基于主成分分析法的河北省水資源承載力評價

底凱，許中旗

(河北農(nóng)業(yè)大學 林學院，河北 保定 071000 )

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基于主成分分析法的河北省水資源承載力評價

底凱，許中旗

(河北農(nóng)業(yè)大學 林學院，河北 保定 071000 )

為了實現(xiàn)水資源的合理規(guī)劃與利用，以河北省為研究對象，選取人口、GDP、水資源總量、各產(chǎn)業(yè)用水量、萬元GDP用水量等指標構(gòu)建水資源承載力評價指標體系，運用主成分分析法對河北省水資源承載力狀況進行比較分析和綜合評價，結(jié)果表明：2000-2015年降水量變化在390.0～606.4 mm之間，多年地表水資源量變化范圍在39.07～117.76億m3，地下水水資源量在94.25～164.84億m3之間，水資源總量以2012年最高，達到235.53億m3，2006年最低，為107.43億m3。對水資源承載力影響起主導(dǎo)作用的分為3大主成分因素，累計貢獻率達88.064%，其中第1主成分反映了經(jīng)濟、人口和科技的發(fā)展狀況，貢獻率為59.866%；第2主成分反映了水資源的自然稟賦條件，貢獻率為19.033%；第3主成分反映了服務(wù)業(yè)用水量的變化情況，貢獻率為9.165%。2008年以后承載力評價結(jié)果均為正值，河北省水資源承載力狀況整體呈現(xiàn)上升趨勢。

水資源承載力；主成分分析法；河北

隨著社會經(jīng)濟及城市化的不斷發(fā)展，對水的需求量不斷增長，水資源的相對不足已成為制約我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的限制因素。因此，有關(guān)區(qū)域水資源承載力的研究日益受到人們重視[1]。水資源承載力是指某區(qū)域水資源在某一具體歷史發(fā)展階段，以可持續(xù)發(fā)展為原則，并保證正常的社會、物質(zhì)和文化生活條件下，經(jīng)過合理優(yōu)化配置，探求出該區(qū)域經(jīng)濟規(guī)模和人口規(guī)模的最大支撐能力[2-3]。水資源承載力評價則是根據(jù)水資源量、經(jīng)濟、社會規(guī)模等相關(guān)指標，通過數(shù)學模型對該區(qū)域水資源開發(fā)利用狀況進行定量描述，以確定制約區(qū)域發(fā)展的限制因素及水資源的承載狀況[4]。

水資源承載力的研究在國外開始較早。從20世紀90年代開始，國外學者就對水資源承載力進行了研究[5-6]。從21世紀開始，多種不同的多指標綜合評價方法和模型被開發(fā)出來用于水資源承載力的評價[7-8]。近年來，國內(nèi)學者采用了多種研究方法對不同地區(qū)的水資源承載力進行了評價。目前，常見的評價方法主要有層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、專家打分法、模糊綜合評判法等。這些方法各有優(yōu)缺點，且模型精度難以控制[9]。主成分分析法能夠以較少的變量反映較多的信息[10]。該方法工作量適中、精度高，能較好反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的關(guān)系，可很好地用于水資源承載力評價的研究。

河北省水資源嚴重短缺，水資源量遠低于全國平均值，水資源不足成為制約河北省社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。因此，為了河北省的可持續(xù)發(fā)展，要依據(jù)河北省實際情況，正確評價水資源承載力，找到制約水資源承載力變化的因素。為此，以河北省為研究對象，選取人口、GDP、水資源總量、萬元GDP用水量、各產(chǎn)業(yè)用水量等指標建立水資源承載力評價體系，對河北省水資源承載力進行分析和評價，從而為河北省的水資源規(guī)劃及合理利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河北省環(huán)抱京津，地處東經(jīng)113°27′～119°50′、北緯36°05′～42°40′之間，全省面積18.88萬km2，北接內(nèi)蒙古，東與天津市毗連并緊傍渤海，東南部、南部銜山東、河南兩省，西倚太行山與山西省為鄰，東北部與遼寧省接壤。河北省屬資源性嚴重缺水的省份，多年(1956—2000年)平均降水量531.7 mm，人均水資源306.99 m3[11]。全省地表水資源量為152億m3[12]。自20世紀80年代以來，河北省不斷超采地下水，截至2013年已累計超采1 500億m3左右[13]。

2 研究方法

本研究社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來源于《河北省統(tǒng)計年鑒》、水資源數(shù)據(jù)來源于《河北省水資源公報》、定額指標來自《用水定額》[14]。

選擇人口、GDP、水資源總量、萬元GDP用水量、各產(chǎn)業(yè)用水量等指標，運用主成分分析法計算河北省水資源承載力得分，確定影響水資源承載力的因素，對河北省水資源承載力做趨勢分析。

