基于PCA模型的甘肅省缺水因素研究分析

摘 要：本文對甘肅省缺水影響因素進行分析。首先，利用主成分分析模型，在自然力影響因子系統(tǒng)、社會經(jīng)濟技術(shù)水平影響因子系統(tǒng)、社會生活水平影響因子系統(tǒng)中找到影響缺水的主要因素。結(jié)果表明，自然力影響因子中，年降水量、地表水資源和地下水資源是缺水的主要原因；社會經(jīng)濟技術(shù)水平系統(tǒng)與社會生活水平系統(tǒng)中，城鎮(zhèn)人口、居民蓄水量、GDP以及水資源的利用發(fā)展率是主要因素。其次，利用多遠線性回歸模型對甘肅省未來水資源狀況進行了預(yù)測，結(jié)果表明， 供水量與需水量有較大差距。

關(guān)鍵詞：缺水原因

一、背景介紹

水資源是人類社會不可替代的重要資源，隨著水資源的缺乏，對于水資源各方面的研究成為跨學(xué)科領(lǐng)域的一個重點與熱點問題。而在分析水資源短缺的問題，相關(guān)問題要加以考慮，比如，一個地區(qū)為什么會越來越缺水？產(chǎn)生缺水的地質(zhì)，地形和生態(tài)的原因是什么？我們?nèi)绾螠?zhǔn)確地預(yù)測一個地區(qū)未來水的供應(yīng)的情況？本文對甘肅省的缺水情況進行分析，建立主成分分析模型以及多元線性回歸模型，利用第一個模型找出影響地區(qū)缺水的主要因素，利用第二個模型預(yù)測地區(qū)未來的缺水情況。

二、指標(biāo)選擇

對于缺水的影響因素系統(tǒng)是開放的多因素綜合系統(tǒng)，影響缺水的層次眾多，不僅與水資源系統(tǒng)本身特性和開發(fā)利用程度有關(guān)，還與社會經(jīng)濟發(fā)展水平密切相關(guān)。本文從遵循科學(xué)性原則，從自然資源因素和社會經(jīng)濟綜合因素以及生活水平因素選取了27個評價指標(biāo)。

三、影響缺水的因素模型

主成分分析是采取一種數(shù)學(xué)降維的方法，找出幾個綜合變量來代替原來眾多的變量，使這些綜合變量能盡可能地代表原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關(guān)。在現(xiàn)實問題研究中，當(dāng)多個自變量與因變量之間是線性關(guān)系時，所進行的回歸分析就是多元線性回歸。假設(shè)某一變量y受k個自變量的影響，其n組觀測值為，.那么，多元線性回歸模型的一般形式為：。

四、實證分析

（一）缺水的自然力影響因子分析

在對缺水的自然力因子分析時，我們采用年降水量、水資源總量、地表水資源量、地下水資源量、人均水資源、產(chǎn)水系數(shù)、水產(chǎn)量模數(shù)和生態(tài)水利用率作為指標(biāo)。數(shù)據(jù)來源為甘肅省水資源公報。采用SPSS軟件分析后計算各年的綜合得分Y：y= 0.5675 * f1+ 0.1723 * f2。我們主要從年降水量、地表水資源和地下水資源三個自然因素方面解釋甘肅省缺水原因。首先，甘肅省的地形以及氣候影響年降水，同一地區(qū)海拔高的地方降水量多，低的地方降水量少；山區(qū)迎風(fēng)面降水量多，背風(fēng)面少。降水少且不均勻，產(chǎn)生地區(qū)干旱，土地山地山高坡陡，保水性差。其次，地表水的主要來源為冰川水資源，調(diào)解著河川徑流，彌補了降水量的不足。河流的地域分布影響地表水，在同樣降水條件下，山區(qū)徑流深大，丘陵，河谷山地及平原徑流深大，黃土高原徑流深小。第三，地質(zhì)構(gòu)造和地形氣候條件的復(fù)雜性決定了地下水的形成分布，具有明顯的地帶性，地下水的分布，從地形上看，山地多于平原，河谷，山間盆地。

（二）缺水的社會經(jīng)濟技術(shù)水平影響因子分析

在對缺水的社會經(jīng)濟技術(shù)水平因子分析時，我們采用城鎮(zhèn)用水比例、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入等作為指標(biāo)。采用SPSS軟件，過程同上。計算各年的綜合得分Y：y= 0.7864 *f1 + 0.1982 *f2 。分析結(jié)果看出，甘肅省水資源的社會經(jīng)濟技術(shù)支持水平在逐漸提高，但2013年表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。水資源的社會經(jīng)濟技術(shù)支持水平也許在未來會出現(xiàn)下降。

