杜倩萍 唐 蓮

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

寧夏水資源匱乏、引黃水量有限,經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展加重了水資源污染和水生態(tài)受損,影響了區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展。2019年黃河流域生態(tài)保護(hù)作為國(guó)家重大戰(zhàn)略被提出,寧夏作為黃河上游的典型區(qū)域,定量評(píng)估其水資源稟賦和環(huán)境容量對(duì)人口與經(jīng)濟(jì)規(guī)模的最大承載能力,具有重要意義。目前涉及的研究指標(biāo)包括水資源承載力[1-2]、水環(huán)境承載力[3-4]和水生態(tài)承載力[5-6],其中,水環(huán)境承載力是最常被應(yīng)用的指標(biāo)。水環(huán)境承載力是指在一定時(shí)空范圍內(nèi),水環(huán)境系統(tǒng)能夠支持區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)的最大能力,同時(shí)滿足水質(zhì)不發(fā)生質(zhì)的改變、水生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展[7]。

國(guó)內(nèi)外利用指標(biāo)體系評(píng)價(jià)水環(huán)境承載力的主要方法有模糊綜合評(píng)價(jià)法[8-9]、向量模法[7,10]、主成分分析法[11,13-14]等,將三種方法橫向?qū)Ρ?模糊綜合評(píng)價(jià)法具有操作門檻低、結(jié)果準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì),但因其對(duì)信息利用能力較低導(dǎo)致?lián)诫s較多主觀因素;向量模法雖然簡(jiǎn)單易操作,但對(duì)水環(huán)境承載力的模糊性和向量方向性缺乏定量描述的能力,表現(xiàn)出了較低的可靠性;相比之下主成分分析法能在最大程度上保存研究的數(shù)據(jù)信息,并對(duì)高維變量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理和簡(jiǎn)化,避免了因過(guò)度考慮單維因素而造成的結(jié)果缺陷[11-12]。筆者以寧夏2006—2021年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)指標(biāo)在相關(guān)文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻率,初步篩選出影響水環(huán)境承載力的主要因子,用相關(guān)性分析篩選并建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,最后用主成分分析法綜合評(píng)價(jià)寧夏水環(huán)境承載力。

1 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型的建立

1.1 指標(biāo)選取與數(shù)據(jù)來(lái)源

采用頻率統(tǒng)計(jì)法對(duì)國(guó)內(nèi)外近10年相關(guān)文獻(xiàn)的指標(biāo)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì),得到初選指標(biāo),見(jiàn)表1。并用相關(guān)性分析[13]剔除強(qiáng)耦合指標(biāo)以及非相關(guān)性指標(biāo),得到最終水環(huán)境承載力指標(biāo)體系,見(jiàn)表2。

表1 初選指標(biāo)體系

本研究數(shù)據(jù)均來(lái)自2006—2021年《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》和2005—2020年《寧夏水資源公報(bào)》。

1.2 主成分分析法

主成分分析法的一般計(jì)算步驟如下[11,14-16]:

a.為排除量綱的影響,首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

b.計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本相關(guān)矩陣R,并求R的特征值λ1,λ2,…,λi。

c.計(jì)算累計(jì)貢獻(xiàn)率,一般按累計(jì)貢獻(xiàn)率不小于85%的原則確定主成分?jǐn)?shù)。

d.計(jì)算主成分的特征向量和表達(dá)式。

2 寧夏水環(huán)境承載力分析

2.1 主成分分析結(jié)果

選取14個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析,KMO取樣適切性量數(shù)為0.756,表明變量之間有一定的相關(guān)性,適合作主成分分析。表3顯示前兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)88.141%,可以較全面地反映影響水環(huán)境承載力變化的驅(qū)動(dòng)因子。主成分一代表與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)相關(guān)的影響因子;主成分二代表與水資源系統(tǒng)相關(guān)的影響因子。主成分載荷是主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)表4),主成分一與X4、X5、X6、X7、X8、X10、X11、X12、X13、X14有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,與X9成負(fù)相關(guān),基本涵蓋了社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的主要影響因子。隨著城市化進(jìn)程的加速,城市人口不斷增長(zhǎng)。由于城市水環(huán)境承載能力有限,城市用水量和缺水量逐年上升,為了滿足生活和生產(chǎn)需要,可用水資源被優(yōu)先分配,導(dǎo)致城市河湖水資源逐漸枯竭、水生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力降低,同時(shí)也加劇了水體污染和自然生態(tài)退化等不良后果[17]。

表3 主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

表4 因子載荷矩陣

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市污水處理能力不斷提高;污水再生回用量十年內(nèi)增長(zhǎng)百倍。在農(nóng)業(yè)方面,2021年寧夏全區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉有效利用系數(shù)達(dá)到0.561,森林覆蓋率從2006年6.08%提高到2021年16.91%,這些因素的提升均有利于水環(huán)境承載力的提高。

主成分二主要包括水資源系統(tǒng)因子,寧夏地處內(nèi)陸干旱半干旱地帶,干旱少雨,多年平均降水量?jī)H298mm,不足全國(guó)平均水平的1/2,2021年人均水資源量只有128.82m3,僅占全國(guó)人均值的1/12,天然基礎(chǔ)條件較差。寧夏是沿黃九省區(qū)中唯一全境屬于黃河流域的省區(qū),引黃灌區(qū)范圍達(dá)到8600km2,引黃水在水資源中占比近九成,保證了寧夏供水安全以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[18]。充分說(shuō)明了水資源系統(tǒng)在區(qū)域承載力中的重要地位及作用,同時(shí)也體現(xiàn)出區(qū)域的缺水狀態(tài)對(duì)水環(huán)境承載的強(qiáng)約束作用。

