基于PCA的呼倫貝爾市水資源承載力研究

吳紅艷，王 冬

（呼倫貝爾學院，內蒙古自治區(qū) 呼倫貝爾 021000）

水資源是人類生產和生活中最重要的資源，人類沒有水資源就無法生存。水資源在人們的生產生活過程中起著非常重要的作用，無論是工業(yè)、生活以及生產方面都需要用水。但是在近些年的發(fā)展過程中，人們在使用水資源時沒有節(jié)約意識，讓水資源浪費問題開始變得日趨嚴重，不僅對社會經濟發(fā)展造成了一定的影響，更是阻礙著對水資源的科學、合理化的使用。

內蒙古地區(qū)的各個地級市水資源存在嚴重的分布不均勻，此次主要是以呼倫貝爾市為研究對象，目的是在于以呼倫貝爾市水資源現狀以及人口與經濟等情況作為依據，建立適合呼倫貝爾市水資源承載力的研究指標體系，選用適當的方法對呼倫貝爾市水資源承載力進行研究與分析，通過對呼倫貝爾市水資源承載力影響因素分析。能夠為相關的水利資源部門和政府提供一定的參考，為未來呼倫貝爾市水資源科學、合理的發(fā)展提供科學化策略。

1 研究區(qū)域概況

呼倫貝爾市位于內蒙古自治區(qū)的最東部，總共包含13個旗、縣、市，氣候寒冷，有著長達9個多月的冬季，冬季氣溫達-40 ℃。與黑龍江省、俄羅斯以及蒙古國相鄰。憑借著得天獨厚的草原優(yōu)勢而聞名，呼倫貝爾市的河流、湖泊非常多，其中有額爾古納河水系和嫩江水系兩大水系。呼倫貝爾市在2021年的水資源總量就達到了316.19億m3。呼倫貝爾市的地域及氣候特點是地廣人稀、夏季時間短并且火熱、冬季時間長并且非常寒冷、雨雪比較多、夏季日照充足等。

從呼倫貝爾市區(qū)域劃分圖（圖1）與呼倫貝爾市主要河流分布圖（圖2）來看。滿洲里市位于海拉爾區(qū)的西北方，附近有呼倫湖；牙克石位于海拉爾區(qū)的正東方向，有海拉爾河途經此地；額爾古納市和根河市位于海拉爾區(qū)的偏北方，分別有額爾古納河和根河流經；扎蘭屯市位于海拉爾區(qū)的西南方向，有地質河和哈尼河等河流。五個縣級市周圍均有眾多河流。在分析水資源承載力方面，選取5市更具有代表性。

圖1 呼倫貝爾區(qū)域劃分地圖

圖2 呼倫貝爾市主要河流分布圖

2 水資源承載力評價

2.1 數據來源與指標設定

充分結合呼倫貝爾市實際情況，借鑒許朗學者的研究體系，選取了12個主要影響因子作為研究指標對呼倫貝爾市2007~2017年的飲用水資源承載能力狀況進行了綜合性評價。選取的指標具體如下：年底生活總人口X1/104人；生產總值X2/108元；工業(yè)生產總值X3/108元；城鄉(xiāng)居民人均最低可支配經濟收入X4/104元；水資源總量X5/108m3；供給飲用水總額X6/108m3；工業(yè)用水總額X7/108m3；農業(yè)用水總額X8/108m3；生態(tài)飲用水總額X9/108m3；生態(tài)用水總額X10/108m3；降雨量X11/mm；土地面積X12/khm2。

文章采用主成分分析法和應用統計分析軟件SPSS 22.0完成。數據均來源于2008~2018年《呼倫貝爾統計年鑒》和2008~2018年《內蒙古水資源公報》計算并整理而獲得。

2.2 研究方法

近年來，各地水資源的開發(fā)與利用情況普遍都受到了廣泛關注，對水資源承載力的研究方法也層出不窮，其中應用最廣泛的是主成分分析法、層次分析法以及供需平衡法三種。此外，很多學者在研究不同地區(qū)水資源承載力的過程中也使用了不同的方法以及模型，旨在能夠更加科學、合理化地對地區(qū)水資源承載力進行分析。

