徐蕾++張中旺

摘要：以湖北漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶為研究區(qū)域，運(yùn)用全局主成分分析法對(duì)該區(qū)域內(nèi)10個(gè)城市近10年（2004-2013）來(lái)水資源承載力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)研究。結(jié)果表明，湖北漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力的主要影響因素為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和自然水資源配比狀況，并且呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異：空間上，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)水資源承載力強(qiáng)；時(shí)間上，水資源承載力呈現(xiàn)波動(dòng)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：漢江；水資源；承載力；全局主成分分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TV211.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）18-4459-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.018

漢江湖北段流域面積6.3萬(wàn)hm2，流經(jīng)10市（林區(qū)）40縣（市、區(qū)），占湖北省國(guó)土面積的33.89%。流域自然資源豐富、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)雄厚、生態(tài)條件優(yōu)越，是中國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和生態(tài)功能區(qū)。2013年10月中旬召開(kāi)的湖北省委十屆三次會(huì)議提出，要繼續(xù)實(shí)施“兩圈一帶”區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，積極推進(jìn)湖北長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶和漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶開(kāi)放開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步促進(jìn)長(zhǎng)江中游城市群建設(shè)，推動(dòng)“兩圈兩帶”區(qū)域發(fā)展格局的形成，標(biāo)志著湖北漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的開(kāi)放開(kāi)發(fā)正式上升為省級(jí)戰(zhàn)略。水資源承載力是一個(gè)地區(qū)持續(xù)發(fā)展過(guò)程中各項(xiàng)自然資源承載力的重要組成部分，它對(duì)一個(gè)地區(qū)綜合發(fā)展有至關(guān)重要的影響[1]。對(duì)湖北漢江流域進(jìn)行水資源環(huán)境承載力的研究，能夠?yàn)楹侠砝脻h江水資源提供一定的科學(xué)依據(jù)和決策支持，為漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)建水資源安全保障體系。本研究在前人研究基礎(chǔ)上[2]，擴(kuò)展了選取指標(biāo)，擴(kuò)大了研究年限，運(yùn)用不同的研究方法，不僅驗(yàn)證了前人研究成果，而且得出更具時(shí)效性的科學(xué)合理的結(jié)果。

1 研究區(qū)概況

漢江是長(zhǎng)江最長(zhǎng)的支流，干流流經(jīng)陜西、湖北兩省，全長(zhǎng)1 577 km。漢江湖北段涵蓋了漢江的上中下游，占全長(zhǎng)的55.25%，流域范圍包括十堰市（鄖縣、鄖西縣、竹山縣、竹溪縣、房縣、丹江口市、茅箭區(qū)、張灣區(qū)）、神農(nóng)架林區(qū)、襄陽(yáng)市（襄城區(qū)、樊城區(qū)、襄州區(qū)、南漳縣、谷城縣、?？悼h、老河口市、棗陽(yáng)市、宜城市）、荊門(mén)市（東寶區(qū)、掇刀區(qū)、鐘祥市、沙洋縣、京山縣）、隨州市（曾都區(qū)、隨縣）、孝感市（安陸市、云夢(mèng)縣、應(yīng)城市、孝昌縣、孝南區(qū)、漢川市）、潛江市、天門(mén)市、仙桃市以及武漢市（江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽(yáng)區(qū)、東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)、漢南區(qū)）等10市（林區(qū)）40縣（市、區(qū)）。丹江口以上為上游，流域面積2.12萬(wàn)km2；丹江口至鐘祥為中游，流域面積2.48萬(wàn)km2；鐘祥至武漢為下游，流域面積1.7萬(wàn)km2。

