基于主成分分析法的太原市水資源承載力評(píng)價(jià)

程芳芳

[摘? ? 要] 水資源是維系人類正常生產(chǎn)生活所必不可少的資源，水資源短缺將會(huì)嚴(yán)重制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展。文章以太原市的水資源承載力作為研究對(duì)象，選取地區(qū)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資額、總?cè)丝凇⒊鞘腥丝诒戎?、水資源總量、萬(wàn)元GDP耗水量、生態(tài)用水量、有效灌溉面積、廢污水排水量、總供水量、人均用水量、工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量、生活用水量等14個(gè)指標(biāo)，運(yùn)用主成分分析法對(duì)太原市水資源承載力進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：2009-2018年間，太原市水資源承載力整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，影響太原市水資源承載力的主要因子有經(jīng)濟(jì)因子、人口因子、水資源供應(yīng)因子、用水量因子、水資源利用程度因子。

[關(guān)鍵詞] 水資源承載力;主成分分析法：太原市

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2021. 01. 087

[中圖分類號(hào)] F205? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2021）01- 0212- 04

0? ? ? 引? ? 言

水資源是維系人類社會(huì)正常生產(chǎn)和發(fā)展的重要基礎(chǔ)性資源，水資源承載力是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的先決條件之一，只有水資源條件能夠承載一個(gè)地區(qū)當(dāng)前的發(fā)展規(guī)模，經(jīng)濟(jì)社會(huì)才能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，否則就可能陷入水生態(tài)環(huán)境破壞，再生能力下降，難以維系經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)正常運(yùn)行的惡性循環(huán)。水資源承載力表達(dá)的是某一地區(qū)的水資源，在特定歷史發(fā)展階段下，在維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的條件下，合理配置資源、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件，實(shí)現(xiàn)水資源對(duì)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大承載力，促進(jìn)該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展[1]。是衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展程度的一個(gè)重要指標(biāo)[2]。

隨著可持續(xù)發(fā)展、科學(xué)發(fā)展觀等的深入人心，近年來(lái)，對(duì)水資源承載力的研究已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。1998年，美國(guó)URS公司首次運(yùn)用模型對(duì)佛羅里達(dá)Key流域的承載力進(jìn)行研究，承載力被定義為“在不對(duì)自然和人工資源造成破壞的前提下，該地區(qū)所能承載的最大發(fā)展水平”[3]。進(jìn)入21世紀(jì)之后，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水資源承載力進(jìn)行了大量研究，對(duì)水資源承載力的概念進(jìn)行了界定，例如，惠泱河[4]將水資源承載力定義為“某一地區(qū)的水資源在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可以預(yù)見(jiàn)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為條件，經(jīng)過(guò)優(yōu)化配置，對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力”;段春青[5]等認(rèn)為水資源承載力是指“在一定經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科技發(fā)展水平條件下，以生態(tài)、環(huán)境健康發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展協(xié)調(diào)為前提的區(qū)域水資源系統(tǒng)能夠支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)模”。此外，學(xué)者們也運(yùn)用不同的方法對(duì)水資源承載力展開(kāi)研究，主要包括系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、多目標(biāo)法、常規(guī)趨勢(shì)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、生態(tài)足跡方法、主成分分析法等。本文在前人研究基礎(chǔ)上，選用主成分分析法對(duì)太原市水資源承載力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，提取影響太原市水資源承載力的驅(qū)動(dòng)因子，明確太原市水資源承載力動(dòng)態(tài)變化特征，以期為太原市水資源的合理配置和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供決策參考。

1? ? ? 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1? ?研究方法

本文運(yùn)用主成分分析法對(duì)太原市水資源承載力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。主成分分析法是一種數(shù)據(jù)處理方法，利用降維的思想，把多個(gè)具有相關(guān)性的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)無(wú)相關(guān)性的綜合指標(biāo)（即主成分），其中每個(gè)主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復(fù)。這種方法在引進(jìn)多方面變量的同時(shí)將復(fù)雜因素歸結(jié)為幾個(gè)主成分，使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，同時(shí)使得到的結(jié)果具備更加科學(xué)有效的數(shù)據(jù)信息。通常，當(dāng)提取出的n個(gè)主成分的方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%時(shí)，就能夠認(rèn)為這n個(gè)主成分可以代表原始數(shù)據(jù)的大部分信息[6]。

