李高偉 ， 韓 美 ， 劉 莉 ， 趙小萱 ， 于 佳

(山東師范大學(xué) 人口·資源與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250014)

0 引言

水是生命之源，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口數(shù)量的增加，人類對(duì)水資源開發(fā)利用的強(qiáng)度逐漸增大，水資源短缺日益成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因子。水資源承載力是指某一區(qū)域的水資源在一定社會(huì)歷史和科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段，在不破壞社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，最大可承載的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市規(guī)模和人口的能力，是一個(gè)隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展而變化的綜合指標(biāo)[1]。評(píng)價(jià)水資源承載力的方法主要有常規(guī)趨勢(shì)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、多目標(biāo)分析評(píng)價(jià)核心模型、多目標(biāo)線性規(guī)劃方法、多目標(biāo)決策分析方法、密切值法等[2]。其中主成分分析法客觀地把多個(gè)復(fù)雜的變量簡(jiǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，既保留了原有指標(biāo)體系的主要信息，消除了指標(biāo)信息間的重疊，同時(shí)又避免了人的主觀隨意性，更能準(zhǔn)確地反映出科學(xué)的結(jié)果。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于水資源承載力的研究有許多，張士鋒等運(yùn)用聚類分析、層次分析和模糊矩陣的方法分析了松花江區(qū)水資源承載力，得到各年份水資源承載力整體處于安全狀態(tài)的結(jié)論[3]；喻小軍等根據(jù)影響流域水資源承載力的因素構(gòu)建了用于分析流域水資源承載力的動(dòng)力學(xué)模型[4]；周亮廣等運(yùn)用主成分分析和熵分析了貴陽(yáng)市水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化，得出研究區(qū)在1998—2003年間水資源承載力有向好發(fā)展的趨勢(shì)[5]；王智勇等分析了山東省莒南縣水資源承載力變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，并對(duì)其未來(lái)水資源的供需狀況進(jìn)行了預(yù)測(cè)[6]；肖迎迎等根據(jù)主成分分析法，對(duì)榆林市水資源承載力進(jìn)行分析，對(duì)榆林市各分區(qū)的水資源承載力狀況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[7]?？梢钥闯?，國(guó)內(nèi)對(duì)水資源承載力評(píng)價(jià)的研究從方法上來(lái)說(shuō)更加多樣，從區(qū)域上來(lái)看更趨全面。

鄭州市水資源承載力的研究主要有：左其亭等以鄭州市為例研究了水環(huán)境承載力的計(jì)算模型應(yīng)用[8]；楊峰等預(yù)測(cè)了鄭州市規(guī)劃水平年的水資源供需量，進(jìn)而計(jì)算出水資源的承載度及最大社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模[9]；雷宏軍等分析出鄭州市水環(huán)境承載力在未來(lái)規(guī)劃水平年呈上升趨勢(shì)，并提出了提高水環(huán)境承載力的幾種不同方案[10]；高傳昌等通過(guò)定量鄭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃下的水資源承載力，得出鄭州市水資源短缺的結(jié)論[11]。目前，對(duì)鄭州市水資源承載力的研究主要在水環(huán)境承載力和水資源承載力的預(yù)測(cè)方面，而對(duì)水資源承載力的現(xiàn)狀的研究則主要集中在對(duì)水資源數(shù)量的計(jì)算，忽視了社會(huì)經(jīng)濟(jì)等要素對(duì)水資源承載力的影響。

采用主成分分析法，根據(jù)鄭州市2003—2011年的統(tǒng)計(jì)資料，建立影響水資源承載力的綜合指標(biāo)體系，對(duì)鄭州市水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，力求客觀全面地反映出其水資源承載力的變化。

1 研究區(qū)概況

鄭州市位于東經(jīng)112°42′～114°13′，北緯34°16′～34°58′，現(xiàn)轄6區(qū)5縣級(jí)市1縣，全市總面積7 446.2 km2。鄭州市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水變率大且降水集中在夏秋兩季，年均降水量640.9 mm。2011年全市總水資源量14.027 ×108m3，城鎮(zhèn)污水排放總量6.873×108t，總供水量為16.245×108m3，總用水量為16.245 ×108m3。

