浙江省水資源承載力的主成分分析

摘要：隨著水資源短缺和水污染問題的加劇，水資源供需矛盾日益突出，水資源承載力已成為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要指標(biāo)。以浙江省為研究對(duì)象，選取11個(gè)指標(biāo)，運(yùn)用主成分分析法，從中提取出3 個(gè)主成分，對(duì)浙江省水資源承載力進(jìn)行研究。結(jié)果表明：人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平為影響浙江省水資源承載力的主要因素，且近幾年浙江省的水資源承載力呈下降趨勢(shì)。這引發(fā)了，在人口持續(xù)增長與大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，保持水資源承載力持續(xù)向更好的方向發(fā)展的思考，要求人們加強(qiáng)樹立節(jié)水意識(shí)，轉(zhuǎn)變用水方式，更加優(yōu)化的配置水資源，以期實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。

關(guān)鍵詞：水資源承載力；主成分分析；浙江省

1、區(qū)域水資源承載力研究概況

21世紀(jì)，人類面臨著日益嚴(yán)重的糧食、能源和水資源危機(jī)。而水資源不足已經(jīng)成為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展在很大程度上取決于水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，而保證水資源可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵就是如何保護(hù)水資源的再生能力。研究表明，只要對(duì)水資源的開發(fā)利用不超過其承載能力和環(huán)境容量，水資源就可以持續(xù)利用[ ]。水資源承載力是經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展的前提。如果經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展在水資源承載力之內(nèi)，就有可能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，水資源可以自然循環(huán)和更新[ ]。

目前，研究水資源承載能力的方法有很多，但比較有代表性的方法[ ]，主要有常規(guī)趨勢(shì)分析法、模糊綜合分析法等，這些方法雖然都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但在進(jìn)行具體的水資源承載力評(píng)價(jià)過程中都存在一定的局限性，有的甚至誤判的可能性比較大[ ]。近年來，隨著多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的廣泛應(yīng)用，主成分分析法[ ]作為一種較新的方法被應(yīng)用于水資源承載力的評(píng)價(jià)，客觀地確定了系統(tǒng)各指標(biāo)的權(quán)重，克服了模糊綜合評(píng)判方法的缺陷，避免造成主觀任意性。

2、研究區(qū)概況

2.1自然地理概況

浙江東西和南北的直線距離均為450公里左右，陸域面積10.55萬平方公里，為中國的1.1%，是中國面積較小的省份之一。浙江山地和丘陵占74.63%，平坦地占20.32%，河流和湖泊占5.05%%，耕地面積僅208.17萬公頃，故有“七山一水二分田”之說。浙江地形自西南向東北呈階梯狀傾斜，西南以山地為主，中部以丘陵為主，東北部是低平的沖積平原。大致可分為浙北平原、浙西丘陵、浙東丘陵、中部金衢盆地、浙南山地、東南沿海平原及濱海島嶼等六個(gè)地形區(qū)。

2.2水資源概況

就2015年而言，全省平均降水量2060.60毫米（折合降水總量2134.83 億立方米），較上年降水量偏多16.3%，較多年平均降水量偏多28.5%，降水量時(shí)空分布不均勻，降水量地區(qū)差異顯著，全省年降水量在1100～3400毫米之間，總體上自西向東、自南向北遞減，山區(qū)大于平原，沿海山地大于內(nèi)陸盆地。全省水資源總量為1405.11億立方米，產(chǎn)水系數(shù)為0.66，產(chǎn)水模數(shù)為135.6萬立方米/平方公里。全省189座大中型水庫（有供水功能），年末蓄水總量275.44億立方米，全省總供水量為186.06億立方米。全省總用水量186.06億立方米，其中：生產(chǎn)用水量152.83億立方米，居民生活用水量27.77億立方米，生態(tài)環(huán)境用水量5.46億立方米。另外，環(huán)境配水量25.54億立方米。全省總耗水量100.45億立方米，平均耗水率為54.0%?？偼怂?8.39億噸。全省河流水體中，部分地區(qū)污染仍較重，污染類型以有機(jī)污染為主。按水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)評(píng)價(jià)，全年達(dá)標(biāo)率為55.9%。其中一級(jí)水功能區(qū)81個(gè)（不包括開發(fā)利用區(qū)），達(dá)標(biāo)率60.5%，二級(jí)水功能區(qū)291個(gè)，達(dá)標(biāo)率為54.6%。河流水體水質(zhì)的主要超標(biāo)項(xiàng)目為總磷、氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、石油類。

2.3水資源利用概況

全省年總水資源量水資源總量1405.11億立方米，人均水資源量2536.77立方米。人均生活年用水量50.1立方米（注：城鎮(zhèn)公共用水和農(nóng)村牲畜用水不計(jì)入生活用水量中），其中城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民人均生活年用水量分別為54.0立方米和42.7立方米。農(nóng)田灌溉畝均年用水量為355立方米，其中水田畝均灌溉年用水量434立方米。萬元工業(yè)增加值用水量30.0立方米（快報(bào)當(dāng)年價(jià)）。全省平均水資源利用率為15.1%。

