李如意，束龍倉，魯程鵬，司海洋，胡笑燕

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.濟寧市水資源辦公室，山東 濟寧 272000)

水是地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設(shè)必不可少的資源條件，是城市化建設(shè)、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源[1]。水資源在人類生產(chǎn)、生活、生態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用，保持水資源、社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是可持續(xù)發(fā)展的前提條件[2]。由于水問題日益突出，新疆水資源軟科學(xué)課題研究組在20世紀80年代末期提出水資源承載能力的概念[3]。隨后我國不少學(xué)者對水資源承載能力進行深入探討，1992年施雅風(fēng)等[4]對烏魯木齊河流域、1993年許有鵬[5]對新疆和田河流域、2001年惠泱河等[6]對國家重點經(jīng)濟開發(fā)區(qū)關(guān)中平原等都展開了水資源承載能力的相關(guān)研究。目前水資源承載能力內(nèi)涵界定尚不統(tǒng)一，本文對水資源承載能力的定義是指可預(yù)見的時期內(nèi)在滿足合理的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水和保護生態(tài)環(huán)境的前提下，綜合考慮來水情況、工況條件、用水需求等因素，水資源承載經(jīng)濟社會的最大負荷。目前水資源承載能力的評價方法很多，包括常規(guī)趨勢法[4]、多目標綜合分析法[7]、模糊綜合評價法[5]、主成分分析法[8]、投影尋蹤法[9]、物元模型[10]、系統(tǒng)動力學(xué)法[11]、集對分析法[12]、控制目標反推法[13]等。其中，投影尋蹤法由美國科學(xué)家Kruskal[14]在20世紀60年代最先提出，F(xiàn)riedman等[15]在1974年最早發(fā)現(xiàn)此方法在高維數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，并正式提出投影尋蹤法的概念。我國學(xué)者金菊良等[16]把投影尋蹤法應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力評價，王順久等[9]用該方法評價了流域水資源承載能力并與其他評價方法進行了對比分析。另外，2016年水利部提出建立全國水資源預(yù)警體制，發(fā)布了相關(guān)的技術(shù)大綱，指導(dǎo)各地區(qū)進行水資源承載狀況評價，利用該技術(shù)大綱對水資源承載能力進行評價稱作行業(yè)技術(shù)大綱法。

不同水資源承載能力評價方法的結(jié)果具有差異性和可對比性，本文采用投影尋蹤和行業(yè)技術(shù)大綱兩種評價方法分別對濟寧市11個縣市區(qū)水資源承載能力進行評價，并與張光鳳等[17]利用主成分分析法對相同地區(qū)的研究結(jié)果進行對比，以期為該地區(qū)水資源合理利用與管控提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

濟寧市位于魯西南腹地，地處黃淮海平原與魯中南山地交接地帶，坐標為北緯34°26′～35°57′，東經(jīng)115°52′～117°36′，包括任城區(qū)、兗州區(qū)、曲阜市、鄒城市、微山縣、汶上縣、泗水縣、魚臺縣、金鄉(xiāng)縣、嘉祥縣、梁山縣等11個縣市區(qū)?？偼恋孛娣e11 285 km2，地形以低山丘陵和平原洼地為主，地勢東高西低，地貌較為復(fù)雜。位于東亞季風(fēng)氣候區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候區(qū)，四季分明，夏季高溫多雨，冬季多晴寒天。多年平均氣溫13.3～14.1℃，年平均降水量為597～820 mm。全市多年平均水資源總量46億m3，其中，地表水資源量28.3億m3，地下水資源量17.7億m3，多年平均水資源可利用量30.2億m3。本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于濟寧市2015年第二次全國土地調(diào)查成果、水資源公報、統(tǒng)計年鑒、水資源保護規(guī)劃及水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測報告等成果中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 評價方法

2.1 投影尋蹤法

投影尋蹤的基本思路是通過計算機把高維數(shù)據(jù)線性投影到低維子空間上，然后通過優(yōu)化投影指標函數(shù)求出能反映原高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影向量，在低維空間上對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析以達到研究和分析高維數(shù)據(jù)的目的[17]。投影尋蹤法評價包含5個步驟[18]。

(1)

式中：xmaxj和xminj分別為第j個指標值的最大值和最小值；xi,j為指標特征值歸一化的序列。

(2)

步驟3：構(gòu)造投影指標函數(shù)。為了反映多維指標數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征，投影時要求投影特征值zi盡可能多地提取xi,j的變異信息，整體上投影點團盡可能散開，即zi在一維空間散布的類間距Sz盡可能大。同時，投影特征值zi的局部密度Dz達到最大，即局部投影點團盡量集中。因此，構(gòu)建的投影目標函數(shù)可表示為

Q(a)=SzDz

(3)

