程斌強(qiáng)

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

疏勒河流域水資源承載力評價(jià)

程斌強(qiáng)

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

應(yīng)用主成分分析法對疏勒河流域水資源承載力進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明，影響該區(qū)域水資源承載力的3個主成分為反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口狀況的主成分F1、反映節(jié)水技術(shù)狀況的主成分F2、反映降水量狀況的主成分F3。從主成分的變化趨勢可以看出，2003—2010年疏勒河流域水資源承載力整體呈穩(wěn)步遞增趨勢，但在2008年和2009年出現(xiàn)了小的波動，其原因主要是2008年、2009年兩個年份降水量減小。要促進(jìn)疏勒河流域水資源可持續(xù)利用，應(yīng)控制該區(qū)域人口數(shù)量，大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，普及和提高群眾的節(jié)水意識。

水資源承載力；主成分分析法；疏勒河流域

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，興水利、除水害，事關(guān)人類生存、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步。2011年1月29日中共中央發(fā)布“一號文件”《關(guān)于加強(qiáng)水利改革發(fā)展的決定》，提出：“加快水利改革發(fā)展，不僅關(guān)系到防洪安全、供水安全、糧食安全，而且關(guān)系到經(jīng)濟(jì)安全、生態(tài)安全、國家安全”，將水利發(fā)展定位與國家安全層面。水利是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)不可或缺的首要條件，是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不可替代的基礎(chǔ)支撐，是生態(tài)環(huán)境改善不可分割的保障系統(tǒng)。多年來，為了解決日益突出的水問題，探究水資源、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系等，國內(nèi)外學(xué)者開展了水資源承載力的研究。水資源承載力是指在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件，在水資源得到合理開發(fā)利用的條件下，某地區(qū)的水資源（包括數(shù)量、質(zhì)量）持續(xù)支持人類社會發(fā)展規(guī)模（即一定生活質(zhì)量的人口數(shù)量）的最大支撐能力與限度［1］。筆者以疏勒河流域?yàn)檠芯繉ο?，采用主成分分析法對該流域水資源承載力進(jìn)行具體分析和計(jì)算，以了解疏勒河流域水資源承載力狀況，并為該流域水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 水資源承載力研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代“水資源承載力”這一名詞由我國學(xué)者提出后，就引起了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，并成為當(dāng)今社會水資源科學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)［2～3］。就目前而言，水資源承載力研究還處于探索階段，學(xué)術(shù)界關(guān)于水資源承載力并沒有做出明確定義，許多專家學(xué)者通過自己的理解給出了不同的看法。如新疆水資源軟科學(xué)課題組認(rèn)為，水資源承載力是水資源可開發(fā)利用量，在滿足維護(hù)生態(tài)環(huán)境用水要求后，所能支撐的工農(nóng)業(yè)最大產(chǎn)值和人口數(shù)量［4］；施雅風(fēng)等人認(rèn)為水資源承載力是指某一地區(qū)的水資源，在一定社會歷史和科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段，在不破壞社會和生態(tài)系統(tǒng)時，最大可承載（容納）的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口的能力，是一個隨著社會、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展而變化的綜合目標(biāo)［5］；錢正英等人認(rèn)為區(qū)域水資源承載力是在某一具體的歷史發(fā)展階段，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，在水資源經(jīng)過優(yōu)化配置并得到合理開發(fā)利用的情況下，某一區(qū)域的水資源對該區(qū)人口增長與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力［6］。此外還有許有鵬、馮尚友、惠泱河、程國棟等學(xué)者各自不同的理解。水資源承載力是區(qū)域水安全研究的一個重要指標(biāo)，也是指導(dǎo)區(qū)域水資源合理配置和可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)。因此，正確地評價(jià)區(qū)域水資源的承載力，對合理充分地利用水資源以及促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［7］。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

疏勒河流域位于甘肅省河西走廊西端，流域面積4.13萬km2，多年平均降水量47～63 mm，年蒸發(fā)量2 897～3 042 mm，年平均氣溫6.9～8.8℃，屬于典型的內(nèi)陸干旱性氣候。流域年水資源總量為11.34億m3，其中地表水總資源量為10.82億m3（疏勒河干流多年平均徑流量為10.31億m3，石油河多年平均徑流量為0.51億m3），與地表水不重復(fù)的地下水資源量為0.52億m3。疏勒河發(fā)源于祁連山脈的崗格爾肖合力嶺冰川，經(jīng)青海省天峻縣、甘肅省肅北縣、玉門市、瓜州縣、敦煌市，由東向西曾流入蘇泊爾，干流全長670 km，為甘肅省三大內(nèi)陸河之一。流域內(nèi)轄昌馬、雙塔、花海三大灌區(qū)，承擔(dān)著玉門市、瓜州縣22個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、6個國營農(nóng)場8.96萬hm2耕地的農(nóng)業(yè)灌區(qū)和甘肅礦區(qū)等單位的工業(yè)供水、轄區(qū)生態(tài)供水及水利發(fā)電供水等任務(wù)。經(jīng)過多年大規(guī)模的水利建設(shè)，尤其是疏勒河綜合開發(fā)項(xiàng)目的建成，已初步形成蓄、引、調(diào)、排為主的骨干工程體系。目前，灌區(qū)有昌馬、雙塔、赤金峽三座水庫，總庫容為4.722億m3。有干渠17條445.86 km，支干渠11條116.77 km，支渠120條548.10 km，斗渠619條1 105.00 km，農(nóng)渠6 247條2 950.00 km，已形成較為完善的灌溉系統(tǒng)，是甘肅省百萬畝以上大型自流灌區(qū)之一，也是甘肅省主要商品糧基地，素有“西部糧倉”之稱，具有重要的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略地位。