浙江省全省多年平均水資源總量為955.41×109m3，由于人口密度高，人均水資源占有量不足3000 m3，低于我國的平均水平。隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)等部門的需水量不斷增長，浙江省水資源的持續(xù)開發(fā)利用具有十分重要的意義，并且水資源承載力已經(jīng)成為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此確定水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析浙江省水資源承載力對(duì)其發(fā)展規(guī)劃具有一定的參考價(jià)值。

3、水資源承載力的主成分分析

3.1指標(biāo)的選取

本研究通過對(duì)浙江省水資源狀況的調(diào)查和分析，力求從不同角度、不同方面客觀反映該區(qū)域水資源供需關(guān)系以及開發(fā)利用狀況。根據(jù)選取水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)所遵循的原則[ ]，即選取本質(zhì)性因素、剔除重復(fù)性因素；選取指標(biāo)能夠反映區(qū)域特征；指標(biāo)的可得性等原則，參照中國水資源供需關(guān)系中的指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《浙江省水資源公報(bào)》數(shù)據(jù)，選取2006—2015年序列資料作為評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)科學(xué)性原則以及專家意見，從中選取11 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立浙江省水資源承載力指標(biāo)體系[ ]。具體包括：總?cè)丝冢╔1，萬人），農(nóng)業(yè)用水量（X2，億m3），工業(yè)用水量（X3，億m3），生活用水量（X4，億m3），人均生活用水（X5，L/天），供水量（X6，億m3），耗水量（X7，億m3），國內(nèi)生產(chǎn)總值（X8，億元），工業(yè)增加值（X9，億元），農(nóng)田有效灌溉面積（X10/hm2），工業(yè)增加值耗水量（X11，m3/萬元）共計(jì)11個(gè)指標(biāo)。

3.2步驟及數(shù)據(jù)來源

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，各指標(biāo)的量綱和數(shù)量級(jí)往往不同，為消除量綱和數(shù)量級(jí)的影響，將數(shù)據(jù)變換為便于比較的數(shù)據(jù)序列，采用公式（1）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

式中，Y為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，Xij為原始數(shù)據(jù)，Xi為第i個(gè)指標(biāo)的樣本均值，Si為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差

（2）計(jì)算相關(guān)系數(shù)

原變量的 與 之間的相關(guān)系數(shù)，其計(jì)算公式為：

若相關(guān)系數(shù)小，說明原始變量相關(guān)性小，則無需進(jìn)行主成分分析。因此相關(guān)系數(shù)矩陣決定原系統(tǒng)能不能做到系統(tǒng)簡化。

（3）計(jì)算特征值與特征向量

首先解特征方程 ，通常用Jacobi法求出特征值 ，并使其按大小順序排列，即 ；然后分別求出對(duì)應(yīng)于特征值 的特征向量 。這里要求 ，即 ，其中 表示向量 的第j個(gè)分量，即 。

（4）計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

主成分 的貢獻(xiàn)率與累計(jì)貢獻(xiàn)率為：

一般取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85%～95%的特征值 所對(duì)應(yīng)的第一，第二，...，第m（m≤p）個(gè)主成分。

（5）計(jì)算主成分載荷

主成分載荷表明了第i個(gè)主成分 與第j個(gè)原始變量 的相關(guān)程度。

本文所采用的數(shù)據(jù)資料均來自于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006年-2015年）、《浙江省水資源公報(bào)》（2006年-2015年），并經(jīng)過計(jì)算整理獲得。

3.3主成分分析

運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)浙江省水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，得出水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系數(shù)矩陣、主成分的特征值與貢獻(xiàn)率，可知，選取的11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)間存在一定相關(guān)性，X1（總?cè)丝冢?、X4（生活用水量）分別與X9（工業(yè)增加值）存在極相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.969、0.970，這也進(jìn)一步說明進(jìn)行主成分分析的必要性[ ]。水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的主成分特征值及貢獻(xiàn)率可知，主成分1和主成分2的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了90.566%，根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的原則，這2 個(gè)主成分便能反映足夠的信息，因此選取前2個(gè)主成分F1、F2進(jìn)行分析。主成分載荷矩陣是主成分與變量間的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)確定的2 個(gè)主成分，利用SPSS進(jìn)一步計(jì)算2個(gè)主成分的載荷可知，主成分1 與工業(yè)增加值耗水量、人均生活用水量呈極正相關(guān)關(guān)系，與生活用水量呈極負(fù)相關(guān)關(guān)系，可以認(rèn)為，這些指標(biāo)反映了浙江省人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源利用的發(fā)展情況；主成分2 與農(nóng)田有效灌溉面積有著較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，反映了農(nóng)業(yè)的影響力?？傊_定的2 個(gè)主成分包括了浙江省人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源開發(fā)利用等方面的內(nèi)容，可以利用這2 個(gè)主成分的變化來反映浙江省水資源承載力的變化情況。

