基于主成分分析的鄭州市水資源承載力評價

李高偉 ， 韓 美 ， 劉 莉 ， 趙小萱 ， 于 佳

(山東師范大學 人口·資源與環(huán)境學院，濟南 250014)

0 引言

水是生命之源，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口數(shù)量的增加，人類對水資源開發(fā)利用的強度逐漸增大，水資源短缺日益成為制約社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因子。水資源承載力是指某一區(qū)域的水資源在一定社會歷史和科學技術發(fā)展階段，在不破壞社會和生態(tài)系統(tǒng)時，最大可承載的工業(yè)、農業(yè)、城市規(guī)模和人口的能力，是一個隨著社會、經(jīng)濟、科學技術發(fā)展而變化的綜合指標[1]。評價水資源承載力的方法主要有常規(guī)趨勢法、模糊綜合評價法、主成分分析法、系統(tǒng)動力學法、多目標分析評價核心模型、多目標線性規(guī)劃方法、多目標決策分析方法、密切值法等[2]。其中主成分分析法客觀地把多個復雜的變量簡化為少數(shù)幾個綜合指標，既保留了原有指標體系的主要信息，消除了指標信息間的重疊，同時又避免了人的主觀隨意性，更能準確地反映出科學的結果。

目前，國內關于水資源承載力的研究有許多，張士鋒等運用聚類分析、層次分析和模糊矩陣的方法分析了松花江區(qū)水資源承載力，得到各年份水資源承載力整體處于安全狀態(tài)的結論[3]；喻小軍等根據(jù)影響流域水資源承載力的因素構建了用于分析流域水資源承載力的動力學模型[4]；周亮廣等運用主成分分析和熵分析了貴陽市水資源承載力的動態(tài)變化，得出研究區(qū)在1998—2003年間水資源承載力有向好發(fā)展的趨勢[5]；王智勇等分析了山東省莒南縣水資源承載力變化的主要驅動因素，并對其未來水資源的供需狀況進行了預測[6]；肖迎迎等根據(jù)主成分分析法，對榆林市水資源承載力進行分析，對榆林市各分區(qū)的水資源承載力狀況進行了綜合評價[7]?？梢钥闯?，國內對水資源承載力評價的研究從方法上來說更加多樣，從區(qū)域上來看更趨全面。

鄭州市水資源承載力的研究主要有：左其亭等以鄭州市為例研究了水環(huán)境承載力的計算模型應用[8]；楊峰等預測了鄭州市規(guī)劃水平年的水資源供需量，進而計算出水資源的承載度及最大社會經(jīng)濟規(guī)模[9]；雷宏軍等分析出鄭州市水環(huán)境承載力在未來規(guī)劃水平年呈上升趨勢，并提出了提高水環(huán)境承載力的幾種不同方案[10]；高傳昌等通過定量鄭州市經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃下的水資源承載力，得出鄭州市水資源短缺的結論[11]。目前，對鄭州市水資源承載力的研究主要在水環(huán)境承載力和水資源承載力的預測方面，而對水資源承載力的現(xiàn)狀的研究則主要集中在對水資源數(shù)量的計算，忽視了社會經(jīng)濟等要素對水資源承載力的影響。

采用主成分分析法，根據(jù)鄭州市2003—2011年的統(tǒng)計資料，建立影響水資源承載力的綜合指標體系，對鄭州市水資源承載力進行綜合評價，力求客觀全面地反映出其水資源承載力的變化。

1 研究區(qū)概況

鄭州市位于東經(jīng)112°42′～114°13′，北緯34°16′～34°58′，現(xiàn)轄6區(qū)5縣級市1縣，全市總面積7 446.2 km2。鄭州市屬溫帶大陸性季風氣候，降水變率大且降水集中在夏秋兩季，年均降水量640.9 mm。2011年全市總水資源量14.027 ×108m3，城鎮(zhèn)污水排放總量6.873×108t，總供水量為16.245×108m3，總用水量為16.245 ×108m3。

2 鄭州市水資源承載力主成分分析

2.1 指標的選取

水資源承載力的研究涉及到社會經(jīng)濟等諸多要素，結合實際資料，依據(jù)科學性、全面性、系統(tǒng)性和可行性原則[12]構建鄭州市水資源承載力指標體系。具體包括15個指標：總人口X1(萬人)；國內生產(chǎn)總值X2(億元)；固定資產(chǎn)投資X3(億元)；城鎮(zhèn)化率X4(%)；萬元GDP用水量X5(m3)；人均用水量X6(m3)；水資源總量X7(億m3)；供水總量X8(億m3)；工業(yè)用水量X9(億m3)；農業(yè)用水量X10(億m3)；居民生活用水量X11(億m3)；生態(tài)環(huán)境用水量X12(億m3)；污水排放量X13(億m3)；污水年處理量X14(億m3)；降水量X15(mm)。

