張云寧,袁　軍,陳培然

(1.河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京　211100; 2江蘇省三河閘管理所,江蘇 洪澤　223100)

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基于投影尋蹤分類法的蘇北地區(qū)水足跡及用水效率評價

張云寧1,袁軍1,陳培然2

(1.河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京211100; 2江蘇省三河閘管理所,江蘇 洪澤223100)

摘要：以2013年蘇北地區(qū)水資源相關(guān)數(shù)據(jù)為樣本,根據(jù)水足跡理論構(gòu)建研究水資源利用效率的綜合評價體系,并利用投影尋蹤分類法作為研究的主要方法對該體系進(jìn)行實證分析。結(jié)果表明,鹽城市用水效率較高,而徐州和宿遷用水效率較低。

關(guān)鍵詞：蘇北地區(qū);投影尋蹤分類法;水足跡;用水效率

水資源是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),也是實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要保障和戰(zhàn)略性資源[1]?？茖W(xué)研究水資源利用效率與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的內(nèi)在規(guī)律,合理開發(fā)利用區(qū)域水資源是實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。1992年，William等第一次系統(tǒng)、完整地提出生態(tài)足跡理論[2];1993年,Allan[3]在生態(tài)足跡理論的基礎(chǔ)上首創(chuàng)虛擬水概念,并將其定義為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中耗用的水資源量。2002年Hoekstra等[4-5]第一次全面科學(xué)地定義水足跡的概念:一個國家、一個地區(qū)或一個人,在一定時間內(nèi)消費的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源總量。水足跡理論是基于生態(tài)足跡的研究基礎(chǔ)衍生發(fā)展出來的一種區(qū)域水資源利用效率綜合評價的理論,在區(qū)域水資源利用效率評價方面運用較廣。我國有關(guān)學(xué)者也對該理論在我國區(qū)域水資源綜合利用效率評價方面的科學(xué)實踐和運用進(jìn)行了研究。程國棟[6]將虛擬水理論引入國內(nèi),并結(jié)合西北地區(qū)各省市虛擬水計算結(jié)果,研究和創(chuàng)新水資源管理體系,構(gòu)筑干旱區(qū)域水資源安全戰(zhàn)略體系。周文華等[7]采用水生態(tài)足跡核算方法計算城市生態(tài)需水量,以水資源貧乏的北京市為例進(jìn)行分析,探究城市水生態(tài)足跡的內(nèi)涵和4種典型城市水生態(tài)足跡的發(fā)展軌跡。結(jié)果表明,北京市的水資源利用是不可持續(xù)的。針對生態(tài)足跡模型在水資源計算方面的不足,黃林楠等[8]建立了水資源賬戶,結(jié)合水足跡與傳統(tǒng)生態(tài)足跡,使用均衡因子和產(chǎn)量因子的計算方法來檢驗生態(tài)足跡模型,證明模型的正確性。傅春等[9]基于1989—2008年鄱陽湖流域水足跡計算結(jié)果,建立模型比較了水足跡與流域水資源承載力,結(jié)果表明鄱陽湖流域生態(tài)承載力能滿足區(qū)域生態(tài)足跡需求，表現(xiàn)出生態(tài)盈余，但盈余空間在逐年下降。

1研究區(qū)域概況

蘇北地區(qū)主要指涵蓋淮安、宿遷、徐州、鹽城和連云港5個省轄市的江蘇北部地區(qū)。2013年,該地區(qū)總計土地面積5.23萬km2,常住人口2 856萬,5市GDP分別達(dá)到3 475.5億、4 435.8億、1 785.4億、2 155.9億、1 706.3億元,分別增長12.3%、11.8%、11.8%、12.0%、12.5%,均高于全省9.6%的平均增速。

