王 輝，許學(xué)工

(北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

水資源承載力是指某一地區(qū)的水資源在一定歷史階段的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平下，以生態(tài)環(huán)境健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展為前提，所能承載的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市和人口的最大規(guī)模[1,2]，或?qū)υ摰貐^(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力[3,4]。水資源承載力具有有限性、動(dòng)態(tài)性、多目標(biāo)性和不確定性的特征[5]，表示的是一個(gè)極限的概念，是有限水資源條件下人類社會(huì)增長(zhǎng)的閾值界限[6]。水資源承載力的概念是在20世紀(jì)80年代由我國(guó)新疆水科學(xué)軟科學(xué)課題組提出的[7]，自提出以來(lái)頗受關(guān)注，并隨著水資源問(wèn)題的日益嚴(yán)峻而成為國(guó)內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[5,8,9]。水資源承載力研究是評(píng)價(jià)水資源安全的基本度量，研究水資源承載力對(duì)于認(rèn)識(shí)和建設(shè)水資源安全保障體系具有重要的意義[2]。目前，水資源承載力研究的方法主要有背景分析法、常規(guī)趨勢(shì)法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多目標(biāo)線性規(guī)劃分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、模糊綜合評(píng)判法等多種[4,5,9]。各種方法中，主成分分析方法可以有效地找出水資源承載力的影響因素，并且在綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中權(quán)重的確定是基于數(shù)據(jù)分析而得到的指標(biāo)間的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系，因而避免了主觀上的隨意性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確和科學(xué)[10-12]，促進(jìn)了該方法在水資源承載力評(píng)價(jià)中的廣泛應(yīng)用[10-21]。

本研究采用主成分分析方法對(duì)萊州市2006-2010年間海水入侵脅迫下水資源承載力的變化情形進(jìn)行了分析。研究結(jié)果可為海水入侵脅迫下萊州市水資源承載力的合理評(píng)估提供參考。

1 研究區(qū)概況

萊州市位于山東省萊州灣畔，膠東半島西北部，隸屬煙臺(tái)市管轄。西接濰坊的昌邑市，南鄰青島的平度市，東面為煙臺(tái)的招遠(yuǎn)市。海岸線全長(zhǎng)108 km，面積1 878 km2，人口大約86萬(wàn)人。全市主要地形包括低山丘陵、山前崗地、沖洪積平原和濱海平原等，氣候?yàn)榕瘻貛Ъ撅L(fēng)性半濕潤(rùn)大陸氣候，海岸類型主要有基巖、黃土臺(tái)地及砂質(zhì)海岸等[22]。2013年全年實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值642.66億元，比上年增長(zhǎng)12%，人均達(dá)到7.52萬(wàn)元。三次產(chǎn)業(yè)中，一產(chǎn)、二產(chǎn)、三產(chǎn)產(chǎn)值分別為65.9、349.5和227.3億元，比重為10.2∶54.4∶35.4。第一產(chǎn)業(yè)中，漁業(yè)是重要支柱產(chǎn)業(yè)；第二產(chǎn)業(yè)以黃金、建材、鹽化工、食品、輕紡、機(jī)械、電子、汽車配件等為主要支柱產(chǎn)業(yè)；第三產(chǎn)業(yè)則主要涵蓋金融保險(xiǎn)、房地產(chǎn)、旅游、信息咨詢等行業(yè)。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人口規(guī)模的擴(kuò)大，城市化的不斷推進(jìn)，萊州市用水規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于水源主要為濱海平原一帶的地下水，長(zhǎng)期以來(lái)的過(guò)度開采造成了海岸含水層的嚴(yán)重超采，地下水位持續(xù)下降，水質(zhì)不斷惡化，海水入侵災(zāi)害也最終發(fā)生。海水入侵是指在自然和人為因素影響下，沿海平原地下淡水水位下降，出現(xiàn)地下水負(fù)值漏斗區(qū)，地下水淡水頭低于附近海水水頭，海水沿含水層向地下淡水區(qū)入侵的現(xiàn)象，一般以地下水中Cl-濃度超過(guò)250 mg/L為標(biāo)志[23]。海水入侵使得海岸含水層的礦化度及Cl-含量上升，地下水水質(zhì)惡化，可利用地下淡水量減少，危害人民群眾生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水安全，造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境影響[24-27]。從1979年海水入侵發(fā)現(xiàn)以來(lái)，萊州市海水入侵災(zāi)害經(jīng)歷了初始、發(fā)展、惡化、緩解等多個(gè)發(fā)展階段[23,28]。2010年，萊州市地下水Cl-含量大于250 mg/L的海水入侵區(qū)面積仍然達(dá)到了228.5 km2，占全市面積的12.17%以上。海水入侵的發(fā)生減少了海岸平原的可用地下淡水資源量，使得區(qū)域水資源承載能力下降。

