基于主成分分析的湖南省水資源承載力研究

彭瑩瑩，陳淑芳

(湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081)

基于主成分分析的湖南省水資源承載力研究

彭瑩瑩，陳淑芳

(湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081)

針對日益突出的水資源問題，以湖南省為例，運用主成分分析法，選取了總?cè)丝?、水資源總量、GDP等13項指標(biāo)，通過分析選取了兩大主成分對湖南省的水資源承載力變化情況進(jìn)行分析.結(jié)果表明：湖南省水資源承載力的主要影響因素包括人口和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，以及水資源的自然狀況.總體上，湖南省水資源承載力在逐年朝著較好的方向發(fā)展，但仍存在一些不穩(wěn)定性，需采取有效措施加以鞏固，以保證各方面的可持續(xù)發(fā)展.

主成分分析；水資源承載力；湖南省

水資源是一種不可或缺的自然資源，對人類社會的生存和可持續(xù)發(fā)展都有著至關(guān)重要的作用.水資源短缺和水環(huán)境污染等水安全問題的不斷出現(xiàn)，成為了制約人類社會又好又快發(fā)展的重要因素[1].而水資源承載力作為水資源安全研究中的基礎(chǔ)課題和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項重要度量指標(biāo)，對其研究具有十分重要的現(xiàn)實意義[2,3].

綜合評價水資源承載力的方法有很多，如常規(guī)趨勢法、模糊綜合評價方法、系統(tǒng)動力學(xué)法、多目標(biāo)分析法等，這些方法都各具特點，但在實際的分析過程中也都存在一定的局限性，并且模型的精度較難控制[4,5].近些年來，隨著研究的不斷深入以及多元統(tǒng)計分析方法的快速發(fā)展，在水資源研究領(lǐng)域中，主成分分析法的應(yīng)用越來越廣泛，大量的研究證實了該方法具有一定的可行性.主成分分析方法的本質(zhì)在于，把多個復(fù)雜的變量進(jìn)行最佳綜合，簡化為少數(shù)幾個綜合的指標(biāo)，這幾個綜合指標(biāo)中既包含了原有指標(biāo)的重要信息，又去除了指標(biāo)信息間的重疊，同時客觀地確定指標(biāo)間的權(quán)重關(guān)系，避免了人為的主觀隨意性，能更科學(xué)、準(zhǔn)確地反映出研究結(jié)果[6].

湖南省雖然水資源總量較豐富，但時空分布不均，部分地區(qū)配套的水利設(shè)施相對落后，在水資源開發(fā)利用方面存在很多的問題.近年來，隨著湖南省經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和水資源供需狀況的變化，水資源短缺日益成為了制約湖南省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中的關(guān)鍵因素.湖南是我國的農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)歷來都是用水大戶，不合理的灌溉技術(shù)使得水資源耗損嚴(yán)重.除此之外，工業(yè)生產(chǎn)廢水、生活污水等的大量排放，也對湖南的水資源、水環(huán)境帶來很大的影響.面對湖南省出現(xiàn)的越來越多的水資源問題，對湖南省的水資源承載力進(jìn)行研究，為湖南省整體的可持續(xù)發(fā)展出謀劃策具有重要的現(xiàn)實意義.

鑒于以上分析，本文借助SPSS19.0軟件[7]，采用主成分分析法，根據(jù)湖南省2003-2013年的統(tǒng)計資料，建立適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)體系，對湖南省的水資源承載力進(jìn)行具體分析.

