基于主成分分析的荊州市水資源承載力研究

王九妹 曹婷

[摘要]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，水資源需求量的增加不僅造成了水資源壓力增大，而且還伴隨一系列的水環(huán)境問題，導(dǎo)致了區(qū)域水資源承載力發(fā)生變化，影響區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)與發(fā)展。為了探明荊州市水資源承載力的現(xiàn)狀，利用主成分分析法，對(duì)荊州市2009～2016年的水資源承載力進(jìn)行了綜合評(píng)估。結(jié)果表明：由2009～2016年荊州市的水資源承載力呈逐年上升趨勢(shì)，但在2011年產(chǎn)生波動(dòng)。在保持水資源合理利用的基礎(chǔ)上，荊州市水資源承載力還有很大的提升空間。

[關(guān)鍵詞]水資源承載力;主成分分析法;荊州市

[中圖分類號(hào)]TV211.1[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1? ? 水資源承載力的概念及研究進(jìn)展

1.1? ? 水資源承載力的概念

關(guān)于水資源承載力的定義，具有代表性的主要有兩種：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為：水資源承載力是指某一地區(qū)的水資源，在一定社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，為了保證社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)能夠健康協(xié)調(diào)發(fā)展，所能承載的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口數(shù)量。第二種觀點(diǎn)認(rèn)為：水資源承載力是在一個(gè)具體歷史發(fā)展階段和可以達(dá)到的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)發(fā)展水平條件下，保持水資源的高效永續(xù)利用，保障生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，水資源對(duì)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所提供的最大支撐力。

1.2? ? 水資源承載力的研究進(jìn)展

在國外，Shelby等對(duì)伊利諾伊斯河承載力的研究開創(chuàng)了水資源承載力的先河，此研究發(fā)現(xiàn)水資源能被利用的比率決定了物理承載力的大小，人們從事生產(chǎn)和生活的活躍性制約著生態(tài)承載力的強(qiáng)弱。Harris的研究發(fā)現(xiàn)：水資源的可利用量影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)承載力的大小。美國URS公司在1998年時(shí)利用數(shù)學(xué)模型分析法對(duì)佛羅里達(dá)keys流域水資源承載力進(jìn)行了相關(guān)分析。在國內(nèi)，對(duì)水資源承載力的研究主要集中在我國水資源缺乏的地區(qū)，研究領(lǐng)域主要集中在城市水資源承載力和區(qū)域（流域）水資源承載力，所采用的方法有定性分析法和定量分析法。新疆水資源軟科學(xué)課題組在1985年對(duì)新疆地區(qū)水資源承載力的研究標(biāo)志著我國進(jìn)入了水資源承載力的研究領(lǐng)域，后來的“973”項(xiàng)目等都偏向于對(duì)西北地區(qū)的水資源承載力的研究，但是，隨著水資源的污染和浪費(fèi)，導(dǎo)致供給人們利用的水資源越來越少，人們對(duì)水資源的研究也不再局限于某個(gè)地區(qū)和領(lǐng)域，而是與其他研究領(lǐng)域相結(jié)合，如從水資源生態(tài)系統(tǒng)管理出發(fā)，在防止水污染的前提下，將水資源承載力與水資源安全相結(jié)合進(jìn)行研究。

2? ? ?研究概況

2.1? ? 研究區(qū)介紹

荊州市位于湖北省中南部（東經(jīng)111°15?～114°05?和北緯29°26?～31°37?）。荊州市的總?cè)丝?46萬人（2016年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)）。全市總面積大約為1.41萬km2。荊州市屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，多年年均降水量在1100～1300mm之間。境內(nèi)河流和湖泊分布較廣，主要河流有長江（荊州段長為480km）、內(nèi)荊河、洈水河和松西河等。轄區(qū)內(nèi)大小湖泊面積加起來高達(dá)8萬多hm2。

2.2? ? 研究方法及數(shù)據(jù)來源

對(duì)水資源承載力的研究方法有常規(guī)趨勢(shì)法、多目標(biāo)決策分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法和主成分分析法等。本文選擇利用主成分分析法對(duì)荊州市的水資源承載力進(jìn)行研究與評(píng)價(jià)。

本研究選取荊州市2009～2016年的14個(gè)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)來自《荊州統(tǒng)計(jì)年鑒》（2009-2016），《湖北省水資源公報(bào)》?；谏鐣?huì)經(jīng)濟(jì)、水資源供需等諸多要素，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果，本文選取14個(gè)指標(biāo)：總?cè)丝赬1（萬人）;城鎮(zhèn)人口X2（萬人）;全市生產(chǎn)總值X3（億元）;全社會(huì)固定資產(chǎn)投資X4（億元）;污水排放量X5（萬t）;污水處理量X6（萬t）;年降水量X7（億m3）;總水資源量X8（億m3）;總供水量X9（億m3）;工業(yè)用水量X10（億m3）;農(nóng)業(yè)用水量X11（億m3）;生活用水量X12（億m3）;人均總用水量X13（m3）;萬元GDP用水量X14（m3）。

