基于主成分分析的荊門市水資源承載力評(píng)價(jià)

唐 鵬，何錦峰

(重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶400074)

水資源承載力是衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要指標(biāo)，水資源承載力的研究有助于進(jìn)一步弄清水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐能力，有利于從全局高度把握水資源的價(jià)值，建立正確的水資源開發(fā)利用價(jià)值觀能夠有效地評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)水資源開發(fā)利用同經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的諧調(diào)程度［1］。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)從不同角度對(duì)水資源承載力進(jìn)行分析，總結(jié)出模糊綜合評(píng)判法［2］、主成分分析法［3］、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［4］等方法，并取得了一定的成果。筆者運(yùn)用主成分分析法，對(duì)2004～2013年湖北省荊門市水資源承載力進(jìn)行研究，以期為荊門市水資源合理分配布局以及區(qū)域內(nèi)水資源的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，保障區(qū)域內(nèi)水資源合理開發(fā)利用，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

荊門位于湖北省中部地區(qū)，地處江漢平原西北部的江漢中下游地段，位于 111°51′～113°29′E，30°32′～31°36′N，東西最大橫距155 km，南北最大縱距131 km，全市國土面積1．24萬km2，荊門市地域東、西、北3面高，中、南部低，呈向南敞開形，形成低山坳谷、丘崗沖溝和平原湖區(qū)兼具地勢(shì)。屬典型的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水較為豐沛。全市多年平均降水量從西北向東南遞增，常年為850～1 150 mm。多年平均水資源總量40．13億m3，其中多年平均地表水資源量為37．67億m3，多年平均地下水資源量為15．40億m3。按全市人口和耕地面積計(jì)算，人均水資源占有量1 379 m3，單位面積水資源占有量15 405 m3/hm2，均低于全省平均水平，存在用水不足情況。區(qū)域內(nèi)1～4月份降水量處于明顯偏少的階段。區(qū)域內(nèi)的主要水資源供給來源于漢江支流、天門河、竹皮河以及漳河水庫等水源。又由于其是湖北省內(nèi)主要糧食生產(chǎn)基地、重要的石化生產(chǎn)基地，有一定范圍內(nèi)的石油、化工、紡織行業(yè)廢水污染，工業(yè)廢水的排放及農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥的大量使用，給市境內(nèi)水域帶來很大的危害?？偠灾?，荊門是一個(gè)水資源不足、用水效率不高、用水不平衡的地區(qū)。主要表現(xiàn)在人口的增加、區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)短缺的水資源提出了更高的用水要求;在水資源開發(fā)利用的各環(huán)節(jié)上存在嚴(yán)重水污染，也加劇了區(qū)域內(nèi)的水資源短缺的局面，很大程度上制約著荊門市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

2 主成分分析法

主成分分析主要是研究通過少數(shù)幾個(gè)由多個(gè)原始變量構(gòu)成的主要分量來描述、概括與解釋多變量的方差-協(xié)方差結(jié)構(gòu)特征的一種數(shù)學(xué)方法。主要思路是通過降維處理，將多指標(biāo)體系轉(zhuǎn)化成幾個(gè)主要的主成分指標(biāo)。該研究主要是采用主成分分析法中的因子分析，因子分析是從多個(gè)變量指標(biāo)中選出少數(shù)幾個(gè)綜合變量指標(biāo)的一種降維的多元統(tǒng)計(jì)方法，是主成分分析方法的推廣和深化［5］。該法的基本思想是根據(jù)相關(guān)性大小把變量分組，使得同組內(nèi)變量之間的相關(guān)性較高，但不同組變量的相關(guān)性較低，試圖用較少的公共因子的線性函數(shù)和特定因子之和來表達(dá)原來觀測(cè)的每個(gè)變量，以達(dá)到合理地解釋存在于原始變量間的相關(guān)性和簡化變量維數(shù)的目的［6］。主要是運(yùn)用SPSS19．0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2．1 主成分分析法步驟［7］

