虛擬水視角下的水資源承載力分析

韓 雪

(遼寧師范大學城市與環(huán)境學院,遼寧 大連 116029)

地球上淡水資源僅占水資源總量的0.75%,全球現(xiàn)有12億人面臨中度到高度缺水壓力,80個國家水源不足,20億人飲水得不到保障。我國是一個嚴重缺水的國家,水資源時空分布不均勻,大量淡水資源集中在南方,北方淡水資源只占南方的1/4,從可續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略角度考慮,區(qū)域發(fā)展必須考慮水資源的承載能力。20 世紀末,水資源安全問題已經引起世界各國政府的高度重視,水資源安全也隨之成為各國水資源研究的前沿熱點。20世紀80年代初,聯(lián)合國教科文組織提出了資源承載力的概念[1],80年代中后期水資源承載力的研究作為可持續(xù)發(fā)展研究和水資源安全戰(zhàn)略研究中的一個基礎課題被提出來[2]。國外對水資源承載力研究較少,基本被納入可持續(xù)發(fā)展理論中[3-7]。我國對水資源承載力的研究最早是在1985年,以施雅風院士為首的新疆水資源軟科學課題研究組提出了水資源承載力的概念,對新疆的WRCC和開發(fā)戰(zhàn)略對策進行研究[8],隨后一些學者從不同角度提出了水資源承載力的概念[9-10]。對水資源承載力的研究主要集中在流域研究[11-12]、地區(qū)研究[13-14]、城市研究[15];對水資源承載力的研究方法主要有常規(guī)趨勢法[16]、模糊綜合評價法[17]、主成分分析法[18]、系統(tǒng)動力學方法[19]、多目標決策法[20]等。目前,已有少數(shù)學者將水資源承載力與虛擬水理論相結合進行研究[21-22],但其研究處于探索階段,研究成果較少。

虛擬水由英國學者Allan[23]于1993年首次提出,并將其定義為生產農產品所需要的水資源量;1996年他又對這一概念進行了擴展和完善,將其定義為“生產商品或服務所需要的水資源量”。2003年程國棟院士[24-25]首次將虛擬水理論引入國內,并以中國西北4省為例探討了虛擬水戰(zhàn)略以及實施虛擬水戰(zhàn)略的對策建議,隨后虛擬水戰(zhàn)略研究在國內展開。虛擬水戰(zhàn)略是水資源和水資源安全研究的創(chuàng)新領域,初步應用在解決我國水資源短缺與糧食安全及水生態(tài)環(huán)境等問題中。虛擬水和虛擬水戰(zhàn)略的研究在我國尚處于初級階段,虛擬水戰(zhàn)略在我國的實際應用還存在許多問題[26],目前將其應用到現(xiàn)實并與水資源相關領域研究的結合也不多見,多屬于定性論述和概念介紹,亟待進行深入研究。

虛擬水戰(zhàn)略和水資源承載力均是水資源安全與水資源管理研究領域的熱點和難點。水資源承載力評價指標一般選取與資源、環(huán)境、社會、經濟、生態(tài)等相關的指標,在資源中一般選取水資源的自然狀況和開發(fā)利用程度,虛擬水是水資源開發(fā)利用程度的體現(xiàn),因此本文將虛擬水作為水資源承載力的評價指標,考察虛擬水對水資源承載力的影響程度。

