資陽市水資源承載力時(shí)空變化分析與研究

吳 鑒，李志琴，靳曉莉，王君勤，麻澤龍

(1.四川省都江堰管理局，四川 都江堰，611830；2.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

前言

水資源承載力是指某一地區(qū)的水資源在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可以預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為條件，經(jīng)過優(yōu)化配置，對該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力[1]。水資源承載力是反映區(qū)域水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境之間是否協(xié)調(diào)的重要指標(biāo)，也是區(qū)域水資源系統(tǒng)的支撐能力與承載壓力的重要體現(xiàn)。隨著全球氣候變化和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源已成為制約地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”因素，水資源承載力研究也已成為可持續(xù)發(fā)展研究和水資源安全戰(zhàn)略研究的基礎(chǔ)課題[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對區(qū)域水資源承載力開展了大量的專門研究。國內(nèi)的研究成果主要集中在水資源承載力概念、內(nèi)涵的探討、水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系的探索以及水資源承載力評價(jià)模型和方法的研究等方面[3]。研究的方法主要有常規(guī)趨勢法、綜合評價(jià)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法及多目標(biāo)分析法等，其中又以綜合評價(jià)法較為常見。本研究在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用主成分分析法，對資陽市水資源承載力時(shí)空變化進(jìn)行分析和評價(jià)，旨在為資陽市水資源合理配置與可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

資陽市位于四川腹部川中南地區(qū)，南與內(nèi)江相鄰，北與成都、德陽接壤，東與重慶、遂寧毗鄰，西與眉山相連，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)104°26′～105°45′，北緯29°45′～30°39′之間。全市轄雁江區(qū)、安岳縣及樂至縣三個(gè)區(qū)縣，幅員面積5747.5km2。境內(nèi)地形、地貌多樣，以丘陵為主。地勢西北高，東南低，北部龍泉山脈最高點(diǎn)596.3m，東南龍臺河出境處僅248m。資陽市屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量953.4mm，變化在850mm～1050mm之間。雨量相對充沛但時(shí)空分布不均，受夏旱和伏旱的雙重影響，干旱頻繁。資陽市屬于四川盆地腹部徑流低值區(qū)，多年平均徑流深302.4mm，變化在200mm～400mm之間。沱江僅在雁江區(qū)過境，而樂至縣、安岳縣位于沱江與涪江的分水嶺地帶，河流只出不進(jìn)，幾乎無過境水可利用，因此水資源開發(fā)利用僅能依靠貧乏的本地水資源。據(jù)測算，全市人均占有水資源量僅691m3，為全省平均的19.8%，屬全省水資源嚴(yán)重短缺地區(qū)。

2 研究方法

2.1 主成分分析法

主成分分析法是一種降維方法，在現(xiàn)實(shí)的一些研究中，為了用較少的變量去解釋原始資料中的大部分變異，將資料中許多相關(guān)性很高的變量轉(zhuǎn)化成彼此相互獨(dú)立或不相關(guān)的變量，通常選出比原始變量個(gè)數(shù)少、能解釋大部分資料中變異的幾個(gè)新變量，即所謂的主成分，并用以解釋資料的綜合性指標(biāo)[5]。

主成分分析法的分析和計(jì)算步驟如下：①將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，減少各指標(biāo)數(shù)據(jù)受不同量綱的影響；②計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本相關(guān)矩陣；③計(jì)算各成分方差貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率，確定主成分個(gè)數(shù)(本研究按累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%計(jì)算)；④計(jì)算各主成分的特征值和特征向量，計(jì)算各主成分得分；⑤根據(jù)特征向量及各主成分權(quán)重，計(jì)算綜合指標(biāo)得分[6]。一般而言，綜合指標(biāo)得分越高，說明水資源承載力越大，也即對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力越強(qiáng)，能夠支撐的合理規(guī)模也越大，反之，則越小。

本次研究主要利用SPSS軟件對2005-2017年資陽市水資源承載力和2017年資陽市各區(qū)(縣)水資源承載力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。