1 研究區(qū)域概況

湖南省位于長江以南，屬于長江中游地區(qū)，介于東經(jīng)108°47’～114°15’，北緯24°38’～30°08’之間，東臨江西，西接重慶、貴州，南毗廣東、廣西，北與湖北相連，省境絕大部分位于洞庭湖以南.湖南省河流交錯縱橫，長度5km以上的河流有5341條，其中有1301條河流的流域面積在50km2及以上.河流大多屬于湘水、資水、沅水、澧水四水及其支流.湖南地形東、西、南三面環(huán)山，北部和中部相對低平，因這樣的地勢特點，河流由東、西、南三面匯入洞庭湖和長江，形成了一個比較完整的洞庭湖水系.湖南最大的河流是四水中的湘江，其屬于長江七大支流之一，由南到北貫穿湖南省境；洞庭湖是我國第二大淡水湖，同時也是湖南省最大的湖泊.湖南屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度在15-18℃之間，年平均降水量在1200-1700mm之間，氣候溫暖，四季分明，降水量充沛，為我國雨水較多的省份之一.2013年末湖南省的總?cè)丝谶_(dá)到了7147.28萬人，其中城鎮(zhèn)人口所占比重達(dá)到了約47.96%，GDP達(dá)到了24501.67億元，同比增長了約10.1%，近些年來始終保持著良好的增長趨勢.2013年湖南全省完成的固定資產(chǎn)投資達(dá)到了18381.4億元，其中工業(yè)投資、生態(tài)環(huán)境投資在總投資中所占的比例增長較多.三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也在進(jìn)一步優(yōu)化，為后續(xù)的發(fā)展夯實基礎(chǔ).

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

本文采用主成分分析法對湖南省的水資源承載力進(jìn)行研究，以期為湖南省的水資源合理配置和水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供參考依據(jù).

主成分分析法的原理就是對高維變量進(jìn)行降維處理，以少數(shù)幾個互不相關(guān)、相互獨立的綜合指標(biāo)來反映原有多個相關(guān)變量的絕大部分信息[8,9].這種方法不僅丟失的信息少，還能彌補(bǔ)只考慮單承載因子的不足之處，很好地解決了因參變量難以把握而導(dǎo)致結(jié)論不合理的問題[10].運用SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行主成分分析的一般步驟為：(1)為了避免因量綱和數(shù)量級的不同而造成的影響，首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；(2)計算出標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)集的相關(guān)系數(shù)矩陣；(3)求出相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值以及相對應(yīng)的特征向量；(4)計算貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率，一般來說，按照累計貢獻(xiàn)率大于85%的原則確定主成分的個數(shù)；(5)計算評價因子的主成分得分，以及水資源承載力綜合評價指數(shù)得分[11].綜合評價指數(shù)的得分越高，說明水資源承載力狀況越理想；反之，則越不理想[12].

本文中所選用的指標(biāo)數(shù)據(jù)均來自于2004-2014年《湖南省統(tǒng)計年鑒》以及2003-2013年《湖南省水資源公報》.

3 湖南省水資源承載力分析

3.1 指標(biāo)選取

水資源承載能力的影響因素涉及到人口變化、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、水資源稟賦條件等很多不同方面、不同角度的內(nèi)容，只有在眾多的因素中客觀地選擇相對合適的影響因素作為評價指標(biāo)，才能更準(zhǔn)確地對該區(qū)域的水資源承載力進(jìn)行評價.根據(jù)主成分分析法的原理，找出影響該區(qū)域的主要因素[13].本文遵循可測性、可靠性、充分性、科學(xué)性等原則，在參考其他學(xué)者對水資源承載力研究的基礎(chǔ)上，選取了13項評價指標(biāo)對2003-2013年這十一年間的湖南省水資源承載力進(jìn)行評價[14].分別為(見表1)：

表1 湖南水資源承載力評價指標(biāo)

3.2 主成分分析

經(jīng)收集和整理得到了用于進(jìn)行湖南省水資源承載力評價的13項指標(biāo)的原始數(shù)據(jù).運用spss19.0統(tǒng)計分析軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，為了消除量綱和數(shù)量級造成的影響，首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)而得到湖南省水資源承載力各評價指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣(見表2).通過對所得相關(guān)系數(shù)矩陣的觀察，可以發(fā)現(xiàn)所選取的評價指標(biāo)之間存在著不同程度上的相關(guān)性，其中X1(總?cè)丝?和X13(污水處理率)、X6(GDP)和X7(固定資產(chǎn)投資)、X6(GDP)和X13(污水處理率)、X8(萬元GDP用水量)和X9(萬元工業(yè)增加值用水量)分別存在著較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.993、0.990、0.984、0.984，這為下面進(jìn)一步進(jìn)行主成分分析提供了基礎(chǔ)，證實了主成分分析法在此研究中的可行性和必要性.

表2 評價指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

計算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率(見表3).