改革開(kāi)放以來(lái)，湖北漢江流域綜合開(kāi)發(fā)受到高度重視。目前，湖北漢江流域已經(jīng)發(fā)展成為全省重要汽車(chē)工業(yè)走廊、裝備制造業(yè)和紡織服裝生產(chǎn)基地；主要商品糧基地，糧食總產(chǎn)量占全省的50%以上；全省重要的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，流域內(nèi)有國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)4個(gè)，國(guó)家級(jí)高新區(qū)3個(gè)；全省城市新區(qū)建設(shè)的先行區(qū)，流域內(nèi)有省政府批準(zhǔn)的城市新區(qū)2個(gè)。

漢江流域是連接武漢城市圈和鄂西生態(tài)文化旅游圈的重要軸線、連接鄂西北與江漢平原的重要紐帶，具有“融合兩圈、連接一帶、貫通南北、承東啟西”的功能，在湖北省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展格局中具有重要的戰(zhàn)略地位和突出的帶動(dòng)作用。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)選取

水資源承載力作為一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，具有有限性、動(dòng)態(tài)性、可增強(qiáng)性的特點(diǎn)，并且受其周邊資源限制、環(huán)境條件、科技進(jìn)步、制度安排等諸多因素的影響[3]。根據(jù)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)遵循的可測(cè)性、可靠性及充分性原則，需要構(gòu)建科學(xué)合理的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，用以準(zhǔn)確衡量區(qū)域水資源承載力的實(shí)際狀況。本研究根據(jù)區(qū)域水資源承載力特征及建立指標(biāo)體系所遵循的原則，結(jié)合前人研究成果[2]，選取了表1中指標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究對(duì)近10年（2004-2013）來(lái)湖北漢江流域內(nèi)10市（林區(qū)）的水資源承載力評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)來(lái)源于《湖北省水資源公報(bào)》（2004-2013）、《湖北統(tǒng)計(jì)年鑒》（2005-2014）、湖北省統(tǒng)計(jì)局及各市統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)公報(bào)等。使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行相關(guān)的分析[4]。

2.3 評(píng)價(jià)方法

全局主成分分析方法是基于時(shí)序立體數(shù)據(jù)表進(jìn)行運(yùn)算的。單獨(dú)的即時(shí)性主成分分析，各年份不同數(shù)據(jù)表具有完全不同的主超平面，無(wú)法保證系統(tǒng)分析的統(tǒng)一性、整體性和可比性，進(jìn)而無(wú)法表述樣本的動(dòng)態(tài)變化，難以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行比較和評(píng)估。因此通過(guò)對(duì)立體數(shù)據(jù)表進(jìn)行主成分分析，尋求一個(gè)對(duì)所有數(shù)據(jù)表來(lái)說(shuō)是統(tǒng)一并且最佳的公共子空間，從全局的角度分析數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要因素的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。全局主成分分析法的計(jì)算步驟如下[5]：

設(shè)時(shí)序立體數(shù)據(jù)表D是一組按時(shí)間順序排列的平面數(shù)據(jù)表列，并且所有的數(shù)據(jù)表有完全相同的樣本點(diǎn)和變量指標(biāo)，即

D={Xt∈Rn×p，t=1，2，L，T}

式中Xt以e1，e2，L，en為樣本點(diǎn)，et1，et2，L，etn為變量指標(biāo)。在t時(shí)刻數(shù)據(jù)表Xt中，e1，e2，L，en樣本點(diǎn)取值分別是e1t，e2t，L，ent。則t時(shí)刻樣本群點(diǎn)為L(zhǎng)t={eti，i=1，2，L，n}，全局樣本群點(diǎn)為L(zhǎng)=■Lt 。

記全局?jǐn)?shù)據(jù)表為

X=X1X■LX■=（x■■）■

定義全局?jǐn)?shù)據(jù)表重心

g=（x1，x2，L，xp）=■■qtieti

其中qti是t時(shí)刻樣本點(diǎn)eti的權(quán)重，且滿(mǎn)足■■qti=1，■qti=1/T。如果樣本點(diǎn)權(quán)重不隨時(shí)間改變，則全局重心等于各表重心平均。

