南京市水資源可持續(xù)利用評價

季 妤,陸寶宏,2

南京市水資源可持續(xù)利用評價

季 妤1,陸寶宏1,2

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098)

以南京市所轄區(qū)域作為研究區(qū),根據(jù)2003—2010年水資源利用的有關(guān)資料,采用主成分分析法和熵權(quán)法對該研究區(qū)水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行綜合評價,并運用聚類分析法對評價結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：研究區(qū)2003—2010年期間水資源可持續(xù)利用水平總體呈上升趨勢,但從聚類分析結(jié)果看,水資源可持續(xù)利用程度的改善幅度并不大,說明目前南京市水資源可持續(xù)利用問題依然嚴(yán)峻。

主成分分析法;熵權(quán)法;聚類分析;水資源;可持續(xù)利用;南京市

水資源是人類賴以生存和發(fā)展的最基本物質(zhì)條件,是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍和影響最廣泛的因素,水資源的可持續(xù)利用是人類社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障。水資源可持續(xù)利用評價是水資源可持續(xù)利用研究的核心問題之一。區(qū)域自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相互作用,水資源可持續(xù)利用評價是對不同階段水資源開發(fā)利用所導(dǎo)致的生態(tài)過程、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、社會組成的動態(tài)變化進(jìn)行評價,以了解區(qū)域水資源可持續(xù)利用的程度,提出水資源開發(fā)利用的方向。傳統(tǒng)的評價方法有層次分析法、模糊綜合評價法、指標(biāo)綜合評價法等[1-2]。

筆者以南京市所轄區(qū)域為研究區(qū),根據(jù)2003—2010年水資源利用的有關(guān)資料,構(gòu)建水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)體系,采用主成分分析法和熵權(quán)法建立綜合評價模型,對南京市的水資源可持續(xù)利用能力進(jìn)行綜合評價,并運用系統(tǒng)聚類法對評價結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 研究背景

南京市位于江蘇省西南部,東與揚州、鎮(zhèn)江、常州3市接壤,南、西、北3面與安徽毗鄰,是江蘇省政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心。境內(nèi)共有大小河道116條,分屬兩江(長江、青弋江—水陽江)、兩湖(固城湖、石臼湖)、兩河(滁河、秦淮河),按照跨省、市的流域劃分水系,可將之劃分為長江南京段、滁河水系、秦淮河水系、青弋江—水陽江水系、淮河流域高寶湖水系、太湖流域湖西水系。

南京市地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫暖濕潤,多年平均氣溫15.4℃,降水量較為豐沛,多年平均降水量為1081.9 mm,但降水量時空分布不均;全市多年平均水資源總量為30.47億m3[3]。近年來,隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,南京市各類用水量逐年遞增,水資源供需矛盾日益突出,水資源短缺已經(jīng)成為制約南京市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素,進(jìn)行南京市水資源可持續(xù)利用綜合評價,對促進(jìn)南京地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 評價方法的選擇

2.1 主成分分析法

主成分分析法的特點是,利用降維的思想,把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)。在實際應(yīng)用中,為了全面、系統(tǒng)地分析問題,指標(biāo)通常較多。每個變量都在不同程度上反映了所研究問題的某些信息,并且指標(biāo)之間有一定的相關(guān)性,因而所得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)所反映的信息在一定程度上有重疊。變量太多會增加計算量和分析問題的復(fù)雜性,而主成分分析法可以較好地解決這一問題。利用主成分分析法進(jìn)行定量分析,涉及的變量較少,得到的信息量較多。筆者使用主成分分析法計算南京市水資源可持續(xù)利用水平綜合指數(shù),能夠避免計算過程中由于因子眾多、數(shù)據(jù)復(fù)雜而造成的人工計算誤差,使結(jié)果更加可靠。

