基于主成分分析的安徽省水資源承載力研究

寧 溶

（安徽大學 社會與政治學院，安徽 合肥230601）

“水資源承載力”是隨著水問題的日益突出由我國學者在上世紀80年代末提出來的。作為可持續(xù)發(fā)展研究和水資源安全戰(zhàn)略研究中的一個基礎課題，水資源承載力研究已引起學術界高度關注并成為當前水資源科學中一個重點和熱點研究問題［1］。近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口的不斷增長以及工業(yè)化、城市化的不斷推進，安徽省的水資源供需矛盾日益尖銳，已經(jīng)逐漸成為制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用是當務之急，對安徽省的水資源承載力進行分析研究，必將有利于水資源的合理優(yōu)化配置，同時對區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。

1 國內(nèi)外水資源承載力研究現(xiàn)狀

國外關于水資源承載力的單項研究成果較少，且大多被納入可持續(xù)發(fā)展理論中。如Harris著重研究了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域水資源農(nóng)業(yè)承載力，將此作為區(qū)域發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椇饬繕藴剩?］；Joardor等從供水的角度對城市水資源承載力進行了相關研究，并將其納入了城市發(fā)展規(guī)劃當中［3］；Rijiberman.J等在研究城市水資源承載力評價和管理體系中將承載力作為城市水資源安全保障的衡量標準［4］；美國的URS公司對佛羅里達Keys流域的承載能力進行了研究，內(nèi)容包括承載力的概念、研究方法和模型量化手段等方面。此外，F(xiàn)alkenmark等學者的一些研究也涉及到水資源的承載限度等問題。

國內(nèi)在這方面研究起步較晚，始于20世紀80年代中后期，以新疆水資源軟科學課題組對新疆的水資源承載力和開發(fā)戰(zhàn)略對策進行研究為代表。之后有許多學者對水資源承載力進行了研究，如施雅風、惠泱河、夏軍等。雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)學者們通過一系列研究計劃和工作，獲得了較大的進展和一些初步成果，但到目前為止，水資源承載力的研究仍未形成一個系統(tǒng)的、科學的理論體系。

國內(nèi)的研究成果歸納起來，可分為以下3個方面：（1）偏重從水資源承載力的定量計算、評價模型和方法上進行積極探索。如施雅風、曲耀光［5］、張鑫［6］，陳冰［7］、傅湘［8］、朱照宇［9］等分別采用常規(guī)趨勢法、模糊評價法、系統(tǒng)動力仿真、主成分分析、多目標分析法對多地方的水資源承載力進行研究和評價；與此同時還有一些學者對水資源承載力評價模型進行深入研究，如馮耀龍、王順久、孫志等。（2）偏重從水資源承載力評價指標體系上進行探索。一類是從傳統(tǒng)的水資源供需平衡分析基礎上發(fā)展起來的對區(qū)域水資源承載力的評價；另一類是選擇反映區(qū)域水資源承載力的主要影響指標，借助一定的評價模型和方法，綜合評價水資源承載力。（3）偏重從水資源承載力的概念理論、內(nèi)涵方面進行探討。施雅風、馮尚友、惠泱河等多位學者從不同角度對水資源承載力進行了定義，可歸納為3種類型：第一種強調(diào)的是水資源所能供給的量［10-11］；第二種強調(diào)的是水資源所能承載的人口數(shù)量［12］。第三種觀點認為，水資源承載力是指在一個地區(qū)或流域的范圍內(nèi)，在具體的發(fā)展階段和發(fā)展模式條件下，當?shù)厮Y源對該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和維護良好的生態(tài)環(huán)境的最大支撐能力［13］。

2 安徽省水資源概況

安徽省地處中緯度，是亞熱帶向暖溫帶的過渡區(qū)域，氣候具有明顯的過渡性，受季風氣候影響，天氣多變，降水年際變化大，常有旱澇等自然災害發(fā)生。全省境內(nèi)共有淮河、長江、新安江流域3大水系。

