基于主成分分析的濱湖城市生態(tài)水利效益評價研究

顧小涵，朱詩潔，毛勁喬

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

生態(tài)水利工程是在滿足防洪、發(fā)電、灌溉、航運、供水等方面需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮水域生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展的綜合性工程[1]，其規(guī)劃設(shè)計需滿足水利工程和生態(tài)學(xué)的原理。國內(nèi)外標志性生態(tài)水利工程有萊茵河綜合治理工程、都江堰水利工程等[2]。鄱陽湖是中國第一大淡水湖，而濱湖城市又是自然陸地、湖泊、城市生態(tài)的重要交匯區(qū)，因此環(huán)鄱陽湖濱湖城市一直都是生態(tài)水利工程建設(shè)的熱點地區(qū)，該類工程建設(shè)與運行的成效，對鄱陽湖流域的水生態(tài)文明建設(shè)起著至關(guān)重要的作用。一般認為，生態(tài)水利工程有利于促進水生態(tài)保護和流域水系連通，有助于改善因城市建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)引發(fā)的水質(zhì)污染和生態(tài)環(huán)境問題，但如何評價其對區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)的影響或改善度，需要進行科學(xué)合理的評判。

生態(tài)評價方法可分為定性分析法、數(shù)學(xué)模型法、系統(tǒng)模型法和綜合評價法[3]。中國生態(tài)環(huán)境影響評價是借鑒國外經(jīng)驗并結(jié)合國內(nèi)實際情況逐步發(fā)展起來的，如吳澤斌[4]采用改進的模糊綜合評價法評價了龍灘水電工程的生態(tài)環(huán)境影響，陳葉華等[5]采用水動力模型定量評價了岳陽市芭蕉湖-南湖連通工程的水系連通性，姚杰等[6]采用綜合主成分分析法評價了灌區(qū)節(jié)水改造工程的水利效益，均取得了較好效果。環(huán)鄱陽湖城市生態(tài)系統(tǒng)是系統(tǒng)性和層次性都很強的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，涉及面較廣，選取正確的評價方法尤為重要。

作為典型的環(huán)鄱陽湖濱湖城市，共青城市積極響應(yīng)國家生態(tài)文明建設(shè)的號召，大力推進生態(tài)水利工程建設(shè)，主要包括河湖水系連通治理工程、生態(tài)修復(fù)工程、農(nóng)業(yè)節(jié)水工程等，但目前關(guān)于共青城市生態(tài)水利工程的研究還較少。該問題具有涉及面廣、影響因素眾多、結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜等特點，因此本文擬采用主成分分析法，以共青城市為評價主體，綜合選取多項評價指標建立評價體系，構(gòu)建主成分分析模型，綜合衡量其水利工程效益，為環(huán)鄱陽湖區(qū)域生態(tài)水利運行管理提供技術(shù)參考。

1 基于主成分分析法的生態(tài)水利效益評價方法

1.1 主成分分析法原理

主成分分析法是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)進行定量化研究、理論比較完善的多元統(tǒng)計分析方法[7]，在簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)但保持原有信息的基礎(chǔ)上，將多個指標轉(zhuǎn)化為幾個綜合指標，實現(xiàn)從高維度空間到低維度空間的轉(zhuǎn)換[8]，可以有效降低計算量。

1.2 具體步驟

1.2.1評價指標體系建立

本文將濱湖城市生態(tài)水利評價指標體系分解為目標層、準則層和指標層[9]，主要從經(jīng)濟、生態(tài)、社會等多方面綜合考慮選取評價指標構(gòu)成評價指標集。

1.2.2評價指標數(shù)據(jù)預(yù)處理

為消除各指標量綱的影響，在構(gòu)建主成分分析模型之前需要進行標準化處理，即將量綱歸一化。先用取倒數(shù)的方法將負向指標變換成正向指標，之后利用標準差標準化法將原始數(shù)據(jù)標準化，計算公式見式(1)：