2．1．1 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。由于指標(biāo)的量綱和數(shù)量級(jí)不同，為降低其量綱和數(shù)量級(jí)的影響，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體公式為:

式中，Y為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù);Xmn為原始數(shù)據(jù);Xm為第m個(gè)指標(biāo)的樣本均值;Sm為第m個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2．1．2 相關(guān)系數(shù)矩陣R計(jì)算。相關(guān)系數(shù)矩陣R的計(jì)算公式為:

式中，P表示相關(guān)系數(shù)矩陣橫縱列的位數(shù);Smn表示相關(guān)系數(shù)矩陣;Z表示的樣本數(shù)量;Xkn表示原始數(shù)據(jù);ˉXm表示第m個(gè)指標(biāo)的均值;ˉXn表示第n個(gè)指標(biāo)的均值。然后，計(jì)算相關(guān)矩陣R的N個(gè)特征值λ1、λ2、…、λN，并求出其對(duì)應(yīng)的特征向量A1、A1、…、AN。

2．1．3 貢獻(xiàn)率計(jì)算。累計(jì)貢獻(xiàn)率Gt計(jì)算公式為:

式中，λm、λn分別表示樣本m和n的特征值。根據(jù)主成分分析累計(jì)貢獻(xiàn)率變化，需要Gt取值在85%以上選取主成分。

2．1．4 確定評(píng)價(jià)因子的主成分得分。根據(jù)主成分的各個(gè)因子的得分載荷與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，確定其主成分在各個(gè)年限的得分，再根據(jù)主成分得分與特征值的關(guān)系計(jì)算水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Z，通過綜合得分確定承載力變化情況。具體公式為:

式中，Ek為選取的主成分得分;Gk為選定主成分的特征值貢獻(xiàn)率。

2．2 指標(biāo)選取 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確定需要考慮到區(qū)域內(nèi)的自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人文、生態(tài)等系統(tǒng)因素，通過對(duì)指標(biāo)體系的確定才能更加直觀定性、定量地分析區(qū)域內(nèi)的水資源承載力。因此，該研究主要利用2004～2013年荊門市統(tǒng)計(jì)年鑒以及水資源公報(bào)等資料，并參考專家意見，選取11個(gè)指標(biāo)因子構(gòu)建荊門市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體指標(biāo)如下:GDP X1，億元;固定資產(chǎn)投資額X2，億元;總?cè)丝赬3，萬人;水資源總量X4，億m3;總供水量X5，億m3;生產(chǎn)用水量X6，億m3;耗水率X7，百分比;人均綜合用水量X8，m3;萬元GDP用水量X9，m3;萬元工業(yè)增加值用水量X10，m3;農(nóng)田灌溉畝均用水量X11，m3。

3 基于主成分分析的荊門市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

3．1 水資源承載力主成分分析 運(yùn)用SPSS19．0統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)荊門市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行分析處理。將原始數(shù)據(jù)通過SPSS19．0進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，得到了評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣(表1)，再通過得到的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣進(jìn)一步得到了評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣(表2)。由相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算特征值，得到了主成分的貢獻(xiàn)率與累計(jì)貢獻(xiàn)率(表3)。通過對(duì)貢獻(xiàn)率與累計(jì)貢獻(xiàn)率的分析比較可知，主成分1、2、3的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92．046%。根據(jù)主成分累積貢獻(xiàn)率大于85%即可作為主成分的原理，選取了前3個(gè)主成分作為評(píng)價(jià)水資源承載力的主成分。根據(jù)SPSS軟件處理功能最終得到了主成分載荷矩陣(表4)，得到了變量 X1～X11與3個(gè)主成分之間的載荷。由表4可知，第1主成分與GDP(X1)、固定資產(chǎn)投資額(X2)、總供水量(X5)、生產(chǎn)用水量(X6)、人均綜合用水量(X8)之間存在明顯的正相關(guān)，與萬元GDP用水量(X9)、萬元工業(yè)增加值用水量(X10)之間存在明顯的負(fù)相關(guān);第2主成分與農(nóng)田灌溉畝均用水量(X11)、耗水率(X7)存在正相關(guān)，與水資源總量(X4)存在負(fù)相關(guān);第3主成分與總?cè)丝?X3)之間存在正相關(guān)關(guān)系?？梢?，評(píng)價(jià)水資源承載力的主成分主要包括區(qū)域內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、人口與水資源利用情況等指標(biāo)，可以通過這些指標(biāo)來反映荊門市的水資源承載力情況。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 主成分特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率