2.2 研究方法

2.2.1 評價(jià)方法目前，關(guān)于水資源承載力的評價(jià)方法主要有生態(tài)足跡法、主成分分析法、綜合指標(biāo)法、系統(tǒng)動力學(xué)法等。本研究選取主成分分析法，主要是因?yàn)橹鞒煞址治龇梢愿陀^的確定指標(biāo)的權(quán)重，減少人為因素產(chǎn)生的誤差，而且還能保留大量的原始數(shù)據(jù)信息，更具有科學(xué)性。其本質(zhì)是通過對原有復(fù)雜變量的線性變換和部分信息的舍棄，將高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化的綜合與簡化，并客觀地確定了系統(tǒng)各指標(biāo)的權(quán)重，克服了模糊綜合評判方法的缺陷，避免造成主觀任意性［8］。

主成分分析的步驟：

（1）利用SPSS19.0對原有數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，排除量綱的影響；

（2）計(jì)算各個評價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)矩陣；

（3）由相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算特征值（選取特征值大于1的成分為主成分），以及各個主成分的貢獻(xiàn)率與累積貢獻(xiàn)率（按累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%以上的特征值所對應(yīng)的前n個成分來確定主成分）；

（4）計(jì)算主成分的特征向量和表達(dá)式；

（5）計(jì)算主成分載荷，主成分載荷即為主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù)；

（6）求主成分權(quán)重及綜合評價(jià)得分。

2.2.2 評價(jià)指標(biāo)的選取對區(qū)域水資源承載力進(jìn)行分析時，選擇合理的評價(jià)指標(biāo)顯得格外重要［9］。在指標(biāo)選取上，筆者根據(jù)2003—2010年《甘肅省水資源公報(bào)》和《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并遵循選取水資源承載力評價(jià)指標(biāo)的原則［10］，參照全國水資源承載力分析中的指標(biāo)體系以及其他水資源評價(jià)指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)，選取具有代表性的14個指標(biāo)作為本研究的基本指標(biāo)體系，主要包括：總?cè)丝冢╔1，萬人），國內(nèi)生產(chǎn)總值（X2，億元），萬元GDP耗水量（X3，m3/萬元），人均用水量（X4，m3/人），水資源總量（X5，億m3），供水總量（X6，億m3），工業(yè)用水量（X7，億m3），林牧漁畜用水量（X8，億m3），城鎮(zhèn)公共用水量（X9，億m3），居民生活用水量（X10，億m3），生態(tài)環(huán)境用水量（X11，億m3），污水排放量（X12，萬t/年），降水量（X13，mm），水資源開發(fā)利用程度（X14，%）。

表1 疏勒河流域水資源承載力評價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

3 評價(jià)結(jié)果與分析

對選取的14個分析指標(biāo)，利用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行主成分分析，得到了各因素指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣（表1）與主成分特征值及貢獻(xiàn)率（表2）。

選取指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，是進(jìn)行主成分分析的必要條件。由表2可知，X2與X9，X4與X6、X11，X6與X8、X11，X8與X9、X11之間存在極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.90，0.99、0.98，0.95、0.99，0.96、0.94。

表2 特征值和主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

由表3可以看出，主成分1、2、3的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)到90.76%，所以選取前3個主成分（F1、F2、F3）進(jìn)行分析。

主成分載荷反映了主成分（F1、F2、F3）與變量（X1……X14）之間的相關(guān)系數(shù)，如表4所示。第1主成分F1與X4（人均用水量）、X6（供水總量）、X8（林牧漁畜用水量）、X9（城鎮(zhèn)公共用水量）、X11（生態(tài)環(huán)境用水量）、X14（水資源的開發(fā)利用程度）之間存在較顯著的正相關(guān)性，與X12（污水排放量）之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)性，可以認(rèn)為第1主成分F1主要反映了整個流域的生活經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。第2主成分F2與X3（萬元GDP耗水量）、X10（居民生活用水量）表現(xiàn)了較強(qiáng)的相關(guān)性，與X2（國內(nèi)生產(chǎn)總值）存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，可認(rèn)為第2主成分F2主要反映了節(jié)水技術(shù)的發(fā)展水平。第3主成分F3與X5（水資源總量）、X13（降水量）表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，與X14（水資源開發(fā)利用程度）存在較顯著的負(fù)相關(guān)，可認(rèn)為第3主成分F3主要反映了降水量的水平。