占據(jù)黃海入?？诘奶K北地區(qū)地理位置優(yōu)越,與日、韓隔海相望,區(qū)域內(nèi)夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,具有明顯的溫帶季風(fēng)氣候特征。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展上,由于緊靠以上海為核心的長江三角洲平原,多年來蘇北地區(qū)受到廣泛的輻射帶動作用,逐步發(fā)展為沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域。憑借地處江淮平原的地理優(yōu)勢,區(qū)域內(nèi)河湖縱橫,生態(tài)環(huán)境良好,成為我國沿海區(qū)域開發(fā)戰(zhàn)略中重要的農(nóng)業(yè)和制造業(yè)基地。區(qū)域年平均降雨量低于蘇南和蘇中地區(qū),且本地降雨和上游來水豐枯變化均較大。根據(jù)近年來的報告顯示,2013年,蘇北地區(qū)年用水總量超過180億m3,超過全省總用水量的1/3。從節(jié)水指標(biāo)方面衡量,蘇北地區(qū)萬元生產(chǎn)總值所需用水量為138 m3,遠(yuǎn)超蘇南、蘇中的54 m3、102 m3且?guī)捉咧?蘇北地區(qū)萬元工業(yè)增加值用水量在三區(qū)中也占首位。數(shù)據(jù)表明,蘇北地區(qū)用水效率相較于蘇中、蘇南地區(qū)處于明顯低下水平。

2投影尋蹤分類模型

投影尋蹤分類法(projection pursuit clustering,PPC)是Friedman等[10]提出的一種集探索性與確定性聚類為一體的分析方法。該方法的本質(zhì)為從不同的方面去分析數(shù)據(jù),并為可以最大化表明數(shù)據(jù)特征和最細(xì)致挖掘數(shù)據(jù)潛在內(nèi)容的最優(yōu)投影方案。

PPC法的特點是省去了專家打分的步驟,不受人為因素干擾,完全從數(shù)據(jù)本身的特征出發(fā),在不確定各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的情況下,利用降維處理方法,將復(fù)雜的高維數(shù)據(jù)降維至簡單低維(1～3維)子空間上,對降維后得到的數(shù)據(jù),構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)來評估投影，揭示某種特征的概率,然后找出可以得到最優(yōu)投影指標(biāo)函數(shù)的投影值,最后利用投影值來分析高維數(shù)據(jù)的潛在特征。PPC法同樣適用于對非線性和非正態(tài)問題的解決。目前PPC法已大量應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境評估、災(zāi)情評估等領(lǐng)域,評價結(jié)果與實際較為符合。

PPC法的計算步驟如下。

a. 數(shù)據(jù)歸一化處理,得到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù):

(1)

式中:x*(i,j)為第i個樣本第j個指標(biāo),(i=1,…,n;j=1,…,p);n,p分別為樣本數(shù)和指標(biāo)數(shù);xmin(j)為樣本中第j個指標(biāo)的最小值;xmax(j)為樣本中第j個指標(biāo)的最大值。

b. 設(shè)定投影的目標(biāo)函數(shù)Q(a)。將p維數(shù)據(jù)x(i,j)(i=1,…,n;j=1,…,p)轉(zhuǎn)換成投影方向a=(a(1),a(2),…,a(p))上的一維投影值:

(2)

式中a為單位長度向量。

在對zi(i=1,2,…,n)按照數(shù)值由大到小排序之后,對指標(biāo)對象的投影值有一定的分布要求,主要為:①要求局部投影點集中度高,圍繞某個點集中分布;②要求投影點避免高度重合,整體分布具有一定分散性。投影函數(shù)計算公式可以表達(dá)為

(3)

(4)

(5)

式中:Sa、Da分別表示第n個zi(i=1,2,…,n)的標(biāo)準(zhǔn)差以及局部密度;R為根據(jù)實際分布情況確定局部密度窗口半徑;ut表示階躍函數(shù)

c. 計算最佳投影方向:

maxQ′(a)=SaDa

(6)

