基于主成分分析的黑龍江省水資源承載力評(píng)價(jià)研究

陳夢(mèng)婷，程顯霞，王正君，武永娜

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

1 概述

水資源是人類生存和發(fā)展不可或缺的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1-3]。黑龍江省地域廣闊，作為我國(guó)重要的水資源省份之一，擁有豐富的水資源和水利條件，境內(nèi)有黑龍江、松花江、輝南江等重要河流，水域面積達(dá)到8.86萬km2，水資源總量達(dá)到1.4萬億m3，約占全國(guó)總量的7%。盡管水資源豐富，但同時(shí)面臨著水資源開發(fā)利用不合理、環(huán)境污染、水資源供需矛盾等問題，因此對(duì)黑龍江省水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，對(duì)于推動(dòng)黑龍江省水資源合理利用，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在未來的發(fā)展中，需要進(jìn)一步加強(qiáng)水資源管理，提高水資源利用效率，保護(hù)好水生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2 水資源承載力評(píng)價(jià)的概念和意義

水資源承載力是指一個(gè)地區(qū)在一定時(shí)期內(nèi)，由于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)等多個(gè)方面的需求，以及自然生態(tài)環(huán)境的條件限制，能夠滿足這些需求的水資源量的極限范圍。水資源承載力評(píng)價(jià)的主要目的是為了揭示地區(qū)水資源狀況、水資源利用效率以及未來水資源供需狀況，從而調(diào)整和優(yōu)化水資源利用結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃水資源開發(fā)利用，保障水資源可持續(xù)利用。水資源承載力評(píng)價(jià)還有利于落實(shí)國(guó)家水資源管理制度，推進(jìn)相關(guān)政策法規(guī)的實(shí)施，增強(qiáng)水資源保障能力。

目前，對(duì)于水資源承載力評(píng)價(jià)研究眾多學(xué)者采用了不同的方法，從不同的方向出發(fā)開展了一系列研究[4-8]，但各種方法均有其優(yōu)勢(shì)和局限性。其研究涉及流域、灌區(qū)、行政區(qū)等不同區(qū)域，研究?jī)?nèi)容包括水資源時(shí)空分布特征分析，水資源承載力的動(dòng)態(tài)模擬評(píng)估等，研究方法主要有主成分分析法、生態(tài)足跡法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等，這為研究農(nóng)各地區(qū)水資源承載力的可持續(xù)發(fā)展問題提供了可參考的理論依據(jù)[9]。

3 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

黑龍江省位于中國(guó)東北地區(qū)，地理位置重要，是中國(guó)的區(qū)域性大省之一，水資源豐富，主要有黑龍江、松花江、輝南江、嫩江、圖們江、雞西河、渾河、雅魯河等多條大河流經(jīng)該省。此外，黑龍江省還有眾多湖泊、水庫(kù)、大型水利工程等，其中黑龍江、松花江是中華民族創(chuàng)造歷史的重要河流，是中俄邊境的天然屏障，這兩條河流橫貫黑龍江省，為該省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活提供了極為重要的水資源。

本文收集了黑龍江省2016—2020年的水資源數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主來源于《中華人民共和國(guó)水利部》《黑龍江省水利廳》《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》以及與黑龍江省有關(guān)的各類統(tǒng)計(jì)年鑒和公報(bào)，并計(jì)算整理獲取。原始數(shù)值見表1所示。

表1 黑龍江省水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及原始數(shù)值

4 實(shí)證分析

4.1 指標(biāo)的選取

水資源承載力是由經(jīng)濟(jì)情況、社會(huì)情況、供需情況與生態(tài)情況等多種要素綜合構(gòu)成的概念，由此可見，選擇恰當(dāng)?shù)闹笜?biāo)在對(duì)特定區(qū)域水資源承載力作出評(píng)價(jià)時(shí)顯得尤為重要。本文結(jié)合以往對(duì)水資源承載力的深入研究與總結(jié)，綜合考慮了全國(guó)水資源供需研究中的體系構(gòu)建方法，并在分析了黑龍江省實(shí)際情況后，選取了16個(gè)指標(biāo)因子對(duì)黑龍江省2016—2020年的水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(見表2所示)。

表2 水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4.2 結(jié)果分析

選取反映黑龍江省水資源承載力的16個(gè)因子，進(jìn)行主成分分析，其步驟分為：① 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；② 得出相關(guān)矩陣R，并求R的特征值分別為λ1，λ2，…，λi； ③ 計(jì)算累計(jì)貢獻(xiàn)率，當(dāng)累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%時(shí)可確定主成分個(gè)數(shù)；④ 計(jì)算主成分的特征向量和表達(dá)式；⑤ 以貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)對(duì)水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[10]。

運(yùn)用SPSSPRO統(tǒng)計(jì)軟件可得水資源承載力因子相關(guān)系數(shù)矩陣和主成分的特征值及貢獻(xiàn)率(見表3、表4)。

表3 黑龍江省水資源承載力因子相關(guān)系數(shù)矩陣

表4 黑龍省主成分特征值及貢獻(xiàn)率

由表3可知，所選取的16個(gè)因子之間存在相關(guān)性，這是進(jìn)行主成分分析的基礎(chǔ)和條件，也進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)因子做主成分分析的必要性和科學(xué)性。