(1)

1.2.3適用性檢驗

相關(guān)系數(shù)是反映標準化后的數(shù)據(jù)之間密切程度的統(tǒng)計指標[10]，其絕對值越大，表明變量之間相關(guān)性越密切，通過適用性檢驗判斷原始變量之間的相關(guān)性，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡化的可行性，以及是否適合做主成分分析。

1.2.4計算相關(guān)系數(shù)矩陣R

將數(shù)據(jù)標準化處理后，由式(3)計算相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣R。

(2)

式中ρij——原變量xi與xj的相關(guān)系數(shù)，ρij=ρji(i=1，2，3，……，p；j=1，2，3，……，p)。

相關(guān)系數(shù)的計算公式為：

(3)

1.2.5主成分分析

計算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λi、方差貢獻率Bi和累積貢獻率Mm，方差貢獻率Bi表示各主成分的信息量，計算公式為：

(4)

累積貢獻率Mm反映了前m個主成分的信息綜合能力，計算公式為：

(5)

將每個主成分對應(yīng)的特征值、方差貢獻率和累計貢獻率匯總成表，作為確定主成分的依據(jù)。

1.2.6計算因子載荷矩陣

進一步計算所選主成分的標準化正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣，主成分載荷反映了主成分與原變量之間的相互關(guān)聯(lián)度，其計算公式為：

(6)

對于主成分因子載荷矩陣，相關(guān)系數(shù)(絕對值)越大，意味著主成分對該變量的代表性也越大，正值表示與該主成分正相關(guān)，負值則表示負相關(guān)。其中，主成分Fi的計算公式如下：

(7)

1.2.7綜合得分

加權(quán)求和計算綜合得分，權(quán)數(shù)wi為每個主成分的方差貢獻率即每個主成分對應(yīng)特征值占提取的主成分的特征值之和的比重[11]，由指數(shù)模型計算得到最終的綜合分數(shù)：

I=w1×F1+w2×F2

(8)

其中，主成分表示為式(9)：

(9)

式中uki——第i個主成分下第k個指標對應(yīng)的因子載荷系數(shù)；Zxk——第k個評價指標標準化后的值。

2 生態(tài)水利效益評價模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概況

共青城位于江西省北部，鄱陽湖西岸，具體地理位置見圖1。地勢西北高、東南低，屬長江流域亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖濕潤，年平均溫度16.7℃，年降雨量1 366 mm，年平均相對濕度78.79%。區(qū)域內(nèi)水系屬于鄱陽湖水系，地表水資源量1.11億m3，地下水資源量0.32億m3。區(qū)域土壤類型主要為水稻土和紅壤土，地帶性植被主要為常綠闊葉林。截至2019年，共青城土地總面積310 km2，人口總數(shù)約22萬，全年生產(chǎn)總值147.45億元，與2018年相比增長8.6%。

圖1 共青城市行政區(qū)劃

2010年以來，隨著城市化進程，城市工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水排放量顯著增加，河湖連通性下降，珍珠河、南湖、鄱陽河入水口斷面水質(zhì)已達Ⅴ類水標準。2018年，共青城市生態(tài)水利工程正式投入運行，包括水系連通工程、生態(tài)修復(fù)工程、農(nóng)業(yè)水利工程等，以實現(xiàn)南湖和東湖連通，促進區(qū)域?qū)崿F(xiàn)良性水循環(huán)。

2.2 評價指標體系構(gòu)建

生態(tài)水利的效應(yīng)是綜合性的，反映在經(jīng)濟、生態(tài)、社會等多個方面。為增強區(qū)域生態(tài)水利效益評價結(jié)果的客觀科學(xué)性，本文根據(jù)評價主體特性，確定適用性、層次性、可操作性、科學(xué)性和動態(tài)性作為評價指標的選取原則[12-14]，結(jié)合目標分析法和理論分析法劃分評價體系，以共青城市生態(tài)水利效益評價為目標層，準則層選取經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境和社會三方面效益，指標層包括20項具體評價指標，共同構(gòu)成共青城市生態(tài)水利效益評價指標體系(表1)。表中指標屬性涉及“+”“-”2種屬性，指標屬性為“+”，表明指標值越高，對共青城市生態(tài)水利效益越有利；指標屬性為“-”，表明指標值越低，對共青城市生態(tài)水利效益越有利。

