基于主成分分析法的陜西省水資源承載力評(píng)價(jià)

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(陜西省地下水管理監(jiān)測(cè)局，陜西 西安 710003)

基于主成分分析法的陜西省水資源承載力評(píng)價(jià)

李小冰，胡濱

(陜西省地下水管理監(jiān)測(cè)局，陜西 西安 710003)

本文選取影響水資源承載力的16個(gè)指標(biāo)，運(yùn)用主成分分析法對(duì)陜西省水資源承載力進(jìn)行客觀分析，結(jié)果表明，在樣本考核期內(nèi)，隨著近幾年經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，陜西省水資源承載力有明顯上升趨勢(shì)，但其承載力處于較低水平，為以后水資源合理開發(fā)利用及可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

陜西省；水資源承載力；主成分分析法

水資源不僅是控制生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)自然資源，而且是社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，更是一種戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)得發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，如何在不破壞甚至提高生態(tài)質(zhì)量的前提下，合理配置水資源，是水資源管理者和決策者研究的重點(diǎn)問題。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)水的需求量不斷增加，水資源供需矛盾也將會(huì)日益突出，水資源已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”之一。因此，正確地評(píng)價(jià)區(qū)域水資源的承載能力，對(duì)合理充分利用當(dāng)?shù)厮Y源，促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 陜西省2010～2015年水資源承載力標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

陜西省地處我國內(nèi)陸腹地，東連山西、河南省，南與湖北、四川、重慶毗鄰，西倚甘肅、寧夏，北接內(nèi)蒙古自治區(qū)。東西寬200～500 km，南北長(zhǎng)870 km，總面積20.56萬 km2，占全國總土地面積的2.1%左右。以秦嶺為分界線，形成兩大流域。秦嶺以南，屬長(zhǎng)江流域，面積為72 302 km2，占全省面積的35.2%；秦嶺以北，屬黃河流域，面積13 3301 km2，占全省面積的64.8%。

1.2 水資源概況

陜西省橫跨黃河、長(zhǎng)江兩大流域，全省多年平均降水量676.4 mm，多年平均地表徑流量425.8億 m3，水資源總量445億 m3，居全國各省(市、區(qū))第19位。全省人均水資源量為1 280 m3，最大年水資源量可達(dá)847億 m3，最小年只有168億 m3，豐枯比在3.0以上。水資源時(shí)空分布嚴(yán)重不均，時(shí)間分布上，全省年降雨量的60%～70%集中在7～10月份，往往造成汛期洪水成災(zāi)，春夏兩季旱情多發(fā)；地域分布上，秦嶺以南的長(zhǎng)江流域，面積占全省的36.7%，水資源量占到全省總量的71%；秦嶺以北的黃河流域，面積占全省的63.3%，水資源量?jī)H占全省的29%。

2 研究方法

主成分分析法[3]是一種把多個(gè)變量劃分為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法，其工作目標(biāo)就是對(duì)高維變量空間進(jìn)行降維處理，以使原來的多個(gè)變量達(dá)到最佳綜合簡(jiǎn)化。主成分分析法的主要計(jì)算步驟如下：

(1)輸入原始數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)誤差及量綱差異的影響;

(2)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣:

R=(rij)p×p

(3)計(jì)算│R-λE│=0的特征值，求出λ1，λ2，λ3，…，λp，并將特征值從大到小排列，同時(shí)求得對(duì)應(yīng)的特征向量u1，u2，u3，…，up。

(4)計(jì)算貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率。累計(jì)貢獻(xiàn)率：

當(dāng)ek≥85%，取z1，z2，…，zk作為主成分(zj=u1jx1+u2jx2+…+upjxp)。

(5)各個(gè)主成分權(quán)重

(6)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)。綜合評(píng)價(jià)值

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值的大小，可以對(duì)陜西省近幾年的水資源承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)近幾年的綜合評(píng)價(jià)值的整體趨勢(shì)，對(duì)陜西省水資源承載能力做一分析。

表2 陜西省水資源承載力變化驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)關(guān)系系數(shù)矩陣

3 陜西省水資源承載力評(píng)價(jià)

3.1 水資源承載力變化主成分因子的選取

根據(jù)2010～2015年《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《陜西省水資源公報(bào)》統(tǒng)計(jì)陜西省的經(jīng)濟(jì)、水資源和供用水量等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，從中選取16個(gè)驅(qū)動(dòng)力影響因子進(jìn)行分析：總?cè)丝跀?shù)(x1)、國內(nèi)生產(chǎn)總值(x2)、固定資產(chǎn)投資(x3)、城鎮(zhèn)居民消費(fèi)水平(x4)、農(nóng)村居民消費(fèi)水平(x5)、農(nóng)業(yè)用水量(x6)、單位耕地用水量(x7)、工業(yè)用水量(x8)、單位工業(yè)產(chǎn)值用水量(x9)、生活用水量(x10)、人均日生活用水量(x11)、年降水量(x12)、水資源總量(x13)、水資源開發(fā)利用率(x14)、供水量(x15)、用水量(x16)。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，可以得出陜西省水資源承載力變化驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)系數(shù)矩陣和主成分特征值及貢獻(xiàn)率。