式中s.t.表示約束條件。將式(6)求出的最佳投影方向a*代入式(2)即可求出各樣本的投影值zi,然后根據(jù)投影值的大小排序情況就可以對評價的指標(biāo)和多個樣本進(jìn)行統(tǒng)一的綜合評價。

3蘇北地區(qū)水足跡計算

3.1水足跡指標(biāo)

水足跡理論基于社會物質(zhì)消費視角,統(tǒng)籌考慮其對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的價值性,科學(xué)合理地計算并評價一定區(qū)域內(nèi)部社會生活的實際耗水量?；谏鷳B(tài)足跡及虛擬水理論體系衍生發(fā)展的水足跡理論,為科學(xué)衡量區(qū)域水資源開發(fā)利用效率及其與社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)。虛擬水一般存在于社會物質(zhì)消費產(chǎn)品中,難以直接識別計算。

水足跡是指在社會生產(chǎn)、生活中有形及無形消費中所需的真實耗水量[11]。人類生產(chǎn)、生活中的直接用水量并不是社會水資源消耗的主要部分,在經(jīng)濟(jì)全球化的大環(huán)境下,全球貿(mào)易不斷發(fā)展,商品流通速度加快,帶動了虛擬水的流通。大部分的水資源消耗是在市場經(jīng)濟(jì)作用下以虛擬水的形式存在于消費產(chǎn)品中,所以區(qū)域內(nèi)社會水資源實際耗用量主要有兩部分組成:①區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)、生活中物質(zhì)產(chǎn)品以及社會服務(wù)所需的水資源總量;②區(qū)域進(jìn)出口產(chǎn)品以及所提供的跨區(qū)域服務(wù)中的虛擬水總量。

水足跡各指標(biāo)計算方法如下,各指標(biāo)釋義見圖1。

圖1　水足跡各指標(biāo)名稱及釋義

a. 區(qū)域水足跡總量:

b. 內(nèi)部水足跡總量:

c. 外部水足跡總量:

其中:農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量=農(nóng)業(yè)產(chǎn)品單位虛擬水含量×農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域總產(chǎn)量;進(jìn)出口虛擬水足跡(QVWEdom、QVWI)=本地進(jìn)出口貿(mào)易總值/區(qū)域總產(chǎn)值×生產(chǎn)需水總量。

3.2區(qū)域水足跡評價體系

水足跡評價指標(biāo)體現(xiàn)了水資源組成情況以及區(qū)域水資源的戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)[12],見表1,表1中,QWA表示區(qū)域內(nèi)部可用水資源總量，λTP表示區(qū)域人口總量；WGDP表示區(qū)域國民生產(chǎn)總值；A表示區(qū)域土地面積。區(qū)域水資源評價體系包括水足跡結(jié)構(gòu)指標(biāo)、水足跡效益指標(biāo)和水資源生態(tài)安全指標(biāo)。水足跡效益指標(biāo)又分為內(nèi)部效益指標(biāo)與外部效益指標(biāo)兩大部分。內(nèi)部效益指標(biāo)主要衡量區(qū)域水資源的社會價值并科學(xué)評價區(qū)域水資源對社會經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)率；外部效益指標(biāo)主要反映進(jìn)出口貿(mào)易中虛擬水的地位和作用。水資源生態(tài)安全指標(biāo)是體現(xiàn)區(qū)域水足跡狀況的重要依據(jù),旨在反映區(qū)域水資源的利用情況以及緊缺程度。

表1　區(qū)域水足跡評價綜合指標(biāo)體系

4實證分析

4.1指標(biāo)的選取和數(shù)據(jù)來源

選取徐州、鹽城、淮安、連云港和宿遷為樣本,分別記為S1、S2、S3、S4、S5。同時將區(qū)域水足跡評價指標(biāo)體系中10個二級指標(biāo)水資源進(jìn)口依賴度、水資源自給率、水足跡人口密度、水足跡經(jīng)濟(jì)效益、水足跡土地密度、水足跡凈貿(mào)易量、水資源貢獻(xiàn)率、水資源價格兌換率、水資源匱乏指標(biāo)、水資源壓力指數(shù)分別記為X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10。在10項指標(biāo)中,水資源自給率(X2)、水足跡經(jīng)濟(jì)效益(X4)、水足跡凈貿(mào)易量(X6)、水資源貢獻(xiàn)率(X7)、水資源價格兌換率(X8)為高優(yōu)指標(biāo),即值越大越好;其余指標(biāo)均為低優(yōu)指標(biāo)。