1 水資源承載力評價指標的選取

通過水資源承載力的概念分析,水資源承載力最終要以一定的人口總量規(guī)模為落腳點,以可預見的技術、經濟和社會發(fā)展水平為依據(jù),以可持續(xù)發(fā)展為原則,以維護生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件,經過合理優(yōu)化配置,對該地區(qū)社會經濟發(fā)展的最大支撐能力。因此,可將影響水資源承載力的主要因素歸納為:資源、環(huán)境、社會、經濟、生態(tài)等。筆者擬從水資源狀況及開發(fā)利用程度、消費水平與結構、人口和生產力4個方面選取具體評價指標:由于自然地理條件的不同,水資源的數(shù)量、質量及對其開發(fā)利用程度也不同,文中選取水資源總量(X1,108m3)、總供水量(X2,108m3)、年降水量(X3,108m3)、地表水量(X4,108m3)、農業(yè)用水量(X5,108m3)、工業(yè)用水量(X6,108m3)、生活用水量(X7,108m3)、虛擬水凈流量(X8,108m3)作為水資源狀況及開發(fā)利用程度具體評價指標;在社會生產能力確定的前提下,水資源承載能力的大小受消費水平及結構的影響,因此選取城鎮(zhèn)居民消費水平(X9,元)、農村居民消費水平(X10,元)作為消費水平與結構的具體評價指標;人是社會生產的主體,水資源承載能力也包括承載人的能力,因此選取總人口(X11,104人)作為人口的具體評價指標;在不同生產力水平下利用單位質量的水可生產不同數(shù)量及質量的工農業(yè)產品,因此,在研究某一地區(qū)或區(qū)域的水資源承載能力時要估測現(xiàn)狀與未來的生產力水平,選取地區(qū)生產總值(X12,108元)和固定資產投資額(X13,108元)作為生產力的具體評價指標。

2 水資源承載力評價方法

筆者采用主成分分析法對華北地區(qū)水資源承載力進行客觀評價,主成分分析是將許多相關性很高的變量轉化成彼此相互獨立的或不相關的變量,可以在盡可能保留原始變量信息的基礎上降低變量的維度。因此,主成分分析法可以把影響水資源承載力的多個因子,用少數(shù)幾個相互獨立的主成分的線性組合來反映原有多個因子的絕大部分信息,表達不同時段水資源承載力的狀況。

運用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)資料進行分析,主成分分析的一般步驟如下:

a.為排除量綱和數(shù)量級的影響,首先對原始數(shù)據(jù)進行標準化。通過Analyze → Descriptive Statistics → Descriptive 對話框來實現(xiàn)。

b.計算標準化后的樣本相關矩陣,并求相關矩陣的特征值(取特征值大于0.8),并計算其累計貢獻率,按累計貢獻率大于或等于85%的原則確定主成分數(shù)(利用Analyze →Data Reduction →Factor Analysis來完成)。

c.用主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應的特征值開平方根得到兩個主成分中每個指標所對應的系數(shù)(利用“Transform → Compute Variable”對話框)，然后將得到的特征向量與標準化后的數(shù)據(jù)相乘,就可以得出主成分即得分表達式。

d.以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重計算主成分綜合模型。

3 實證研究

3.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

本文以華北區(qū)域為研究區(qū)域。華北區(qū)域包括北京、天津、河北、山西和內蒙古,位于我國大陸北部,介于北緯32°～42°之間,東經110°～120°。區(qū)域氣候具有明顯的季風特征,處于北溫帶。該區(qū)域四季分明,降水集中在夏季,雨量偏低,并且夏季降水量總體呈下降趨勢,但極端降水天氣發(fā)生的次數(shù)并沒有減少,強度也呈增加趨勢。

本文所采用的數(shù)據(jù)資料均來自《中國統(tǒng)計年鑒》(2001—2010年)、《水資源公報》(2000—2009年),并經過計算整理獲得;虛擬水凈流量主要參考文獻[27]。

3.2 華北地區(qū)水資源承載力的評價結果及分析

在主成分分析中載荷值越大說明與該主成分的相關性越大,由表6可知,第一主成分與X9、X10、X11、X12和X13存在較強的正相關性,如表7所示,第一主成分與X9、X10、X11、X12、X13之間存在較強的正相關性,均與X5、X6存在較強的負相關關系,兩組數(shù)據(jù)的第一主成分基本涵蓋了經濟發(fā)展水平和人口因子;第二主成分均與X1、X3、X4存在較強的正相關性,第三主成分均與X2存在較強的正相關性,主要是水資源的自然狀況與開發(fā)能力;第二組數(shù)據(jù)的第四主成分與X8存在較強的正相關性,即與糧食流動中虛擬水的凈流量存在較強的聯(lián)系。通過對比可以看出,虛擬水的調入調出是評價一個區(qū)域水資源承載力主要成分的重要指標之一。