2 萊州市水資源承載力的主成分分析與綜合評(píng)價(jià)

主成分分析法是利用降維的思想把眾多具有一定相關(guān)性的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[12,13]。在保證數(shù)據(jù)信息損失最小的前提下，經(jīng)線性變換得到幾個(gè)相互獨(dú)立的綜合變量以取代原始的多維變量，減弱了變量間的相互干擾，避免了變量間的共線性問(wèn)題。

水資源承載力主成分分析步驟包括：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算、特征值和特征向量計(jì)算、主成分提取、提取主成分的載荷矩陣解釋以及主成分綜合得分計(jì)算等[11-21]。

2.1 指標(biāo)的選取與標(biāo)準(zhǔn)化

綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取要求能從不同方面、不同角度客觀地反映區(qū)域水資源條件、供需關(guān)系、開發(fā)利用現(xiàn)狀及生態(tài)環(huán)境狀況等[10,18]，遵循目的性、整體性、動(dòng)態(tài)性及層次性等原則[29]?？紤]到萊州市水資源系統(tǒng)及其影響因素特別是海水入侵危害的脅迫，參照相關(guān)文獻(xiàn)[29-32]中水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選取年降雨量(X1)、人均水資源量(X2)、每公頃平均水資源量(X3)、人均GDP(X4)、第三產(chǎn)業(yè)比例(X5)、城市化率(X6)、地表水開發(fā)利用率(X7)、人均綜合用水量(X8)、萬(wàn)元GDP用水量(X9)、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量(X10)、自來(lái)水普及率(X11)、地下水超采面積(X12)、地下水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(X13)、海水入侵面積(X14)、城市生活污水處理率(X15)、城市生活污水處理回用率(X16)、萬(wàn)元GDP的COD產(chǎn)生量(X17)和人均綠地面積(X18)等18個(gè)指標(biāo)為萊州市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)。相關(guān)數(shù)據(jù)取自《萊州市水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)試點(diǎn)工作技術(shù)工作報(bào)告》，主成分分析工作平臺(tái)為SPSS16.0。

原始數(shù)據(jù)采用Z-Score方法預(yù)先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，經(jīng)Z-Score方法處理后的原始數(shù)據(jù)取值如表1所示。

表1 萊州市水資源承載力評(píng)價(jià)各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Tab.1 The standardized data of water resources carrying capacity in Laizhou

2.2 主成分提取

經(jīng)過(guò)主成分分析，前2個(gè)主成分特征值都大于1且累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到93.937%，完全滿足了分析的需要[13,16,19]，因此選取前2個(gè)主成分為提取主成分。提取主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率如表2所示。

表2 萊州市水資源承載力提取主成分的特征值和貢獻(xiàn)率Tab.2 The eigenvalue and variance contribution

經(jīng)過(guò)主成分分析還可以得到主成分載荷矩陣，主成分載荷的大小反映出主成分與有關(guān)變量之間相關(guān)程度的大小，主成分載荷矩陣如表3所示。

表3 主成分載荷矩陣Tab.3 The principal component load matrix

由表3可知，主成分1與人均GDP(X4)、城市生活污水處理率(X15)、城市化率(X6)、自來(lái)水普及率(X11)、年降雨量(X1)有高的正相關(guān)；與萬(wàn)元GDP的COD產(chǎn)生量(X17)、地下水超采面積(X12)、萬(wàn)元GDP用水量(X9)、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量(X10)、海水入侵面積(X14)有高的負(fù)相關(guān)。主成分2與人均綜合用水量(X8)有高的負(fù)相關(guān)。因此，萊州市水資源承載力的影響因素可分以歸納為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源數(shù)量與利用水平、生態(tài)環(huán)境狀況以及海水入侵發(fā)展程度等方面。