由表4可知，前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了93.569%(大于85%)，可基本認(rèn)為3大主成分可以全面反映影響水資源承載力的16項(xiàng)因子的絕大多數(shù)信息，可以充分體現(xiàn)黑龍江省水資源承載力的年際變化趨勢(shì)。故選取3個(gè)主成分對(duì)黑龍江省水資源承載力進(jìn)行分析，并得出3個(gè)主成分得分系數(shù)矩陣反映主成分與影響因子間的關(guān)系(見表5所示)。

表5 因子荷載矩陣

從表5可以看出，主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù)，第1主成分與年降水量(C1)、地表水資源量(C2)、地下水資源量(C3)、地下與地表水資源不重復(fù)量(C4)、水資源總量(C5)、用水普及率(C10)、人均GDP(C11)、萬元GDP用水量(C12)、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)(C16)之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與總用水量(C6)、人口總量(C8)、人口自然增長(zhǎng)率(C9)、工業(yè)廢水排放量(C13)、工業(yè)廢水排放處理率(C14)存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，基本涵蓋了供需情況、社會(huì)情況、經(jīng)濟(jì)情況和生態(tài)情況的主要因子。由各因子的荷載系數(shù)大小可見，相對(duì)于生態(tài)環(huán)境而言，水資源自然條件、社會(huì)人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)黑龍江省水資源承載力的重大影響，同時(shí)也反映了隨著水資源自然條件的不斷改善，雖然水資源的需求逐漸増加，會(huì)給水資源承載力造成一定壓力，但從總體來看，水資源的供需得到一定的緩解。 第2主成分與人均綜合用水量(C7)具有較強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，反映了人均綜合用水量對(duì)水資源承載力具有一定影響。第3主成分與耕地實(shí)際灌溉畝均用水量(C15)具有較強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，體現(xiàn)出耕地實(shí)際灌溉畝均用水量對(duì)黑龍江省水資源承載力的也有影響。

根據(jù)綜合分析可知，黑龍江省的水資源的開發(fā)利用已具有一定的規(guī)模，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科技水平的進(jìn)步，使水資源的開發(fā)與利用得到有效地改善，水資源承載力還將有一定的富余空間，客觀地反映了黑龍江省的水資源開發(fā)利用情況及其水資源承載潛力[12-13]。

黑龍江省水資源承載力的綜合排名(2016—2020年)見表6所示，其中，Z1、Z2、Z3是主成分得分，Z是主成分的綜合得分。主成分得分有正負(fù)之分，正負(fù)代表水資源承載力所處的相對(duì)位置，負(fù)值表示該年份得分處于平均水平之下，正值說明該年份得分處于平均水平之上[10]。綜合得分Z值越大，說明水資源承載力越大，反之越小[14]。

表6 黑龍江省水資源承載力綜合排名(2016—2020年)

由表6可知，黑龍江省水資源承載力總體呈遞增趨勢(shì)，雖然經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)與日常所需的水資源逐年増加，但是隨著科學(xué)技術(shù)的改進(jìn)和人們節(jié)水意識(shí)的增強(qiáng)，水資源的有效利用率不斷提升，使得水資源的承載壓力得到一定的緩解。因此，從總體來看水資源的承載力呈現(xiàn)了逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

根據(jù)表6，繪制黑龍江省水資源承載力綜合趨勢(shì)(如圖1所示)，可以更為直觀的展示2016—2020年黑龍江省水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化。

圖1 水資源承載力主成分及綜合得分趨勢(shì)示意

由圖1可知，2016—2020年承載力的得分在-0.8～0.9之間波動(dòng)，2016年得分最低，2019年得分最高，2017年到2019年上升幅度較大，是因?yàn)?017—2019年間水資源總量有明顯增加。第1主成分的變化趨勢(shì)和水資源承載力大體一致，由于第1主成分所占貢獻(xiàn)率為69.868%，故其相應(yīng)的指標(biāo)對(duì)水資源承載力的影響最大，第2主成分和第3主成分的變化趨勢(shì)相較于綜合得分的變化趨勢(shì)有較大波動(dòng)，因其對(duì)綜合得分影響相對(duì)較小。

5 結(jié)語

1)本文基于主成分分析法，結(jié)合2016—2020年黑龍江省水資源的實(shí)際情況進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)了黑龍江省水資源承載力狀況，分析得出，影響黑龍江省水資源承載力的決定性因素是水資源自然條件、社會(huì)人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2)從時(shí)間上看，2016—2020年黑龍江省水資源承載力總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其中，2016年的綜合得分為-0.771，分值最小，處于弱承載力；2019年的綜合得分為0.846，分值最大，承載力最強(qiáng)。2016—2018年的水資源承載能力雖然一直在增強(qiáng)，但仍處于弱勢(shì)。

3)通過分析得出，水資源自然條件、社會(huì)人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響黑龍江省水資源承載力的主要因素。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水資源自然條件的不斷改善，雖然水資源的需求逐漸増加，會(huì)給水資源承載力造成一定壓力，但從總體來看，水資源的供需得有效的緩解，但仍需大力提倡節(jié)約用水，提高水資源利用率。