表3 主成分荷載值矩陣

用表3中的數(shù)據(jù)除以主成分所對應(yīng)的特征值，然后開平方根便得到每個主成分中的每個指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)。即通過公式An=Bn/SQR（λn），即可得到特征向量矩陣（表4）。

將表4中的數(shù)據(jù)與初始指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘，便可以得到各主成分表達(dá)式，即：

表4 特征向量矩陣

另外，以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所選取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計(jì)算綜合主成分F的數(shù)學(xué)模型：

通過計(jì)算，可以得到綜合主成分F的表達(dá)式如下：

從上式進(jìn)而得到疏勒河流域水資源承載力的綜合評價(jià)結(jié)果（表5）。

從表5可知，主成分得分有正有負(fù)，正負(fù)并不能代表水資源承載力的真實(shí)水平，而表示水資源承載力所處的相對位置，負(fù)值表示該年份水資源承載力處于被評價(jià)年份的平均水平以下，正值說明水資源承載力處于被評價(jià)年份的平均水平以上。綜合得分F值越大，說明水資源承載力越大，反之越?。?1］。由表5排名可以看出，疏勒河流域的水資源承載力呈逐年上升的趨勢，但在2008年、2009年兩個年份出現(xiàn)了小的波動，查其原因主要是2008年、2009年降水量減小，由2007年的202.3 mm，降到了2008年的78.5 mm，降低了61.2%。而水資源的開發(fā)利用程度從2007年的72%增加到了2008年的86%，增加了將近14個百分點(diǎn)。

表5 2003—2010年疏勒河流域水資源承載力的綜合評判結(jié)果

由圖1可以看出，主成分F1持續(xù)增大，主要是由于人口數(shù)量的增加和人民生活水平的提高，致使對水資源總量的需求也越來越高。主成分F2自2005年開始一直緩慢的減小，它體現(xiàn)了節(jié)水技術(shù)的發(fā)展以及人們節(jié)水意識增強(qiáng)。主成分F3在2008年、2009年出現(xiàn)大的波折，從2009年之后又慢慢回升，主要是由于2008年、2009年降水量較小的緣故。

圖1 2003—2010年三大主成分得分情況

4 討論

我國在水資源開發(fā)利用方面已取得了很大成就，水資源利用量的增加速率已超過了人口數(shù)量的增加速率，這在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。然而，隨著人口數(shù)量的增加，人類對水資源的開發(fā)強(qiáng)度逐年加大，由此引起的水危機(jī)問題成為國家實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的瓶頸。本研究通過運(yùn)用主成分分析法對疏勒河流域水資源的承載能力分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)水平、人口數(shù)量和降水量成為影響該流域水資源承載力的主要因素，在整體上2003—2010年疏勒河流域水資源承載力呈穩(wěn)步遞增的趨勢。為保證該流域水資源承載力有充足的發(fā)展空間，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展，權(quán)衡各種水利用之間的利弊成為水資源管理中不可避免的挑戰(zhàn)。為此，相關(guān)部門在加大人力、資金、設(shè)備投入的同時，應(yīng)大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，以期提高用水效率，使有限的水資源能夠滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

［1］程美家，韓美.基于主成分分析法的山東省水資源承載力評價(jià)［J］.資源開發(fā)與市場，2009，25（5）：410-412.

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（本文責(zé)編：鄭立龍）

Evaluation on Water Resource Capacity in the Shule River Basin

CHENGBin-qiang
（College of Engineering Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070，China）

Through using principal component analysis，this paper obtained three principal components，which affected water resource carrying capacity in the Shule river basin.Firstly，reflecting the development of economy and status of population. Secondly，reflecting the water-saving technology status.Tirdly，reflecting the rainfall status.The result shows that the water resource carrying capacity stayed steady increasing trend in the Shule River Basin in 2003—2010，but there was a little fluctuation because of decreasing of the rainfall in 2008 and 2009.At last，this paper puts forward some proposals on sustainable utilization in this basin，such as controlling the population，promoting water-saving technology，popularizing people's consciousness of saving water.

Shule River Basin；Principal component analysis；Water resource carrying capacity

S273

A

1001-1463（2015）04-0034-05

10.3969/j.issn.1001-1463.2015.04.010

2015-03-09

程斌強(qiáng)（1987—），男，甘肅白銀人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣喔扰潘こ?。E-mail：1052943551@qq.com