(shù)為7.66 萬/km2，較上一年增加了3%，但比2008年降低了9.4%;全區(qū)用水總量為103.9 億m3，生產(chǎn)用水量為100.659億m3，居民生活用水量為1.11 億m3，城鎮(zhèn)公共用水量為0.62 億m3，生態(tài)用水量為1.52 億m3，生活用水定額為0.086 m3/d/人，工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水定額分別為176 m3/104元、6 823 m3/104元。

1.3 水質情況。廢水年排放總量為6 093.14 萬t，其中工業(yè)廢水746.04 萬t，占排放總量的12.2%，生活廢水5 347.1 萬t;全區(qū)評價河段為葉爾羌河流域中的2 條主要河流以及喀什噶爾河流域7 條主要河流合計20 個水質監(jiān)測斷面中各項指標均達到地面水Ⅲ類水質標準以上(含Ⅲ類)的河段占評價河段(水庫)總數(shù)的90.9%，占全區(qū)評價河長的96.1%。

1.4 受災情況及其他。由于喀什地區(qū)水利基礎設施條件差，全區(qū)五大河流還未建成一座控制性水利樞紐工程，2010年全地區(qū)五大河及部分山洪溝均發(fā)生較大的洪水災害，且洪水持續(xù)時間長，洪量大，防洪成為農(nóng)村稅費改革后農(nóng)民的最大負擔。水資源利用率低，土地鹽堿化程度重，人均耕地面積少，嚴重影響農(nóng)民增收。城鄉(xiāng)基礎設施滯后，城鎮(zhèn)垃圾和污水無害化處理率基本為零，供排水管網(wǎng)嚴重老化。72 萬農(nóng)村人口飲用水不安全，35 萬戶農(nóng)戶還沒有通自來水。

2 喀什地區(qū)水資源承載力綜合評價

2.1 綜合評價指標體系的構建與數(shù)據(jù)來源

表1 喀什地區(qū)年水資源承載力評價指標體系

根據(jù)水指標體系應遵循整體性原則、目的性原則和區(qū)域差異性原則，在借鑒前人研究經(jīng)驗和成果的基礎上，參照全國水資源承載力評價分析中的指標以及使用頻率較高的指標，根據(jù)喀什地區(qū)水資源、社會、經(jīng)濟、以及生態(tài)環(huán)境狀況，數(shù)據(jù)來源于2005～2011年新疆統(tǒng)計年鑒，2005～2011年喀什地區(qū)統(tǒng)計年鑒，以及2004～2010年新疆喀什地區(qū)水資源公報相關數(shù)據(jù)綜合計算獲得，最終建立了喀什地區(qū)水資源承載力評價指標體系(表1)。

2.2 水資源承載力的主成分分析

主成分分析法是利用降維的思想，對高維變量系統(tǒng)的多指標轉化為幾個綜合指標的多元統(tǒng)計分析方法。原理是將大量的原有的存在相關性的指標變量，轉換為新指標變量，新指標變量的數(shù)量減少并且相互獨立。這樣保留了原有的指標變量的主要信息，找出主導因素，切斷相關性的干擾，做出更加準確的評價。新指標變量稱為原指標變量的主成分。這種方法的優(yōu)點是既消除了樣本值之間的相關關系，又提取了保持原指標主要信息的主成分，減輕了工作量，并且在分析過程中客觀生成指標權重，避免了人為因素［6］。單位面積水資源可利用量、水資源總量、多年平均降水量、供水模數(shù)、產(chǎn)水模數(shù)、人均GDP、GDP 增長率、森林覆蓋率、濕地面積、單位面積水資源占有量、人均水資源量、農(nóng)村人口飲水安全人口比例為正向指標，即這些指標值越大，水資源承載力越高，其余指標為逆向指標，即指標值越大，水資源承載力越低。在綜合評價時，首先必須將指標同趨勢化，在本研究中，指標的同趨勢化是將逆向指標轉化為正向指標，對逆向指標正向化方法為對其取倒數(shù)。

運用主成分分析法評價區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平的步驟:(1)原指標數(shù)據(jù)的同趨化和標準化處理;(2)求出原始指標樣本的相關系數(shù)矩陣R;(3)計算相關系數(shù)矩陣的特征值和特征向量;(4)計算各特征值的貢獻率，并按累積貢獻率大于85%的準則提取主成分個數(shù);(5)求主成分ZK 和綜合判斷因子得分Z*。用主成分對評價問題作出綜合分析。

