基于主成分分析的寧夏水資源承載力研究

王鴻翔，陳秋米,2，張海濤,2，郭文獻(xiàn)，陳鼎新，王 群

(1.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450046；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3. 水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170)

0 引 言

水，是人類進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)不可替代的自然資源，是維持人類生存繁衍不可缺少的寶貴資源，同時(shí)也是文明之魂，具有多種功能和屬性。

承載力是力學(xué)中的一個(gè)物理概念，指物體在不產(chǎn)生任何破壞時(shí)所能承受的最大負(fù)荷。水資源承載力是在水問(wèn)題的日益突出的背景下，由我國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)80年代末提出的。水資源承載力是承載力概念在水資源領(lǐng)域的具體應(yīng)用，是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)持續(xù)發(fā)展過(guò)程中各種自然資源承載力的重要組成部分，具有自然與社會(huì)的雙重屬性，對(duì)一個(gè)國(guó)家或地區(qū)綜合發(fā)展和發(fā)展規(guī)劃有至關(guān)重要的影響。國(guó)外對(duì)水資源承載力的研究起源較早，但其研究不夠深入，常常僅在可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題中得到泛泛的討論。國(guó)內(nèi)水資源承載力研究雖然起步較晚，但發(fā)展速度較為快速，比較有代表性的研究包括：施雅風(fēng)，曲耀光運(yùn)用常規(guī)趨勢(shì)法對(duì)烏魯木齊河流域進(jìn)行水資源承載力研究[1]；朱一中,夏軍,談戈[2]西北地區(qū)水資源承載力分析預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)；張保成,孫林巖[3]國(guó)內(nèi)外水資源承載力的研究綜述；惠泱河,蔣曉輝,黃強(qiáng),薛小杰[4]水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究；李湘姣,王先甲[5]珠江三角洲水資源可持續(xù)利用綜合評(píng)價(jià)分析；王建華，姜大川[6]利用動(dòng)態(tài)試算反饋的評(píng)價(jià)方法對(duì)沂河流域(臨沂段)進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)；李湘姣，王先甲[7]運(yùn)用主成成分分析法對(duì)珠江三角洲展開(kāi)了水資源可持續(xù)利用綜合評(píng)價(jià)分析；黨麗娟,徐勇[8]水資源承載力研究進(jìn)展及啟示。由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)水資源承載力的研究方法更具多樣性。

目前對(duì)水資源承載力的研究可歸納為：①通過(guò)水資源供需平衡評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力狀況；②選取影響指標(biāo)，利用評(píng)價(jià)方法對(duì)區(qū)域水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)方法有很多，如：常規(guī)趨勢(shì)評(píng)價(jià)法、密切值評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[9]、向量模法及主成分分析法[10,11]等。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源主成分分析法

主成分分析法能將多個(gè)不相關(guān)的指標(biāo)匯集為少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立的綜合性指標(biāo)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能將繁雜的問(wèn)題變得簡(jiǎn)單，使問(wèn)題分析起來(lái)更加簡(jiǎn)單方便，得出的結(jié)果科學(xué)性更強(qiáng)。本文根據(jù)2005-2015年的寧夏統(tǒng)計(jì)資料，選取13項(xiàng)主要影響水資源承載力的因素，建立綜合評(píng)價(jià)體系，并對(duì)寧夏水資源承載水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文所選指標(biāo)均出自《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》和《寧夏水資源公報(bào)》。

主成分分析法的一般計(jì)算步驟如下：

(2)對(duì)樣本的相關(guān)系數(shù)矩陣R進(jìn)行計(jì)算。R=[rij]p×p，其中：

(3)對(duì)特征向量及特征值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)|R-λIp|=0，得到R的前m個(gè)較大的特征值λ1≥λ2≥…λm>0,滿足并求出其對(duì)應(yīng)的特征向量U1≥U2≥…≥Um。

(5)對(duì)主成分得分進(jìn)行計(jì)算。主成分的得分是相應(yīng)的因子得分乘以相應(yīng)的方差的算術(shù)平方根。Fn=α1nX1+α2nX2+…+αpnXp，i=1，2，…，m。