2.2 指標(biāo)選取及數(shù)據(jù)來源

城市水資源承載力綜合評價(jià)中的一個(gè)關(guān)鍵問題是評價(jià)指標(biāo)體系的選取。影響水資源承載力的因素很多，涉及水資源、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和人類開發(fā)利用等方方面面，為了能夠全面地反映出研究區(qū)水資源承載力情況，所選指標(biāo)需要能夠涵蓋水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)系統(tǒng)。針對資陽市水資源狀況，參照了國內(nèi)不同地區(qū)對水資源承載力分析中的指標(biāo)選取，并綜合考慮數(shù)據(jù)的可獲得性、可靠性以及充分性，本文選取了18個(gè)評價(jià)指標(biāo)，具體包括：年降水量X1(mm)、水資源總量X2(萬m3)、地表水供水量X3(萬m3)、地下水供水量X4(萬m3)、其他水源供水量X5(萬m3)、農(nóng)業(yè)用水量X6(萬m3)、工業(yè)用水量X7(萬m3)、生活用水量X8(萬m3)、生態(tài)環(huán)境用水量X9(萬m3)、廢污水排放量X10(萬m3)、城鎮(zhèn)人均生活用水量X11(L/日·人)、農(nóng)村人均生活用水量X12(L/日·人)、萬元GDP用水量X13(m3/萬元)、萬元工業(yè)增加值用水量X14(m3/萬元)、耕地灌溉畝均用水量X15(m3/畝)、常住人口X16(萬人)、城鎮(zhèn)化率X17(%)、地區(qū)生產(chǎn)總之X18(億元)。

本文采用了資陽市2005-2017年年水資源量、行業(yè)用水量、常住人口、城鎮(zhèn)化率等相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來源于《資陽市統(tǒng)計(jì)年鑒》以及《資陽市水資源公報(bào)》(注：2016年，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，原資陽市所轄的簡陽市改由成都市代管，為了統(tǒng)一口徑，本文采用的所有數(shù)據(jù)都已扣除簡陽市，與公報(bào)數(shù)據(jù)有所不同)。

3 結(jié)果與分析

3.1 資陽市水資源承載力年際變化分析

采用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析計(jì)算，提取出4個(gè)主成分，其對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率見表1。前4個(gè)主成分的特征值均大于1，且累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.82%，大于85%。根據(jù)主成分分析方法的原理，可以認(rèn)為前4個(gè)主成分能夠反映原來所選取的18項(xiàng)指標(biāo)的絕大部分信息(85%以上)，可將原有的18個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成這4個(gè)主成分對資陽市水資源承載力進(jìn)行綜合評價(jià)。

表1 提取的主成分及貢獻(xiàn)率

由主成分分析得到的因子載荷矩陣如表2所示。因子載荷量的統(tǒng)計(jì)意義為變量在因子上的負(fù)荷，反映了變量在因子上的相對重要性。由表2可看出，因子F1與常住人口(X16)、城鎮(zhèn)化率(X17)和GDP(X18)之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與萬元工業(yè)增加值用水量(X14)和城鎮(zhèn)人均生活用水量(X11)存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這些指標(biāo)主要反映了資陽市人口變化、經(jīng)濟(jì)增長及城市化發(fā)展水平等因素；因子F2與地表水供水量(X3)和生活用水量(X8)存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與萬元GDP用水量(X13)和常住人口(X16)存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這些指標(biāo)反映了地區(qū)用水效率、水資源開發(fā)利用程度；因子F3與年降水量(X1)和水資源總量(X2)呈現(xiàn)較高的正相關(guān)關(guān)系，與城鎮(zhèn)人均生活用水量(X11)和耕地灌溉畝均用水量(X15)呈現(xiàn)相對強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系；因子F4與年降水量(X1)和水資源總量(X2)呈現(xiàn)較高的正相關(guān)關(guān)系，與廢污水排放量(X10)呈現(xiàn)了相對高的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這些指標(biāo)主要代表了資陽市水資源豐枯程度。因此，資陽市水資源承載力主要影響因子可歸納為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源量豐枯條件、水資源開發(fā)利用程度高低3大類。