表1 共青城市生態(tài)水利效益評價指標體系

2.3 評價等級劃分

根據(jù)HJ 192—2015《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合評價區(qū)域的實際特征，將生態(tài)水利效應(yīng)影響下的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和各評價指標由高到低劃分為5個等級，每個等級對應(yīng)的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量描述如下。①Ⅰ級：城市生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，各類系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展，環(huán)境污染控制和城市生態(tài)建設(shè)頗有成效；②Ⅱ級：城市生態(tài)環(huán)境良好，各類系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)性較好，污染控制和城市生態(tài)建設(shè)效果較好；③Ⅲ級：城市生態(tài)環(huán)境一般，各類系統(tǒng)之間基本能協(xié)調(diào)發(fā)展，城市生態(tài)建設(shè)程度一般；④Ⅳ級：城市存在明顯的生態(tài)環(huán)境問題，需要大力加強環(huán)境保護和生態(tài)建設(shè)；⑤Ⅴ級：城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡劣，不利于人類長期生存和發(fā)展。

2.4 數(shù)據(jù)來源

統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自《共青城市總體規(guī)劃(2012—2030)》《共青城2019年政府工作報告》《九江統(tǒng)計年鑒——2019》《共青城市生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃(2012—2020)》《共青城市低碳城市試點實施方案》《共青城統(tǒng)計月報》，遙感圖像來源于美國USGS官網(wǎng)發(fā)布的2018年10月3日至2018年10月10日、類型為Landsat Level-1的遙感圖像。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集時間范圍為2018年11月至2019年9月，選取溶解氧、pH、高錳酸鹽、氨氮、總磷5個最常見、易于采集數(shù)據(jù)的地表水水質(zhì)指標，以便采用水質(zhì)污染綜合指數(shù)[18]進行量化。

2.5 主成分分析法應(yīng)用

依據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.3的占總系數(shù)的92.0%，表明原始變量大多數(shù)之間的相關(guān)性很強，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡化可行，適合做主成分分析。在此基礎(chǔ)上進一步計算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λi、方差貢獻率Bi和累積貢獻率Mm，匯總見表2。

表2 共青城市生態(tài)評價指標的特征值和貢獻率

提取特征值大于1或者累積貢獻率大于85%的因子為主成分，表中前兩項的特征值大于1且累計貢獻率為97.521%，大于85%，表明前兩項作為主成分有較高的可信度，可以基本涵蓋全部數(shù)據(jù)的信息，因此選取前兩項作為共青城市生態(tài)環(huán)境評價的主成分因子。加權(quán)求和計算綜合得分，將各指標等級和實測值的綜合得分匯總見表3，最終得到2019年共青城市生態(tài)評價得分為1.253 8，質(zhì)量等級隸屬Ⅲ級。

表3 綜合得分

2.6 評價結(jié)果分析

水利工程建設(shè)和運行對河流生態(tài)環(huán)境的功能和系統(tǒng)都會產(chǎn)生影響[19]，進而影響周邊區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。對共青城市開展生態(tài)水利效益評價，結(jié)果表明，在鄱陽湖生態(tài)水利工程影響下的共青城市2019年生態(tài)水利效益評價得分為1.253 8，整體質(zhì)量等級歸屬Ⅲ級，各類系統(tǒng)之間基本能協(xié)調(diào)發(fā)展，城市生態(tài)建設(shè)程度一般，具體反映在各準則層的評價指標上，由圖2可以得到以下結(jié)論。