2 鄭州市水資源承載力主成分分析

2.1 指標(biāo)的選取

水資源承載力的研究涉及到社會(huì)經(jīng)濟(jì)等諸多要素，結(jié)合實(shí)際資料，依據(jù)科學(xué)性、全面性、系統(tǒng)性和可行性原則[12]構(gòu)建鄭州市水資源承載力指標(biāo)體系。具體包括15個(gè)指標(biāo)：總?cè)丝赬1(萬(wàn)人)；國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值X2(億元)；固定資產(chǎn)投資X3(億元)；城鎮(zhèn)化率X4(%)；萬(wàn)元GDP用水量X5(m3)；人均用水量X6(m3)；水資源總量X7(億m3)；供水總量X8(億m3)；工業(yè)用水量X9(億m3)；農(nóng)業(yè)用水量X10(億m3)；居民生活用水量X11(億m3)；生態(tài)環(huán)境用水量X12(億m3)；污水排放量X13(億m3)；污水年處理量X14(億m3)；降水量X15(mm)。

2.2 主成分分析法步驟及數(shù)據(jù)來(lái)源

主成分分析是一種把多個(gè)變量劃分為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法，從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，這是一種對(duì)高維變量空間降維的技術(shù)[13]。

主成分分析法的計(jì)算步驟為：(1)為了消除數(shù)量級(jí)和量綱帶來(lái)的誤差的影響，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本的相關(guān)系數(shù)矩陣；(3)計(jì)算特征值和特征向量；(4)計(jì)算貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，一般取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上的確定為主成分；(5)計(jì)算主成分載荷；(6)根據(jù)各個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

本研究選取的鄭州市2003—2011年的15個(gè)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)均來(lái)自河南省統(tǒng)計(jì)年鑒及鄭州市水資源公報(bào)。

2.3 主成分分析

運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除數(shù)量級(jí)和量綱造成的誤差，進(jìn)而得到鄭州市水資源各評(píng)價(jià)因素的相關(guān)系數(shù)矩陣(表1)、特征值及主成分的貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率(表2)、進(jìn)行最大方差旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣(表3)。

表1 水資源承載力影響因子的相關(guān)系數(shù)矩陣

由表1可知，15個(gè)因子之間存在一定的相關(guān)性，X3(固定資產(chǎn)投資)、X4(城鎮(zhèn)化率)和X14(污水年處理量)分別與X2(國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值)存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.987，0.966和0.978，說(shuō)明進(jìn)行主成分分析的必要性。

表2 主成分特征值及貢獻(xiàn)率

從表2可以看出，前兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了88.014%，可以選取第一、第二主成分對(duì)鄭州市水資源承載力進(jìn)行分析，進(jìn)而計(jì)算各變量在第一、第二主成分上的載荷(表3)及相應(yīng)的特征向量(表4)。

從表3看出，第一主成分與總?cè)丝?(X1)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(X2)、固定資產(chǎn)投資(X3)、居民生活用水量 (X11)和污水年處理量(X14)有很大的正相關(guān)，與人均用水量 (X6)和農(nóng)業(yè)用水量(X10)有很大的負(fù)相關(guān)，主要代表了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r；第二主成分與工業(yè)用水量(X9)有較大的正相關(guān)，與萬(wàn)元GDP用水量(X5)、水資源總量(X7)和降水量(X15)有很大的負(fù)相關(guān)，主要反映了水資源供需狀況。因此，鄭州市水資源承載力的主要影響因子可以歸納為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源供需2個(gè)主成分。

第一主成分包含了73.629%的變化率，是影響鄭州市水資源承載力的最主要因子。2011年鄭州市人口為885.7萬(wàn)人，比2003年的697.7萬(wàn)人增加了26.95%。伴隨著人口數(shù)量的增加和人民生活水平的提高，使得生活用水總量和人均用水量迅速增加，造成水資源承載力的壓力。此外，人們?cè)诶盟Y源的過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)和污染現(xiàn)象，進(jìn)一步增加了水資源承載力的壓力。2011年鄭州市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值4 979.8億元，比2003年的1 074.1億元增加了363.63%，固定資產(chǎn)投資由2003年的500.4億元增加到3 002.5億元，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展必然要帶來(lái)水資源的巨大消耗。