2.2 基于主成分得分對(duì)寧夏水環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)

通過(guò)計(jì)算,得到各主成分得分(見(jiàn)表5)。由圖1可知,綜合得分與主成分一得分趨勢(shì)基本一致,這主要是由主成分一的貢獻(xiàn)率65.766%決定的。

圖1 主成分得分趨勢(shì)

表5 水環(huán)境承載力綜合得分

2014—2015年綜合得分出現(xiàn)明顯下降,歸因于主成分二,其中降雨量、人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)都出現(xiàn)了下降,而人均水資源量為主成分二的最高權(quán)重因子,受當(dāng)時(shí)水資源量的影響,人均水資源量的大幅度減少是影響2014—2015年水環(huán)境承載力下降的主要原因。在水資源總量不變的情況下,為應(yīng)對(duì)人口增加和城市化率提高,寧夏需加速提高水資源利用效率,如針對(duì)占比較大的農(nóng)業(yè)用水,推進(jìn)精細(xì)化管理、控制新增灌溉地、限制高耗水作物的種植面積等。2018—2021年綜合得分下降的原因同樣歸于主成分二。人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)、降雨量的減少是影響2018—2021年水環(huán)境承載力下降的主要原因。因全球氣候變暖,2021年寧夏平均氣溫高達(dá)21.9℃,平均降水量降低到26.3mm,發(fā)生了嚴(yán)重的旱災(zāi),直接導(dǎo)致了水環(huán)境承載力的下降。說(shuō)明該區(qū)域的水環(huán)境狀態(tài)與水資源的條件息息相關(guān),水資源狀態(tài)是影響水環(huán)境狀態(tài)的關(guān)鍵前提。所以寧夏應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域性抗旱應(yīng)急保供能力;其次在跨區(qū)域調(diào)水工程建設(shè)方面,加快構(gòu)建現(xiàn)代水網(wǎng)體系也尤為重要。

分析可知,社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對(duì)水環(huán)境承載力具有關(guān)鍵的影響,但這兩個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)間變化的波動(dòng)較小,一直處于提升階段;而水資源系統(tǒng)隨時(shí)間變化發(fā)展不穩(wěn)定,極易出現(xiàn)大幅度升降,是當(dāng)前寧夏水環(huán)境承載力提升過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的主要矛盾點(diǎn)之一。

綜合來(lái)看,水環(huán)境承載力總體呈上升趨勢(shì),主要因?yàn)橹鞒煞忠坏某掷m(xù)上升態(tài)勢(shì),其主要體現(xiàn)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和污水再生回用量指標(biāo)的變動(dòng)。而污水再生回用量與水環(huán)境承載力的相關(guān)系數(shù)為0.863,污水再生回用的持續(xù)改善是保持水環(huán)境承載力上升的重要因素。建議積極創(chuàng)造條件,進(jìn)一步加大寧夏污水處理及再生利用規(guī)模,并提升再生水出水水質(zhì),以擴(kuò)大再生水使用途徑,提高水資源利用率。同時(shí)也說(shuō)明寧夏雖然氣候干旱,水資源自然儲(chǔ)蓄量少,生態(tài)環(huán)境較為脆弱,但是隨著人口增長(zhǎng)和城鎮(zhèn)化率提高,寧夏一直在采取措施進(jìn)行水污染防治以及生態(tài)保護(hù)修復(fù),人為干預(yù)效果較為顯著。

3 結(jié) 語(yǔ)

a.通過(guò)頻度統(tǒng)計(jì)法與相關(guān)性分析篩選指標(biāo),得到最終評(píng)價(jià)指標(biāo),利用主成分分析方法結(jié)合SPSS軟件,將14個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)凝練成兩個(gè)主成分,影響水環(huán)境承載力的主成分一主要涵蓋社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響因子,主成分二主要代表水資源系統(tǒng)的相關(guān)因子。

b.利用特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù),計(jì)算得出各主成分因子得分與綜合得分,并將綜合得分與兩個(gè)主成分進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明綜合得分的變化趨勢(shì)主要和主成分一強(qiáng)相關(guān),但隨時(shí)間變化主成分一較為穩(wěn)定而主成分二波動(dòng)較大,綜合得分值容易因主成分二的波動(dòng)發(fā)生變化?？傮w來(lái)看,在2006—2021年,寧夏水環(huán)境承載水平總體呈上升態(tài)勢(shì),這說(shuō)明寧夏推行的生態(tài)治水措施起到了顯著作用,進(jìn)一步提升了該地區(qū)的水環(huán)境承載水平。

c.基于數(shù)據(jù)分析以及定量得出的對(duì)寧夏水環(huán)境承載力的最大影響因素,建議通過(guò)優(yōu)先發(fā)展節(jié)水控水,如進(jìn)一步加大寧夏污水處理及再生水利用規(guī)模,提升再生水出水水質(zhì),擴(kuò)大再生水使用途徑來(lái)提高再生水回用量以及水資源利用率;可以通過(guò)嚴(yán)格劃定水生態(tài)紅線,并落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度來(lái)提高人均水資源量。