運用SPSS17.0 統(tǒng)計分析軟件得出的特征值及其貢獻率、累計貢獻率(表2)，特征向量(表3)，主成分因子綜合得分結果和排序結果(表4)。

表2 特征值及其貢獻率、累計貢獻率

由表2 可知，根據(jù)前3 個主成分的累計貢獻率已經(jīng)達到88.88% ＞85%，可以認為3 個主成分已基本反映了原指標變量的主要信息，因此提取3 個主要成分。其中第一主成分的貢獻率最高，是最重要的因子，包含了最多的信息量，對水資源承載力的大小起著重要作用。

(5) 停車場出入線應連通上下行正線，宜采用互通道岔，同時連通上下行雙方向，其通過能力應根據(jù)遠期線路的通過能力、運營要求和道路交叉口通過能力計算核定。

從表3 可以看出:

(1)生活用水定額(B4)、農(nóng)業(yè)用水定額(C4)、萬元工業(yè)增加值用水量(E6)在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分主要反映人口生活用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水以及工業(yè)用水水平。第一主成分反映的是隨著推進“城鎮(zhèn)化、農(nóng)村現(xiàn)代化、工業(yè)化”的發(fā)展，人民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)給水資源帶來了巨大的壓力，因此可以歸結為水資源壓力因子。其特征向量均大于0.98，該因子反映出喀什地區(qū)水資源承載力的共性，即以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，保障人民生活與工業(yè)生產(chǎn)所需要的水資源量，工農(nóng)業(yè)以及人口與水資源協(xié)調發(fā)展是關鍵。今后應著重提高人們節(jié)水意識，推行高新節(jié)水灌溉，提高工業(yè)用水的重復利用率，在追求經(jīng)濟發(fā)展的同時協(xié)調好與水資源的關系是今后實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的重要工作。

表3 初始因子載荷矩陣(特征向量)

(2)單位面積水資源量(A1)、水資源總量(A3)、人均水資源量(E3)在第二主成分上有較高載荷，說明第二主成分反映的是區(qū)域整體水資源豐裕程度，水資源可利用程度以及發(fā)展?jié)摿Α５诙鞒煞挚梢詺w結為水資源綜合發(fā)展?jié)摿σ蜃?。為了提高水資源的承載力，除了節(jié)水外，根據(jù)不同行政分區(qū)的水資源整體豐裕程度，優(yōu)化配置不同地區(qū)，不同部門的水資源，使之能有效地開發(fā)利用水資源，能充足而不多余地保證水資源量，而造成“缺水”或者“浪費”。

(3)人口自然增長率(B2)、人均GDP(C1)、人均用水量(E2)在第三主成分上有較高載荷，因子三反映的是人口與經(jīng)濟、水資源系統(tǒng)的協(xié)調程度。從總的經(jīng)濟發(fā)展狀況以及水資源總量來看，喀什地區(qū)的經(jīng)濟是比較發(fā)達的，水資源總量是較充足的，但由于喀什地區(qū)龐大的人口數(shù)量，導致人均GDP、人均用水量較低，因此可歸結為人口質量因子。喀什地區(qū)2010年人均GDP 為8748 元，比2004年增長150%。2009年和2010年的人口自然增長率已經(jīng)超過20‰，2010年水資源總量為100.24 億m3，比2004年增加30.74%，但2010年人均用水量為2 455 m3，比2004年減少14.01%。

2.3 實證結果與綜合評價分析

最后，運用SPSS17.0 統(tǒng)計分析軟件得出主成分因子綜合得分結果和排序結果，由于第一因子為壓力因子，其貢獻率較大，壓力越大承載力越小，并且從表3 可以看出，水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)以及生態(tài)系統(tǒng)的特征向量值較多為負值，反映出水資源系統(tǒng)與社會、生態(tài)系統(tǒng)對承載力的貢獻呈負向影響，所以Z*(綜合得分)的值越低，說明該年份的水資源承載力越高，反之亦然。具體水資源承載力綜合評判結果和排序如下，見表4。

表4 喀什地區(qū)水資源承載力綜合評判結果

(1)從表4 可以看出，第一主成分因子，即壓力因子的得分越來越大，可以反映出喀什地區(qū)水資源承受的壓力越來越大。隨著“三化”的發(fā)展，用水需求量在逐漸增大，地表水用水量占總用水量的比重逐漸降低，地下水用水量增加，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、居民生活以及城鎮(zhèn)公共用水給水資源施加了壓力。2004年與2010年農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水量、地表水地下水用水量比例的比較如表5。