表3 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

表4 特征向量矩陣

第二主成分包含了14.384%的變化率，主要反映水資源的供需狀況。鄭州市2011年工業(yè)用水量5.63億m3，比2003年3.71億m3增加了51.61%，工業(yè)用水在鄭州市用水總量中所占比例越來(lái)越大，已經(jīng)超過(guò)農(nóng)業(yè)用水所占比例，給水資源承載力帶來(lái)很大壓力。從水資源供應(yīng)來(lái)看，鄭州市2003年水資源總量為21.06億m3，2008年水資源總量為8.43億m3，2011年水資源總量為14.03億m3，水資源總量的年際變化較大。降水在很大程度上緩解了水資源的供給壓力，但降水量的變率大進(jìn)而影響水資源承載力的穩(wěn)定。從統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，2003年降水量為1 016.5 mm，是2007年的降水量523.3 mm的194.25%。萬(wàn)元GDP用水量可以反映水資源利用的效率，鄭州市水資源利用效率逐年提升，2011年的萬(wàn)元GDP用水量?jī)H為2003年的23.73%，說(shuō)明隨著科技水平的提高和人們節(jié)水意識(shí)的增強(qiáng)，水資源供需矛盾緊張的局面可以得到一定程度的緩解。

2.4 水資源承載力綜合得分

計(jì)算兩個(gè)主成分得分并根據(jù)2個(gè)主成分Y1和Y2的得分貢獻(xiàn)率，計(jì)算出綜合得分Y，Y值越小說(shuō)明當(dāng)年的水資源承載力越大[7]，具體水資源承載力的各主成分得分和綜合得分及其排序見表5。

表5 水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

由表4得到主成分Y1和Y2的表達(dá)式：

Y1=0.273X1+0.290X2+0.292X3+0.290X4-0.287X5-0.212X6-0.174X7+0.227X8+ 0.251X9-0.276X10+0.271X11+0.251X12+0.288X13+0.278X14-0.164X15。

Y2=0.248X1+0.052X2+0.063X3-0.107X4+0.187X5-0.402X6+0.534X7+0.107X8- 0.221X9-0.050X10+0.257X11+0.080X12-0.117X13+0.135X14+0.521X15。

為了更清晰地反映出鄭州市2003—2011年水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化，根據(jù)表5得出水資源承載力主成分及綜合得分趨勢(shì)(圖1)。

圖1 水資源承載力主成分及綜合得分趨勢(shì)

從圖1看出：鄭州市水資源承載力在2003年最高，此后逐漸下降，到2010年達(dá)到最低，2003—2011年鄭州市的水資源承載力總體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明鄭州市水資源開發(fā)利用強(qiáng)度很大，進(jìn)一步開發(fā)利用的潛力在逐漸變小；鄭州市水資源承載力在2011年出現(xiàn)回升。第一主成分和水資源承載力的總趨勢(shì)大體一致，也是在2011年出現(xiàn)上升趨勢(shì)，主要是因?yàn)榈谝恢鞒煞职?3.629%的變化率，是影響鄭州市水資源承載力的最主要因子。第一主成分是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素，主要受人口數(shù)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的制約。第二主成分變動(dòng)較大，經(jīng)歷了先上升、再下降、再上升的過(guò)程，這與鄭州市降水量的變化有著很強(qiáng)的相關(guān)性。鄭州市水資源承載力壓力越來(lái)越大，必須積極采取措施，以促進(jìn)其社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。

3 結(jié)論和討論

(1)通過(guò)主成分分析得出影響鄭州市水資源承載力動(dòng)態(tài)變化的兩大主成分，即社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和水資源供需狀況。

(2)2003—2011年鄭州市水資源承載力狀況總體呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)，水資源的開發(fā)利用程度逐漸增大，開發(fā)潛力變小，但2011年出現(xiàn)回升趨勢(shì)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得需水量快速增加，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占用了鄭州市主要用水量，同時(shí)又污染了大量水源。人口數(shù)量的增加和人們生活消費(fèi)水平的提高，使得人們對(duì)水資源數(shù)量和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，最終導(dǎo)致水資源承載力的壓力逐漸增大。

(3)鄭州市應(yīng)把人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)?？刂圃谏鐣?huì)和資源所能承載的范圍內(nèi)，在制定政策時(shí)更多地考慮資源的承載能力，以促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。

(4)為了緩解水資源承載力的壓力，鄭州市應(yīng)積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對(duì)水資源的利用管理，鼓勵(lì)水資源利用率高、水資源使用量少的低耗水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；積極開展水資源的回收利用和污水處理，加強(qiáng)水污染防治工作；大力發(fā)展節(jié)水工藝，提高水資源的利用率；合理分配水資源，制定合適的水價(jià)，提高社會(huì)的節(jié)水意識(shí)。

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