表4 主成分載荷矩陣

3．2 水資源承載力變化趨勢(shì)分析 由圖1可知，荊門市水資源承載力從2004年開始一直呈現(xiàn)出波動(dòng)的狀態(tài)，整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，2009年水資源承載力回升，2012、2013年又急劇下降。

3．3 水資源承載力影響因素分析

3．3．1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況。荊門市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要表現(xiàn)在工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展上，工農(nóng)業(yè)快速的發(fā)展加大了區(qū)域內(nèi)的水資源承載力。由統(tǒng)計(jì)年鑒可知，2004～2013年全區(qū)域的GDP增長了4倍。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加大了區(qū)域內(nèi)水資源的利用，加大了區(qū)域的供水能力。

3．3．2 人口。2004～2013年荊門市總?cè)丝诔尸F(xiàn)出平穩(wěn)增長的趨勢(shì)，但變化并不是特別明顯，但隨著荊門市的快速發(fā)展，人均用水量增加。同時(shí)，外來務(wù)工人員快速增長，加大了區(qū)域內(nèi)的用水量。水資源的供水量由2004年的15．78億m3增至2013年的18．13億m3。水資源供水量的增加未能夠滿足區(qū)域內(nèi)人口用水的需求，加大了區(qū)域內(nèi)的水資源承載力。

3．3．3 水資源利用情況。荊門市的水資源利用情況主要表現(xiàn)在荊門三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展結(jié)構(gòu)模式上，荊門市水資源主要是通過流經(jīng)區(qū)域內(nèi)的河流以及水庫得到。2004～2013年荊門水資源總量呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢(shì)。根據(jù)水利公報(bào)，萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。水資源利用在三產(chǎn)業(yè)發(fā)展的模式下還有一定的節(jié)水空間。隨著水資源總量以及用水量的逐年下降，荊門水資源承載力伴逐漸表現(xiàn)出較大的壓力。為促進(jìn)水資源利用以及減小水資源承載力，需要進(jìn)一步完善相應(yīng)的節(jié)水措施，保障水資源能夠滿足區(qū)域內(nèi)的用水平衡。

4 結(jié)論與討論

利用2004～2013年荊門市統(tǒng)計(jì)年鑒以及水資源公報(bào)等資料，選取了荊門市GDP、固定資產(chǎn)透支額、總?cè)丝?、水資源總量、總供水量、生產(chǎn)用水量、耗水率、人均綜合用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量等11個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建了水資源承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過主成分分析方法得到了影響水資源承載力的3個(gè)主成分，其中包含了人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源利用等內(nèi)容，較全面地分析了荊門市水資源承載力變化情況。結(jié)果表明，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，荊門市水資源承載力表現(xiàn)出波動(dòng)性的變化，2012、2013年水資源承載力急劇下降。需要得到當(dāng)?shù)卣母叨戎匾?，在注重城市社?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也應(yīng)該加大力度保護(hù)水資源，采取一定的有效措施保證荊門市的水資源能夠得到合理的利用，促進(jìn)區(qū)域內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展。

該研究結(jié)合主成分分析方法對(duì)荊門市水資源承載力進(jìn)行分析，但所選取的指標(biāo)仍然不夠全面，需要完善指標(biāo)，才能更加全面地反映水資源承載力的狀況。同時(shí)，在分析荊門市水資源承載力的過程中，只是做了初步的評(píng)價(jià)分析，而各個(gè)影響因素與水資源承載力的具體關(guān)系并未做進(jìn)一步的分析，需要通過對(duì)比分析才能夠更加深入地探討其對(duì)水資源承載力的影響。

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