基于主成分分析的吉林西部地區(qū)農業(yè)水資源承載力評價

，，

(1.吉林大學 環(huán)境與資源學院，長春 130021; 2.長春工程學院 水利與環(huán)境工程學院，長春 130012)

1 研究背景

農業(yè)水資源承載力有著多重定義。學術界按照其作為評價一個地區(qū)水資源能否滿足當?shù)厣鐣洕l(fā)展所需的重要指標之一，定義農業(yè)水資源承載力不僅具有自然屬性而且具有社會屬性，還與在社會經濟發(fā)展過程中開發(fā)利用水資源的程度有關[1-3]。 國內外學者對農業(yè)水資源承載力已研究多年[4-5]，國內一部分學者在區(qū)域水資源承載力研究方法的基礎上，針對農業(yè)水資源承載力進行了研究。

20世紀60年代，我國開始對水資源各方面進行研究，首先進行的是水庫優(yōu)化調度方面的研究。80年代初，由華士乾教授率領的一支科學研究小組對北京地區(qū)水資源利用系統(tǒng)進行了分析與研究，并在國家“七五”公關項目中加以提高和應用[6]。隨后，水資源模擬模型在北京及海河北部地區(qū)都得到了推廣和應用。80年代后期，我國對水資源各方面的研究開始了迅猛的發(fā)展，學術界開始提出水資源的合理配置及承載能力方面的課題，并取得初步成果。中國水利水電科學研究院、航天工業(yè)總公司710研究所和清華大學相互協(xié)作，在國家“八五”攻關以及其他重大國際合作項目中，以以往的工作經驗為基礎，形成了融宏觀經濟、系統(tǒng)方法和區(qū)域水資源規(guī)劃實踐為一體的水資源承載力研究理論，并在這一基于宏觀經濟的理論方法指導下提出了多層次、多目標、群決策等方法 。

吉林西部地區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)從半濕潤森林草原向半干旱和沙漠地區(qū)的過渡帶[7]，素有“十年九旱”之說。依據(jù)吉林省“十二五規(guī)劃”綱要，吉林西部地區(qū)在2015年城鎮(zhèn)居民人均可支配收入達到7.03萬元，實現(xiàn)糧食生產能力由目前的250億kg提高到300億kg，新建30.5萬hm2高標準基本農田，其中新增水田32.3萬hm2地表水資源貧乏，地下水資源量有限，農業(yè)水資源供需矛盾將會越來越突出，生態(tài)環(huán)境也將會受到嚴重的威脅。因此，面臨西部地區(qū)農業(yè)發(fā)展規(guī)劃前景，正確評估農業(yè)水資源承載力、實現(xiàn)水土資源合理分配已成為該區(qū)迫在眉睫的問題。本次結合吉林省西部地區(qū)實際發(fā)展需求，以可持續(xù)發(fā)展為指導原則，開展農業(yè)水資源承載力評價研究，對實現(xiàn)區(qū)域農業(yè)水資源可持續(xù)發(fā)展以及國家糧食安全的基本保障和支撐吉林省經濟發(fā)展改善生態(tài)環(huán)境具有十分重大的現(xiàn)實長遠意義。

2 研究方法

本文將采用主成分分析法對吉林西部地區(qū)農業(yè)水資源承載力進行客觀評價。主成分分析方法[8-9]利用統(tǒng)計方法，通過對多個原始變量的處理，選取出幾個相對原始變量較少的有代表意義獨立的指標進行降維，以避免人為主觀上的隨意性，使所選取的指標能更典型、更準確、更簡潔地表達出所要研究對象的絕大部分信息[10]。

主成分分析的大體步驟如下：

(1) 將收集的最初數(shù)據(jù)進行標準化處理。這樣做的目的是消除各指標在量綱化和數(shù)量級上的差別，提高準確性和對比度。

(2)建立矩陣X的相關系數(shù)矩陣：

R=rijp×p。

(1)

該矩陣反映標準化后各數(shù)據(jù)之間相關聯(lián)的程度，其中rij為第i項指標與第j項指標的相關系數(shù)。

(3) 計算R的P個特征值并確定主成分貢獻率：

Yi=Ui1X1+Ui2X2+…+UiPXP。

(2)