本文中所有農(nóng)副產(chǎn)品的水足跡計算取值均參考文獻(xiàn)[13]。工業(yè)生產(chǎn)需水量、本地居民生活用水量及本地生態(tài)環(huán)境用水量數(shù)據(jù)直接選取2014年徐州、鹽城、淮安、連云港和宿遷統(tǒng)計年鑒中工業(yè)用水、居民用水以及生態(tài)環(huán)境用水的實際耗水量。

4.2計算結(jié)果

依據(jù)投影尋蹤分類法的計算步驟,使用DPS7.05軟件計算得到最佳投影方向a*，見表2。根據(jù)最佳投影方向,還能深入分析各評價指標(biāo)對蘇北地區(qū)水資源利用效率影響程度。由表2投影方向數(shù)值的大小可以看出,指標(biāo)X4對蘇北地區(qū)水資源利用綜合評價結(jié)果的影響最大,X7、X5次之,X10、X9和X1影響最小。

表2　a*對蘇北地區(qū)水資源利用綜合評價結(jié)果的影響

基于水足跡評價綜合指標(biāo)的投影方向得出蘇北地區(qū)的投影數(shù)值,見表3

表3　投影值計算結(jié)果及排序

以投影尋蹤分類法對蘇北地區(qū)水足跡評價指標(biāo)進(jìn)行實證分析。2013年徐州、鹽城、淮安、連云港和宿遷水資源利用綜合評價結(jié)果顯示,鹽城市水資源綜合利用水平最高,連云港和淮安緊隨其后。徐州和宿遷是水資源綜合利用水平相對薄弱的地區(qū)。

5結(jié)論

水足跡是為了衡量與人類產(chǎn)品消費量和產(chǎn)品消費模式相關(guān)聯(lián)的水資源利用效率,在虛擬水和生態(tài)足跡理論基礎(chǔ)上衍生發(fā)展出來的一種新方法[14]。以此為基礎(chǔ)的水資源評價較之其他方法更為復(fù)雜和多元。以2013年蘇北地區(qū)水資源相關(guān)數(shù)據(jù)為樣本,根據(jù)水足跡理論構(gòu)建了研究水資源利用效率的綜合評價體系,并利用投影尋蹤分類法作為研究的主要方法對該體系進(jìn)行實證分析。研究結(jié)果表明:①徐州、鹽城、淮安、連云港和宿遷5市,水資源綜合利用效率最高的是鹽城,這也與鹽城市近年來積極開展全國水生態(tài)文明城市建設(shè)試點工作密不可分。排在第2、3位的是連云港和淮安。連云港市和淮安市憑借良好的地理優(yōu)勢,區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)密集、河湖眾多。與此同時,連云港和淮安共同致力于區(qū)域內(nèi)部水資源的科學(xué)開發(fā)及利用,不斷提升水資源綜合利用水平。②徐州和宿遷在水資源綜合利用效率排名中處于末位。究其原因,主要可以從兩方面來解釋。在工業(yè)用水方面,徐州市還未擺脫初級工業(yè)化階段的桎梏,單位產(chǎn)品耗水量大。從農(nóng)業(yè)用水角度看,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中諸如大水漫灌等粗放式用水形式依舊存在,科學(xué)的節(jié)水灌溉技術(shù)未得到有效推廣,水資源利用效率在渠灌區(qū)內(nèi)尤為低下。多方面因素綜合導(dǎo)致徐州在資源性缺水的情況下仍然用水效率低下。北部與徐州相連的宿遷市,在工業(yè)用水以及農(nóng)業(yè)灌溉用水方面與徐州驚人相似。全面建設(shè)節(jié)水型社會,不斷提高水資源綜合利用效率已經(jīng)成為徐州市和宿遷市未來發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戚瑞,耿涌,朱慶華. 基于水足跡理論的區(qū)域水資源利用評價[J]. 自然資源學(xué)報,2011,26(3):486-495.