表1 華北經濟及水資源狀況統(tǒng)計

表2 引入虛擬水前華北水資源承載力變化驅動因子相關系數(shù)矩陣

表3 引入虛擬水后華北水資源承載力變化驅動因子相關系數(shù)矩陣

表4 引入虛擬水前主成分的特征值和貢獻率

表5 引入虛擬水后主成分的特征值和貢獻率

表6 引入虛擬水前因子載荷矩陣

表7 引入虛擬水后因子載荷矩陣

由表8和表9可以看出,水資源承載力得分既有正值又有負值,正負并不能代表水資源承載力的真實水平,而是表示水資源承載力在所選取時間段內的相對位置,正值表示高于該時段內的平均水平,負值表示低于該時段內的平均水平,綜合得分越高說明水資源承載力越大,反之越小。

表8 引入虛擬水前2000—2009年水資源承載力綜合得分

表9 引入虛擬水后2000—2009年水資源承載力綜合得分

華北地區(qū)在10年內的得分呈波動增長趨勢,說明華北地區(qū)水資源承載力狀況有所好轉。2003年、2006年、2007年、2008年和2009年水資源承載力總得分均為正值,除2006年外,總得分F均高于F′;而2000年、2001年、2002年、2004年和2005年水資源承載力均為負值,除2004年外總得分F′均高于F。由此可以看出,當總得分為正值時,即在水資源壓力逐年轉好的情況下,虛擬水的調入調出對水資源承載力影響不是很大,而當水資源承載力為負,即水資源承載力壓力較大時,虛擬水則成為主要的影響因素之一,調入量越多水資源承載力越大可以減緩水資源壓力,相反輸出則會增加水資源壓力。由此可以證明,虛擬水戰(zhàn)略在僅考慮水資源的前提下適用于缺水地區(qū),而對水資源富足地區(qū)的水資源承載力影響不大。但由于本文選取的主成分分析法的特性,僅能說明虛擬水凈流量在不同年份對水資源承載力的重要程度,并不能因此說明2005年后虛擬水凈流量就不影響水資源承載力,因此,筆者通過對比分析水資源承載力的主成分數(shù),揭示虛擬水凈流量是其主要的影響因子。

4 結 論

a.應用主成分分析法對華北地區(qū)的水資源承載力進行綜合評價,通過結果分析,影響水資源承載力的驅動因子主要為:經濟發(fā)展、人口和水資源及虛擬水凈流量,經濟發(fā)展因子的貢獻率居各主成分之首,是對當?shù)厮Y源承載力影響最為關鍵的因子。

b.華北地區(qū)水資源承載力處于波動上升的趨勢,水資源的自然屬性維持著資源稟賦的穩(wěn)定性,南水北調與引黃入晉為華北地區(qū)的經濟發(fā)展提供了一定的支撐作用,緩解了區(qū)域內的用水矛盾,因此,為緩解水資源的供需矛盾,該地區(qū)必須高效開發(fā)利用水資源。

c.將虛擬水理論引入到水資源承載力評價中,可看出虛擬水也是水資源承載力的重要影響因子,但虛擬水的引入不會改變水資源承載力的總體變化趨勢,只會在水資源承載力低于多年平均水平時,緩解水資源壓力,而在水資源承載力高于多年平均水平時,虛擬水對水資源承載力的影響則不大。并可以證明虛擬水戰(zhàn)略的適用性是有局限性的,在不考慮社會因素的影響下,首先,虛擬水戰(zhàn)略僅適用于缺水地區(qū),可以改善缺水地區(qū)的水資源壓力;其次,在缺水地區(qū)虛擬水戰(zhàn)略的適用性受到水資源承載力的限制,隨著時間段變化,水資源壓力得到緩解,水資源承載力高于多年平均水平時,虛擬水戰(zhàn)略的適用性減弱,虛擬水對水資源壓力的緩解作用減弱,影響水資源承載力的首要因素還是經濟發(fā)展因子。因此,在解決我國水資源短缺和時空分布不均時,在實施虛擬水戰(zhàn)略的同時,必須配合節(jié)水措施、調水戰(zhàn)略、經濟結構調整戰(zhàn)略等手段,提高用水效率、提高工程蓄水保水能力等措施實現(xiàn)水資源承載能力的提高。

d.亟須建立生態(tài)補償機制,補償缺水地區(qū)虛擬水凈流出的生態(tài)成本,從而促進虛擬水貿易的可持續(xù)性,避免虛擬水輸出區(qū)域經濟發(fā)展滯后,生態(tài)遭到破壞等問題。

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