主成分分析法運用的是降維的思想，方法運用及操作都很簡單，因此被大眾和業(yè)內廣泛認可。在以往的研究中，對區(qū)域水資源承載力的評價和分析只有一種方法。本文將應用主成分分析法對呼倫貝爾市水資源承載力在時間維度和空間維度進行研究與分析。首先，對比分析了呼倫貝爾市2007~2017年水資源承載力的變化，然后討論了呼倫貝爾市2013年5個縣級市的水資源承載力。

3 水資源承載力影響因素實證分析

3.1 呼倫貝爾市水資源承載力的時間維度分析

選取反映呼倫貝爾水資源承載力的12個指標對水資源承載力狀況進行分析，得出12個指標的特征值及貢獻率，如表1所示。

表1 主成分特征值和累積貢獻率

通過數據可得出前三個主成分對水資源承載力最具有影響，所以會將第一主成分、第二主成分以及第三主成分對呼倫貝爾市水資源承載力進行分析。利用三個主成分得分和特征值貢獻率最終計算得到綜合得分。

F1、F2、F3和F的得分可從表2中獲得?？梢钥闯?，三個主成分之間的值是有正有負，但這里的正負并不是指資源承載力的真實水平，而是表明了水資源承載力的相對位置。綜合得分F值越大，水資源承載力越小，開發(fā)利用潛力越小；綜合得分F值越小，水資源承載力越大，開發(fā)利用潛力越大。

表2 主成分得分及排序

由表2中的排名可以看出，以2013年為分界點，2006~2013年，呼倫貝爾市水資源的承載力呈逐年上升的態(tài)勢；2013~2017年，呼倫貝爾市水資源的承載力呈逐年下降的趨勢。這是由于水資源總量、供給飲用水總額以及降雨量在2007~2013年呈逐漸上升的趨勢，在2013~2017年呈逐漸下降的趨勢。

根據表2繪制呼倫貝爾市水資源承載力的得分趨勢圖（圖3），可以更加直觀地展示出2007~2017年呼倫貝爾市水資源承載力的動態(tài)變化。第一主成分的得分和綜合得分的趨勢線大體一致，所以可以認為是影響呼倫貝爾市水資源承載力的主要因素；第二主成分和第三主成分的趨勢與綜合得分相比較，具有較大的波動，因此對綜合得分的影響相對于第一主成分較小。

圖3 水資源承載力主成分得分與綜合得分趨勢圖

3.2 呼倫貝爾市水資源承載力的空間維度分析

呼倫貝爾市的水資源總量非常充沛，2021年達到了316.19億m3，然而，由于呼倫貝爾市水資源時空分布不均勻，這種不均勻的分布減少了水資源的有效供給。為了能全面了解呼倫貝爾市水資源的承載力，在近幾年的數據中，2015年的數據相對于其他的時間比較全面，因此文章選取了呼倫貝爾市2015年5個城市的數據，對呼倫貝爾市各市水資源承載力的差異進行比較與分析。選取的12個指標如下：年底生活總人口X1/萬人；人均用水總額X2/m3；水資源總量X3/104m3；農民人均純收入X4/元；城鄉(xiāng)居民人均最低可支配經濟收入X5/元；工業(yè)用水總額X6/104m3；農業(yè)用水總額X7/104m3；供給飲用水總額X8/104m3；生態(tài)環(huán)境用水總額X9/104m3；萬元GDP用水總額X10/104m3；水資源開發(fā)利用率X11/%；降雨量X12/mm。各變量初始值見表3。

表3 呼倫貝爾市2015年各市綜合評價指標初始值

由表4可以看出來前三個主成分的累計貢獻率已經達到了91.298%，大于85%，能夠比較全面地反映出各地區(qū)影響水資源承載力的因素?？梢哉J為是影響水資源承載力的主要因素。其中第一主成分與呼倫貝爾市5個城市的水資源利用和降雨量有關；第二主成分和第三主成分反映了呼倫貝爾市經濟和人口因素的影響。