陜西省水資源承載力系統(tǒng)指標(biāo)的原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后，結(jié)果如表1所示。

求出相關(guān)系數(shù)矩陣R(表2)的特征值λ，對(duì)應(yīng)的特征向量u及其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率e。計(jì)算結(jié)果表明(表3)，前兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到85.17%，為了更充分的表述陜西省水資源承載力狀況，本次分析選取前3個(gè)主成分，即Z1、Z2、Z3進(jìn)行分析。當(dāng)k=3時(shí)，e3=95.22%，對(duì)應(yīng)的3個(gè)特征值分別為λ1=11.184，λ2=2.444，λ3=1.608。各個(gè)特征值的貢獻(xiàn)率分別為ω1=69.898%，ω2=15.272%，ω3=10.053%。相關(guān)矩陣的特征向量見表5。

為了更清楚地表示各變量在主成分上的荷載，對(duì)因子荷載做方差最大化正交旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的因子荷載矩陣見表4。由表4可以看出，Z1與人口、GDP、固定資產(chǎn)投資、居民消費(fèi)水平、生活用水、人均生活用水量及供水量有強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系；與單位工業(yè)產(chǎn)值用水存在強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系。Z2與年降水量和年水資源總量有強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系；與單位耕地用水及水資源開發(fā)利用率存在強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系。Z3與工業(yè)用水存在強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

3.2 陜西省水資源承載力計(jì)算及其分析

水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果由主成分與客觀權(quán)重之積可得，陜西省水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果見圖1。從圖1可以看出在樣本考核期內(nèi)，水資源承載能力呈明顯上升趨勢(shì)，出現(xiàn)這種狀況的主要原因分析如下：

表4 因子荷載矩陣

陜西省人口的穩(wěn)步增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展是該省水資

源承載力變化的主要影響因子，雖然這兩大因子逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)，形成對(duì)水資源承載力的壓力逐年增加，但是由于近幾年節(jié)水器具的普及越來越高、工業(yè)用水重復(fù)利用率的逐步提高提高、人們節(jié)水意識(shí)的不斷增強(qiáng)、再生水使用量逐年提高、科學(xué)規(guī)劃生態(tài)用水使得水資源的承載力有明顯上升趨勢(shì)。

但在目前經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的前提下，人口不斷增加，外來務(wù)工人員大量涌入，促進(jìn)城市化進(jìn)程不斷加快，居民消費(fèi)水平逐漸提高，生活用水量不斷增加，對(duì)水資源承載力形成較大壓力；國民生產(chǎn)總值迅速增加，工企業(yè)數(shù)量不斷擴(kuò)大，全社會(huì)固定資產(chǎn)投資逐年加大，導(dǎo)致工企業(yè)用水不斷增長(zhǎng)，工業(yè)供水量大量增加，導(dǎo)致水資源承載力承受著前所未有的壓力和考驗(yàn)；總體來看[4],陜西省水資源承載力處于較低的水平,其原因可歸結(jié)為水資源整體匱乏、人口壓力大、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理等方面。

圖1 水資源承載力評(píng)價(jià)成果圖

特征向量x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11x12x13x14x15x16U10.0840.0880.0850.0890.0850.041-0.0450.037-0.0860.0880.088-0.044-0.0630.0600.0860.084U2-0.052-0.024-0.076-0.013-0.0610.311-0.2530.2100.0170.0300.0390.2820.231-0.1700.1040.127U30.1870.0480.1340.0710.143-0.281-0.080-0.4460.0090.0800.0660.1720.265-0.3730.0400.071

使用“加權(quán)法”計(jì)算各指標(biāo)對(duì)水資源系統(tǒng)的影響權(quán)重，影響因子的值見表6。

表6 指標(biāo)影響權(quán)重

4 結(jié)語

本文采用主成分分析法對(duì)陜西省水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，客觀地計(jì)算出各指標(biāo)在其子系統(tǒng)中的權(quán)重，并將其原始數(shù)據(jù)帶入得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)本次綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，在樣本考核期內(nèi)，總體上，水資源承載力有明顯上降趨勢(shì)，但其承載力仍處于較低水平。研究結(jié)果可以為陜西省水資源合理利用提供決策依據(jù)，對(duì)以后經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有一定的意義。

[1]趙毓梅，趙先貴，董林林，等.陜西省水資源承載力動(dòng)態(tài)研究[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究.2008.24(1):95-98,105.

[2]邵金華，劉賢趙.區(qū)域水資源承載力主成分分析法及應(yīng)用-以陜西省西安市為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2006.34(19):5017-5018,5021.

[3]李蔚，林耿耿，趙丹丹，等.基于主成分分析的杭州市水資源承載能力評(píng)價(jià)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2010.38(2):320-323.

[4]屈小娥. 陜西省水資源承載力綜合評(píng)價(jià)研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境.2017.(02):91-97.

[5]孫磊,薛梅,朱麗. 主成分分析法在區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 2017第九屆河湖治理與水生態(tài)文明發(fā)展論壇論文集(2017).

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1004-1184(2017)05-0161-03

2017-05-14

李小冰(1986-)，女，河南許昌人，工程師 ，主要從事水利水電與水文水資源等方面工作。