基于DPSIR-PCA的山西省水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)

杜陽(yáng)　武鵬林

摘要：針對(duì)山西省2003-2016年水資源的可持續(xù)發(fā)展情況，構(gòu)建基于驅(qū)動(dòng)力一壓力一狀態(tài)一影響一響應(yīng)的水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用主成分分析法得出評(píng)價(jià)指標(biāo)主成分、主成分得分以及綜合得分，繪制出得分曲線。研究表明：山西省水資源驅(qū)動(dòng)力持續(xù)提高，水資源使用的壓力逐步減小，狀態(tài)波動(dòng)趨向穩(wěn)定，影響力逐漸加大，水資源系統(tǒng)可持續(xù)性穩(wěn)步上升，具有發(fā)展?jié)摿ΑPSIR-PCA模型選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有全面性和代表性，能夠準(zhǔn)確地反映水資源可持續(xù)性的變化，該模型評(píng)價(jià)指標(biāo)精簡(jiǎn)、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便、結(jié)果更為精確，可為未來(lái)山西省水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)提供新的方法。

關(guān)鍵詞：水資源;可持續(xù)性;評(píng)價(jià);DPSIR模型;主成分分析法;山西省

中圖分類號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019. 04.010

DPSIR（ Driving

force - Pre ssure - State - Impact - Re-sponse）模型是用來(lái)解決資源環(huán)境問(wèn)題的概念模型，可進(jìn)行水資源可持續(xù)性發(fā)展評(píng)價(jià)[1]。DPSIR模型分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3層。目標(biāo)層為資源可持續(xù)發(fā)展;準(zhǔn)則層為驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響及響應(yīng)5個(gè)具有因果關(guān)系的因素（驅(qū)動(dòng)力為最基礎(chǔ)的因素;壓力伴隨驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生，更為直接地作用于系統(tǒng)或者資源：狀態(tài)在壓力作用下產(chǎn)生變化;影響是驅(qū)動(dòng)力、壓力及狀態(tài)因素共同作用的結(jié)果：響應(yīng)是所采取的應(yīng)對(duì)措施，多體現(xiàn)為政策、法律及經(jīng)濟(jì)手段）;指標(biāo)層即為針對(duì)準(zhǔn)則層內(nèi)容進(jìn)一步細(xì)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。馬慧敏[3]利用DPSIR模型對(duì)影響山西省水資源可持續(xù)性發(fā)展的指標(biāo)進(jìn)行定量分析，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算得出準(zhǔn)則層和目標(biāo)層綜合評(píng)價(jià)值，對(duì)山西省2006-2011年的水資源發(fā)展情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但是該分析的時(shí)間跨度較短，指標(biāo)的選取較為片面，而且各準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)值需用該準(zhǔn)則層所有指標(biāo)評(píng)價(jià)值累加得出，計(jì)算過(guò)程繁瑣。

筆者在DPSIR模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析法（PCA）合理精簡(jiǎn)指標(biāo)，提出了DPSIR-PCA評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，使用SPSS軟件計(jì)算指標(biāo)主成分得分以及綜合得分，對(duì)山西省2003-2016年水資源的可持續(xù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。PCA是一種統(tǒng)計(jì)分析降維方法，把原來(lái)多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，通常把轉(zhuǎn)化生成的綜合指標(biāo)稱為主成分，其中每個(gè)主成分都是原始變量的線性組合，且各個(gè)主成分之間互不相關(guān)。DPSIR-PCA模型用代表性的主成分指標(biāo)分析評(píng)價(jià)資源可持續(xù)性，更容易抓住主要矛盾，反映內(nèi)部變量之間的規(guī)律性，使要解決的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。

1 研究方法

選取水資源可持續(xù)發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立DPSIR模型。運(yùn)用SPSS軟件，對(duì)各準(zhǔn)則層指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。參考何亮[4]提出的選取特征值大于1、累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的原則選取主成分。

（1）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式為

（5）繪制各準(zhǔn)則層主成分得分的加權(quán)平均值曲線以及綜合得分曲線。

2 山西省水資源可持續(xù)評(píng)價(jià)

2.1 指標(biāo)選取

建立目標(biāo)層為山西省水資源可持續(xù)發(fā)展，準(zhǔn)則層為驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響及響應(yīng)5個(gè)指標(biāo)的DPSIR模型，依據(jù)陳洋波等[5]提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)能反映資源、環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)等方面的原則，選出各個(gè)準(zhǔn)則層的指標(biāo)，見表1。

驅(qū)動(dòng)力準(zhǔn)則層的8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)涵蓋了經(jīng)濟(jì)、人口與自然等方面，是促進(jìn)水資源發(fā)展最根本的驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)：壓力準(zhǔn)則層的7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要依據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求，結(jié)合山西省用水效率與污水處理率低、浪費(fèi)嚴(yán)重、居民對(duì)水資源的保護(hù)意識(shí)薄弱的區(qū)域社會(huì)特征總結(jié)得出：狀態(tài)準(zhǔn)則層的8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均與水資源密切相關(guān)，包括耕地、人口享有水資源的狀態(tài)和水資源的可持續(xù)利用狀態(tài)等：影響準(zhǔn)則層的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)山西省水資源環(huán)境狀況，結(jié)合資源與環(huán)境兩方面，反映其對(duì)水資源系統(tǒng)的影響。上述各準(zhǔn)則層指標(biāo)數(shù)據(jù)易于統(tǒng)計(jì)和獲取，含義明確，具有代表性，符合指標(biāo)選取的基本原則[6]。響應(yīng)準(zhǔn)則層指標(biāo)為定性指標(biāo)，本文不作研究。