主成分分析法原理：設(shè)原始變量為x1,x2,…, xn,則

式中：z1,z2,…,zm(m＜n)分別為原始變量指標(biāo)x1, x2,…,xn的第1,第2,…,第m個主成分;L11,L12,…,Lmn為主成分系數(shù)。在操作中常挑選幾個最大的主成分,且兩個主成分之間相互無關(guān)[4-5]。

2.2 熵權(quán)法

熵,原本是一個熱力學(xué)概念,最先由Shannon引入信息論,現(xiàn)已在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。熵權(quán)法在綜合考慮各因素所提供信息量的基礎(chǔ)上計算綜合指標(biāo)。作為一種客觀綜合評價方法,熵權(quán)法主要是根據(jù)各指標(biāo)的信息量大小來確定其權(quán)數(shù)。如果指標(biāo)的信息熵越小,該指標(biāo)提供的信息量則越大,在綜合評價中所起作用也就越大,權(quán)重就越高[6]。筆者使用熵權(quán)法確定南京市水資源可持續(xù)利用評價體系各子系統(tǒng)的權(quán)重。

熵權(quán)法原理：當(dāng)系統(tǒng)處于n種不同的狀態(tài),狀態(tài)概率為pi(i=1,2,…,n)時,則系統(tǒng)熵的表達(dá)式為

E(p1,p2,…,pn)=-k∑p(xi)lnp(xi)(2)式中：E為熵;k為玻爾茲曼常量;xi為第i個狀態(tài)值;p(xi)為出現(xiàn)第i個狀態(tài)值時的概率。

熵權(quán)定義為

式中：wiE為i狀態(tài)的熵權(quán)。

3 研究區(qū)水資源利用綜合評價

3.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)的選取,應(yīng)根據(jù)區(qū)域特點,考慮區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡、水資源開發(fā)利用程度及當(dāng)?shù)乜萍嘉幕牟町惖?具體考慮以下幾個方面原則：科學(xué)性,整體性,動態(tài)性,定性與定量相結(jié)合,簡明、實用、可行性[7]。

根據(jù)2003—2010年《南京市統(tǒng)計年鑒》《南京市水資源公報》中的相關(guān)數(shù)據(jù)和各項相關(guān)指標(biāo)與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系,構(gòu)建出可持續(xù)發(fā)展發(fā)展水平指標(biāo)評價體系及指標(biāo)性質(zhì),見表1[8-9]。

3.2 主成分分析

本文運用SPSS20.0統(tǒng)計分析軟件對水資源子系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,計算出水資源子系統(tǒng)主成分的特征值與貢獻(xiàn)率[10],見表2。

由表2可見,前3個主成分的累計貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到90.17%,而第1個主成分的貢獻(xiàn)率更是達(dá)到44.38%。根據(jù)主成分累計貢獻(xiàn)率大于85%的原則,這3個主成分能反映全部指標(biāo)中的大部分信息,因此選取前3個主成分F1、F2、F3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3個主成分,利用SPSS20.0進(jìn)一步計算3個主成分的載荷,計算結(jié)果見表3。表3中,X1、X2,…,X6分別代表水資源總量、過境水資源量、生產(chǎn)用水量、生活用水量、生態(tài)用水量、供水總量。

表1 評價指標(biāo)體系及指標(biāo)性質(zhì)

表2 主成分特征值、貢獻(xiàn)率計算結(jié)果

表3 主成分載荷矩陣

從表3中可以看出,第1主成分F1在水資源總量X1、過境水資源量X2、供水總量X6具有較大的載荷,第2主成分F2在生產(chǎn)用水量X3、生態(tài)用水量X5具有較大的載荷,而第三主成分F3在過境水資源量X2具有較大的載荷。第1～3主成分可以充分反映子系統(tǒng)的綜合水平,可以利用這3個主成分的變化來反映水資源子系統(tǒng)的變化情況。