2 寧夏水資源承載力綜合研究

2.1 研究區(qū)概況

寧夏處在中國(guó)西部的黃河上游，南北相距約456 km，東西相距約250 km，總面積為6.64 萬(wàn)多km2。2016年末全區(qū)常住人口674.90萬(wàn)人，其中，城鎮(zhèn)人口379.87萬(wàn)人。寧夏降水稀少，多年平均降雨量?jī)H為289 mm，不足全國(guó)平均值的一半。全區(qū)多年平均年徑流量為9.493 億m3，僅為全國(guó)均值的1/15。寧夏全區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源總量11.633 億m3，多年平均當(dāng)?shù)氐乇硭Y源可利用量為4.5 億m3，當(dāng)?shù)氐叵滤昧?.5 億m3，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展主要依賴于國(guó)家分配的過(guò)境黃河水。

寧夏全區(qū)用水結(jié)構(gòu)非常不合理，水資源利用效率不高。2015年，全年全區(qū)用水總量為70.4 億m3。農(nóng)業(yè)用水61.9 m3，占總用水量的87.93%，而全國(guó)均值為68%。工業(yè)用水為4.4 億m3，僅占總用水量的6.25%，遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水準(zhǔn)。寧夏作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大省，水資源嚴(yán)重短缺，農(nóng)業(yè)用水占比較大，水資源供需矛盾突出。

2.2 指標(biāo)的選取

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，寧夏地區(qū)存在水資源供需矛盾突出、供用水結(jié)構(gòu)不盡合理及水環(huán)境逐日惡化等問(wèn)題，水資源壓力越來(lái)越大。為了更準(zhǔn)確、客觀的反映評(píng)價(jià)結(jié)果，本文從水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等不同角度來(lái)綜合評(píng)價(jià)寧夏地區(qū)的水資源承載能力狀況，詳細(xì)指標(biāo)類型、表示方法及作用見(jiàn)表1。具體指標(biāo)包括：X1：水資源總量，億m3；X2：降水量，mm；X3：總用水量，億m3；X4：城鎮(zhèn)生活用水量，億m3；X5：人口自然增長(zhǎng)率，%；X6：常住總?cè)丝?，萬(wàn)人；X7：工業(yè)用水量，億m3；X8：農(nóng)業(yè)用水量，億m3；X9：人均GDP，萬(wàn)元/人；X10：生態(tài)用水量，億m3；X11：工業(yè)總產(chǎn)值，萬(wàn)元；X12：生態(tài)環(huán)境用水率，%；X13：工業(yè)廢水排放總量，萬(wàn)t。

表1 水資源承載力指標(biāo)類型劃分、表示方法及作用

2.3 水資源承載力的主成分計(jì)算

運(yùn)用SPSS19.0軟件(Statistical Product and Service Solutions，即為“統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”軟件)將所選的13項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)作標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到相關(guān)系數(shù)矩陣，見(jiàn)表3。從表3中可以看出，各因子之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，X6與X9、X10的相關(guān)系數(shù)分別為0.99、0.91，這說(shuō)明采用主成分分析方法，有助于客觀分析寧夏水資源承載狀況。

表2 原始數(shù)據(jù)

表3 寧夏水資源承載力變化驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)系數(shù)矩陣

由表4可知，抽取主成分后所有變量的公因子方差全在0.6以上，其中有5個(gè)變量的公因子方差超過(guò)了0.9。這進(jìn)一步說(shuō)明，采用主成分分析法得到的結(jié)果可靠性較高，使用該方法評(píng)價(jià)寧夏水資源承載狀況可以得到更加客觀的結(jié)果。

經(jīng)SPSS19.0的計(jì)算得到各主成分的特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率。從表5可以觀察到前兩個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了87.132%，已超過(guò)85%的要求，所以我們選前兩個(gè)因子作為主成分來(lái)分析寧夏水資源承載力狀況。

主成分荷載矩陣能反映各主成分與變量之間相互關(guān)系，相關(guān)系數(shù)值越大，說(shuō)明該變量對(duì)主成分的影響越大。從表6可以看出，第一主成分主要與X4、X6、X7、X9、X10、X11、X12呈正相關(guān)關(guān)系，因此我們定義第一主成分主要表示水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度；第二主成分主要受X1影響，我們定義第二主成分主要表示水資源量對(duì)水資源承載力的影響。