3? ? 結(jié)果分析

3.1? ? 荊州市水資源承載力的年變化分析

運(yùn)用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算歸納，得到荊州市水資源承載力各評(píng)價(jià)因子的相關(guān)系數(shù)矩陣見表1，特征值及貢獻(xiàn)率見表2，進(jìn)行最大方差旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣見表3。

表2選取了特征值大于1的三個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了91.065%，因此可以選取第一、第二、第三主成分對(duì)水資源承載力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并求出表3和表4的數(shù)據(jù)。

從表3可以看出，第一主成分與X2（城鎮(zhèn)人口）、X12（生活用水量）、X4（全社會(huì)固定資產(chǎn)投資）存在正相關(guān)，與X1（總?cè)丝冢10（工業(yè)用水量）存在負(fù)相關(guān)，主要代表社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r;第二主成分與X14（萬元GDP用水量）、X9（總供水量）、X11（農(nóng)業(yè)用水量）存在負(fù)相關(guān)，與X6（污水處理量）存在正相關(guān)，主要反映水資源利用情況;第三主成分與X8（總水資源量）、X7（年降水量）存在負(fù)相關(guān)，與X13（人均總用水）存在正相關(guān)，主要反映人均水資源壓力面臨狀況。根據(jù)這些數(shù)據(jù)與信息，可以將影響荊州市水資源承載力的三個(gè)主要成分定為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源利用情況和人均水資源壓力狀況。

第一主成分包含了37.625%的方差變化，對(duì)荊州市水資源承載力的影響最大。2009年的總?cè)丝谂c2016年的總?cè)丝谙啾茸兓淮?，但是城?zhèn)人口由256.97萬人變成了302.62萬人，增加了17.76%;全市生產(chǎn)總值由707.81億元上升至1726.8億元，增加了143.96%;全社會(huì)固定資產(chǎn)投資由435.16億元提升至2108.9億元，增加了384.63%;經(jīng)濟(jì)的發(fā)展除了帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益外，也加劇了水資源的消耗。荊州市的生活用水量也由2009年的2.99億m3上升至2016年的5.18億m3，增加了73.24%。由此可見，隨著人民生活水平的提升，使得生活用水總量大幅度上升，給水資源承載力造成了重壓，而且由于分配的不合理以及利用效率低下，還伴隨著水污染等問題，進(jìn)一步加劇了水資源承載力的壓力。

第二主成分包含了29.511%的方差變化，主要反映了水資源的使用情況。荊州市2016年工業(yè)用水量為5.17億m3，比2009年的6.94億m3減少了14.48%。2016年的農(nóng)業(yè)用水量為24.01億m3，比2009年的30.12億m3減少了73.24%。2016年的萬元GDP用水量為199m3，比2009年的599m3降低了60.1%。2016年的污水處理量達(dá)到了11992萬t，比2009年的5723萬t增加了109.54%。這說明隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)水的利用效率有所提高，對(duì)廢水的處理和再利用技術(shù)也得到了良好的應(yīng)用，在一定程度上緩解了水資源承載力的壓力。

第三主成分包含了23.929%的方差變化，主要反映了人均水資源壓力狀況。荊州市的年降水量總體保持著遞增的趨勢(shì)，在2016年達(dá)到了207.41億m3，與2009年的155.2億m3相比，增加了33.64%。降水的增多，增加了荊州市水資源的儲(chǔ)備量與供應(yīng)量，緩解了人均水資源應(yīng)用的壓力。第三主成分是反向因子，表明人均水資源面臨壓力越高，水資源承載力越低。

3.2? ? 水資源承載力綜合得分

由圖1可以看出，2009～2016年荊州市水資源承載力總體呈上升的趨勢(shì)。在2010年出現(xiàn)波動(dòng)，其主要原因是2010年年降水量相對(duì)偏高。其中2016年的水資源承載力綜合得分最高達(dá)到了0.89，2009年的水資源承載力綜合得分則是最低的-0.74分。荊州市的水資源承載力之所以呈如此平穩(wěn)的上升趨勢(shì)，其主要原因是荊州市為一個(gè)農(nóng)業(yè)大市，農(nóng)業(yè)用水量占了總供水量的75%左右，而隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高，隨著科技的發(fā)展，灌溉技術(shù)不斷得到提升，減少了廢水的產(chǎn)生，提高了水資源的利用效率。使水資源承載能力有所提升。

4? ? 結(jié)論

本文運(yùn)用主成分分析法分析了荊州水資源承載力歷年變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示：荊州水資源承載力主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、水資源使用情況和水資源供應(yīng)情況的影響較大;荊州市水資源承載力隨著年份的增加，水資源承載力逐漸增強(qiáng)，但隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類生活水平得到不斷提升，不僅對(duì)水的需求量連續(xù)上升，還加劇了對(duì)優(yōu)質(zhì)水源的需求，且作為農(nóng)業(yè)大市，荊州市對(duì)灌溉用水的需求量也很高，還存在水資源利用效率低下與水污染等問題。

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