根據(jù)表3的主成分載荷,計算研究區(qū)水資源子系統(tǒng)在第1、第2、第3主成分上的綜合得分。如果某年份在某一主成分上的得分為正,則意味著該年份的這一主成分在平均發(fā)展水平之上;得分為負(fù)則在平均水平以下。綜合得分Z1為各主成分得分乘以相應(yīng)的貢獻(xiàn)率之后的和,即Z1=0.443 8F1+0.350 4F2+ 0.1075F3。綜合得分值越高,表示水資源子系統(tǒng)的發(fā)展水平越高,即水資源可持續(xù)利用水平越高。計算結(jié)果見表4。

表4 水資源子系統(tǒng)主成分因子得分

采用相同的方法與步驟對研究區(qū)社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)分別進(jìn)行評價計算,得到社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)主成分為2個,生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)主成分為3個。各子系統(tǒng)綜合得分的計算結(jié)果見表5。

表5 各子系統(tǒng)綜合得分

3.3 利用熵權(quán)法計算子系統(tǒng)權(quán)重

利用熵權(quán)法對影響水資源可持續(xù)利用的指標(biāo)賦予權(quán)重,能夠最大限度地消除水資源可持續(xù)利用評價中的不確定性。具體的計算步驟為

a.構(gòu)建8年19個評價指標(biāo)的判斷矩陣R= (xij)8×19(i=1,2,…,8;j=1,2,…,19)。

b.將矩陣進(jìn)行歸一化處理。

c.計算第i年第j項因子占該年所有因子的比例。計算公式為

d.計算各指標(biāo)的權(quán)重。

式中：ej為第j項評價指標(biāo)的熵值。

為使lnyij有意義,假定當(dāng)yij=0時,yijlnyij=0。

e.計算子系統(tǒng)權(quán)重。

式中：SiA為第A個子系統(tǒng)權(quán)重,A=1,2,3;m為第A個子系統(tǒng)中的指標(biāo)個數(shù)。

對SiA也進(jìn)行歸一化處理后,按照上述公式進(jìn)行計算,即可得到8年中3個子系統(tǒng)在研究區(qū)水資源可持續(xù)利用系統(tǒng)中的權(quán)重值WA：水資源子系統(tǒng)權(quán)重為0.242,社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)權(quán)重為0.508,生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)權(quán)重為0.250。

3.4 綜合評價結(jié)果

設(shè)水資源、社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的綜合得分分別為Z1、Z2、Z3,再根據(jù)上小節(jié)熵權(quán)法得到的水資源、社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境3個子系統(tǒng)權(quán)重系數(shù),得到水資源可持續(xù)利用狀況綜合評價指數(shù)計算公式為

ISU=0.242Z1+0.508Z2+0.250Z3(9)式中,水資源可持續(xù)利用綜合指數(shù)ISU與水資源子系統(tǒng)評價指數(shù)Z1、社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)評價指數(shù)Z2以及生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)評價指數(shù)Z3相關(guān)。依據(jù)公式(9),可計算出南京市2003—2010年的水資源可持續(xù)利用綜合評價指數(shù),見表6和圖1。

表6 南京市水資源可持續(xù)利用綜合評價結(jié)果

圖1 南京市水資源可持續(xù)利用評價指數(shù)變化曲線

對上述計算結(jié)果進(jìn)行分析,可以得到以下結(jié)論：

a.2003—2010年,研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平隨時間變化總體呈上升趨勢,雖然在2005年綜合得分值有小幅的下降,但2009年后開始回升。

b.從子系統(tǒng)來看,社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)得分的變化趨勢與綜合得分的趨勢基本一致,總體呈上升趨勢,而水資源子系統(tǒng)得分呈下降趨勢。說明雖然水資源開發(fā)利用程度的變化對水資源可持續(xù)利用水平產(chǎn)生了較大影響,但是隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)保意識和節(jié)約用水的理念深入人心,以及一些節(jié)水硬性措施的出臺,促使了水資源可持續(xù)利用水平持續(xù)向好的方向發(fā)展。

c從單個因子來看,水資源總量、生產(chǎn)用水量、供水總量、人口自然增長率和河流水質(zhì)劣于Ⅲ類斷面比例等指標(biāo)占有較大的權(quán)重。除水資源量、用水效率、水環(huán)境質(zhì)量等因素會影響南京市水資源可持續(xù)利用水平外,公眾的節(jié)水意識也是主要的影響因素。

