王鴻翔,陳秋米,2,張海濤,2,郭文獻(xiàn),陳鼎新,王 群
(1.華北水利水電大學(xué),鄭州 450046;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;3. 水利部海河水利委員會(huì),天津 300170)
水,是人類進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)不可替代的自然資源,是維持人類生存繁衍不可缺少的寶貴資源,同時(shí)也是文明之魂,具有多種功能和屬性。
承載力是力學(xué)中的一個(gè)物理概念,指物體在不產(chǎn)生任何破壞時(shí)所能承受的最大負(fù)荷。水資源承載力是在水問(wèn)題的日益突出的背景下,由我國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)80年代末提出的。水資源承載力是承載力概念在水資源領(lǐng)域的具體應(yīng)用,是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)持續(xù)發(fā)展過(guò)程中各種自然資源承載力的重要組成部分,具有自然與社會(huì)的雙重屬性,對(duì)一個(gè)國(guó)家或地區(qū)綜合發(fā)展和發(fā)展規(guī)劃有至關(guān)重要的影響。國(guó)外對(duì)水資源承載力的研究起源較早,但其研究不夠深入,常常僅在可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題中得到泛泛的討論。國(guó)內(nèi)水資源承載力研究雖然起步較晚,但發(fā)展速度較為快速,比較有代表性的研究包括:施雅風(fēng),曲耀光運(yùn)用常規(guī)趨勢(shì)法對(duì)烏魯木齊河流域進(jìn)行水資源承載力研究[1];朱一中,夏軍,談戈[2]西北地區(qū)水資源承載力分析預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià);張保成,孫林巖[3]國(guó)內(nèi)外水資源承載力的研究綜述;惠泱河,蔣曉輝,黃強(qiáng),薛小杰[4]水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究;李湘姣,王先甲[5]珠江三角洲水資源可持續(xù)利用綜合評(píng)價(jià)分析;王建華,姜大川[6]利用動(dòng)態(tài)試算反饋的評(píng)價(jià)方法對(duì)沂河流域(臨沂段)進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià);李湘姣,王先甲[7]運(yùn)用主成成分分析法對(duì)珠江三角洲展開(kāi)了水資源可持續(xù)利用綜合評(píng)價(jià)分析;黨麗娟,徐勇[8]水資源承載力研究進(jìn)展及啟示。由此可見(jiàn),國(guó)內(nèi)對(duì)水資源承載力的研究方法更具多樣性。
目前對(duì)水資源承載力的研究可歸納為:①通過(guò)水資源供需平衡評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力狀況;②選取影響指標(biāo),利用評(píng)價(jià)方法對(duì)區(qū)域水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)方法有很多,如:常規(guī)趨勢(shì)評(píng)價(jià)法、密切值評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[9]、向量模法及主成分分析法[10,11]等。
主成分分析法能將多個(gè)不相關(guān)的指標(biāo)匯集為少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立的綜合性指標(biāo),這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能將繁雜的問(wèn)題變得簡(jiǎn)單,使問(wèn)題分析起來(lái)更加簡(jiǎn)單方便,得出的結(jié)果科學(xué)性更強(qiáng)。本文根據(jù)2005-2015年的寧夏統(tǒng)計(jì)資料,選取13項(xiàng)主要影響水資源承載力的因素,建立綜合評(píng)價(jià)體系,并對(duì)寧夏水資源承載水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文所選指標(biāo)均出自《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》和《寧夏水資源公報(bào)》。
主成分分析法的一般計(jì)算步驟如下:
(2)對(duì)樣本的相關(guān)系數(shù)矩陣R進(jìn)行計(jì)算。R=[rij]p×p,其中:
(3)對(duì)特征向量及特征值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)|R-λIp|=0,得到R的前m個(gè)較大的特征值λ1≥λ2≥…λm>0,滿足并求出其對(duì)應(yīng)的特征向量U1≥U2≥…≥Um。