本研究的具體步驟為：（1）獲得初始數(shù)據(jù)，并初始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，以排除量綱的影響;（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)因子相關(guān)矩陣;（3）計(jì)算特征值和累積貢獻(xiàn)率，并確定主成分;（4）計(jì)算主成分的方差貢獻(xiàn)率;（5）以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，綜合評(píng)價(jià)對(duì)水資源承載力的影響[7-8]。本文的主成分分析借助SPSS23.0軟件進(jìn)行。

1.2? ?研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

太原，是山西省的省會(huì)和全省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育、科技和交通中心，位于山西省境中央，太原盆地的北端，于華北地區(qū)黃河流域中部，黃河的第二大支流——汾河，自北向南橫貫太原市全境。太原市地處山西高原中部，中緯度大陸性季風(fēng)半干旱氣候區(qū)域，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，地下水主要靠大氣降水和河流入滲補(bǔ)給，大氣降水是太原水資源的主要補(bǔ)給源，而水資源的天然補(bǔ)給量正在不斷減少。

山西省是全國(guó)重要的能源重化工基地，也是我國(guó)嚴(yán)重缺水的省份之一。作為山西省省會(huì)的太原市，水資源現(xiàn)狀也同樣令人擔(dān)憂。人均水資源量在500-1 000m3為重度缺水，據(jù)2018年《山西省水資源公報(bào)》顯示，太原市水資源總量?jī)H為6.02億m3，人均水資源量為177 m3，不足全國(guó)人均量的9%，處于聯(lián)合國(guó)確定的極度缺水狀態(tài)。由于水資源的嚴(yán)重短缺，太原市每年靠超過(guò)0.7億m3地下水來(lái)支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與居民生活用水。多年來(lái)，由于地下水嚴(yán)重超采，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)地下水位持續(xù)大幅度下降，含水層被持續(xù)疏干，大批中淺井報(bào)廢，取水井深不斷下移，再加上采煤漏水得不到有效遏制，太原市地下水資源岌岌可危。地表水受到污染，則進(jìn)一步加劇了太原市水資源的短缺，使得水資源的供求矛盾更加尖銳。與山西省其他地市相比，太原市水資源總量亦處于較低水平，水資源短缺已成為制約太原市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”。當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口不斷增長(zhǎng)，太原市對(duì)水資源的需求與日俱增，水資源供需矛盾愈演愈烈，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已然構(gòu)成一個(gè)嚴(yán)重威脅。因此，研究太原市水資源承載力具有重要現(xiàn)實(shí)意義，可以為太原市水資源的合理配置和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供有益理論參考。

本文原始數(shù)據(jù)來(lái)自《太原統(tǒng)計(jì)年鑒》（2010-2019）、《山西省水資源公報(bào)》（2009-2018），以及中華人民共和國(guó)水利部官網(wǎng)，并經(jīng)過(guò)整理計(jì)算獲得。

2? ? ? 太原市水資源承載力評(píng)價(jià)

2.1? ?指標(biāo)的選取

分析評(píng)價(jià)太原市水資源承載力，首要前提是選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照前人研究[9]以及全國(guó)水資源承載力分析中的指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)，在科學(xué)性原則基礎(chǔ)上，本文選取了14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)太原市2009-2018年的水資源承載力進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。其中，X1表示地區(qū)生產(chǎn)總值（億元）、X2表示固定資產(chǎn)投資額（億元）、X3表示總?cè)丝冢ㄈf(wàn)人）、X4表示城市人口比重（%）、X5表示水資源總量（108 m3）、X6表示萬(wàn)元GDP耗水量（m3/萬(wàn)元）、X7表示生態(tài)用水量（108 m3）、X8表示有效灌溉面積（103 hm2）、X9表示廢污水排水量（萬(wàn)噸）、X10表示總供水量（108 m3）、X11表示人均用水量（m3）、X12表示工業(yè)用水量（108 m3）、X13表示農(nóng)業(yè)用水量（108 m3）、X14表示生活用水量（108 m3）。

2.2? ?結(jié)果分析

由《太原統(tǒng)計(jì)年鑒》《山西省水資源公報(bào)》等整理得到反映太原市水資源承載力的14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的初始值，利用SPSS 23.0進(jìn)行主成分分析，得到水資源承載力影響因子的相關(guān)性矩陣如表1，主成分特征值及貢獻(xiàn)率如表2。由表1可知，所選取的14個(gè)指標(biāo)因子之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系。分析可知（表2），前四個(gè)主成分的特征值均大于1，第一主成分F1的貢獻(xiàn)率為48.539%，第二主成分F2的貢獻(xiàn)率為15.641%，第三主成分F3的貢獻(xiàn)率為13.901%，第四主成分F4的貢獻(xiàn)率為11.016%，該四個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率為89.097%，超過(guò)85%，可提取為主成分。這四個(gè)主成分能夠較好地替代原先變量，較全面地反映影響太原市水資源承載力的因子，可以在此基礎(chǔ)上分析太原市水資源承載力變化趨勢(shì)。