表4 主成分特征值和累積貢獻率

計算三個主成分的因子載荷矩陣，并繪制呼倫貝爾市5個城市的水資源承載力得分趨勢圖（圖4）：折線圖直觀地反映了呼倫貝爾市2015年5個縣級市水資源承載力的動態(tài)變化。第一主成分得分與綜合得分的折線趨勢基本一致，所以大致可以認為是影響呼倫貝爾市五個城市水資源承載力的主要因素。第二主成分和第三主成分的趨勢與綜合得分相比較，之間具有較大的波動，因此對綜合得分的影響相對于第一主成分是比較小的。

圖4 5個縣級市水資源承載力主成分得分與綜合得分趨勢圖

由圖4可知，呼倫貝爾市地區(qū)的5個縣級市的水資源承載力主成分得分與綜合得分的關系進行看，其中與綜合得分最為相近的則是第一主成分，可見第一成分對于呼倫貝爾市5個城市的水資源承載力起著決定性的作用。同時，與綜合得分較為相近的主成分二和三，即人口因素以及經濟對水資源承載力也有著一定的影響。

從呼倫貝爾市的飲用水承載力來看。呼倫貝爾市5個縣級市的水資源承載力依次為滿洲里市、牙克石市、扎蘭屯市、額爾古納市和根河市。根據主成分分析確定的第一主成分指數，可計算如下：人均飲用水總消耗量、自來水資源總消耗量、工業(yè)飲用水總消耗量、農業(yè)飲用水總消耗量、生態(tài)飲用水消費總量中萬元GDP總用水量和人均生態(tài)能源消費總量在水資源承載力指標中占有較高的公平或正權重，但水資源的開發(fā)利用率和年降雨量是水資源的支撐能力，占據著比較大和負責任的地位。滿洲里市水資源總量和水資源供給總量居5市之首，降雨量居5市之末，因此滿洲里市水資源承載力最大。根河市的平均降雨量是5個城市中的第一位，但水資源總量和供水總量是最后一位，因此根河市的水資源承載力最小。

從呼倫貝爾市5個城市的社會經濟水平狀況上來看。滿洲里市的工業(yè)用水總額、農業(yè)用水總額、生態(tài)用水總額以及萬元GDP用水總額處于首位，但降雨量處于末位，因此滿洲里市的社會經濟水平最高；根河市的工業(yè)用水總額、農業(yè)用水總額、生態(tài)用水總額以及萬元GDP用水總額處于末位，但降雨量處于首位，因此根河市的社會經濟水平最低。

從呼倫貝爾市5個城市的社會生活水平來看，農村人均純收入和城鄉(xiāng)居民人均最低可支配經濟收入是最大的影響因素，2015年滿洲里市農村人均純收入10 374元，城鄉(xiāng)居民人均最低可支配經濟收入7 568.33元，居5市前列，生活水平最高。2015年，根河市農村人均純收入為5 369元，城鄉(xiāng)居民人均最低可支配經濟收入為13 346元，居5市之末，因此，根河市的生活水平最低。

表5 呼倫貝爾市5市水資源承載力的綜合得分及排序

4 結論

文章通過主成分分析，綜合評價了2007~2017年呼倫貝爾市水資源承載力的變化情況以及2015年呼倫貝爾市5個縣級市的水資源承載力狀況，經過整體的分析得出了人口與社會經濟發(fā)展是對呼倫貝爾市水資源承載力最主要的影響因素，同時發(fā)現水資源的利用與年降水量對水資源承載力的影響最大。不僅如此，呼倫貝爾市在發(fā)展的過程中，人口與整個社會經濟也對水資源承載力有著一定的影響。整體而言，滿洲里地區(qū)由于其境內呼倫湖影響，其水資源承載力高于呼倫貝爾市其余區(qū)域。為實現各旗縣市經濟持續(xù)健康發(fā)展，各旗縣市需根據實際經濟發(fā)展水平、人口規(guī)模以及水資源自然條件，理性開發(fā)水資源，積極調整產業(yè)結構，提高水資源利用率，同時推行節(jié)水型社會建設，提高社會的節(jié)水意識。