其中

步驟4：優(yōu)化投影方向。投影尋蹤方法成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于投影目標函數(shù)的優(yōu)化[19]。不同的投影方向反映不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類特征結(jié)構(gòu)的投影方向，因此投影指標函數(shù)值最大時對應(yīng)的投影方向為最佳投影方向，即：

(4)

注：W0、G0、Q0、P0分別為用水總量指標、平原區(qū)地下水開采量指標、水功能區(qū)水質(zhì)達標率要求和污染物限排量。

表2 各評價等級的指標取值范圍

2.2 行業(yè)技術(shù)大綱方法

行業(yè)技術(shù)大綱法按照可操作、可度量、可監(jiān)測的原則，根據(jù)水利部辦公廳印發(fā)的《全國水資源承載能力監(jiān)測預(yù)警技術(shù)大綱(修訂稿)》，以2015年為現(xiàn)狀年，主要考慮水量、水質(zhì)兩個方面，采用用水總量指標、地下水開采量指標、水功能區(qū)水質(zhì)達標率指標和污染物限排量指標進行單因素評價。評價方法為對照各評價指標度量標準直接判斷其水資源承載狀況，劃定為嚴重超載、超載、臨界狀態(tài)、不超載4個等級。①嚴重超載：水量、水質(zhì)要素任一要素為嚴重超載；②超載：水量、水質(zhì)要素任一要素為超載；③臨界狀態(tài)：水量、水質(zhì)要素任一要素為臨界狀態(tài)；④不超載：水量、水質(zhì)要素均不超載。判別標準見表1。

3 評價結(jié)果對比與分析

3.1 基于投影尋蹤法的評價結(jié)果

參考夏軍等[20]研究的水資源評價標準，結(jié)合研究區(qū)實際情況與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料，選取社會經(jīng)濟指標：人口密度、城鎮(zhèn)化率、人均GDP、萬元GDP用水量；水資源指標：人均水資源占有量、單位面積水資源量、有效灌溉率、地表水開發(fā)利用程度、地下水開發(fā)利用程度；生態(tài)環(huán)境指標：水體COD濃度、植被覆蓋率共11項作為水資源承載能力評價指標，根據(jù)類似地區(qū)研究成果[21-22]，各評價等級指標取值范圍見表2。

根據(jù)前文介紹的方法計算投影特征值，投影值越大對應(yīng)的水資源承載能力的潛力越大，從而得到11個縣級行政區(qū)的水資源承載能力的潛力從大到小依次為：兗州區(qū)、任城區(qū)、微山縣、梁山縣、金鄉(xiāng)縣、魚臺縣、曲阜市、汶上縣、鄒城市、嘉祥縣、泗水縣。根據(jù)計算出的權(quán)重進行排序，可知城鎮(zhèn)化率、人均GDP、有效灌溉率、人均水資源占有量、地下水開發(fā)利用程度5個指標是影響評價結(jié)果的主要因素。進而計算各個縣域的指標貢獻率，具體結(jié)果見表3。由表3可見，任城區(qū)、曲阜市的城鎮(zhèn)化率貢獻率分別達到了38.0%、28.1%；兗州區(qū)、鄒城市的主要特點是受人均GDP影響較大；微山縣、汶上縣、金鄉(xiāng)縣及嘉祥縣的有效灌溉率貢獻率最大；泗水縣植被覆蓋率貢獻率所占比重最大，占22.4%；魚臺縣和梁山縣的人均水資源占有量分別是36.1%、24.2%的貢獻率。最后得到任城區(qū)、兗州區(qū)、曲阜市、鄒城市、微山縣、汶上縣、泗水縣、魚臺縣、金鄉(xiāng)縣、嘉祥縣、梁山縣的水資源承載力等級分別為Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅲ級。

表3 濟寧市各縣市區(qū)指標貢獻率 %

注：“0”不代表沒有貢獻，表示該地區(qū)此項指標在所有樣本中貢獻率是最小的。

表4 行業(yè)技術(shù)大綱法的評價結(jié)果

3.2 基于行業(yè)技術(shù)大綱法的評價結(jié)果

基于行業(yè)技術(shù)大綱法對濟寧市各縣市區(qū)的水資源承載能力評價結(jié)果見表4。由表4可見，水量、水質(zhì)綜合評價結(jié)果中兗州區(qū)、鄒城市、汶上縣、嘉祥縣超載，其他地區(qū)嚴重超載。