2.2 主成分分析法步驟及數(shù)據(jù)來源

主成分分析是一種把多個變量劃分為少數(shù)幾個綜合指標的多元統(tǒng)計方法，從數(shù)學角度來看，這是一種對高維變量空間降維的技術[13]。

主成分分析法的計算步驟為：(1)為了消除數(shù)量級和量綱帶來的誤差的影響，對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理；(2)計算標準化后的樣本的相關系數(shù)矩陣；(3)計算特征值和特征向量；(4)計算貢獻率和累計貢獻率，一般取累計貢獻率達到85%以上的確定為主成分；(5)計算主成分載荷；(6)根據(jù)各個主成分的貢獻率進行綜合評價。

本研究選取的鄭州市2003—2011年的15個相關指標數(shù)據(jù)均來自河南省統(tǒng)計年鑒及鄭州市水資源公報。

2.3 主成分分析

運用SPSS統(tǒng)計分析軟件對指標數(shù)據(jù)進行計算處理，對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理以消除數(shù)量級和量綱造成的誤差，進而得到鄭州市水資源各評價因素的相關系數(shù)矩陣(表1)、特征值及主成分的貢獻率和累計貢獻率(表2)、進行最大方差旋轉后的因子載荷矩陣(表3)。

表1 水資源承載力影響因子的相關系數(shù)矩陣

由表1可知，15個因子之間存在一定的相關性，X3(固定資產(chǎn)投資)、X4(城鎮(zhèn)化率)和X14(污水年處理量)分別與X2(國內生產(chǎn)總值)存在相關性，相關系數(shù)分別為0.987，0.966和0.978，說明進行主成分分析的必要性。

表2 主成分特征值及貢獻率

從表2可以看出，前兩個主成分的累計貢獻率已經(jīng)達到了88.014%，可以選取第一、第二主成分對鄭州市水資源承載力進行分析，進而計算各變量在第一、第二主成分上的載荷(表3)及相應的特征向量(表4)。

從表3看出，第一主成分與總人口 (X1)、國內生產(chǎn)總值(X2)、固定資產(chǎn)投資(X3)、居民生活用水量 (X11)和污水年處理量(X14)有很大的正相關，與人均用水量 (X6)和農業(yè)用水量(X10)有很大的負相關，主要代表了社會經(jīng)濟發(fā)展狀況；第二主成分與工業(yè)用水量(X9)有較大的正相關，與萬元GDP用水量(X5)、水資源總量(X7)和降水量(X15)有很大的負相關，主要反映了水資源供需狀況。因此，鄭州市水資源承載力的主要影響因子可以歸納為社會經(jīng)濟發(fā)展和水資源供需2個主成分。

第一主成分包含了73.629%的變化率，是影響鄭州市水資源承載力的最主要因子。2011年鄭州市人口為885.7萬人，比2003年的697.7萬人增加了26.95%。伴隨著人口數(shù)量的增加和人民生活水平的提高，使得生活用水總量和人均用水量迅速增加，造成水資源承載力的壓力。此外，人們在利用水資源的過程中不可避免的會出現(xiàn)浪費和污染現(xiàn)象，進一步增加了水資源承載力的壓力。2011年鄭州市國內生產(chǎn)總值4 979.8億元，比2003年的1 074.1億元增加了363.63%，固定資產(chǎn)投資由2003年的500.4億元增加到3 002.5億元，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展必然要帶來水資源的巨大消耗。

表3 旋轉后的因子載荷矩陣

表4 特征向量矩陣

第二主成分包含了14.384%的變化率，主要反映水資源的供需狀況。鄭州市2011年工業(yè)用水量5.63億m3，比2003年3.71億m3增加了51.61%，工業(yè)用水在鄭州市用水總量中所占比例越來越大，已經(jīng)超過農業(yè)用水所占比例，給水資源承載力帶來很大壓力。從水資源供應來看，鄭州市2003年水資源總量為21.06億m3，2008年水資源總量為8.43億m3，2011年水資源總量為14.03億m3，水資源總量的年際變化較大。降水在很大程度上緩解了水資源的供給壓力，但降水量的變率大進而影響水資源承載力的穩(wěn)定。從統(tǒng)計資料來看，2003年降水量為1 016.5 mm，是2007年的降水量523.3 mm的194.25%。萬元GDP用水量可以反映水資源利用的效率，鄭州市水資源利用效率逐年提升，2011年的萬元GDP用水量僅為2003年的23.73%，說明隨著科技水平的提高和人們節(jié)水意識的增強，水資源供需矛盾緊張的局面可以得到一定程度的緩解。

2.4 水資源承載力綜合得分

計算兩個主成分得分并根據(jù)2個主成分Y1和Y2的得分貢獻率，計算出綜合得分Y，Y值越小說明當年的水資源承載力越大[7]，具體水資源承載力的各主成分得分和綜合得分及其排序見表5。

表5 水資源承載力綜合評價

由表4得到主成分Y1和Y2的表達式：

Y1=0.273X1+0.290X2+0.292X3+0.290X4-0.287X5-0.212X6-0.174X7+0.227X8+ 0.251X9-0.276X10+0.271X11+0.251X12+0.288X13+0.278X14-0.164X15。

