李如意，束龍倉(cāng)，魯程鵬，司海洋，胡笑燕

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.濟(jì)寧市水資源辦公室，山東 濟(jì)寧 272000)

水是地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設(shè)必不可少的資源條件，是城市化建設(shè)、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源[1]。水資源在人類(lèi)生產(chǎn)、生活、生態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用，保持水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是可持續(xù)發(fā)展的前提條件[2]。由于水問(wèn)題日益突出，新疆水資源軟科學(xué)課題研究組在20世紀(jì)80年代末期提出水資源承載能力的概念[3]。隨后我國(guó)不少學(xué)者對(duì)水資源承載能力進(jìn)行深入探討，1992年施雅風(fēng)等[4]對(duì)烏魯木齊河流域、1993年許有鵬[5]對(duì)新疆和田河流域、2001年惠泱河等[6]對(duì)國(guó)家重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)關(guān)中平原等都展開(kāi)了水資源承載能力的相關(guān)研究。目前水資源承載能力內(nèi)涵界定尚不統(tǒng)一，本文對(duì)水資源承載能力的定義是指可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)在滿足合理的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，綜合考慮來(lái)水情況、工況條件、用水需求等因素，水資源承載經(jīng)濟(jì)社會(huì)的最大負(fù)荷。目前水資源承載能力的評(píng)價(jià)方法很多，包括常規(guī)趨勢(shì)法[4]、多目標(biāo)綜合分析法[7]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[5]、主成分分析法[8]、投影尋蹤法[9]、物元模型[10]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法[11]、集對(duì)分析法[12]、控制目標(biāo)反推法[13]等。其中，投影尋蹤法由美國(guó)科學(xué)家Kruskal[14]在20世紀(jì)60年代最先提出，F(xiàn)riedman等[15]在1974年最早發(fā)現(xiàn)此方法在高維數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)，并正式提出投影尋蹤法的概念。我國(guó)學(xué)者金菊良等[16]把投影尋蹤法應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力評(píng)價(jià)，王順久等[9]用該方法評(píng)價(jià)了流域水資源承載能力并與其他評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了對(duì)比分析。另外，2016年水利部提出建立全國(guó)水資源預(yù)警體制，發(fā)布了相關(guān)的技術(shù)大綱，指導(dǎo)各地區(qū)進(jìn)行水資源承載狀況評(píng)價(jià)，利用該技術(shù)大綱對(duì)水資源承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)稱(chēng)作行業(yè)技術(shù)大綱法。

不同水資源承載能力評(píng)價(jià)方法的結(jié)果具有差異性和可對(duì)比性，本文采用投影尋蹤和行業(yè)技術(shù)大綱兩種評(píng)價(jià)方法分別對(duì)濟(jì)寧市11個(gè)縣市區(qū)水資源承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與張光鳳等[17]利用主成分分析法對(duì)相同地區(qū)的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以期為該地區(qū)水資源合理利用與管控提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)寧市位于魯西南腹地，地處黃淮海平原與魯中南山地交接地帶，坐標(biāo)為北緯34°26′～35°57′，東經(jīng)115°52′～117°36′，包括任城區(qū)、兗州區(qū)、曲阜市、鄒城市、微山縣、汶上縣、泗水縣、魚(yú)臺(tái)縣、金鄉(xiāng)縣、嘉祥縣、梁山縣等11個(gè)縣市區(qū)。總土地面積11 285 km2，地形以低山丘陵和平原洼地為主，地勢(shì)東高西低，地貌較為復(fù)雜。位于東亞季風(fēng)氣候區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候區(qū)，四季分明，夏季高溫多雨，冬季多晴寒天。多年平均氣溫13.3～14.1℃，年平均降水量為597～820 mm。全市多年平均水資源總量46億m3，其中，地表水資源量28.3億m3，地下水資源量17.7億m3，多年平均水資源可利用量30.2億m3。本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于濟(jì)寧市2015年第二次全國(guó)土地調(diào)查成果、水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源保護(hù)規(guī)劃及水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告等成果中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 投影尋蹤法