(5)對(duì)主成分得分進(jìn)行計(jì)算。主成分的得分是相應(yīng)的因子得分乘以相應(yīng)的方差的算術(shù)平方根。Fn=α1nX1+α2nX2+…+αpnXp,i=1,2,…,m。
寧夏處在中國(guó)西部的黃河上游,南北相距約456 km,東西相距約250 km,總面積為6.64 萬(wàn)多km2。2016年末全區(qū)常住人口674.90萬(wàn)人,其中,城鎮(zhèn)人口379.87萬(wàn)人。寧夏降水稀少,多年平均降雨量?jī)H為289 mm,不足全國(guó)平均值的一半。全區(qū)多年平均年徑流量為9.493 億m3,僅為全國(guó)均值的1/15。寧夏全區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源總量11.633 億m3,多年平均當(dāng)?shù)氐乇硭Y源可利用量為4.5 億m3,當(dāng)?shù)氐叵滤昧?.5 億m3,經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展主要依賴于國(guó)家分配的過(guò)境黃河水。
寧夏全區(qū)用水結(jié)構(gòu)非常不合理,水資源利用效率不高。2015年,全年全區(qū)用水總量為70.4 億m3。農(nóng)業(yè)用水61.9 m3,占總用水量的87.93%,而全國(guó)均值為68%。工業(yè)用水為4.4 億m3,僅占總用水量的6.25%,遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水準(zhǔn)。寧夏作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大省,水資源嚴(yán)重短缺,農(nóng)業(yè)用水占比較大,水資源供需矛盾突出。
隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,寧夏地區(qū)存在水資源供需矛盾突出、供用水結(jié)構(gòu)不盡合理及水環(huán)境逐日惡化等問(wèn)題,水資源壓力越來(lái)越大。為了更準(zhǔn)確、客觀的反映評(píng)價(jià)結(jié)果,本文從水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等不同角度來(lái)綜合評(píng)價(jià)寧夏地區(qū)的水資源承載能力狀況,詳細(xì)指標(biāo)類型、表示方法及作用見(jiàn)表1。具體指標(biāo)包括:X1:水資源總量,億m3;X2:降水量,mm;X3:總用水量,億m3;X4:城鎮(zhèn)生活用水量,億m3;X5:人口自然增長(zhǎng)率,%;X6:常住總?cè)丝?,萬(wàn)人;X7:工業(yè)用水量,億m3;X8:農(nóng)業(yè)用水量,億m3;X9:人均GDP,萬(wàn)元/人;X10:生態(tài)用水量,億m3;X11:工業(yè)總產(chǎn)值,萬(wàn)元;X12:生態(tài)環(huán)境用水率,%;X13:工業(yè)廢水排放總量,萬(wàn)t。
表1 水資源承載力指標(biāo)類型劃分、表示方法及作用
運(yùn)用SPSS19.0軟件(Statistical Product and Service Solutions,即為“統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”軟件)將所選的13項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)作標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化處理后,得到相關(guān)系數(shù)矩陣,見(jiàn)表3。從表3中可以看出,各因子之間存在一定的關(guān)聯(lián)性,X6與X9、X10的相關(guān)系數(shù)分別為0.99、0.91,這說(shuō)明采用主成分分析方法,有助于客觀分析寧夏水資源承載狀況。
表2 原始數(shù)據(jù)
表3 寧夏水資源承載力變化驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)系數(shù)矩陣
由表4可知,抽取主成分后所有變量的公因子方差全在0.6以上,其中有5個(gè)變量的公因子方差超過(guò)了0.9。這進(jìn)一步說(shuō)明,采用主成分分析法得到的結(jié)果可靠性較高,使用該方法評(píng)價(jià)寧夏水資源承載狀況可以得到更加客觀的結(jié)果。
經(jīng)SPSS19.0的計(jì)算得到各主成分的特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率。從表5可以觀察到前兩個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了87.132%,已超過(guò)85%的要求,所以我們選前兩個(gè)因子作為主成分來(lái)分析寧夏水資源承載力狀況。