水資源承載力的評價涉及到水資源、社會經(jīng)濟等諸多要素，依據(jù)科學性、全面性、系統(tǒng)性等原則建立河北省水資源承載力評價指標體系[15]，并依據(jù)河北省實際情況結(jié)合已有研究成果[1,10]，在構(gòu)建指標體系時，盡量選取與研究目的緊密聯(lián)系，能反映出各產(chǎn)業(yè)間差異的指標，用盡量多的信息表征河北省的水資源特征，以此構(gòu)建有指導(dǎo)作用的原始指標體系。包括：GDP(X1)、固定資產(chǎn)投資(X2)、人口總量(X3)、降水總量(X4)、水資源總量(X5)、地表水資源量(X6)、地下水資源量(X7)、地下水開采量(X8)、地下水超采量(X9)、萬元GDP用水量(X10)、農(nóng)業(yè)用水量(X11)、工業(yè)用水量(X12)、服務(wù)業(yè)用水量(X13)、生活用水量(X14)、生態(tài)用水量(X15)等共15個指標。

采用主成分分析法對水資源承載力進行評價：為排除量綱的影響，對原始數(shù)據(jù)進行標準化；計算標準化后的樣本相關(guān)矩陣R，并求R的 特 征 值λ1，λ2，...，λi；計算累計貢獻率，一般按累計貢獻率≥80%的原則確定主成分數(shù)；計算主成分的特征向量和表達式；以各主成分的信息貢獻率為權(quán)數(shù)，對歷年水資源承載力進行綜合評價[16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 河北省水資源變化

河北省2000—2015年降水量年際變化較大，整體呈波動上升趨勢。降水量的變化范圍為390.0～606.4 mm，最低值在2002年，為390.0 mm；最高值在2012年，為606.4 mm。2012年降水量是2002年的1.55倍。在2000—2015年期間，整體降水量偏少，僅2003年、2008年、2012年超過多年平均降水量。

河北省多年地表水資源量(徑流量)為152億m3，河北省2000—2015年，地表水資源量在39.07～117.76億m3之間，最高年份為2012年，最低年份為2007年，前者為后者的3.01倍。地下水水資源量在94.25～164.84億m3之間，水量最多的2012年達164.84億m3，最少的2006年僅為94.25億m3。水資源總量變化程度較大，2012年水資源總量最多，為235.53億m3，而最少的2006年卻只有107.43億m3?？偣┧渴冀K在195億m3上下波動。

3.2 河北省水資源評價

水資源承載力評價指標的相關(guān)系數(shù)矩陣，以及主成分的特征值和貢獻率見表1，因子載荷矩陣見表2。分析表明，所選取的進行水生態(tài)承載力評價的15個指標間具有相關(guān)性，并且約占總體30%的指標之間高度相關(guān)。根據(jù)累計貢獻率不少于80%的原則，前3個主成分累計貢獻率達88.064%，已超過了80%。因此，前3個主成分基本可以代表全部因子對河北省水生態(tài)承載力評價的影響。

表1 主成分特征值與貢獻率Table 1 Principal component eigen value and contribution rate

表2 因子載荷矩陣Table 2 Component matrix

由表2可知，3個主成分均包含15個指標，其中第1主成分中的GDP、固定資產(chǎn)投資、人口總量、生活用水量和生態(tài)用水量貢獻率較大，其因子載荷量分別為0.983、0.934、0.976、0.905、0.965；而地下水開采量、萬元GDP用水量、農(nóng)業(yè)用水量具有較大的負貢獻率，其因子載荷量分別為-0.908、-0.869、-0.959。第2主成分中的降水總量、水資源總量、地下水資源量貢獻率較大，其因子載荷量分別為0.846、0.756、0.847。第3主成分中的服務(wù)業(yè)用水量貢獻率較大，其因子載荷量為0.599。

結(jié)合表1和表2可以看出，第1主成分包含了59.866%的貢獻率，是影響河北省水資源承載力的最主要因子。該主成分主要代表了經(jīng)濟發(fā)展、人口增加和工農(nóng)業(yè)用水效率的信息，反映了社會經(jīng)濟發(fā)展對河北省水資源承載力變化的影響。第2主成分的貢獻率是19.033%。該主成分代表了各種水資源量之間的關(guān)系以及水資源的自然條件方面的信息，反映了影響水資源承載力的自然基礎(chǔ)條件。第3主成分的貢獻率是9.165%。該主成分主要代表了第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況，反映了人民生活水平的變化對水資源承載力的影響。

