浙江省水资源承载力的主成分分析

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　　摘要：随着水资源短缺和水污染问题的加剧，水资源供需矛盾日益突出，水资源承载力已成为衡量区域可持续发展的一项重要指标。以浙江省为研究对象，选取11个指标，运用主成分分析法，从中提取出3 个主成分，对浙江省水资源承载力进行研究。结果表明：人口与社会经济技术水平为影响浙江省水资源承载力的主要因素，且近几年浙江省的水资源承载力呈下降趋势。这引发了，在人口持续增长与大力发展经济的同时，保持水资源承载力持续向更好的方向发展的思考，要求人们加強树立节水意识，转变用水方式，更加优化的配置水资源，以期实现水资源的可持续开发利用。
　　关键词：水资源承载力；主成分分析；浙江省
　　1、区域水资源承载力研究概况
　　21世纪，人类面临着日益严重的粮食、能源和水资源危机。而水资源不足已经成为我国社会经济可持续发展的瓶颈。社会经济的可持续发展在很大程度上取决于水资源的可持续开发利用，而保证水资源可持续开发利用的关键就是如何保护水资源的再生能力。研究表明，只要对水资源的开发利用不超过其承载能力和环境容量，水资源就可以持续利用[ ]。水资源承载力是经济社会健康发展的前提。如果经济社会发展在水资源承载力之内，就有可能实现可持续发展，水资源可以自然循环和更新[ ]。
　　目前，研究水资源承载能力的方法有很多，但比较有代表性的方法[ ]，主要有常规趋势分析法、模糊综合分析法等，这些方法虽然都有各自的优点，但在进行具体的水资源承载力评价过程中都存在一定的局限性，有的甚至误判的可能性比较大[ ]。近年来，随着多元统计学方法的广泛应用，主成分分析法[ ]作为一种较新的方法被应用于水资源承载力的评价，客观地确定了系统各指标的权重，克服了模糊综合评判方法的缺陷，避免造成主观任意性。
　　2、研究区概况
　　2.1自然地理概况
　　浙江东西和南北的直线距离均为450公里左右，陆域面积10.55万平方公里，为中国的1.1%，是中国面积较小的省份之一。浙江山地和丘陵占74.63%，平坦地占20.32%，河流和湖泊占5.05%%，耕地面积仅208.17万公顷，故有“七山一水二分田”之说。浙江地形自西南向东北呈阶梯状倾斜，西南以山地为主，中部以丘陵为主，东北部是低平的冲积平原。大致可分为浙北平原、浙西丘陵、浙东丘陵、中部金衢盆地、浙南山地、东南沿海平原及滨海岛屿等六个地形区。
　　2.2水资源概况
　　就2015年而言，全省平均降水量2060.60毫米（折合降水总量2134.83 亿立方米），较上年降水量偏多16.3%，较多年平均降水量偏多28.5%，降水量时空分布不均匀，降水量地区差异显著，全省年降水量在1100～3400毫米之间，总体上自西向东、自南向北递减，山区大于平原，沿海山地大于内陆盆地。全省水资源总量为1405.11亿立方米，产水系数为0.66，产水模数为135.6万立方米/平方公里。全省189座大中型水库（有供水功能），年末蓄水总量275.44亿立方米，全省总供水量为186.06亿立方米。全省总用水量186.06亿立方米，其中：生产用水量152.83亿立方米，居民生活用水量27.77亿立方米，生态环境用水量5.46亿立方米。另外，环境配水量25.54亿立方米。全省总耗水量100.45亿立方米，平均耗水率为54.0%。总退水量48.39亿吨。全省河流水体中，部分地区污染仍较重，污染类型以有机污染为主。按水功能区目标水质评价，全年达标率为55.9%。其中一级水功能区81个（不包括开发利用区），达标率60.5%，二级水功能区291个，达标率为54.6%。河流水体水质的主要超标项目为总磷、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、石油类。
　　2.3水资源利用概况
　　全省年总水资源量水资源总量1405.11亿立方米，人均水资源量2536.77立方米。人均生活年用水量50.1立方米（注：城镇公共用水和农村牲畜用水不计入生活用水量中），其中城镇和农村居民人均生活年用水量分别为54.0立方米和42.7立方米。农田灌溉亩均年用水量为355立方米，其中水田亩均灌溉年用水量434立方米。万元工业增加值用水量30.0立方米（快报当年价）。全省平均水资源利用率为15.1%。
　　浙江省全省多年平均水资源总量为955.41×109m3，由于人口密度高，人均水资源占有量不足3000 m3，低于我国的平均水平。随着人类经济社会的发展，农业、工业等部门的需水量不断增长，浙江省水资源的持续开发利用具有十分重要的意义，并且水资源承载力已经成为衡量区域可持续发展的一项重要指标，因此确定水资源评价指标，分析浙江省水资源承载力对其发展规划具有一定的参考价值。
　　3、水资源承载力的主成分分析
　　3.1指标的选取
　　本研究通过对浙江省水资源状况的调查和分析，力求从不同角度、不同方面客观反映该区域水资源供需关系以及开发利用状况。根据选取水资源承载力评价指标所遵循的原则[ ]，即选取本质性因素、剔除重复性因素；选取指标能够反映区域特征；指标的可得性等原则，参照中国水资源供需关系中的指标体系及标准，根据《浙江省水资源公报》数据，选取2006—2015年序列资料作为评价的基础数据，根据科学性原则以及专家意见，从中选取11 个评价指标，建立浙江省水资源承载力指标体系[ ]。具体包括：总人口（X1，万人），农业用水量（X2，亿m3），工业用水量（X3，亿m3），生活用水量（X4，亿m3），人均生活用水（X5，L/天），供水量（X6，亿m3），耗水量（X7，亿m3），国内生产总值（X8，亿元），工业增加值（X9，亿元），农田有效灌溉面积（X10/hm2），工业增加值耗水量（X11，m3/万元）共计11个指标。