式中：Ui1，Ui2,…,UiP分別表示第1，2，…，P個特征值分別對應的特征向量；X1,X2,…,XP分別表示第1，2，…，P個原始變量的標準化變量。

(4) 以每個主成分的貢獻率為權重，構造綜合評價函數(shù)：

F=a1Y1+a2Y2+…+aPYP。

(3)

將每個樣本的P項指標標準化后的得分代入式(2)，算出其主成分得分，再由式(3)即可得到其樣本的綜合得分，即可確定主成分個數(shù)。

依據(jù)主成分個數(shù)的選取原則，要求特征值大于1，且累積貢獻率達到或超過85%時，說明前m個主成分已包含了原始變量的絕大部分信息，則可選取前m個主成分構成綜合評價函數(shù)，這樣即可起到降維的作用，既在最大程度上保持了原始數(shù)據(jù)的準確性又簡化了計算。

主成分分析法中指標的選取原則是要求所選取的指標能足夠表達出影響當?shù)厮Y源情況的各個因素，并可從各方面反映出當?shù)厮Y源的供需情況和開發(fā)利用情況。已有研究表明，影響農業(yè)水資源承載力的因素主要有耕地灌溉率、水資源開發(fā)利用率、人均供水量、人均GDP和耕地面積[11-14]。唐振華等人在研究寧夏南部旱區(qū)農業(yè)水資源開發(fā)與可持續(xù)利用時選取了耕地灌溉率，水資源開發(fā)利用率和耕地面積等作為評價指標。在2009年孫洪鵬等人在研究遼寧農業(yè)水資源可持續(xù)利用對策時選取了水資源開發(fā)利用率、人均供水量和耕地面積等作為評價指標。在2011年于程等人在研究東北地區(qū)農業(yè)水資源利用及發(fā)展對策的研究中選取耕地灌溉率、人均供水量、人均GDP等作為評價指標。

由于吉林省西部地區(qū)屬于典型的半干旱地區(qū)[15]，以農業(yè)發(fā)展為主，要堅持可持續(xù)發(fā)展原則在最大程度上發(fā)展經濟，考慮到這些特殊原因，在借鑒前人已有研究的基礎上增加了4個評價指標，選用以下9個指標作為評價因素：①耕地灌溉率X1(%)：有效灌溉面積與耕地面積之比；②水資源開發(fā)利用率X2(%)：現(xiàn)狀水平年75%保證率的供水量與可利用的水資源總量之比；③供水模數(shù)X3(萬m3/km2)：供水量與土地面積之比；④人均供水量X4(m3)：實際供水量與總人口之比；⑤人均GDP(X5)：人均國民生產總值(元)；⑥單位面積糧食產量X6(t/hm2)；⑦單位GDP占有水資源量X7(m3/百元)；⑧農業(yè)生產總值X8(萬元)；⑨耕地面積X9(萬hm2)。

3 農業(yè)水資源承載力評價結果

所選取的吉林省西部農業(yè)水資源承載力大小的評價指標計算結果見表1。

應用SPSS統(tǒng)計軟件[16-17]對上述指標進行主成分分析，計算上述9項指標的相關系數(shù)矩陣的結果如下。

相關系數(shù)矩陣的特征值及其貢獻率、累計貢獻率和特征向量見表2。

由表2可知前4個主成分的累計貢獻率為87.696%>85%，可以認為前4個主成分已反映了原來所選取的9項指標的絕大部分信息，可用這4個主成分代表原9項指標信息。由主成分計算公式得這4個主成分與原9項指標的線性組合如下：

0.524X5-0.122X6+0.506X7-0.202X8-0.069X9，

(4)

Y2=0.49X1+0.277X2+0.515X3+0.074X4+

0.015X5+0.208X6-0.157X7-0.234X8-0.538X9，

(5)

Y3=0.036X1+0.331X2+0.073X3+0.234X4+

0.126X5+0.598X6+0.149X7+0.618X8+0.228X9，

(6)

Y4=0.456X1-0.537X2-0.381X3+0.118X4+

0.041X5+0.257X6+0.469X7-0.019X8-0.239X9。

根據(jù)優(yōu)化結果，優(yōu)化后的目標函數(shù)值為 -4.459 5×10-5m/s，接近于0，滿足零速投苗條件。最優(yōu)參數(shù)值代入約束條件的相關公式計算，也都滿足要求。