(1)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平因素。包括人均GDP、城市化率、自來(lái)水普及率等。2006-2010年，萊州市經(jīng)濟(jì)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人均GDP由2006年的3.27萬(wàn)元增加到2010年的5.44萬(wàn)元，增加幅度為66.36%。經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)也帶來(lái)了社會(huì)的進(jìn)步。例如城市化率不斷提高，由2006年的51%提高到2010年的58%；自來(lái)水普及率由2006年的36%提高到2010年的75%。經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)大、城鎮(zhèn)人口比例的上升以及自來(lái)水供應(yīng)的逐步普及，使得全社會(huì)用水量不斷增加，水資源系統(tǒng)承受的壓力逐步增大，水資源承載潛力逐步下降。

(2)水資源數(shù)量與利用水平因素。包括年降雨量、萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、人均綜合用水量等指標(biāo)。2006-2010年，萊州市降雨量相對(duì)豐富，5 a間平均降水量達(dá)603.4 mm，高于多年平均降雨量，使得水資源承載狀況有所好轉(zhuǎn)。此外，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，萬(wàn)元GDP用水量以及萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量等指標(biāo)值逐步下降，從而在一定程度上緩解了水資源系統(tǒng)的壓力。人均綜合用水量體現(xiàn)了全社會(huì)的水資源利用水平，反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、社會(huì)進(jìn)步、節(jié)水技術(shù)及意識(shí)等各方面的綜合影響。當(dāng)人均用水量小時(shí)，水資源承載力狀況就會(huì)好轉(zhuǎn)；當(dāng)人均用水量大時(shí)，水資源承載力狀況就會(huì)趨于惡化。

(3)生態(tài)環(huán)境狀況因素。包括萬(wàn)元GDP的COD產(chǎn)生量、城市生活污水處理率等。萬(wàn)元GDP的COD產(chǎn)生量體現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中清潔生產(chǎn)的水平；城市生活污水處理率則體現(xiàn)了末端治理的水平。這兩項(xiàng)指標(biāo)都會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況有所影響，從而影響到萊州市整體水資源承載水平的高低。

(4)海水入侵程度因素。包括地下水超采面積、海水入侵面積等指標(biāo)。表明海水入侵程度會(huì)明顯影響到萊州市的水資源承載能力。2006-2010年，萊州市海水入侵危害程度有所緩解，地下水超采面積由850 km2下降到650 km2，海水入侵面積也由261 km2下降到228.5 km2，表明隨著降雨量的增加、地下水超采的嚴(yán)格限制，全市海水入侵災(zāi)害危害程度有所緩解，地下水水質(zhì)好轉(zhuǎn)的區(qū)域增加，水資源承載能力有所上升。

2.3 萊州市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

提取的2個(gè)主成分是18個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的取值與主成分特征向量的乘積[10,12,13,8-20]，因此，提取的2個(gè)主成分與各指標(biāo)間有如下關(guān)系式：

Y1=0.246X1+0.237X2+0.236X3+0.255X4+

0.242X5+0.254X6+0.166X7-0.08X8-

0.248X9-0.248X10+0.249X11-0.251X12+

0.241X13-0.246X14+0.254X15-0.242X16-

0.253X17+0.23X18

(1)

Y2=0.176X1+0.241X2+0.247X3-0.082X4+

0.086X5-0.135X6-0.066X7+0.645X8+

0.194X9+0.123X10-0.163X11+0.099X12-

0.255X13+0.213X14+0.095X15-0.254X16-

0.147X17+0.32X18

(2)

式中：Y1、Y2為提取的2個(gè)主成分的歷年水資源承載力評(píng)價(jià)得分；X1～X18為選取評(píng)價(jià)指標(biāo)的歷年標(biāo)準(zhǔn)化取值。