定義全局變量

xj=（x■■j，L，x■■，L，x■■，L，x■■，L，x■■，L，x■■）|∈R■

則全局方差為

s2j=Var（xj）=■■qti（xtij-xj）2

全局協(xié)方差為

sjk=Cov（xj，xk）=■■qti（xtij-xj）（xtij-xk）

得到的全局協(xié)方差陣

V=（sjk）p×p=■■qti（eti-g）（eti-g）′

對(duì)于給定的矩陣M，求出VM的前m個(gè)特征值 ？姿1，？姿2，L，？姿m，設(shè)？姿1≥？姿2≥L≥？姿m，其對(duì)應(yīng)的M標(biāo)準(zhǔn)正交的特征向量為u1，u2，L，um。u1，u2，L，um稱(chēng)為全局主軸。

記Fh（t，i）＼（eti-g）′Muh Fh=[Fh（1，1），L，F(xiàn)h（1，n），L，F(xiàn)h（T，1），L，F(xiàn)h（T，n）]′∈R■，F(xiàn)h為第h全局主成分，是由群點(diǎn)L在主軸uh上的投影構(gòu)成的。

最終得到如下結(jié)論：

1）全局主成分一定是對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)變異最大的方向。記Fh為第h全局主成分，是群點(diǎn)Lt={eti，i=1，2，L，n；t=1，2，L，T}在h主軸上的投影（h=1，2，L，m），則必然有F1對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)變異的最大方向。第二主成分F2對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)變異第二大方向，以此類(lèi)推。

2）全局主成分是對(duì)原多變量的最佳綜合。在全局主成分中，若全局?jǐn)?shù)據(jù)表中有p個(gè)變量x1，x2，L，xp，如果用一個(gè)全局變量來(lái)代替原來(lái)所有的全局變量xj，j=1，2，L，p，則第一全局主成分F1就是最好的選擇，即F1所有的xj的相關(guān)度可以達(dá)到綜合最大。

3 實(shí)證分析

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全局主成分分析前先檢驗(yàn)所選擇的指標(biāo)和數(shù)據(jù)是否適用，本研究選擇KMO取樣適當(dāng)性度量和Bartlett球形檢驗(yàn)。KMO檢驗(yàn)值為0.769，Bartlett球形檢驗(yàn)中顯著性p=0.000，表明數(shù)據(jù)相關(guān)性很高，適用于主成分分析。由全局主成分分析得到漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力前5個(gè)全局主成分的特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率見(jiàn)表2。前5個(gè)全局主成分的特征值都大于1，且累積貢獻(xiàn)率超過(guò)了84%，表明這5個(gè)主成分基本能夠代表原始指標(biāo)對(duì)漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

從表2中可以看出，總供水量、總用水量、農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、總?cè)丝?、生活用水量、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、人口密度等8項(xiàng)指標(biāo)在第一軸得分最高，均大于0.500；地表水資源量、總水資源量、年降水量、地下水資源量以及土地面積等5項(xiàng)指標(biāo)在第二軸得分最高，均高于0.800；人均GDP、生態(tài)用水量、地區(qū)生產(chǎn)總值以及農(nóng)村生活人均日用水量等4項(xiàng)指標(biāo)在第三軸得分最高，均超過(guò)0.600；城鎮(zhèn)生活人均日用水量則在第四軸得分最高，為0.668；產(chǎn)水模數(shù)在第五軸得分最高，為0.886。由此可見(jiàn)，全局主成分分析得出的湖北漢江流域水資源承載力的影響因素并非單一的，而是受到多個(gè)因素的綜合影響。第一主成分貢獻(xiàn)率最大，達(dá)30.910%，包含社會(huì)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，表明該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展水平；第二主成分貢獻(xiàn)率達(dá)21.767%，指示該地區(qū)水資源配比狀況；第三主成分貢獻(xiàn)率為17.585%，包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)三個(gè)方面，主要指示該地區(qū)發(fā)展中薄弱環(huán)節(jié)的影響；第四主成分貢獻(xiàn)率為7.361%，指示社會(huì)系統(tǒng)中城鎮(zhèn)居民用水情況；第五主成分貢獻(xiàn)率為7.253%，指示水資源系統(tǒng)中的產(chǎn)水模數(shù)。