表3 特征值及貢獻(xiàn)率

由表3中的數(shù)據(jù)可知，前兩個主成分的累計貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了88.42%，滿足按照累計貢獻(xiàn)率大于85%確定主成分個數(shù)的原則.同時根據(jù)成分碎石圖(圖1)提供的信息，基于將特征值大于1的成分選取為主成分.因此，綜合上述兩種主成分選取方式，在本研究中可以選取前兩個主成分對湖南省的水資源承載能力進(jìn)行評價，并且從表3和圖1中，我們不難看出保留前兩大主成分已經(jīng)能夠概括絕大部分的原始信息，這既達(dá)到了降維、簡化的目的，又在一定程度上保證了后續(xù)研究結(jié)果能準(zhǔn)確而充分地反映出湖南省水資源承載力的基本特征[15].

表4 主成分載荷矩陣

計算主成分的載荷矩陣，主成分載荷是指兩大主成分與各變量指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)[16](見表4).

圖1 因子分析結(jié)果碎石圖

由表4可知，第一主成分與污水處理率、總?cè)丝?、GDP、工業(yè)用水量、人口自然增長率、固定資產(chǎn)投資之間存在強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，與農(nóng)業(yè)用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量之間存在強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系；可以認(rèn)為，這些指標(biāo)反映了湖南省人口、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展情況.第二主成分與水資源總量、年平均降水量之間存在強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系；可以認(rèn)為，反映了湖南省水資源供應(yīng)的自然狀況.兩大主成分包含了人口、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源的自然狀況等方面的內(nèi)容，比較全面地概括了影響水資源承載能力的因素，因此，可以用這兩個主成分來反映湖南省水資源承載力的變化情況.

第一主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到了71.971%，說明人口和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響湖南省水資源承載力的最主要的因子.人不僅是社會生產(chǎn)的主體，也是水資源承載力的客體[17].2013年湖南的總?cè)丝跀?shù)比2003年增加了7.27%，人口自然增長率也從2003年的4.95%增加到了2013年的6.54%.伴隨著湖南省與日俱增的人口數(shù)量，必然使得人們對用水的需求大幅度的增加，人類的活動也導(dǎo)致了不斷加劇的水浪費和水污染問題，這些無疑都會對湖南省的水資源承載力造成更加大的壓力.2013年湖南省GDP達(dá)到了24501.67億元，比2003年的4659.99億元增加了4倍多，固定資產(chǎn)投資也由2003年的1557億元增加到了2013年的18381.44億元，增加了10倍多.隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，一方面，導(dǎo)致了工、農(nóng)業(yè)等各方面用水量的需求不斷增加，水資源被大量的消耗.另一方面，因為科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得對污水的處理能力得到了顯著的提高；2013年湖南省的污水處理率由2003年的26.8%提高到了88.4%，這在一定程度上對水資源起到了補(bǔ)給的作用，緩解了水資源的壓力.因此，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源承載力來說，既是壓力因素同時也是動力因素.湖南是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)對水的需求非常的大，不當(dāng)?shù)墓喔燃夹g(shù)以及較低的用水效率，會造成水資源的大量耗損，這對水資源承載力來說也是不小的壓力.

第二主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到了16.451%，說明水資源的自然狀況也是影響湖南省水資源承載力的一個重要因子.總體而言，湖南省水資源自然狀況良好，湘、資、沅、澧四水蜿蜒曲折流貫全省，擁有我國第二大淡水湖——洞庭湖，是我國雨水較多的省區(qū)之一，降水能在很大程度上緩解水資源供應(yīng)的壓力.但是湖南水資源分布不均，不僅年內(nèi)變化大，經(jīng)常會導(dǎo)致季節(jié)性缺水的問題，而且年際變化大，存在著明顯的豐水年和枯水年，這都影響著水資源承載力的穩(wěn)定性.

3.3 水資源承載力主成分得分分析

計算出兩個主成分的得分，并根據(jù)兩個主成分的貢獻(xiàn)率，計算出主成分的綜合得分(見表5和圖2),以此分析湖南省水資源承載力年際變化的情況.