投影尋蹤的基本思路是通過(guò)計(jì)算機(jī)把高維數(shù)據(jù)線性投影到低維子空間上，然后通過(guò)優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)求出能反映原高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影向量，在低維空間上對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析以達(dá)到研究和分析高維數(shù)據(jù)的目的[17]。投影尋蹤法評(píng)價(jià)包含5個(gè)步驟[18]。

(1)

式中：xmaxj和xminj分別為第j個(gè)指標(biāo)值的最大值和最小值；xi,j為指標(biāo)特征值歸一化的序列。

(2)

步驟3：構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)。為了反映多維指標(biāo)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征，投影時(shí)要求投影特征值z(mì)i盡可能多地提取xi,j的變異信息，整體上投影點(diǎn)團(tuán)盡可能散開(kāi)，即zi在一維空間散布的類(lèi)間距Sz盡可能大。同時(shí)，投影特征值z(mì)i的局部密度Dz達(dá)到最大，即局部投影點(diǎn)團(tuán)盡量集中。因此，構(gòu)建的投影目標(biāo)函數(shù)可表示為

Q(a)=SzDz

(3)

其中

步驟4：優(yōu)化投影方向。投影尋蹤方法成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于投影目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化[19]。不同的投影方向反映不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類(lèi)特征結(jié)構(gòu)的投影方向，因此投影指標(biāo)函數(shù)值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的投影方向?yàn)樽罴淹队胺较颍矗?/p>

(4)

注：W0、G0、Q0、P0分別為用水總量指標(biāo)、平原區(qū)地下水開(kāi)采量指標(biāo)、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率要求和污染物限排量。

表2 各評(píng)價(jià)等級(jí)的指標(biāo)取值范圍

2.2 行業(yè)技術(shù)大綱方法

行業(yè)技術(shù)大綱法按照可操作、可度量、可監(jiān)測(cè)的原則，根據(jù)水利部辦公廳印發(fā)的《全國(guó)水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)大綱(修訂稿)》，以2015年為現(xiàn)狀年，主要考慮水量、水質(zhì)兩個(gè)方面，采用用水總量指標(biāo)、地下水開(kāi)采量指標(biāo)、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率指標(biāo)和污染物限排量指標(biāo)進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法為對(duì)照各評(píng)價(jià)指標(biāo)度量標(biāo)準(zhǔn)直接判斷其水資源承載狀況，劃定為嚴(yán)重超載、超載、臨界狀態(tài)、不超載4個(gè)等級(jí)。①?lài)?yán)重超載：水量、水質(zhì)要素任一要素為嚴(yán)重超載；②超載：水量、水質(zhì)要素任一要素為超載；③臨界狀態(tài)：水量、水質(zhì)要素任一要素為臨界狀態(tài)；④不超載：水量、水質(zhì)要素均不超載。判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比與分析

3.1 基于投影尋蹤法的評(píng)價(jià)結(jié)果

參考夏軍等[20]研究的水資源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料，選取社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：人口密度、城鎮(zhèn)化率、人均GDP、萬(wàn)元GDP用水量；水資源指標(biāo)：人均水資源占有量、單位面積水資源量、有效灌溉率、地表水開(kāi)發(fā)利用程度、地下水開(kāi)發(fā)利用程度；生態(tài)環(huán)境指標(biāo)：水體COD濃度、植被覆蓋率共11項(xiàng)作為水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)類(lèi)似地區(qū)研究成果[21-22]，各評(píng)價(jià)等級(jí)指標(biāo)取值范圍見(jiàn)表2。