3.5 評價結(jié)果聚類分析

由于以上的評價方法并不能準(zhǔn)確地界定出各個年份水資源可持續(xù)利用狀況的相似程度,也就無法進(jìn)一步分析各年份水資源可持續(xù)利用程度的差異。為使結(jié)果進(jìn)一步明晰,以各年份的綜合得分值為指標(biāo),應(yīng)用聚類分析法劃分出不同的發(fā)展類型對南京市2003—2010年的水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行對比分析。運用SPSS20.0軟件,得到聚類樹狀圖,見圖2。

圖2 南京市水資源可持續(xù)利用程度聚類樹狀圖

根據(jù)各年的綜合評價指數(shù),設(shè)計水資源可持續(xù)利用能力的度量標(biāo)準(zhǔn)為：ISU≥0.4為可持續(xù)發(fā)展模式、-0.2≤ISU＜0.4為中層發(fā)展模式、ISU＜-0.2為低層次發(fā)展模式。當(dāng)歐氏距離取值為10時,基于歐式距離相近度,將南京市水資源可持續(xù)利用程度劃分為3種類型：第1類：2003—2004年,水資源可持續(xù)利用程度相對較低,綜合得分為-0.31,屬于低層次發(fā)展模式;第2類：2005—2009年,在8年間的對比中,其水資源可持續(xù)利用程度屬中等,綜合得分均值為0.03,屬于中層發(fā)展模式,與2003年相比,水資源可持續(xù)利用狀況有所改善;第3類：與前8年間相比,2010年水資源可持續(xù)利用程度相對較高,綜合得分值為0.45,有較大的改善,屬于可持續(xù)發(fā)展模式。但對比3種類型的平均綜合得分值,其改善幅度并不大,這說明南京市水資源可持續(xù)利用問題依然嚴(yán)峻。

4 結(jié) 語

筆者以南京市為研究區(qū)域,采用熵權(quán)法確定各子系統(tǒng)的權(quán)重,結(jié)合主成分分析法對水資源可持續(xù)利用進(jìn)行了綜合評價。評價結(jié)果表明：2003—2010年,南京市水資源可持續(xù)利用水平呈總體上升趨勢,雖然在2005年綜合得分值有小幅的下降,但2009年后開始回升;社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)得分的變化趨勢與綜合得分的趨勢基本一致,總體呈上升趨勢,而水資源子系統(tǒng)得分呈下降趨勢。對評價結(jié)果進(jìn)行聚類分析可以看到,8年間的改善幅度并不大,說明目前南京市水資源可持續(xù)利用問題依然嚴(yán)峻。

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Assessment of sustainable utilization of urban water resources in Nanjing City

JI Yu1,LU Baohong1,2
(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China)

The principal component analysis method and the entropy weight method were used to evaluate the sustainable utilization of the water resources in Nanjing City,based on water resources utilization data from 2003 to 2010.The clustering analysis method was used to compare and analyze the evaluation results.The results show that,during the period from 2003 to 2010,the sustainable utilization level of water resources showed an increasing trend in general.Clustering analysis shows that the increase is not significant,indicating that there are still serious obstacles to sustainable utilization of the water resources in Nanjing City.

principal component analysis method;entropy weight method;clustering analysis,water resources; sustainable utilization;Nanjing City

TV213.4

A

1004-6933(2014)01-0079-05

201303-12 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.016

國家自然科學(xué)基金(NSFC-50979023);水利部公益性行業(yè)科研專項(201201026)

季妤(1990—),女,碩士研究生,研究方向為水資源規(guī)劃與管理。E-mail：jiyu798@163.com

陸寶宏,副教授。E-mail：lubaohong@126.com