（三）缺水的社會生活水平影響因子分析

在對缺水的社會生活水平因子分析時，我們采用國內(nèi)生產(chǎn)總值、供水量、用水量、水資源開發(fā)利用率等指標(biāo)。采用SPSS軟件，過程同上。計算各年的綜合得分Y：y= 0.4101*f1 + 0.3086*f2 +0.1442 *f3+0.0993 *f4。綜合社會經(jīng)濟技術(shù)水平和社會生活水平主要影響因素，我們認(rèn)為缺水的因素（除自然因素外）主要包括：城市和工礦區(qū)的大量污水、廢水、廢渣排入河流，造成水污染，導(dǎo)致可用清潔水的降低，而與污染因素直接相關(guān)的即是城鎮(zhèn)人口，居民蓄水量和GDP，由于GDP和城鎮(zhèn)人口的增加，導(dǎo)致城鎮(zhèn)人口人均需水量增加，以及所需要匹配的GDP數(shù)額增加，工廠等重工業(yè)投資增加，導(dǎo)致了工廠廢水大量排入河流，引起水污染家具。第二個因素則是水資源的利用發(fā)展率，它的增加將會直接增加可用清潔水的增加，由此帶來生活用水、農(nóng)業(yè)用水以及工業(yè)用水等的增加。

（四）甘肅省未來供需水情況預(yù)測

在對甘肅省未來供水情況的預(yù)測上，我們采用水資源總量作為模型的因變量y1，自變量選取前述指標(biāo)中的地表水資源量和地下水資源量兩個指標(biāo)，分別記作x1，x2。運用SPSS軟件，得到以下線性回歸預(yù)測模型：。模型擬合優(yōu)度達到99.6%且變量都通過了顯著性檢驗。通過模型預(yù)測未來供水量，如表4-4-1所示。在對甘肅省未來需水情況的預(yù)測上，我們采用用水量作為模型的因變量y2，自變量選取前述指標(biāo)中的水資源開發(fā)利用率和地下水資源量兩個指標(biāo)，分別記作x3，x4。運用SPSS軟件，得到以下線性回歸預(yù)測模型：。模型擬合優(yōu)度達到66.8%且變量通過顯著性檢驗。通過模型預(yù)測未來需水量，如表4-4-2所示。

根據(jù)甘肅省地表水與地下水資源歷年數(shù)據(jù)可以看出，歷年的地表水與地下水資源上下波動，并且波動幅度不大，但考慮近年來氣候的變化性，我們在取其平均增長率的基礎(chǔ)上做以適當(dāng)調(diào)整，估算結(jié)果如表所示，據(jù)此估算出回歸模型中各變量值， 并通過回歸方程預(yù)測一年甘肅省未來供水量。從表中可以看出，甘肅省未來的水資源總量呈現(xiàn)波動性趨勢，并且在2020年至2023年有下降的趨勢。根據(jù)甘肅省水資源開發(fā)利用率歷年數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為在短時間內(nèi)，技術(shù)的發(fā)展不會使得水資源開發(fā)利用率有較大變動，所以用歷年的平均值作為未來的預(yù)測值。估算結(jié)果如商標(biāo)所示，據(jù)此估算出回歸模型中各變量值， 并通過回歸方程預(yù)測一年甘肅省未來供水量。結(jié)合兩表可以看出，甘肅省未來的供水量和需水量有較大差距，說明未來甘肅省的缺水情況較嚴(yán)重。

五、改善方案

（一）擴大供給

建設(shè)大型水利項目，例如地方水抽取、淺水地下水抽取。建設(shè)小型水利項目，例如深水地下水抽取、盆地內(nèi)部淡水轉(zhuǎn)移，屋頂雨水收集等。

（二）降低需求

農(nóng)業(yè)需求：加強田間病蟲害綜合管理；莊稼工程（耐旱種子）；灌溉技術(shù)和渠道；管道運輸；工業(yè)需求：電力（蒸汽+降溫+水流發(fā)電）、造紙（紙漿），水循環(huán)利用，廢水利用，工藝流程上的進步；生活需求：城市管道滲露；新型的節(jié)水工具。

（三）提高水資源利用效率

農(nóng)業(yè)方面：農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化配置技術(shù)，建立與水資源條件相適應(yīng)的節(jié)水高效農(nóng)作制度。加快發(fā)展灌區(qū)量測水技術(shù)，發(fā)展輸水建筑物老化防治技術(shù)田間灌水技術(shù)，改進地面灌水技術(shù)。工業(yè)方面：工業(yè)用水重復(fù)利用技術(shù)，冷卻節(jié)水技術(shù)，熱力和工藝系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)。發(fā)展新型輸用水管材。生活方面：使用節(jié)水型器具，使用城市再生水利用技術(shù)、城區(qū)雨水、苦咸水利用技術(shù)、城市供水管網(wǎng)的檢漏和防滲技術(shù)。

參考文獻：

[1] 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(xué)報，2006，21（5）.

[2] 陳守煜，胡吉敏.可變模糊評價法及在水資源承載能力評價中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報，2006，37（3）.