將X1～X18歷年標(biāo)準(zhǔn)化值帶入以上2個(gè)公式即可得到Y(jié)1、Y2的2006-2010年5個(gè)年份的最終評(píng)價(jià)得分值。以提取2個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)造萊州市水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)F。以2個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率與主成分評(píng)價(jià)得分值相乘然后相加即得到萊州市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)得分[10,12-14,16,20]，如下：

F=0.827Y1+0.112Y2

(3)

式中：F為主成分分析法得到的萊州市水資源承載力歷年綜合得分；Y1、Y2為提取的2個(gè)主成分的歷年評(píng)價(jià)得分。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，2006-2010年Y1、Y2和F的得分值如表4所示。

表4中，主成分得分以及綜合得分正負(fù)并不直接表示大小，而是表示該年所處的水平與平均水平的相對(duì)大小程度，正值表示得分值高于平均水平，負(fù)值表示得分值低于平均水平，得分值越大表示該年份的水資源承載力越小[10,12,14,16,20,21]。為了直觀看出主成分得分值以及綜合評(píng)價(jià)得分值的波動(dòng)，繪制出萊州市研究期間主成分得分以及綜合得分變化趨勢(shì)圖，如圖1所示。由表4以及圖1可知，2006-2010年萊州市水資源承載能力是不斷減小的，綜合得分值由2006年的-5.047上升到2010年的3.023，水資源開發(fā)潛力持續(xù)減小。第1主成分得分在2006-2010年呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，得分值由2006年的-5.927提高到2010年的3.849，體現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素例如人均GDP、城市化率等的影響。第2主成分在2006-2007年首先出現(xiàn)快速上升的態(tài)勢(shì)，隨后在2007-2010年持續(xù)、快速地下降，體現(xiàn)了人均綜合用水量在研究時(shí)段內(nèi)的變化特征：研究時(shí)期內(nèi)，人均綜合用水量由2006年的188 m3上升為2007年的201 m3，隨后呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢(shì)。人均綜合用水量的增加使得主成分2得分值上升，表明水資源承載狀況變差；人均綜合用水量減少使得主成分2得分值下降，表明水資源承載狀況好轉(zhuǎn)。兩個(gè)主成分變化的綜合作用使得萊州市水資源承載力綜合得分持續(xù)減小，與主成分1變化趨勢(shì)近乎一致，體現(xiàn)了主成分1對(duì)水資源承載能力的巨大影響。

表4 萊州市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 The results of evaluation of water resources carrying capacity in Laizhou

圖1 2006-2010年萊州市水資源承載力主成分得分變化趨勢(shì)Fig.1 The trends of level changes of water resources carrying capacity in Laizhou

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)結(jié)果表明，主成分分析是一種很好的降維分析處理工具，可以有效地提取出萊州市水資源承載力的主要影響因素；并能夠客觀賦權(quán)以計(jì)算出最終的綜合評(píng)價(jià)值，從而避免了水資源承載力評(píng)價(jià)過(guò)程中的人為主觀性，是一種行之有效的評(píng)價(jià)方法。

(2)主成分分析表明，萊州市水資源承載力受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源數(shù)量及利用水平、生態(tài)環(huán)境狀況以及海水入侵發(fā)展程度等多方面因素的影響。其中，海水入侵危害程度方面例如地下水超采面積、海水入侵面積等指標(biāo)數(shù)值，在研究時(shí)段內(nèi)逐步減小，有利于水資源承載能力的提升。主成分綜合得分計(jì)算表明，2006-2010年萊州市水資源承載力綜合得分不斷上升，水資源承載力的潛力持續(xù)減小，這與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷發(fā)展導(dǎo)致的用水需求持續(xù)上升有關(guān)。

(3)應(yīng)該繼續(xù)加大海水入侵治理的力度，使得濱海平原地下水位繼續(xù)逐步回升，地下水礦化度和Cl-含量繼續(xù)下降，從而最終使得可利用地下淡水水資源量增加，提高萊州市的水資源承載能力?？傊?，采用適宜的海水入侵治理措施，有效地控制海水入侵的危害程度，是提升萊州市水資源承載能力的必然途徑。

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