表2 因子載荷矩陣

根據(jù)因子載荷矩陣和特征值，得到特征向量，也即主成分載荷矩陣。按照主成分分析法的計(jì)算方法與步驟，以上述計(jì)算分析所得的4個(gè)主成分貢獻(xiàn)率為權(quán)重，進(jìn)行歸一化處理，得到綜合評價(jià)函數(shù)如下：

F=(F1×50.985+F2×18.128+F3×13.429

+F4×6.277)/88.818

(1)

由綜合評價(jià)函數(shù)得到的綜合得分F有正有負(fù)，正負(fù)不能代表水資源承載力的真實(shí)水平，而是表示水資源承載力所處的相對位置，負(fù)值表示該年份在被評價(jià)時(shí)間段內(nèi)所處的相對地位是在平均水平以下的，正值則說明被評價(jià)的年份水資源承載力處于平均水平以上。綜合得分值越大，說明水資源承載力越大，反之越小[7]。由圖1各年的綜合得分變化情況可以看出，2005-2017年資陽市全市水資源承載力總體呈上升趨勢，其中，在2015年，綜合評價(jià)得分發(fā)生了突變，大幅提高，可能與行政區(qū)劃調(diào)整，數(shù)據(jù)的扣減折算原因有關(guān)。由此可知，隨著資陽市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用，水資源利用效率不斷提升，人們對于節(jié)水重要性的認(rèn)識不斷提高，水資源承載能力總體上也在不斷上升。

圖1 2005-2017年資陽市水資源承載力主成分分析綜合評價(jià)結(jié)果

3.2 各區(qū)縣水資源承載力分析

本研究選取了2017年資陽市各區(qū)縣的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及水資源狀況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了資陽市水資源承載力空間分布的差異研究。

通過主成分分析，提取了兩個(gè)主成分，方差累積貢獻(xiàn)率超過95%，其中：主成分一與GDP(X18)、耕地灌溉畝均用水量(X15)、地表水供水量(X3)存在高度正相關(guān)關(guān)系，與農(nóng)村人均生活用水量(X12)、地下水供水量(X4)存在高度負(fù)相關(guān)關(guān)系；主成分二與年降水量(X1)、水資源總量(X2)和萬元GDP用水量(X13)呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)，與其他水源供水量(X5)、城鎮(zhèn)人均生活用水量(X11)存在相對高的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

按照主成分分析法的計(jì)算方法與步驟，得到各主成分得分及綜合評價(jià)得分如表3所示。

表3 各區(qū)縣主成分得分及綜合評價(jià)得分

由表3可以看出，2017年，雁江區(qū)水資源承載力處于平均水平以上，而安岳縣和樂至縣處于平均水平以下，各區(qū)縣水資源承載力水平由高到低依次為：雁江區(qū)>安岳縣>樂至縣。根據(jù)《資陽市水資源綜合規(guī)劃》，2020年，在中等干旱年(P=75%)時(shí)，雁江區(qū)基本不缺水，安岳縣缺水率0.7%，樂至縣缺水率3.7%，與本研究結(jié)論基本一致。因此，本研究采用的主成分分析法合適，研究結(jié)論可靠。

4 結(jié)論與討論

本研究應(yīng)用主成分分析法，選取年降水量、水資源總量、地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值、工業(yè)增加值、城鎮(zhèn)化率等18個(gè)指標(biāo)，對資陽市水資源承載力的時(shí)間和空間變化特征進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)影響資陽市水資源承載力的驅(qū)動(dòng)因子可歸納為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源量豐枯條件、水資源開發(fā)利用程度高低3類，其中，又以經(jīng)濟(jì)總量增長及城市化發(fā)展水平對資陽市水資源承載力時(shí)間變化和空間變化的影響最為顯著。

(2)在時(shí)間變化上，2005-2017年資陽市水資源承載力總體呈上升趨勢。可見，近13年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步、水資源利用效率的提升等，資陽市水資源對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力越來越強(qiáng)。

(3)通過比較2017年資陽市各區(qū)縣的水資源承載力，發(fā)現(xiàn)資陽市水資源承載力在空間上差異不明顯，雁江區(qū)>安岳縣>樂至縣，與已有的研究成果基本一致。