Y2=0.248X1+0.052X2+0.063X3-0.107X4+0.187X5-0.402X6+0.534X7+0.107X8- 0.221X9-0.050X10+0.257X11+0.080X12-0.117X13+0.135X14+0.521X15。

為了更清晰地反映出鄭州市2003—2011年水資源承載力的動態(tài)變化，根據(jù)表5得出水資源承載力主成分及綜合得分趨勢(圖1)。

圖1 水資源承載力主成分及綜合得分趨勢

從圖1看出：鄭州市水資源承載力在2003年最高，此后逐漸下降，到2010年達到最低，2003—2011年鄭州市的水資源承載力總體呈下降趨勢，說明鄭州市水資源開發(fā)利用強度很大，進一步開發(fā)利用的潛力在逐漸變??；鄭州市水資源承載力在2011年出現(xiàn)回升。第一主成分和水資源承載力的總趨勢大體一致，也是在2011年出現(xiàn)上升趨勢，主要是因為第一主成分包含了73.629%的變化率，是影響鄭州市水資源承載力的最主要因子。第一主成分是社會經(jīng)濟發(fā)展因素，主要受人口數(shù)量和社會經(jīng)濟發(fā)展水平的制約。第二主成分變動較大，經(jīng)歷了先上升、再下降、再上升的過程，這與鄭州市降水量的變化有著很強的相關性。鄭州市水資源承載力壓力越來越大，必須積極采取措施，以促進其社會經(jīng)濟健康發(fā)展。

3 結論和討論

(1)通過主成分分析得出影響鄭州市水資源承載力動態(tài)變化的兩大主成分，即社會經(jīng)濟發(fā)展狀況和水資源供需狀況。

(2)2003—2011年鄭州市水資源承載力狀況總體呈現(xiàn)下降態(tài)勢，水資源的開發(fā)利用程度逐漸增大，開發(fā)潛力變小，但2011年出現(xiàn)回升趨勢。社會經(jīng)濟的快速發(fā)展使得需水量快速增加，工農業(yè)生產(chǎn)占用了鄭州市主要用水量，同時又污染了大量水源。人口數(shù)量的增加和人們生活消費水平的提高，使得人們對水資源數(shù)量和質量的要求越來越高，最終導致水資源承載力的壓力逐漸增大。

(3)鄭州市應把人口和經(jīng)濟發(fā)展規(guī)?？刂圃谏鐣唾Y源所能承載的范圍內，在制定政策時更多地考慮資源的承載能力，以促進社會經(jīng)濟和生態(tài)協(xié)調發(fā)展。

(4)為了緩解水資源承載力的壓力，鄭州市應積極調整產(chǎn)業(yè)結構，加強對水資源的利用管理，鼓勵水資源利用率高、水資源使用量少的低耗水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；積極開展水資源的回收利用和污水處理，加強水污染防治工作；大力發(fā)展節(jié)水工藝，提高水資源的利用率；合理分配水資源，制定合適的水價，提高社會的節(jié)水意識。

參考文獻：

[1]施雅風,曲耀光.烏魯木齊河流域水資源承載力及其合理利用[M].北京:社會科學出版社,1992.

[2]劉佳駿,董鎖成,李澤紅.中國水資源承載力綜合評價研究[J].自然資源學報,2011,26(2):258-268.

[3]張士鋒,孟秀敬.糧食增產(chǎn)背景下松花江區(qū)水資源承載力分析[J].地理科學,2012,32(3)：342-347.

[4]喻小軍,江濤,王先甲.基于流域水資源承載力的動力學模型[J].武漢大學學報,2007,40(4)：45-48.

[5]周亮廣,梁虹.基于主成分分析和熵的喀斯特地區(qū)水資源承載力動態(tài)變化研究——以貴陽市為例[J].自然資源學報,2006,21(5)：827-833.

[6]王智勇,鄭昭佩,韓美，等.水資源承載力分析預測——以莒南縣為例[J].水土保持研究,2006,13(5)：114-116.

[7]肖迎迎,宋孝玉,張建龍.基于主成分分析的榆林市水資源承載力評價[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究,2012,30(4)：218-235.

[8]左其亭,馬軍霞,高傳昌.城市水環(huán)境承載能力研究[J].水科學進展,2005,16(1)：103-108.

[9]楊峰,宋全香.鄭州市水資源承載能力的定性與定量研究[J].水利發(fā)展研究,2007(3)：37-39.

[10]雷宏軍,劉鑫,陳豪，等.鄭州市水環(huán)境承載力研究[J].中國農村水利水電,2008(7)：15-19.

[11]高傳昌,謝虹.基于多目標動態(tài)規(guī)劃的鄭州水資源承載力研究[J].人民黃河,2009,31(4)：55-56.

[12]穆廣杰.河南省水資源可持續(xù)利用指標體系構建[J].地域研究與開發(fā),2011,30(5)：135-137.

[13]徐建華.現(xiàn)代地理學中的數(shù)學方法[M].2版.北京:化學工業(yè)出版社,2001.