2010年喀什地區(qū)城鎮(zhèn)化率為37.28%，比2004年提高6.3%，城鎮(zhèn)化水平提高，城市生活用水量增加，2010年的生活用水定額比2004年增加34.3%，伴隨著城鎮(zhèn)基礎設施建設的加強，城鎮(zhèn)公共用水量比2004年增加47.14%。2010年的工業(yè)總產(chǎn)值為2004年的2.43 倍，工業(yè)增加值為64.48 億元，反映喀什地區(qū)的工業(yè)發(fā)展進程較快，但同時工業(yè)用水量也增大，從表5 可以看出，2010年工業(yè)用水量為2004年的2.52 倍。農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，使得農(nóng)田灌溉用水量以及農(nóng)林牧漁用水量增加。在水資源總量有限的情況下，地表水已不能滿足生產(chǎn)生活用水。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類開始大量開采地下水，從表5可以看出，2010年地下水用水比重與2004年相比增加13.3%。過度開采地下水，造成地下水位下降，由于不恰當?shù)墓喔确绞皆斐傻耐恋佧}漬化加重。隨著加快推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、新型工業(yè)化與城鎮(zhèn)化”的發(fā)展進程，水資源面臨著壓力越來越大，水資源承載力呈現(xiàn)減弱狀態(tài)。

表5 喀什地區(qū)2004年與2010年用水壓力比較 單位:108m3

(2)從表4 綜合得分排序可以看出，2005年的綜合評判結果排在首位，即2005年為喀什地區(qū)2004～2010年間水資源承載力最高的一年。這可能是因為2005年全區(qū)降水總量為426.42 億m3，折合降水深381.9 mm。與多年平均值177.6 mm 相比偏多115.0%，屬豐水年份，與2004年比較偏多44.5%。并且2005年喀什地區(qū)水資源總量為103.52億m3，平均產(chǎn)水系數(shù)為0.243，平均產(chǎn)水模數(shù)為9.27 萬m3/km2，即每平方公里土地面積上平均年產(chǎn)水量近9.27 萬m3/km2。2004、2005、2006年全區(qū)降水量、水資源總量、產(chǎn)水模數(shù)的比較如表6。

表6 降水總量、水資源總量、產(chǎn)水模數(shù)比較表

水資源承載力為水資源對社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境發(fā)展的最大支撐能力［1－2］，亦為對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境保護等最大供給用水的能力［5，7］。從表4 可以看出，水資源承載力的趨勢是逐年降低，偏離其在一定區(qū)域內(nèi)，在技術、社會經(jīng)濟等某一具體發(fā)展階段下，以水—社會—經(jīng)濟—生態(tài)協(xié)調可持續(xù)發(fā)展為目標，區(qū)域水資源系統(tǒng)能夠保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)良性循環(huán)的最大供給能力。水資源的短缺與脆弱性，削弱了喀什地區(qū)水資源的承載能力。

社會方面，巨大的人口數(shù)量和較高的人口自然增長率給水資源施加較大的壓力。2009年，喀什地區(qū)的人口數(shù)量達到387.28 萬人，人口自然增長率高達21.09‰。經(jīng)濟方面，工業(yè)用水，農(nóng)業(yè)用水尤其是灌溉用水給水資源施加較大的壓力。2010年喀什地區(qū)的萬元工業(yè)增加值用水330.12 m3，比2004年每單位用水量增加51.6 m3，農(nóng)業(yè)用水量占用水總量的96.88%。伴隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水的結構性矛盾突出，擠占了部分生態(tài)用水，同時由于水資源年內(nèi)分布不均、區(qū)域分布不均，造成喀什地區(qū)水資源承載能力的降低。

4 結論與建議

通過對喀什地區(qū)2004～2010年水資源總量、來水量、地表水地下水、供水用水耗水、水質等資料的動態(tài)趨勢分析，結合喀什地區(qū)的自然背景、經(jīng)濟背景以及主成分分析法，得出以下結論及建議:

4.1 人民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水給水資源承載力施加的壓力越來越大，經(jīng)濟用水擠占了生態(tài)用水，對生態(tài)功能的恢復和修復造成了一定的影響，水－社會－經(jīng)濟－生態(tài)復合系統(tǒng)系統(tǒng)之間協(xié)同性較弱，加劇了水資源和生態(tài)的脆弱性，阻礙了社會經(jīng)濟的發(fā)展，使得水資源與社會、經(jīng)濟、生態(tài)各系統(tǒng)之間存在非良性循環(huán)。山東、深圳市、上海市等地區(qū)與喀什地區(qū)對口支援，加快推進了喀什地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。2010年與2004年相比，喀什地區(qū)的人均GDP 增加了1.5倍，城鎮(zhèn)化率提高了6.3%，工業(yè)總產(chǎn)值增加了2.43倍。城鎮(zhèn)化與工業(yè)化是相互促進的，隨著經(jīng)濟活動的增強，城鎮(zhèn)公共用水量增加，工業(yè)用水量增加的同時，工業(yè)廢水排放量也增加，2010年喀什地區(qū)的工業(yè)廢水排放量是2004年的2.12 倍。春季大河來水偏少，用水矛盾突出，隨著近幾年地區(qū)種植結構調整，增大了春季作物用水量，同時較低的渠系灌溉系數(shù)，造成缺水矛盾加大。2010年喀什地區(qū)發(fā)生嚴重旱情，一些縣卻沒有嚴格落實地區(qū)的灌水制度，有些地方存在超定額灌溉、大水漫灌、串灌的現(xiàn)象，造成水量的浪費。由于設施農(nóng)業(yè)大棚零星分散以及林果業(yè)大部分位于小麥和棉花地中，林果業(yè)和瓜菜的灌水次數(shù)較頻繁，不但增加了用水量，同時增加了渠道調水次數(shù)，加大了水量調配難度和輸水損失。隨著加快推進經(jīng)濟跨越式和“三化”的發(fā)展進程，水資源面臨的壓力越來越大，在這種情況下，合理調整種植結構，提高農(nóng)業(yè)灌溉系數(shù)和渠系水利用系數(shù)，提高工業(yè)用水重復利用率，控制人口數(shù)量的增長并提高人口素質，不僅可以緩解水資源短缺，還可以實現(xiàn)經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展和生態(tài)環(huán)境良好的“雙贏”。

4.2 水資源承載力的趨勢是越來越低。水資源承載力是在一定經(jīng)濟技術水平和社會生產(chǎn)條件下，水資源可最大供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境保護等用水的能力［7］，喀什地區(qū)供水總量高于水資源總量，這是由于水資源短缺，產(chǎn)水和來水補給不足，人們開采地下水以緩解水資源供需矛盾。隨著地下水的開采率增大，進行打井抗旱，喀什地區(qū)提出利用三年時間，新打機井2789 眼以緩解旱情。大量的打井開采地下水將會導致地面下沉，鹽漬化加劇?？κ驳貐^(qū)本身鹽漬化程度嚴重，鹽堿地面積較大，治理難度大。根據(jù)喀什噶爾河和葉爾羌河兩流域鹽堿地改良利用規(guī)劃報告，2010年全區(qū)仍有不同程度鹽堿地面積400 萬畝，規(guī)劃總投資近30.39 億元，但2005～2010年改良鹽堿地面積僅6.53 萬畝。今后鹽堿地改良治理將是任重而道遠，爭取項目的投資也是一項艱巨的任務。依據(jù)合理配置理論，喀什應發(fā)揮區(qū)域資源優(yōu)勢，因地制宜地開發(fā)利用資源，合理配置資源，并提倡節(jié)約和循環(huán)利用資源，提高資源的利用率。雖然可以從節(jié)水技術或者污水回收利用技術等方面提高水資源利用率，但是由于人類活動的增強引起的全球氣候的變化而給水資源帶來的壓力是較難解決的。在需求方面應通過調整產(chǎn)業(yè)結構、建設節(jié)水型經(jīng)濟，抑制需水增長來適應不利的水資源條件;在供給方面應通過協(xié)調各部門競爭性用水，通過加強管理、工程措施改變水資源的時空差異性分布來適應生產(chǎn)力布局。區(qū)域水資源合理配置應與區(qū)域社會、經(jīng)濟發(fā)展狀況和自然條件相適應，因地制宜，按地區(qū)發(fā)展計劃，有條件地分階段進行，以有利于社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的持續(xù)協(xié)調發(fā)展［8］。

［1］董雯，劉志輝.基于FHP 原理的水資源承載力綜合評價研究——以新疆博爾塔拉河流域和精河流域為例［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008，22(10):5－10.

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