a)經(jīng)濟效益層面，生態(tài)水利工程建設(shè)運行增加了投資機遇。人均GDP指標達到Ⅰ級水平，土地開發(fā)利用強度指標位于Ⅲ級水平，共青城土地開發(fā)利用程度中等；可利用水資源指標偏Ⅴ級，盡管工程優(yōu)化了水資源配置，增加了區(qū)域水資源總量，但是人口增長和圍湖造田等因素還是造成了人均水資源量趨于下降；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標偏Ⅲ級，表明農(nóng)業(yè)開發(fā)程度適中；經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整指標位于Ⅳ級水平，表明工程建設(shè)運行促進了科技和服務(wù)業(yè)的發(fā)展，改善了第三產(chǎn)業(yè)占比。

b)生態(tài)環(huán)境效益層面，隨著共青城生態(tài)水利工程的投入運行，共青城努力推進低碳城市試點方案，加大廢水處理力度，取得了成效；水質(zhì)達標率指標位于Ⅱ級和Ⅲ級之間，區(qū)域水質(zhì)狀況有所改善；共青城市耕地面積占比較高，鄱陽湖農(nóng)業(yè)生態(tài)水利工程增加了灌溉水源，適量灌溉有利于加速有機化合物的溶解和吸收，從而減少農(nóng)藥化肥的使用量；空氣質(zhì)量指標介于Ⅰ級和Ⅱ級之間，空氣質(zhì)量狀況良好；土壤質(zhì)量指標處于Ⅰ級水平，底棲生物物種多樣性指標和濕地分布情況指標都處于Ⅴ級，除了已經(jīng)建設(shè)的濕地保護區(qū)之外，其他地區(qū)濕地分布較少，濕地保護力度不足；得益于水系連通工程，水系連通程度指標Ⅰ級，區(qū)域內(nèi)水系交錯，地表水資源充足；生態(tài)修復(fù)工程增加植被覆蓋，植被覆蓋度指標Ⅱ級，區(qū)域植被資源充足；區(qū)域降水量指標Ⅲ級，在全國范圍內(nèi)屬于中等水平。

c)社會效益層面，共青城人口密度指標偏Ⅳ級，人口密集度不高，在城市承載力之內(nèi)；人居環(huán)境指標介于Ⅰ級和Ⅱ級之間，表征在生態(tài)水利概念的輻射下，共青城政府注重生態(tài)建設(shè)，加大環(huán)境保護力度；區(qū)域旅游觀光指標Ⅱ級，生態(tài)水利工程有助于營造旅游資源，有利于綠色發(fā)展；防洪減災(zāi)指標偏Ⅳ級，通過建設(shè)圩堤除險加固工程，共青城防汛條件大大改善，防洪效益顯著。

a)經(jīng)濟效益準則層的各項評價指標等級

b)生態(tài)環(huán)境效益準則層的各項評價指標等級

c)社會效益準則層的各項評價指標等級圖2 評價指標等級

3 結(jié)論

針對環(huán)鄱陽湖濱湖城市的生態(tài)水利工程效益開展評價，構(gòu)建了包含經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)境效益、社會效益3個方面、20項評價指標的生態(tài)水利效益評價體系，利用主成分分析模型開展了定性與定量相結(jié)合的評價研究。以共青城為典型案例，進行模型應(yīng)用與方法研究，結(jié)果表明共青城生態(tài)環(huán)境等級隸屬Ⅲ級，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平良好，生態(tài)城市建設(shè)和社會保障制度較為完善。以此為依托，共青城應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改善經(jīng)濟發(fā)展環(huán)境，深化綠色發(fā)展。本文提出的生態(tài)水利效益評價體系及主成分分析模型，能兼顧多指標的綜合效應(yīng)，適用于濱湖城市的生態(tài)水利效益定量評價，為生態(tài)水利建設(shè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)手段。