3.3 3種評價方法結(jié)果對比分析

投影尋蹤法、行業(yè)技術(shù)大綱法以及主成分分析法分別對濟寧市各縣市區(qū)水資源承載能力進行評價的結(jié)果對比見表5。

表5 3種評價方法的評價結(jié)果對比

由表5可見，投影尋蹤法評價結(jié)果整體承載能力等級為Ⅲ級，比行業(yè)技術(shù)大綱法整體承載狀況嚴重超載的狀態(tài)強；主成分分析方法只存在I級、Ⅱ級兩種承載能力，各縣市區(qū)承載能力均強于另外兩種方法的評價。投影尋蹤法和行業(yè)技術(shù)大綱法對水資源承載能力評價結(jié)果相似的是鄒城市、汶上縣和泗水縣；利用投影尋蹤法評價時，任城區(qū)、兗州區(qū)、曲阜市、微山縣、魚臺縣、金鄉(xiāng)縣和梁山縣承載狀況更強，而利用行業(yè)技術(shù)大綱法時，嘉祥縣承載狀況更強。

投影尋蹤法是通過優(yōu)化投影指標函數(shù)，求出能反映原高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影向量，在低維空間上對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析，以達到研究和分析高維數(shù)據(jù)的目的。行業(yè)技術(shù)大綱法是對各評價單元的絕對狀態(tài)進行評價，給定了相應(yīng)的等級界限。主成分分析法是對高維數(shù)據(jù)進行降維處理，以少數(shù)綜合指標代替原始高維變量，盡可能保存數(shù)據(jù)信息不流失，比較客觀地確定指標權(quán)重。

投影尋蹤法評價指標權(quán)重較大的幾項是城鎮(zhèn)化率、人均GDP、有效灌溉率、人均水資源占有量以及地下水開發(fā)利用程度；行業(yè)技術(shù)大綱法的評價結(jié)果主要受主要污染物入河量和平原區(qū)地下水開采量影響；主成分分析法的主要貢獻指標是人均水資源占有量、單位面積水資源量、水資源開發(fā)利用率以及人均供水量。

投影尋蹤法和行業(yè)技術(shù)大綱法所得出的水資源承載能力評價結(jié)果存在差異，主要是由于評價指標的選取原則不同。投影尋蹤法根據(jù)樣本數(shù)據(jù)自身越大越優(yōu)或越小越優(yōu)的特性進行計算，得出指標權(quán)重，得到各評價單元的相對大小，避免主觀因素帶來的誤差，絕對狀態(tài)需要根據(jù)數(shù)據(jù)特性劃出相應(yīng)的等級臨界值；行業(yè)技術(shù)大綱法則根據(jù)相應(yīng)的等級界限確定各評價單元的絕對狀態(tài)。主成分分析法與其他兩種方法評價結(jié)果存在差異主要是因為：①指標選取依據(jù)側(cè)重點不同；②指標權(quán)重的確定方法不同；③數(shù)據(jù)年份不同。隨著濟寧市經(jīng)濟社會發(fā)展和水資源的持續(xù)利用，水資源承載能力也發(fā)生了一定程度的變化。從評價結(jié)果來看，投影尋蹤法和主成分分析法是從區(qū)域水資源承載能力的潛力角度出發(fā)的；而行業(yè)技術(shù)大綱法關(guān)注的是區(qū)域水資源承載狀況，適用于考核評價和管理。

4 結(jié) 論

a. 采用投影尋蹤法對濟寧市各縣市區(qū)的水資源承載力評價結(jié)果表明，城鎮(zhèn)化率、人均GDP、有效灌溉率、人均水資源占有量、地下水開發(fā)利用程度5個指標是影響濟寧市水資源承載能力的主要因素。兗州區(qū)承載能力較強，泗水縣、嘉祥縣承載能力弱，其他各縣承載能力處于兩者之間，還有一定的潛力。

b. 行業(yè)技術(shù)大綱法對濟寧市各縣市區(qū)的水資源承載力評價結(jié)果表明，影響水質(zhì)超載的原因是主要污染物入河量，影響水量超載的原因是平原區(qū)地下水開采量。兗州區(qū)、鄒城市、汶上縣、嘉祥縣超載，其他地區(qū)嚴重超載，承載能力差。

c. 投影尋蹤法、行業(yè)技術(shù)大綱法以及主成分分析法的評價結(jié)果對比表明，投影尋蹤法評價結(jié)果整體承載能力等級為Ⅲ級，比行業(yè)技術(shù)大綱法整體承載狀況嚴重超載的狀態(tài)強；主成分分析方法只存在I級、Ⅱ級兩種承載能力，各縣市區(qū)承載能力均強于另外兩種方法的評價。水資源承載能力評價結(jié)果存在差異性主要是因為指標選取和權(quán)重確定不同產(chǎn)生的；投影尋蹤法和主成分分析法側(cè)重區(qū)域水資源承載能力的潛力；行業(yè)技術(shù)大綱法更關(guān)注區(qū)域水資源承載狀況，適用于考核評價和管理，也存在年份不同產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差異。