根據(jù)前文介紹的方法計(jì)算投影特征值，投影值越大對(duì)應(yīng)的水資源承載能力的潛力越大，從而得到11個(gè)縣級(jí)行政區(qū)的水資源承載能力的潛力從大到小依次為：兗州區(qū)、任城區(qū)、微山縣、梁山縣、金鄉(xiāng)縣、魚(yú)臺(tái)縣、曲阜市、汶上縣、鄒城市、嘉祥縣、泗水縣。根據(jù)計(jì)算出的權(quán)重進(jìn)行排序，可知城鎮(zhèn)化率、人均GDP、有效灌溉率、人均水資源占有量、地下水開(kāi)發(fā)利用程度5個(gè)指標(biāo)是影響評(píng)價(jià)結(jié)果的主要因素。進(jìn)而計(jì)算各個(gè)縣域的指標(biāo)貢獻(xiàn)率，具體結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，任城區(qū)、曲阜市的城鎮(zhèn)化率貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了38.0%、28.1%；兗州區(qū)、鄒城市的主要特點(diǎn)是受人均GDP影響較大；微山縣、汶上縣、金鄉(xiāng)縣及嘉祥縣的有效灌溉率貢獻(xiàn)率最大；泗水縣植被覆蓋率貢獻(xiàn)率所占比重最大，占22.4%；魚(yú)臺(tái)縣和梁山縣的人均水資源占有量分別是36.1%、24.2%的貢獻(xiàn)率。最后得到任城區(qū)、兗州區(qū)、曲阜市、鄒城市、微山縣、汶上縣、泗水縣、魚(yú)臺(tái)縣、金鄉(xiāng)縣、嘉祥縣、梁山縣的水資源承載力等級(jí)分別為Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)。

表3 濟(jì)寧市各縣市區(qū)指標(biāo)貢獻(xiàn)率 %

注：“0”不代表沒(méi)有貢獻(xiàn)，表示該地區(qū)此項(xiàng)指標(biāo)在所有樣本中貢獻(xiàn)率是最小的。

表4 行業(yè)技術(shù)大綱法的評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 基于行業(yè)技術(shù)大綱法的評(píng)價(jià)結(jié)果

基于行業(yè)技術(shù)大綱法對(duì)濟(jì)寧市各縣市區(qū)的水資源承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，水量、水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果中兗州區(qū)、鄒城市、汶上縣、嘉祥縣超載，其他地區(qū)嚴(yán)重超載。

3.3 3種評(píng)價(jià)方法結(jié)果對(duì)比分析

投影尋蹤法、行業(yè)技術(shù)大綱法以及主成分分析法分別對(duì)濟(jì)寧市各縣市區(qū)水資源承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 3種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

由表5可見(jiàn)，投影尋蹤法評(píng)價(jià)結(jié)果整體承載能力等級(jí)為Ⅲ級(jí)，比行業(yè)技術(shù)大綱法整體承載狀況嚴(yán)重超載的狀態(tài)強(qiáng)；主成分分析方法只存在I級(jí)、Ⅱ級(jí)兩種承載能力，各縣市區(qū)承載能力均強(qiáng)于另外兩種方法的評(píng)價(jià)。投影尋蹤法和行業(yè)技術(shù)大綱法對(duì)水資源承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果相似的是鄒城市、汶上縣和泗水縣；利用投影尋蹤法評(píng)價(jià)時(shí)，任城區(qū)、兗州區(qū)、曲阜市、微山縣、魚(yú)臺(tái)縣、金鄉(xiāng)縣和梁山縣承載狀況更強(qiáng)，而利用行業(yè)技術(shù)大綱法時(shí)，嘉祥縣承載狀況更強(qiáng)。

投影尋蹤法是通過(guò)優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)，求出能反映原高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影向量，在低維空間上對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以達(dá)到研究和分析高維數(shù)據(jù)的目的。行業(yè)技術(shù)大綱法是對(duì)各評(píng)價(jià)單元的絕對(duì)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，給定了相應(yīng)的等級(jí)界限。主成分分析法是對(duì)高維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，以少數(shù)綜合指標(biāo)代替原始高維變量，盡可能保存數(shù)據(jù)信息不流失，比較客觀地確定指標(biāo)權(quán)重。