主成分荷載矩陣能反映各主成分與變量之間相互關(guān)系,相關(guān)系數(shù)值越大,說(shuō)明該變量對(duì)主成分的影響越大。從表6可以看出,第一主成分主要與X4、X6、X7、X9、X10、X11、X12呈正相關(guān)關(guān)系,因此我們定義第一主成分主要表示水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度;第二主成分主要受X1影響,我們定義第二主成分主要表示水資源量對(duì)水資源承載力的影響。
表4 公因子方差
表5 特征值及主成分貢獻(xiàn)率
表6 主成分荷載
利用SPSS19.0軟件計(jì)算得到各主成分,將2個(gè)主成分得分按方差貢獻(xiàn)率加權(quán)得分計(jì)算得到綜合得分F。計(jì)算得到的綜合F越大,說(shuō)明水資源承載空間就越大,反之越小。
F=(76.147F1+10.985F2)/87.132
(1)
寧夏水資源承載力綜合評(píng)價(jià)得分情況見(jiàn)表7。
表7 水資源承載力綜合評(píng)價(jià)得分表
通過(guò)圖1我們可以更直觀地觀察出:第一主成分與綜合得分趨勢(shì)基本一致,這就說(shuō)明了寧夏地區(qū)水資源承載能力水平主要受水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的影響比較大。而第二主成分趨勢(shì)較綜合得分趨勢(shì)波動(dòng)較大,因此其對(duì)綜合得分影響不大。
趙自陽(yáng),李王成等人[10]從寧夏的水資源支持力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和社會(huì)生活水平3方面對(duì)該地區(qū)水資源承載力展開(kāi)綜合評(píng)價(jià)。其研究結(jié)果表明:在2004-2014年間,寧夏水資源承載力僅在2005-2006年有波動(dòng),其余11年間保持穩(wěn)定上升。從本文評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出:2005-2015年間寧夏地區(qū)水資源承載力水平整體呈上升態(tài)勢(shì),在2007-2008年、2014-2015年出現(xiàn)下降。本文結(jié)果與趙自陽(yáng)等人的研究結(jié)果基本一致,部分年份結(jié)果稍有偏差。2008年,寧夏地區(qū)水資源承載力較2007年下降,是因?yàn)樵撃贽r(nóng)業(yè)用水量較大,而水資源總量減少,造成該年水資源承載水平下降。2015年較2014年人口增加6萬(wàn)余人,而水資源量減少0.9 億m3,所以水資源承載力略有下降。水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度是影響寧夏水資源承載力水平的主要因素。
本研究綜合考慮資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng),最終形成寧夏水資源承載力綜合評(píng)價(jià)的基本思路,與趙自陽(yáng)等人所做的從水資源支持力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和社會(huì)生活3方面展開(kāi)評(píng)價(jià)的思路稍有區(qū)別。這也是本研究的不同之處,較前文所選指標(biāo)更全面,結(jié)果更符合研究區(qū)域的實(shí)際情況。本項(xiàng)研究進(jìn)一步完善寧夏地區(qū)水資源承載力研究的研究思路,豐富了寧夏地區(qū)水資源承載力的研究?jī)?nèi)容。本文研究還表明,水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度是影響寧夏水資源承載力水平的主要因素。
圖1 主成分得分趨勢(shì)圖
主成分分析法作為研究地區(qū)水資源承載力狀況的有效方法,能比較科學(xué)、全面地反映出研究區(qū)域的水資源承載狀況。本文對(duì)寧夏水資源承載力進(jìn)行主成分研究后,得到如下幾個(gè)結(jié)論。
(1)利用主成分分析方法結(jié)合SPSS19.0軟件,將13個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)凝煉成2個(gè)主成分,確定了寧夏地區(qū)水資源承載能力水平主要受水資源開(kāi)發(fā)利用和管理水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的影響。
(2)2005-2015年間,寧夏水資源承載水平總體呈上升態(tài)勢(shì),其在2014年達(dá)到最高。這就說(shuō)明寧夏推行的節(jié)水管控措施起到了非常顯著的作用,進(jìn)一步提升了該地區(qū)的水資源承載水平。
(3)寧夏現(xiàn)狀用水水平較低,農(nóng)業(yè)用水占比較高,供用水結(jié)構(gòu)不盡合理,水資源供需矛盾突出,這是制約其水資源承載力的主要問(wèn)題。
隨著“節(jié)水型城市”的發(fā)展,水資源調(diào)配工程的快速建設(shè),未來(lái)寧夏地區(qū)水資源承載能力水平還存在一定的上升空間。
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