3.4水資源承載力綜合得分

根據(jù)公式（3）和公式（4）利用SPSS計(jì)算出浙江省水資源承載力主成分單因子得分，然后根據(jù)單因子的得分與其特征值貢獻(xiàn)率來確定主成分的綜合得分，以此分析浙江省水資源承載力的變化情況，見表1。從表1 看出，主成分得分有正有負(fù)，但正負(fù)值并不是代表水資源承載力的真實(shí)水平，而是反映承載力所處的相對(duì)位置。對(duì)綜合得分來說，其值越大，說明水資源承載力越大，反之越小。主成分1的得分整體呈下降趨勢(shì)，分析主要是隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，供用水量的增加造成承載力的下降所致；主成分2 的得分，整體上呈先增加后降低的趨勢(shì)，分析主要是由國內(nèi)生產(chǎn)總值和耕地面積的變化影響水資源承載力?？傮w而言，浙江省的水資源承載力呈逐年下降的趨勢(shì)，說明近年來人口迅速增長，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水資源開發(fā)利用程度的變化對(duì)水資源承載力產(chǎn)生了較大影響。

4.結(jié)語

本研究選用主成分分析法對(duì)浙江省水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于資料所限，選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠全面，為了更加準(zhǔn)確地掌握該地區(qū)的水資源承載力狀況，還有待于對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步收集分析，且不同評(píng)價(jià)方法所得的結(jié)果也有待于進(jìn)一步比較分析[ ]。本研究僅對(duì)浙江省水資源承載力的年際變化情況進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)分析，而各影響因素對(duì)水資源承載力的具體影響關(guān)系并未掌握，今后還將借助其他方法探索各影響因素對(duì)水資源承載力的具體影響關(guān)系，以更準(zhǔn)確地為該地區(qū)水資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供依據(jù)[ ]。

為了滿足日益增長的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求，也為了更好地保護(hù)和修復(fù)生態(tài)環(huán)境，社會(huì)的發(fā)展必須考慮水資源承載力，提高水資源承載力的途徑應(yīng)集中在以下兩個(gè)方面：（1）優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，由耗水型經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)向節(jié)水型經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，適當(dāng)限制高耗水產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展低耗水產(chǎn)業(yè)；（2）控制水污染，同時(shí)提高污水處理水平，實(shí)現(xiàn)污水資源化。應(yīng)從控制人口規(guī)模，提高人口素質(zhì)入手，強(qiáng)化節(jié)水意識(shí)，提高水資源重復(fù)利用率；同時(shí)大力調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和技術(shù)改造，以農(nóng)業(yè)帶動(dòng)工業(yè)及其它產(chǎn)業(yè)，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平[ ]。

參考文獻(xiàn)

[1] 段春青.區(qū)域水資源承載力概念及研究方法的探討[J].地理學(xué)報(bào)，2010，01：82-90.

[2] 張戈平.城市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

[3] 劉佳駿，董鎖成，李澤紅.中國水資源承載力綜合評(píng)價(jià)研究[J].自然資源報(bào)，2011，02：258-269.

[4] 張永勇，夏軍，.區(qū)域水資源承載力理論與方法探討[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2007，26（2）：126-132.

[5] 趙軍凱，張愛社.水資源承載力的研究進(jìn)展與趨勢(shì)展望[J].水文，2006，26（6）：47-51.

[6] 惠泱河，蔣曉輝，黃強(qiáng).水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].水土保持通報(bào)，2001，21（1）：30-33.

[7] 陳敏玲，袁懿，周明華.浙江省水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].科技通報(bào)，2009，02：167-173.

[8] Kenichi Ohmae.The Rise of Rehion State [J].Foreign Affairs Spring，1993，72（2）：77-79.

[9] 浙江水文局.2006年-2015年浙江省水資源公報(bào)[R].浙江：浙江水文局，2006-2015.

[10] 王芳.主成分分析與因子分析的異同比較及應(yīng)用[J].統(tǒng)計(jì)教育，2003，05：14-17.

[11] 李高偉.基于主成分分析的鄭州市水資源承載力評(píng)價(jià)[J].地域研究與開發(fā)，2014，03：139-142

[12] 徐永智，華惠川.對(duì)主成分分析三點(diǎn)不足的改進(jìn)[J].科技管理研究，2009，06：128-130.

[13] 孫富行.水資源承載力分析與應(yīng)用[D].河海大學(xué)，2006.

[14] 肖迎迎.基于主成分分析的榆林市水資源承載力評(píng)價(jià)[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2012，04：218-223+235.

作者簡介：斯瑤（1992-4）；女；蒙古族；浙江省杭州市；碩士研究生；研究方向：地理學(xué)；浙江省金華市.

（作者單位：浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院）