根據(jù)各主成分得分系數(shù)矩陣，以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型：F=0.309 10FS1+0.217 67FS2+0.175 85FS3+0.073 61FS4+0.072 53FS5，F(xiàn)Sn為忽略時(shí)間變化下各個(gè)城市在主成分的靜態(tài)得分向量。最終得到湖北漢江流域10個(gè)城市近10年來(lái)水資源承載力的得分和排名（表3）。

從表3中可以看出，湖北漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力最終得分具有明顯的空間差異，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高的城市水資源承載力大，說(shuō)明地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡以及資源配比條件的差異顯著影響地區(qū)的水資源承載力。其中武漢市水資源承載力遠(yuǎn)高于其他城市，主要原因是武漢位于長(zhǎng)江和漢江交匯處，水資源供給充沛，加之武漢作為湖北省會(huì)、華中地區(qū)最發(fā)達(dá)的城市，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也領(lǐng)先于其他城市。從圖1各個(gè)城市得分的年際變化規(guī)律也可以看出，武漢市水資源承載力的變化趨勢(shì)與其他城市差異顯著。除此之外，襄陽(yáng)、十堰、孝感三市得分為正，水資源承載力狀況較為良好，剩余的荊門(mén)、隨州、仙桃、天門(mén)、潛江及神農(nóng)架林區(qū)得分均為負(fù)，水資源承載力不容樂(lè)觀。

圖1中顯示了湖北漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力年際變化特征，該地區(qū)呈現(xiàn)出逐年波動(dòng)上升的發(fā)展趨勢(shì)，隨著湖北省尤其是漢江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，水資源的利用效率不斷改善，群眾節(jié)水意識(shí)的增強(qiáng)都使得水資源壓力得到有效緩解，有利于提高該地區(qū)水資源的區(qū)域承載力。其中2011年作為典型干旱年，水資源量嚴(yán)重匱乏，顯著影響了該地區(qū)水資源承載力，這與前人研究結(jié)果一致[6]。值得注意的是，十堰市的水資源承載力從2010年開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其主要原因是南水北調(diào)中線工程的實(shí)施使其面臨較大的供水壓力，十堰市水資源安全處于臨界范圍[7]，水資源利用量顯著減少。

4 結(jié)論

1）應(yīng)用全局主成分分析法對(duì)漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，全面客觀地反映了該地區(qū)水資源承載力的變化趨勢(shì)及各市的水資源承載力狀況，分析表明影響水資源承載力的驅(qū)動(dòng)因子主要為經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r以及水資源自然條件，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平對(duì)該地區(qū)水資源承載力的影響最為關(guān)鍵。

2）區(qū)域內(nèi)各市水資源承載力時(shí)空差異顯著?？臻g上，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)水資源承載力強(qiáng)；時(shí)間上，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源承載力呈現(xiàn)波動(dòng)增強(qiáng)的趨勢(shì)。武漢、襄陽(yáng)、十堰、孝感較為發(fā)達(dá)，自然水資源的配比及有效利用率是制約水資源承載力的主要因素，必須轉(zhuǎn)變?cè)械慕?jīng)濟(jì)發(fā)展模式，推行節(jié)水型經(jīng)濟(jì)，走資源節(jié)約型的經(jīng)濟(jì)發(fā)展道路；荊門(mén)、隨州、仙桃、天門(mén)、潛江及神農(nóng)架林區(qū)則需在可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，提高工農(nóng)業(yè)用水量及有效利用率，合理高效地利用水資源。

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