投影尋蹤法評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重較大的幾項(xiàng)是城鎮(zhèn)化率、人均GDP、有效灌溉率、人均水資源占有量以及地下水開(kāi)發(fā)利用程度；行業(yè)技術(shù)大綱法的評(píng)價(jià)結(jié)果主要受主要污染物入河量和平原區(qū)地下水開(kāi)采量影響；主成分分析法的主要貢獻(xiàn)指標(biāo)是人均水資源占有量、單位面積水資源量、水資源開(kāi)發(fā)利用率以及人均供水量。

投影尋蹤法和行業(yè)技術(shù)大綱法所得出的水資源承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異，主要是由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取原則不同。投影尋蹤法根據(jù)樣本數(shù)據(jù)自身越大越優(yōu)或越小越優(yōu)的特性進(jìn)行計(jì)算，得出指標(biāo)權(quán)重，得到各評(píng)價(jià)單元的相對(duì)大小，避免主觀因素帶來(lái)的誤差，絕對(duì)狀態(tài)需要根據(jù)數(shù)據(jù)特性劃出相應(yīng)的等級(jí)臨界值；行業(yè)技術(shù)大綱法則根據(jù)相應(yīng)的等級(jí)界限確定各評(píng)價(jià)單元的絕對(duì)狀態(tài)。主成分分析法與其他兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異主要是因?yàn)椋孩僦笜?biāo)選取依據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同；②指標(biāo)權(quán)重的確定方法不同；③數(shù)據(jù)年份不同。隨著濟(jì)寧市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和水資源的持續(xù)利用，水資源承載能力也發(fā)生了一定程度的變化。從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，投影尋蹤法和主成分分析法是從區(qū)域水資源承載能力的潛力角度出發(fā)的；而行業(yè)技術(shù)大綱法關(guān)注的是區(qū)域水資源承載狀況，適用于考核評(píng)價(jià)和管理。

4 結(jié) 論

a. 采用投影尋蹤法對(duì)濟(jì)寧市各縣市區(qū)的水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果表明，城鎮(zhèn)化率、人均GDP、有效灌溉率、人均水資源占有量、地下水開(kāi)發(fā)利用程度5個(gè)指標(biāo)是影響濟(jì)寧市水資源承載能力的主要因素。兗州區(qū)承載能力較強(qiáng)，泗水縣、嘉祥縣承載能力弱，其他各縣承載能力處于兩者之間，還有一定的潛力。

b. 行業(yè)技術(shù)大綱法對(duì)濟(jì)寧市各縣市區(qū)的水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果表明，影響水質(zhì)超載的原因是主要污染物入河量，影響水量超載的原因是平原區(qū)地下水開(kāi)采量。兗州區(qū)、鄒城市、汶上縣、嘉祥縣超載，其他地區(qū)嚴(yán)重超載，承載能力差。

c. 投影尋蹤法、行業(yè)技術(shù)大綱法以及主成分分析法的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比表明，投影尋蹤法評(píng)價(jià)結(jié)果整體承載能力等級(jí)為Ⅲ級(jí)，比行業(yè)技術(shù)大綱法整體承載狀況嚴(yán)重超載的狀態(tài)強(qiáng)；主成分分析方法只存在I級(jí)、Ⅱ級(jí)兩種承載能力，各縣市區(qū)承載能力均強(qiáng)于另外兩種方法的評(píng)價(jià)。水資源承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異性主要是因?yàn)橹笜?biāo)選取和權(quán)重確定不同產(chǎn)生的；投影尋蹤法和主成分分析法側(cè)重區(qū)域水資源承載能力的潛力；行業(yè)技術(shù)大綱法更關(guān)注區(qū)域水資源承載狀況，適用于考核評(píng)價(jià)和管理，也存在年份不同產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差異。