基于主成分分析的荆州市水资源承载力研究
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[摘要]随着社会经济的发展，城镇化的推进，水资源需求量的增加不仅造成了水资源压力增大，而且还伴随一系列的水环境问题，导致了区域水资源承载力发生变化，影响区域社会经济的建设与发展。为了探明荆州市水资源承载力的现状，利用主成分分析法，对荆州市2009～2016年的水资源承载力进行了综合评估。结果表明：由2009～2016年荆州市的水资源承载力呈逐年上升趋势，但在2011年产生波动。在保持水资源合理利用的基础上，荆州市水资源承载力还有很大的提升空间。
[关键词]水资源承载力;主成分分析法;荆州市
[中图分类号]TV211.1 [文献标识码]A
1 水资源承载力的概念及研究进展
1.1 水资源承载力的概念
关于水资源承载力的定义，具有代表性的主要有两种：第一种观点认为：水资源承载力是指某一地区的水资源，在一定社会经济技术条件下，为了保证社会、经济与生态环境系统能够健康协调发展，所能承载的农业、工业、城市规模和人口数量。第二种观点认为：水资源承载力是在一个具体历史发展阶段和可以达到的经济、技术和社会发展水平条件下，保持水资源的高效永续利用，保障生态环境的可持续发展，水资源对该地区经济社会发展所提供的最大支撑力。
1.2 水资源承载力的研究进展
在国外，Shelby等对伊利诺伊斯河承载力的研究开创了水资源承载力的先河，此研究发现水资源能被利用的比率决定了物理承载力的大小，人们从事生产和生活的活跃性制约着生态承载力的强弱。Harris的研究发现：水资源的可利用量影响农作物的产量，进而影响农业承载力的大小。美国URS公司在1998年时利用数学模型分析法对佛罗里达keys流域水资源承载力进行了相关分析。在国内，对水资源承载力的研究主要集中在我国水资源缺乏的地区，研究领域主要集中在城市水资源承载力和区域（流域）水资源承载力，所采用的方法有定性分析法和定量分析法。新疆水资源软科学课题组在1985年对新疆地区水资源承载力的研究标志着我国进入了水资源承载力的研究领域，后来的“973”项目等都偏向于对西北地区的水资源承载力的研究，但是，随着水资源的污染和浪费，导致供给人们利用的水资源越来越少，人们对水资源的研究也不再局限于某个地区和领域，而是与其他研究领域相结合，如从水资源生态系统管理出发，在防止水污染的前提下，将水资源承载力与水资源安全相结合进行研究。
2 研究概况
2.1 研究区介绍
荆州市位于湖北省中南部（东经111°15?～114°05?和北纬29°26?～31°37?）。荆州市的总人口646万人（2016年国民经济和社会发展统计公报）。全市总面积大约为1.41万km2。荆州市属于典型的亚热带季风气候，多年年均降水量在1100～1300mm之间。境内河流和湖泊分布较广，主要河流有长江（荆州段长为480km）、内荆河、洈水河和松西河等。辖区内大小湖泊面积加起来高达8万多hm2。
2.2 研究方法及数据来源
对水资源承载力的研究方法有常规趋势法、多目标决策分析法、系统动力学法和主成分分析法等。本文选择利用主成分分析法对荆州市的水资源承载力进行研究与评价。
本研究选取荆州市2009～2016年的14个相关指标数据来自《荆州统计年鉴》（2009-2016），《湖北省水资源公报》。基于社会经济、水资源供需等诸多要素，根据相关文献研究结果，本文选取14个指标：总人口X1（万人）;城镇人口X2（万人）;全市生产总值X3（亿元）;全社会固定资产投资X4（亿元）;污水排放量X5（万t）;污水处理量X6（万t）;年降水量X7（亿m3）;总水资源量X8（亿m3）;总供水量X9（亿m3）;工業用水量X10（亿m3）;农业用水量X11（亿m3）;生活用水量X12（亿m3）;人均总用水量X13（m3）;万元GDP用水量X14（m3）。
3 结果分析
3.1 荆州市水资源承载力的年变化分析
运用SPSS20.0统计分析软件对指标数据进行计算归纳，得到荆州市水资源承载力各评价因子的相关系数矩阵见表1，特征值及贡献率见表2，进行最大方差旋转后的因子载荷矩阵见表3。