2010年，全省水資源總量為922.82×108m3，其中地表水資源量為876.27×108m3，地下水資源量為197.81×108m3，地表水與地下水資源重復量為151.26×108m3，人均水資源占有量為1 550.90m3／人，均高于多年平均水平，但時空分布不均，差異較大。在時間分布上，降水主要集中在3～9月，占總降水量的80%～90%，其他月份降水量較少；在空間分布上，南方多于北方，山地丘陵多于平原，就3大水系而言，新安江流域降水量最多，長江流域次之，淮河流域最少。全省用水總量為293.72×108m3，人均用水量為493.60m3／人，同樣高于多年平均水平［14］。

總的來說，安徽省水資源較豐富，但近年來，隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人口的增長以及工業(yè)化、城市化的不斷推進，工農(nóng)業(yè)用水、生活用水不斷增多，一些城市出現(xiàn)了水資源短缺的現(xiàn)象，再加上水環(huán)境的惡化，水資源供需矛盾日益尖銳，已經(jīng)逐漸成為制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

3 安徽省水資源承載力分析

3.1 方法和指標的選取

常用的水資源承載力綜合評價方法很多，如背景分析法、層次分析法、多目標決策分析法、模糊綜合評判法等，這些方法各有特點，但在具體的分析過程中都存在一定的局限性，且模型精度較難控制，而主成分分析法與上述常見的方法有著不同的原理，其本質(zhì)是對高維變量系統(tǒng)進行最佳綜合與簡化，同時可以客觀地確定各個指標的權重，避免人為的主觀任意性。鑒于此，本文采用主成分分析法對安徽省各地市水資源承載力進行具體計算和分析。

水資源承載力研究的關鍵是水資源承載力評價指標體系的建立，本文依據(jù)科學性、整體性、區(qū)域性和可行性等原則，在參照國內(nèi)外水資源承載力研究實例的基礎上，綜合考慮相關因素對安徽省各地市水資源的影響程度，經(jīng)過反復篩選后，根據(jù)《安徽統(tǒng)計年鑒》和《安徽省水資源公報》的統(tǒng)計資料，選取了14個水資源承載力評價指標：X1：人口數(shù)（萬）；X2：人均GDP（元）；X3：人均水資源量（m3）；X4：水資源利用率（%）；X5：總供水量（108m3）；X6：城市化（%）；X7：降水量（108m3）；X8：農(nóng)業(yè)用水（108m3）；X9：工業(yè)用水（108m3）；X10：生活用水（108m3）；X11：生態(tài)用水（108m3）；X12：工業(yè)廢水的年排放量（萬噸）；X13：農(nóng)村居民生活消費支出（元）；X14：城市居民消費支出（元）。

3.2 主成分分析

對安徽省17個地市的14個指標進行標準化，見表1。

表1 安徽省17個地市的水資源承載力評價指標

表2 KMO和巴特利特檢驗

由表2可知，巴特利特球度值為337.205，P值為0.000，表明該研究運用主成分分析方法是可行的。與此同時，在表3中X1與X10、X2與X6、X2與X13以及 X2與 X14的相關系數(shù)分別為0.944、0..923、0.869和0.839，表明各變量之間存在較大的相關性，符合主成分分析的必要條件。

表3 相關系數(shù)矩陣

表4 主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率

由表4可以看出，前4個主成分的累計貢獻率為88.23%，較全面地包括了水資源承載力變化的驅(qū)動因子，能較好地反映安徽省各地市水資源承載力所處的狀況。

表5反映了各變量在各個主成分上的載荷?？梢钥闯?，人口數(shù)、人均GDP、水資源利用率、城市化、工業(yè)用水、農(nóng)村居民生活消費支出和城市居民消費支出在主成分1上有較大的載荷，總供水量、生活用水在主成分2上有較大載荷，人均水資源量、降水量以及生態(tài)用水在主成分3、4上有較大載荷，因而可以把主成分概括為人口與社會經(jīng)濟技術水平、水資源數(shù)量、水資源開發(fā)利用水平和用水狀況。