(7)

表1 吉林省西部農業(yè)水資源承載力評價指標

表2 特征值及特征向量

第1主成分Y1的貢獻率為30.62%，在第1主成分中，X4(人均供水量)、X5(人均GDP)、X7(單位GDP占有水資源量)3項評價指標所占比重超出另外6項評價指標的比重很多；從中可以看出人均供水量、人均GDP以及單位GDP占有水資源量對吉林西部地區(qū)的農業(yè)水資源承載力的影響與其他因素相比較大，反映出人均占有量對農業(yè)水資源承載力的影響。第2主成分Y2的貢獻率為27.84%，在第2主成分中X9(耕地面積)、X3(供水模數(shù))、X1(耕地灌溉率)3項評價指標所占比重較其他6項評價指標所占的比重大，從中可以看出農業(yè)耕地面積、供水模數(shù)以及農業(yè)耕地灌溉率這3項評價指標與其他6項評價指標相比較，對吉林省西部地區(qū)農業(yè)水資源承載力的影響更大，說明第2主成分中耕地用水對農業(yè)水資源承載力的影響最大。第3主成分Y3的貢獻率為21.32%，其中，X8(農業(yè)生產總值)、X6(糧食單位面積產量)所占的比重最大，反映了農業(yè)生產總值和糧食單位面積產量對吉林省西部地區(qū)農業(yè)水資源承載力的影響與其他因素相比較更大，在第3主成分中以農業(yè)生產總值為重要成分。第4主成分Y4的貢獻率為7.91%，其中，X2(水資源開發(fā)率)所占比重最大，其次是X7(單位GDP占有水資源量)和X1(耕地灌溉率)，從中可以充分的看出，在第4主成分中對吉林省西部地區(qū)農業(yè)水資源承載力影響最大的因素就是水資源開發(fā)率，反映了水資源的開發(fā)利用程度對農業(yè)水資源承載力的重大影響，其次還可以看出X7(單位GDP占有水資源量)對該地區(qū)農業(yè)水資源承載力的影響，在第1主成分中X7(單位GDP占有水資源量)所占比重就相當大，在第4主成分中仍然占據(jù)比較大的比重。

按照主成分分析法的計算方法與步驟，以上述計算分析所得的4個主成分貢獻率為權重，得到綜合評價函數(shù)如下：

F=(30.62Y1+27.84Y2+

21.32Y3+7.91Y4)/100 。

(8)

綜合評價函數(shù)F值的大小可由每個地區(qū)的9項評價指標的標準化值算出，F(xiàn)值越大表示這個主成分的綜合得分越高，進而說明該區(qū)的農業(yè)水資源承載力也越大。各個地區(qū)詳細的農業(yè)水資源承載力大小的最終分析結果及大小順序如圖1。從圖中可以看出，農業(yè)水資源承載力排最大的地區(qū)是前郭縣，農業(yè)水資源承載力較差的地區(qū)有通榆縣、長嶺縣和乾安縣，其中農業(yè)水資源承載力最好的前郭縣與農業(yè)水資源承載力最差的通榆縣相比，差距很大。