　　3.2步骤及数据来源
　　（1）数据标准化
　　在实际应用时，各指标的量纲和数量级往往不同，为消除量纲和数量级的影响，将数据变换为便于比较的数据序列，采用公式（1）对原始数据进行标准化处理。 　　式中，Y为标准化后的数据，Xij为原始数据，Xi为第i个指标的样本均值，Si为第i个指标的标准差
　　（2）计算相关系数
　　原变量的 与 之间的相关系数，其计算公式为：
　　若相关系数小，说明原始变量相关性小，则无需进行主成分分析。因此相关系数矩阵决定原系统能不能做到系统简化。
　　（3）计算特征值与特征向量
　　首先解特征方程 ，通常用Jacobi法求出特征值 ，并使其按大小顺序排列，即 ；然后分别求出对应于特征值 的特征向量 。這里要求 ，即 ，其中 表示向量 的第j个分量，即 。
　　（4）计算主成分贡献率及累计贡献率
　　主成分 的贡献率与累计贡献率为：
　　一般取累计贡献率达85%～95%的特征值 所对应的第一，第二，...，第m（m≤p）个主成分。
　　（5）计算主成分载荷
　　主成分载荷表明了第i个主成分 与第j个原始变量 的相关程度。
　　本文所采用的数据资料均来自于《中国统计年鉴》（2006年-2015年）、《浙江省水资源公报》（2006年-2015年），并经过计算整理获得。
　　3.3主成分分析
　　运用SPSS统计分析软件对浙江省水资源承载力评价指标进行分析，得出水资源承载力评价指标的相关关系数矩阵、主成分的特征值与贡献率，可知，选取的11个评价指标间存在一定相关性，X1（总人口）、X4（生活用水量）分别与X9（工业增加值）存在极相关性，相关系数分别为0.969、0.970，这也进一步说明进行主成分分析的必要性[ ]。水资源承载力评价指标的主成分特征值及贡献率可知，主成分1和主成分2的累计贡献率已经达到了90.566%，根据累计贡献率达到85%的原则，这2 个主成分便能反映足够的信息，因此选取前2个主成分F1、F2进行分析。主成分载荷矩阵是主成分与变量间的相关系数，根据确定的2 个主成分，利用SPSS进一步计算2个主成分的载荷可知，主成分1 与工业增加值耗水量、人均生活用水量呈极正相关关系，与生活用水量呈极负相关关系，可以认为，这些指标反映了浙江省人口、社会经济、水资源利用的发展情况；主成分2 与农田有效灌溉面积有着较强的负相关关系，反映了农业的影响力。总之，确定的2 个主成分包括了浙江省人口、社会经济发展和水资源开发利用等方面的内容，可以利用这2 个主成分的变化来反映浙江省水资源承载力的变化情况。
　　3.4水资源承载力综合得分
　　根据公式（3）和公式（4）利用SPSS计算出浙江省水资源承载力主成分单因子得分，然后根据单因子的得分与其特征值贡献率来确定主成分的综合得分，以此分析浙江省水资源承载力的变化情况，见表1。从表1 看出，主成分得分有正有负，但正负值并不是代表水资源承载力的真实水平，而是反映承载力所处的相对位置。对综合得分来说，其值越大，说明水资源承载力越大，反之越小。主成分1的得分整体呈下降趋势，分析主要是随着人口的增长和经济的迅速发展，供用水量的增加造成承载力的下降所致；主成分2 的得分，整体上呈先增加后降低的趋势，分析主要是由国内生产总值和耕地面积的变化影响水资源承载力。总体而言，浙江省的水资源承载力呈逐年下降的趋势，说明近年来人口迅速增长，经济快速发展，水资源开发利用程度的变化对水资源承载力产生了较大影响。
　　4.结语
　　本研究选用主成分分析法对浙江省水资源承载力进行评价，由于资料所限，选取的评价指标不够全面，为了更加准确地掌握该地区的水资源承载力状况，还有待于对数据做进一步收集分析，且不同评价方法所得的结果也有待于进一步比较分析[ ]。本研究仅对浙江省水资源承载力的年际变化情况进行了初步评价分析，而各影响因素对水资源承载力的具体影响关系并未掌握，今后还将借助其他方法探索各影响因素对水资源承载力的具体影响关系，以更准确地为该地区水资源的可持续开发利用提供依据[ ]。
　　为了满足日益增长的经济社会发展对水资源的需求，也为了更好地保护和修复生态环境，社会的发展必须考虑水资源承载力，提高水资源承载力的途径应集中在以下两个方面：（1）优化产业结构，由耗水型经济结构向节水型经济结构转变，适当限制高耗水产业，大力发展低耗水产业；（2）控制水污染，同时提高污水处理水平，实现污水资源化。应从控制人口规模，提高人口素质入手，强化节水意识，提高水资源重复利用率；同时大力调整农业产业结构和技术改造，以农业带动工业及其它产业，提高社会经济发展水平[ ]。
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　　作者简介：斯瑶（1992-4）；女；蒙古族；浙江省杭州市；硕士研究生；研究方向：地理学；浙江省金华市.
　　（作者单位：浙江师范大学 地理与环境科学学院）
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