表2选取了特征值大于1的三个主成分，累计贡献率达到了91.065%，因此可以选取第一、第二、第三主成分对水资源承载力进行分析评价，并求出表3和表4的数据。
从表3可以看出，第一主成分与X2（城镇人口）、X12（生活用水量）、X4（全社会固定资产投资）存在正相关，与X1（总人口）、X10（工业用水量）存在负相关，主要代表社会经济发展状况;第二主成分与X14（万元GDP用水量）、X9（总供水量）、X11（农业用水量）存在负相关，与X6（污水处理量）存在正相关，主要反映水资源利用情况;第三主成分与X8（总水资源量）、X7（年降水量）存在负相关，与X13（人均总用水）存在正相关，主要反映人均水资源压力面临状况。根据这些数据与信息，可以将影响荆州市水资源承载力的三个主要成分定为社会经济发展，水资源利用情况和人均水资源压力状况。
第一主成分包含了37.625%的方差变化，对荆州市水资源承载力的影响最大。2009年的总人口与2016年的总人口相比变化不大，但是城镇人口由256.97万人变成了302.62万人，增加了17.76%;全市生产总值由707.81亿元上升至1726.8亿元，增加了143.96%;全社会固定资产投资由435.16亿元提升至2108.9亿元，增加了384.63%;经济的发展除了带来巨大的经济效益外，也加剧了水资源的消耗。荆州市的生活用水量也由2009年的2.99亿m3上升至2016年的5.18亿m3，增加了73.24%。由此可见，随着人民生活水平的提升，使得生活用水总量大幅度上升，给水资源承载力造成了重压，而且由于分配的不合理以及利用效率低下，还伴随着水污染等问题，进一步加剧了水资源承载力的压力。 第二主成分包含了29.511%的方差变化，主要反映了水资源的使用情况。荆州市2016年工业用水量为5.17亿m3，比2009年的6.94亿m3减少了14.48%。2016年的农业用水量为24.01亿m3，比2009年的30.12亿m3减少了73.24%。2016年的万元GDP用水量为199m3，比2009年的599m3降低了60.1%。2016年的污水处理量达到了11992万t，比2009年的5723万t增加了109.54%。这说明随着科技与经济的发展，人们对水的利用效率有所提高，对废水的处理和再利用技术也得到了良好的应用，在一定程度上缓解了水资源承载力的压力。
第三主成分包含了23.929%的方差变化，主要反映了人均水资源压力状况。荆州市的年降水量总体保持着递增的趋势，在2016年达到了207.41亿m3，与2009年的155.2亿m3相比，增加了33.64%。降水的增多，增加了荆州市水资源的储备量与供应量，缓解了人均水资源应用的压力。第三主成分是反向因子，表明人均水资源面临压力越高，水资源承载力越低。
3.2 水资源承载力综合得分
由图1可以看出，2009～2016年荆州市水资源承载力总体呈上升的趋势。在2010年出现波动，其主要原因是2010年年降水量相对偏高。其中2016年的水资源承载力综合得分最高达到了0.89，2009年的水资源承载力综合得分则是最低的-0.74分。荆州市的水资源承载力之所以呈如此平稳的上升趋势，其主要原因是荆州市为一个农业大市，农业用水量占了总供水量的75%左右，而随着农业生产技术的提高，随着科技的发展，灌溉技术不断得到提升，减少了废水的产生，提高了水资源的利用效率。使水资源承载能力有所提升。
4 结论
本文运用主成分分析法分析了荆州水资源承载力历年变化趋势，结果显示：荆州水资源承载力主要受社会经济发展状况、水资源使用情况和水资源供应情况的影响较大;荆州市水资源承载力随着年份的增加，水资源承载力逐渐增强，但随着经济技术的不断发展，人类生活水平得到不断提升，不仅对水的需求量连续上升，还加剧了对优质水源的需求，且作为农业大市，荆州市对灌溉用水的需求量也很高，还存在水资源利用效率低下与水污染等问题。
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