主成分載荷代表的是主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)合表3信息，第一主成分F1與X1（地區(qū)生產(chǎn)總值）、X3（總?cè)丝冢?、X4（城市人口比重）、X12（工業(yè)用水量）存在較強(qiáng)的正相關(guān)，與X6（萬(wàn)元GDP耗水量）和X13（農(nóng)業(yè)用水量）存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。由此可見(jiàn)，經(jīng)濟(jì)因素與人口因素是影響太原市水資源承載力的重要因子，經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、人口的逐漸增長(zhǎng)，尤其是城市人口的增加，會(huì)使太原市對(duì)水資源的需求量不斷提高，水資源承載力所面臨的壓力也將隨著加劇。同時(shí)，科技水平進(jìn)步帶來(lái)的集約化經(jīng)濟(jì)、節(jié)水農(nóng)業(yè)等，能夠有效降低萬(wàn)元GDP耗水量，減少農(nóng)業(yè)用水量，提高水資源利用效率，這將在一定程度上減緩太原市水資源壓力。

第二主成分F2與X5（水資源總量）、X10（總供水量）存在較強(qiáng)的正相關(guān)，說(shuō)明水資源供應(yīng)因子是影響太原市水資源承載力的一個(gè)主要因子。根據(jù)《山西省水資源公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，2009-2018年間，太原市總供水量基本保持穩(wěn)定，而水資源總量有小幅增加，這與年降水量、地表徑流量、地下水資源量等的小幅增加有密切聯(lián)系。

第三主成分F3與X11（人均用水量）、X14（生活用水量）存在明顯正相關(guān)，表明用水量也是太原市水資源承載力的一個(gè)重要影響因子。2009-2018年間，太原市生活用水量是除工業(yè)用水外的另一用水大戶，對(duì)水資源需求的增加，會(huì)對(duì)水資源承載力帶來(lái)壓力。

第四主成分F4與X8（有效灌溉面積）、X9（廢污水排水量）存在明顯正相關(guān)，可以看出，對(duì)水資源的有效利用程度是影響太原市水資源承載力的又一重要因子。數(shù)據(jù)顯示，太原市農(nóng)田灌溉畝均用水量常年處于全省較高水平，農(nóng)業(yè)灌溉用水效率有很大提升空間。另一方面，作為省會(huì)城市、全省經(jīng)濟(jì)中心，居民生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的廢污水排放量與日俱增，除造成嚴(yán)重的水體污染外，也給全市水資源承載力帶來(lái)很大壓力。

結(jié)合以上分析可以得出，影響太原市水資源承載力的主要因子有經(jīng)濟(jì)與人口因子、水資源供應(yīng)因子、用水量因子、水資源利用程度因子，基本涵蓋了影響水資源承載力的各個(gè)因子。

通過(guò)計(jì)算四個(gè)主成分F1、F2、F3、F4的得分，并根據(jù)其對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率，計(jì)算出綜合得分F（表4）。綜合得分F值越大，說(shuō)明水資源承載力越小，開(kāi)發(fā)利用潛力越小;反之水資源承載力越大，開(kāi)發(fā)利用潛力越大[9-10]。由表4中排名可以發(fā)現(xiàn)，2009-2018年間，太原市的水資源承載力整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)。其中。2009-2012年，水資源承載力呈明顯下降趨勢(shì)，且2011年下降幅度最大，2012年達(dá)到了水資源承載力最低值;2013年、2014年出現(xiàn)短暫上升;2015-2018年，整體又出現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)。

3? ? ? 結(jié)? ? 語(yǔ)

本文運(yùn)用主成分分析法對(duì)太原市水資源承載力進(jìn)行了綜合分析評(píng)價(jià)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：（1）影響太原市水資源承載力的主要因子有經(jīng)濟(jì)與人口因子、水資源供應(yīng)因子、用水量因子、水資源利用程度因子。（2）2009-2018年間，太原市水資源承載力整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)。2009年綜合得分最低，為-2.654，即水資源承載力最大;2012年綜合得分最高，達(dá)1.713，即水資源承載力最小。

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