表4 公因子方差

表5 特征值及主成分貢獻(xiàn)率

表6 主成分荷載

利用SPSS19.0軟件計(jì)算得到各主成分，將2個(gè)主成分得分按方差貢獻(xiàn)率加權(quán)得分計(jì)算得到綜合得分F。計(jì)算得到的綜合F越大，說(shuō)明水資源承載空間就越大，反之越小。

F=(76.147F1+10.985F2)/87.132

(1)

寧夏水資源承載力綜合評(píng)價(jià)得分情況見(jiàn)表7。

表7 水資源承載力綜合評(píng)價(jià)得分表

通過(guò)圖1我們可以更直觀地觀察出：第一主成分與綜合得分趨勢(shì)基本一致，這就說(shuō)明了寧夏地區(qū)水資源承載能力水平主要受水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的影響比較大。而第二主成分趨勢(shì)較綜合得分趨勢(shì)波動(dòng)較大，因此其對(duì)綜合得分影響不大。

趙自陽(yáng),李王成等人[10]從寧夏的水資源支持力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和社會(huì)生活水平3方面對(duì)該地區(qū)水資源承載力展開(kāi)綜合評(píng)價(jià)。其研究結(jié)果表明：在2004-2014年間，寧夏水資源承載力僅在2005-2006年有波動(dòng)，其余11年間保持穩(wěn)定上升。從本文評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出：2005-2015年間寧夏地區(qū)水資源承載力水平整體呈上升態(tài)勢(shì)，在2007-2008年、2014-2015年出現(xiàn)下降。本文結(jié)果與趙自陽(yáng)等人的研究結(jié)果基本一致，部分年份結(jié)果稍有偏差。2008年，寧夏地區(qū)水資源承載力較2007年下降，是因?yàn)樵撃贽r(nóng)業(yè)用水量較大，而水資源總量減少，造成該年水資源承載水平下降。2015年較2014年人口增加6萬(wàn)余人，而水資源量減少0.9 億m3，所以水資源承載力略有下降。水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度是影響寧夏水資源承載力水平的主要因素。

本研究綜合考慮資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)，最終形成寧夏水資源承載力綜合評(píng)價(jià)的基本思路，與趙自陽(yáng)等人所做的從水資源支持力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和社會(huì)生活3方面展開(kāi)評(píng)價(jià)的思路稍有區(qū)別。這也是本研究的不同之處，較前文所選指標(biāo)更全面，結(jié)果更符合研究區(qū)域的實(shí)際情況。本項(xiàng)研究進(jìn)一步完善寧夏地區(qū)水資源承載力研究的研究思路，豐富了寧夏地區(qū)水資源承載力的研究?jī)?nèi)容。本文研究還表明，水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度是影響寧夏水資源承載力水平的主要因素。

圖1 主成分得分趨勢(shì)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

主成分分析法作為研究地區(qū)水資源承載力狀況的有效方法，能比較科學(xué)、全面地反映出研究區(qū)域的水資源承載狀況。本文對(duì)寧夏水資源承載力進(jìn)行主成分研究后，得到如下幾個(gè)結(jié)論。

(1)利用主成分分析方法結(jié)合SPSS19.0軟件，將13個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)凝煉成2個(gè)主成分，確定了寧夏地區(qū)水資源承載能力水平主要受水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的影響。

(2)2005-2015年間，寧夏水資源承載水平總體呈上升態(tài)勢(shì)，其在2014年達(dá)到最高。這就說(shuō)明寧夏推行的節(jié)水管控措施起到了非常顯著的作用，進(jìn)一步提升了該地區(qū)的水資源承載水平。

(3)寧夏現(xiàn)狀用水水平較低，農(nóng)業(yè)用水占比較高，供用水結(jié)構(gòu)不盡合理，水資源供需矛盾突出，這是制約其水資源承載力的主要問(wèn)題。

隨著“節(jié)水型城市”的發(fā)展，水資源調(diào)配工程的快速建設(shè)，未來(lái)寧夏地區(qū)水資源承載能力水平還存在一定的上升空間。

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