表5 2003-2013年水資源承載力綜合評價

圖2 湖南省水資源承載力變化趨勢圖

從表5中可以看到，F(xiàn)1、F2是主成分得分，F(xiàn)為綜合得分.其中，主成分得分有正有負(fù)，這里的正負(fù)并不能代表水資源承載力的實際水平，而是表示其所處的相對位置，正值表示高于所評價時間段的平均水平，負(fù)值表示低于所評價時間段的平均水平.綜合得分的值越大，說明水資源承載力越大，綜合得分的值越小，則說明水資源承載力越小[18].

圖2清晰地反映了湖南省水資源承載力的變化趨勢，從圖2中，我們可以看到，主成分F1的得分變化趨勢與綜合得分的變化趨勢大致是一樣的，整體呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，主要是受人口和社會經(jīng)濟(jì)逐年增長的影響.主成分F2的得分變化經(jīng)歷了多次上升、下降的交替過程，考慮與降水的不穩(wěn)定性存在很大的關(guān)聯(lián).較大的下降年份出現(xiàn)在2007、2009、2011、2013，在這些年份，降水量較往年出現(xiàn)較大幅度的減少，其中尤以2011年下降程度最為明顯.2011年湖南出現(xiàn)全省性的春夏連旱，干旱發(fā)生時段為多年來少見[19].2011年湖南省的年平均降水量僅為1051.3mm,為多年來的降水量最低值，該年的水資源總量同樣也為多年來的最低值，可見降水對緩解水資源壓力，提高水資源承載力的重要性.

總體而言，湖南省的水資源承載力呈現(xiàn)出了逐年的波動上升，這主要是因為雖然隨著人口的不斷增長、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，對水資源的需求和損耗勢必越來越大，但在這個過程中，隨著湖南經(jīng)濟(jì)社會的全方位發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，對降水不穩(wěn)定等水資源稟賦條件中不利情況的處理和適應(yīng)能力得到提高，對水資源的開發(fā)利用程度以及對污水的處理能力也在不斷地增強(qiáng).同時由于國家鼓勵實施計劃生育政策和人們思想覺悟的提高，湖南人口的素質(zhì)也在進(jìn)步，人們對于水資源的節(jié)約和保護(hù)意識都在增強(qiáng)；從另一層面上講，這也能緩解一部分水資源的壓力，提高水資源的承載能力[20].

4 結(jié)果與討論

本文根據(jù)2003-2013年湖南省水資源情況和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在眾多影響因素中選擇了總?cè)丝?、水資源總量、年平均降水量、GDP、萬元GDP用水量等13個關(guān)鍵因素作為評價指標(biāo)，運用主成分分析法對湖南省水資源承載力的年際變化情況進(jìn)行分析.通過主成分分析，確定了影響湖南省水資源承載力的兩個主成分，分別為人口和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及水資源自然狀況，能夠比較全面地概括水資源承載力的影響因素，反映水資源承載力的變化趨勢.

2003-2013年間，湖南省的水資源承載力整體呈波動上升的趨勢，其中人口和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響湖南水資源承載力的最主要因素.因此，為促進(jìn)水資源的可持續(xù)發(fā)展，提高水資源承載能力，一方面要注意響應(yīng)國家政策，實施計劃生育，控制人口過快增長，提高人口素質(zhì)，強(qiáng)化人們節(jié)約水資源、保護(hù)水資源的意識；另一方面要加快調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，鼓勵多發(fā)展耗水少，污水排放少的產(chǎn)業(yè)，多開發(fā)能提高污水處理能力和水資源開發(fā)利用程度的科學(xué)技術(shù)，做好水資源的科學(xué)管理，減少經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與有限的水量供給之間的矛盾，促進(jìn)人與社會、自然的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展.

本文由于資料的限制，只是對湖南省近11年間的水資源承載力進(jìn)行了時間上的變化分析，沒有對湖南省各地區(qū)的水資源承載力進(jìn)行空間分析，在以后的研究中將不斷改進(jìn)，找出湖南省各地區(qū)之間的水資源承載力差異以及各評價指標(biāo)對于湖南省水資源承載力有哪些具體的影響.另在本文中，只采用了主成分分析法，并未與其他方法的評價結(jié)果進(jìn)行比較分析，因此有待進(jìn)一步深入研究.