[2] WAKEMAGEL M,REES W. Our ecological footprint:reducing human impact on the earth[M].Gabriola Island,BC,Canada:New Society Publishers,1996.

[3] ALLAN J A.Fortunately there are substitutes for water otherwise our hydro-political futures would be impossible[C]//Priorities for Water Resources Allocation and Management.London:ODA,1993:13-26.

[4] HOEKSTRA A Y. Virtual water trade[C]//Proceedings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade (No.12).Delft,The Netherlands:IHE,2003:13-23.

[5] HOEKSTRA A Y，MEKONNEN M M.The green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products[J]. Hydrology & Earth System Sciences，2011，15(5)：1577-1600.

[6] 程國棟. 虛擬水:水資源與水安全研究的創(chuàng)新領(lǐng)域[J].科學(xué)新聞,2003(15):13.

[7] 周文華,張克鋒,王如松. 城市水生態(tài)足跡研究:以北京市為例[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006,26(9):1524-1531.

[8] 黃林楠,張偉新,姜翠玲,等. 水資源生態(tài)足跡計算方法[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(3):1279-1286.

[9] 傅春,陳煒,歐陽瑩. 環(huán)鄱陽湖區(qū)生態(tài)足跡與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)系的實證研究[J]. 長江流域資源與環(huán)境,2011,20(12):1525-1531.

[10] FRIEDMAN J H，STUETZLE W. Projection pursuit methods for data analysis [J]. Modern Data Analysis，1982，6(1)：123-147.

[11] 劉民士，劉曉雙，侯蘭功. 基于水足跡理論的安徽省水資源評價[J].長江流域資源與環(huán)境，2014，23(2)：220-224.

[12] 潘文俊,曹文志,王飛飛,等.基于水足跡理論的九龍江流域水資源評價[J].資源科學(xué),2012,34(10):1905-1912.

[13] CHAPAGAIN A K,HOEKSTRA A Y.Water footprints of nations-Volume[R].Value of Water Research Report Series No. 16.Deft,the Netherlands:UNESCO-IHE,2004.

[14] 王新華,徐中民,李應(yīng)海. 甘肅省2003年的水足跡評價[J]. 自然資源學(xué)報,2005,20(6):115-121.

Water footprints and evaluation of water use efficiency in northern areas of Jiangsu Province based on projection pursuit clustering/

ZHANG Yunning1,YUAN Jun1,CHEN Peiran2

(1.Business School, Hohai University, Nanjing 211100, China; 2. Sanhe Lock Management Office of Jiangsu Province, Hongze 223100, China)

Abstract:Based on the relevant data samples of water resources in the northern areas of Jiangsu Province in 2013, a comprehensive evaluation system for water use efficiency is established according to the theory of water footprints. The projection pursuit clustering is employed to analyze the proposed system. The results show that the water use efficiency in Yancheng City is higher, while that in Xuzhou City and Suqian City is relatively low.

Key words:northern area of Jiangsu Province; projection pursuit clustering; water footprint; water use efficiency

(收稿日期：2015-08-12編輯：胡新宇)

中圖分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-9511(2016)02-0016-04

DOI：10.3880/j.issn.1003-9511.2016.02.004

作者簡介：張云寧(1959—),男,江蘇南京人,副教授,主要從事工程經(jīng)濟(jì)、工程管理研究。E-mail:1542077993@qq.com