計算主成分量，初始因子荷載矩陣中每一個荷載量表示主成分與對應(yīng)變量的相關(guān)系數(shù)，用成分矩陣中第k列向量除以第k個特征值的開根后即得到第k個主成分量Zk中每個指標所對應(yīng)的系數(shù)，即相應(yīng)的特征向量，并構(gòu)建相應(yīng)的得分表達式，得出相應(yīng)得分。 主成分得分的正負不代表水資源承載力的真實情況，只表示水資源承載力的相對位置，負值表示該年份水資源承載力在評價時間段內(nèi)的平均水平之下，正值說明在平均水平以上。F值越大，意味著水資源承載力越大[17]。具體的水資源承載力綜合評判結(jié)果及排序見表3。

表3 2000-2015年河北省水資源承載力綜合得分Table 3 The scores of water resources’ carrying capacity in Hebei in 2004-2015

從表3可以看出，第1主成分隨時間的變化總體呈上升趨勢，這主要是由于近年來河北省全省GDP、人口總量、人民生活水平等呈現(xiàn)上升的趨勢，而萬元GDP的用水量在逐年下降，用水效率在逐年提高。第2主成分波動較大，這主要與水資源的年際變化較大有關(guān)。第3主成分也呈明顯的波動性變化，這與服務(wù)業(yè)用水量的起伏變化有關(guān)。綜合主成分得分(評價結(jié)果得分)在2008年后均為正值，總體呈上升趨勢。

總體看來，河北省水資源承載力狀況自2000-2015年整體呈上升趨勢。2002年承載狀況最差，2012年承載力最高。自2008年后得分均為正值，說明水資源承載能力在逐漸提高。

4 結(jié)論

2000-2015年降水量年際變化較大，在390.0～606.4 mm之間；地表水資源量在39.07～117.76億m3之間。地下水水資源量在94.25～164.84億m3之間。水資源總量年際變化較大，在107.43～235.53億m3之間。總供水量在195億m3上下波動。

對水資源承載力影響起主導(dǎo)作用的有3大主成分因素，其累計貢獻率達88.064%。其中，第1主成分反映了經(jīng)濟、人口和科技的發(fā)展狀況，貢獻率為59.866%；第2主成分反映了水資源的自然稟賦條件，貢獻率為19.033%；第3主成分反映了對水資源的需求隨著人民生活水平的提高而提高，貢獻率為9.165%?？傮w來看，河北省水資源承載力整體呈上升趨勢，2008年以后，水資源承載力評價結(jié)果均為正值，說明承載能力逐漸提高。從單因子看，GDP和人口總量的因子載荷量分別為0.983和0.976，說明人口的增加和經(jīng)濟的快速發(fā)展對水資源的承載力影響較大。

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(編輯 潘秀華)

Study on carrying capacity of water resources in Hebei based on principal component analysis

DI Kai, XU Zhongqi

(CollegeofForestry,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding071000,China)

For realizing the rational planning and utilization of water resources, taking Hebei province as the study area, indices such as the total population, GDP, total amount of water resources, water consumption of every industries, and water consumption of ten thousand RMB GDP were selected for the construction of the water resources carrying capacity evaluation index system, and the principal component analysis was adopted for comparative analysis and comprehensive evaluation of water resources carrying capacity in Hebei province. The results showed that, the precipitation variation in 2000—2015 ranged between 390.0 and 606.4 mm. The variation of surface water resources was in the range of 39.07×108～117.76×108m3.The amount of groundwater resources was between 94.25×108～164.84×108m3. The total amount of water resources in 2012 was the highest as 235.53×108m3, and the lowest in 2006 as 107.43×108m3. There were three main factors that influenced the carrying capacity of water resources, the cumulative contribution rate of which was up to 88.064%.The first principal component reflected economic development, population increase, scientific and technological progress, the contribution rate of which was 59.866%.The second principal component reflected the natural conditions of water resources, with the contribution rate of 19.033%.The third principal component reflected changes in water use in services, the contribution rate of which was 9.165%.The evaluation results of water resources carrying capacity were positive after 2008, and the overall performance of water resources carrying capacity in Hebei is on a rising tendency.

carrying capacity of water resources；principal component analysis；Hebei

2016-10-16；

2017-05-04

河北省人力資源和社會保障廳“河北省區(qū)域生態(tài)資源現(xiàn)狀分析與評價”(B2014010001)。

底凱(1990-)，男，河北石家莊人，在讀碩士研究生，主要研究方向為森林生態(tài)學。

許中旗(1971-)，男，河北饒陽人，博士，教授，主要從事有關(guān)森林生態(tài)學研究。

1007 - 4961(2017)02 - 0212 - 05

10.13320/j.cnki.hjfor.2017.0038

S 476.2

A