由表5主成分載荷矩陣和4個特征值，可以得出各個特征值相對應的特征向量。所得到的特征向量矩陣與影響水資源承載力驅(qū)動因子的標準化值矩陣相乘，最終得到安徽省17個地市的4個主成分得分情況，把各個主成分在整個主成分中的貢獻率作為權重，計算出安徽省17個地市水資源承載力的綜合得分，并進行排序（見表6）。

表5 主成分載荷矩陣

根據(jù)表6的綜合評判結果分析，總體上，安徽省尚處于水資源開發(fā)的發(fā)展階段，水資源的開發(fā)利用已具有一定的規(guī)模，但各地市的水資源承載力存在差異。具體來說，開發(fā)利用程度最高的是馬鞍山，合肥、銅陵、蕪湖和淮南次之，這5個地區(qū)的水資源開發(fā)利用已處于飽和階段，水資源進一步開發(fā)潛力較??；安慶、滁州、宣城、蚌埠和巢湖的水資源開發(fā)利用已具有一定的規(guī)模，水資源進一步開發(fā)潛力仍存在；而黃山、阜陽、淮北、亳州和宿州的開發(fā)利用程度最低，尚處于水資源開發(fā)利用的初始階段，其水資源進一步開發(fā)潛力較大。

表6 安徽省17個地市水資源承載力綜合評判結果

從各個主成分得分和綜合得分的變化趨勢來看，主成分1與綜合得分的變化趨勢幾乎一致，在一定程度上表明主成分1所代表的人口與社會經(jīng)濟技術水平是水資源承載力的主要驅(qū)動因子。水資源開發(fā)利用處于飽和狀態(tài)的馬鞍山、合肥、銅陵、蕪湖和淮南5市近年來社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，人口不斷增加，在常住人口持續(xù)增長的情況下大量外來務工人員涌入，加快了城市化進程，居民消費水平提高，導致生活用水量迅速增加，對水資源承載力造成很大壓力；同時，經(jīng)濟增長率也處于高值期，GDP增長伴隨的是工業(yè)企業(yè)數(shù)量的增加、全社會固定資產(chǎn)投資的加大，從而導致用水需求的不斷增長，水資源大量消耗，水資源承載能力經(jīng)受著前所未有的重大考驗；另一方面，由于人類活動的加劇，破壞了水資源系統(tǒng)的完整性，使水資源的再生能力降低，從而引起水資源承載能力的降低。但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術水平的提高，人們的節(jié)水意識不斷增強，水資源開發(fā)利用率和節(jié)水水平的提高，水資源承載力仍會有較大的富余空間。

4 結語

（1）影響水資源承載力的因素眾多，本文從中選取了14個驅(qū)動因子作為評價指標，運用主成分分析方法綜合評價了2010年安徽省17個地市的水資源承載力狀況。總的來說，分析的結果客觀地反映了各地區(qū)水資源承載力的現(xiàn)狀，對各地區(qū)水資源的可持續(xù)利用具有一定的現(xiàn)實指導意義。同時也表明了主成分分析方法是一種行之有效的分析水資源承載力的方法。

（2）人口和社會經(jīng)濟技術水平是水資源承載力的主要驅(qū)動因子，既是推力也是壓力。隨著人口的不斷增加和社會經(jīng)濟技術水平的不斷提高，水資源承載力的壓力也會逐漸增大。

（3）安徽省地處江淮之間，在全國范圍內(nèi)屬于水資源較豐富的地區(qū)，但由于水資源的開發(fā)利用水平的限制，水資源承載力得不到應有的提高。因而，今后在加快社會經(jīng)濟又快又好發(fā)展的同時，也應提高水資源的開發(fā)利用水平，使有限的水資源可支持更大的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模。

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