2.2 選取主成分

運(yùn)用主成分分析法處理山西省2003-2016年水資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，使用SPSS22統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)山西省水資源可持續(xù)評(píng)價(jià)的指標(biāo)進(jìn)行分析，得到各指標(biāo)主成分的特征值及貢獻(xiàn)率[7]，見表2。

由表2可見：驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率分別為91.65%、89.42%、85.44%、88.55%，均大于85%。根據(jù)主成分特征值及貢獻(xiàn)率，得出各個(gè)準(zhǔn)則層的權(quán)重分別為0.32、0.25、0.24、0.19。

2.3 計(jì)算主成分得分

根據(jù)主成分分析法，利用SPSS22軟件計(jì)算出各準(zhǔn)則層主成分單因子得分，根據(jù)單因子的得分與其特征值貢獻(xiàn)率來(lái)確定主成分得分的加權(quán)平均值[8]，見表3。

2.4 繪制趨勢(shì)圖

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)繪制各準(zhǔn)則層主成分得分的加權(quán)平均值曲線以及綜合得分曲線[9]，分別見圖1及圖2。

從圖1可以看出，近年來(lái)驅(qū)動(dòng)力得分的加權(quán)平均值呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為驅(qū)動(dòng)力的主成分，經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展必然會(huì)對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。人口的不斷增長(zhǎng)使用水方式趨于多樣化，人們生活水平不斷提高產(chǎn)生多樣化的用水需求，對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生越來(lái)越大的驅(qū)動(dòng)作用。雖然社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)水資源產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力總體上處于不斷增強(qiáng)態(tài)勢(shì)，但是驅(qū)動(dòng)力中某些成分存在破壞驅(qū)動(dòng)力，所以曲線存在波動(dòng)。

山西省2003-2016年壓力主成分得分的加權(quán)平均值總體呈下降趨勢(shì)，2010-2016年降低的幅度逐漸變小，但與驅(qū)動(dòng)力得分相比，壓力指標(biāo)得分的加權(quán)平均值的絕對(duì)值總體仍然大于驅(qū)動(dòng)力，表明研究期內(nèi)壓力雖然處于逐漸減小的趨勢(shì)，但對(duì)水資源系統(tǒng)仍然有較大的作用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人均用水量迅速增加，成為產(chǎn)生壓力的主成分之一。萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和廢污水排放率都是反映工業(yè)用水對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生壓力的主成分，對(duì)于山西省這樣以重工業(yè)尤其是煤炭工業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)的地區(qū)而言，工業(yè)用水量較大、廢污水排放率較高，必然會(huì)對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生較大壓力。

狀態(tài)主成分得分的加權(quán)平均值總體上呈上升趨勢(shì)，中間存在波動(dòng)，表明在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，水資源系統(tǒng)在近年來(lái)保持穩(wěn)定的狀態(tài)下得到了逐步發(fā)展。山西省的水資源開發(fā)利用率逐漸向合理的趨勢(shì)發(fā)展，有效灌溉面積不斷增大表明了水資源系統(tǒng)服務(wù)農(nóng)業(yè)的能力有所增強(qiáng)，這與水資源系統(tǒng)壓力逐漸減小有一定的關(guān)系。

影響主成分得分的加權(quán)平均值先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，到2008年達(dá)到最低點(diǎn)后逐漸升高，后半段折線圖總體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，表明山西省水資源系統(tǒng)中影響因素總體上向可持續(xù)性增強(qiáng)的方向發(fā)展。影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)中的主成分是地表水水質(zhì)優(yōu)良率和污水處理率，山西省經(jīng)歷一段時(shí)間的粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)后，水資源系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，水體受到污染。2008年以來(lái)經(jīng)過(guò)山西省政府相關(guān)部門共同努力，公眾環(huán)保意識(shí)及污染企業(yè)水體保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，政府相關(guān)政策法規(guī)不斷完善，地表水水質(zhì)優(yōu)良率以及污水處理率顯著提高。

圖2表明山西省水資源的可持續(xù)性不斷好轉(zhuǎn)，2003-2009年在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，在2015年達(dá)到最高點(diǎn)，2014-2015年的飛躍也體現(xiàn)了山西省對(duì)于水資源的保護(hù)有了質(zhì)的提升。綜合分析可以得出：山西省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力持續(xù)增大，水資源使用壓力逐漸減小，狀態(tài)波動(dòng)逐漸穩(wěn)定，影響力逐漸加大，在研究期內(nèi)水資源系統(tǒng)可持續(xù)性穩(wěn)步上升，具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本研究與前人研究的基于DPSIR模型的水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)相比更為合理，選擇指標(biāo)更具體可行。通過(guò)主成分分析得出的各個(gè)準(zhǔn)則層的主成分指標(biāo)不是依賴于原指標(biāo)當(dāng)中的幾個(gè)指標(biāo)，而是通過(guò)指標(biāo)的因子分析，更為全面科學(xué)地涵蓋了可能影響驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響的全部指標(biāo)，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，提高了分析效率。

（2）各個(gè)準(zhǔn)則層主成分指標(biāo)涵蓋了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、水資源利用和人口等各方面的內(nèi)容，表明所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有代表性和全面性，能夠準(zhǔn)確地反映水資源可持續(xù)性的變化。

（3）本研究創(chuàng)新了評(píng)價(jià)模型，合理運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件（ SPSS）的主成分分析功能，簡(jiǎn)化計(jì)算手段，結(jié)果更為精確。

（4）本研究未能針對(duì)響應(yīng)準(zhǔn)則層做出定量的分析，如何將政策、法律及經(jīng)濟(jì)手段進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)分析，以完善DPSIR -主成分分析模型，需要繼續(xù)深入研究。

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