[1]Song X, Kong F, Zhan C. Assessment of water resources carrying capacity in Tianjin city of China[J].Water Resour Manage, 2011, (3): 857-873.

[2]夏軍，朱一中.水資源安全的度量：水資源承載力的研究與挑戰(zhàn)[J].自然資源學(xué)報，2002,(3)：262-269.

[3]王春娟，馮利華，陸小強(qiáng).鄂爾多斯市水資源承載力的主成分分析[J].水資源與水工程學(xué)報，2012，(1)：77-80.

[4]楊平，易衛(wèi)華，鄧沐平.基于主成分分析的江西省水資源承載力研究[J].廣東水利水電，2008，(9)：19-26.

[5]Liu R, Li L, Li H, et al. Research on carrying capacity of water resource based on multi-reservoir regulation[J]. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 2013, (23): 4340-4343.

[6]李高偉，韓美，劉莉，等.基于主成分分析的鄭州市水資源承載力評價[J].地域研究與開發(fā)，2014，(3)：139-142.

[7]辛邦穎.SPSS軟件在多元統(tǒng)計分析中的作用[J].學(xué)園(教育科研)，2012，(11)：93-94.

[8]徐建華.現(xiàn)代地理學(xué)中的數(shù)學(xué)方法(第2版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[9]李磊，張敏，王炯.基于主成分分析的陜西省水資源承載力預(yù)測[J].數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2013，(7)：37-44.

[10]邢旭光，史文娟，張譯丹，等.基于主成分分析法的西安市地下水資源承載力評價[J].水文，2013,(2)：35-38.

[11]任玉忠，葉芳，高樹東，等.基于主成分分析的濰坊市水資源承載力評價研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2012，(5)：312-316.

[12]孫毓蔓，夏樂天，王春燕.基于主成分分析的南京市水資源承載力研究[J].人民黃河，2010，(10)：74-75.

[13]張光鳳，張祖陸.基于GIS的濟(jì)寧市水資源承載力的主成分分析[J].水電能源科學(xué)，2013，(12)：21-24.

[14]傅湘，紀(jì)昌明.區(qū)域水資源承載能力綜合評價——主成分分析法的應(yīng)用[J].長江流域資源與環(huán)境，1999，(2)：168-173.

[15]劉銳，陳偉亞.基于主成分分析法的武漢市水資源承載力評價[A].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集[C].2013.

[16]白若男，歐洋銘，梁川.基于主成分分析的成都市水資源承載力研究[J].中國水運，2012，(12)：200-202.

[17]王維維，孟江濤，張毅.基于主成分分析的湖北省水資源承載力研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，(11)：2764-2767.

[18]許朗，黃鶯，劉愛軍.基于主成分分析的江蘇省水資源承載力研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2011，(12)：1468-1474.

[19]湖南省防汛抗旱指揮部辦公室.湖南省2011年主汛期前全省性干旱及抗旱工作情況[J].中國防汛抗旱，2011，(4)：17-18.

[20]晁偉鵬，陸倩.基于主成分分析的新疆水資源承載力研究[J].市場論壇，2013，(12)：31-32.

(責(zé)任編校：晴川)

Study on the Carrying Capacity of Water Resources in Hunan Province Based on the Principal Component Analysis

PENG Yingying, CHEN Shufang

(College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha Hunan 410081, China)

In terms of the increasingly prominent problem of water resources, taking Hunan province as an example, the paper uses the principal component analysis method to analyze the carrying capacity of water resources in Hunan province. For the analysis, we selected total population, total amount of water resources, GDP and other 10 indicators. Finally, two principal components were selected through the analysis. The results show that the main influencing factors of water resources carrying capacity in Hunan province include population, social economy development condition and natural condition of water resources. In general, the water resources carrying capacity in Hunan province is growing better and better year by year. However, there are still some instabilities. Effective measures are supposed to be taken to consolidate the carrying capacity to ensure the sustainable development of all aspects.

principal component analysis; carrying capacity of water resources; Hunan province

2015-05-25

彭瑩瑩(1990— )，女，江蘇南通人，湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院碩士生.研究方向：洞庭湖流域水資源和水環(huán)境.

TV213

A

1008-4681(2015)05-0091-04