圖1 各分區(qū)農業(yè)水資源承載能力主成分分析綜合分析評價結果

由圖1可以看出，農業(yè)水資源承載力較大的地區(qū)有前郭縣和白城市區(qū)，這是因為2地所處的地理位置本身就具有一定優(yōu)勢，前郭縣和白城市區(qū)水資源較吉林省西部其他地區(qū)水資源豐富，并且當?shù)赜盟凸?jié)水措施良好，水資源開發(fā)利用合理，水資源利用率高；農業(yè)水資源承載力較差的地區(qū)有長嶺縣和通榆縣，這2個地區(qū)本身的地理位置處水資源條件就較差，水資源人均占有量少，水資源開發(fā)利用率低，耕地灌溉利用率小，存在用水浪費的情況，因此在這些地區(qū)應適當加大水利設施建設，注重日常居民用水和農業(yè)節(jié)水，大力提倡節(jié)水農業(yè)，提高水資源的綜合利用率，以期在目前所處的情況下提高當?shù)氐霓r業(yè)水資源承載力；其余農業(yè)水資源承載力中等的地區(qū)用水及節(jié)水措施都較一般，可在這些地區(qū)經濟條件允許的情況下適當采取一些節(jié)水措施來提高本地的農業(yè)水資源承載力，以帶動當?shù)氐纳鐣洕l(fā)展，提高當?shù)厝嗣竦纳钯|量；除此之外，還可以看出，農業(yè)水資源承載力排在前幾名的城市中，除白城市之外，其社會經濟發(fā)展水平卻不高，說明這些地區(qū)的水資源利用率較低，相比之下松原市在水資源利用方面就大有可鑒之處，其農業(yè)水資源承載力不大，但是城市的經濟發(fā)展卻靠前，農業(yè)水資源承載力排名靠前的地區(qū)要加大當?shù)氐挠盟?，使本地的資源物盡其用，農業(yè)水資源承載力排名靠后的地區(qū)要合理開采當?shù)厮Y源，并且要注重利用客水。

考慮到吉林省西部地區(qū)水資源的自身特點[18]，并參考前人已研究過的評價參數(shù)的分級指標[19-20]承載力的影響程度分為3個級別[21-22]，Ⅰ級(>0.65)，屬于承載力較大；Ⅱ級(-0.48～0.65)，屬于承載力中等；以及Ⅲ級(<-0.48)，屬于承載力較小，這樣的3個級別。用此分級標準對吉林省西部各地區(qū)的農業(yè)水資源承載能力優(yōu)良情況進行分析比較并且分類，結果如圖2所示。

圖2 吉林西部地區(qū)農業(yè)水資源承載力優(yōu)良分級情況

4 結論與建議

(1) 在初步了解掌握了研究區(qū)概況的基礎上，運用主成分分析法對吉林西部農業(yè)水資源承載力作出計算及評價。影響農業(yè)水資源承載力大小的因素眾多，本文從中選取了9個評價指標對吉林省西部地區(qū)的農業(yè)水資源承載力進行評價，得出吉林省西部地區(qū)農業(yè)水資源承載力的主要影響因素是社會經濟的發(fā)展、人口數(shù)量的增加等方面，結果較客觀地反映了當?shù)剞r業(yè)水資源承載力的情況，證明主成分分析法是一種很好的評價水資源承載力的方法。本文的不足之處在于在指標的選取過程中沒有考慮客水量，只有當?shù)氐牡乇硭亢偷叵滤?，所以得出的結果與實際農業(yè)水資源承載力會有一定出入，但也可為吉林省的水資源規(guī)劃作出一些參考價值。

(2) 人口耕地面積對于以農業(yè)為主要經濟動力的吉林省西部地區(qū)來說，意義十分重大，同時人口耕地面積也是影響該地區(qū)農業(yè)水資源承載力的幾個主要因素之一。由此可以看出，在保證社會經濟發(fā)展以“好”字為先的前提下，并且要在水資源量有限的前提下緊追吉林省“十二五”規(guī)劃，農業(yè)水資源承載力的壓力將會越來越大。

(3) 吉林西部地區(qū)屬于半干旱地區(qū)，地表水資源不充足，地下水資源可供開采量又有限，水資源條件不優(yōu)越，為了提高當?shù)亟洕l(fā)展的速度，這就更要求該地區(qū)要加強水資源管理與利用，提高水資源的開發(fā)利用水平，比如在地下水資源相對豐富的地區(qū)可以加大地下水的開采量，在客水較多的地區(qū)充分利用客水資源和充分利用當?shù)赜旰橘Y源等，以期為吉林省西部規(guī)劃的進程加快步伐。

(4) 作為水資源用戶，要積極參與農業(yè)水資源管理，做好農業(yè)節(jié)水的相關宣傳工作，轉變單一的用水模式，在現(xiàn)有設備和條件下盡力提高水資源循環(huán)利用率，同時也要做好保護地下水的相關工作，農民要注意科學合理施打農藥，在必要時可適當采用經濟措施。隨著社會經濟的發(fā)展，要注意“好”字在先，推行社會經濟綠色發(fā)展，發(fā)展資源節(jié)約型的經濟路線，為吉林省的發(fā)展做出一份努力。

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