王鴻翔，陳秋米,2，張海濤,2，郭文獻，陳鼎新，王 群

(1.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450046；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3. 水利部海河水利委員會，天津 300170)

0 引 言

水，是人類進行生產(chǎn)活動不可替代的自然資源，是維持人類生存繁衍不可缺少的寶貴資源，同時也是文明之魂，具有多種功能和屬性。

承載力是力學(xué)中的一個物理概念，指物體在不產(chǎn)生任何破壞時所能承受的最大負荷。水資源承載力是在水問題的日益突出的背景下，由我國學(xué)者在20世紀80年代末提出的。水資源承載力是承載力概念在水資源領(lǐng)域的具體應(yīng)用，是一個國家或地區(qū)持續(xù)發(fā)展過程中各種自然資源承載力的重要組成部分，具有自然與社會的雙重屬性，對一個國家或地區(qū)綜合發(fā)展和發(fā)展規(guī)劃有至關(guān)重要的影響。國外對水資源承載力的研究起源較早，但其研究不夠深入，常常僅在可持續(xù)發(fā)展問題中得到泛泛的討論。國內(nèi)水資源承載力研究雖然起步較晚，但發(fā)展速度較為快速，比較有代表性的研究包括：施雅風(fēng)，曲耀光運用常規(guī)趨勢法對烏魯木齊河流域進行水資源承載力研究[1]；朱一中,夏軍,談戈[2]西北地區(qū)水資源承載力分析預(yù)測與評價；張保成,孫林巖[3]國內(nèi)外水資源承載力的研究綜述；惠泱河,蔣曉輝,黃強,薛小杰[4]水資源承載力評價指標體系研究；李湘姣,王先甲[5]珠江三角洲水資源可持續(xù)利用綜合評價分析；王建華，姜大川[6]利用動態(tài)試算反饋的評價方法對沂河流域(臨沂段)進行水資源承載力評價；李湘姣，王先甲[7]運用主成成分分析法對珠江三角洲展開了水資源可持續(xù)利用綜合評價分析；黨麗娟,徐勇[8]水資源承載力研究進展及啟示。由此可見，國內(nèi)對水資源承載力的研究方法更具多樣性。

目前對水資源承載力的研究可歸納為：①通過水資源供需平衡評價區(qū)域水資源承載力狀況；②選取影響指標，利用評價方法對區(qū)域水資源承載力進行評價。水資源承載力的綜合評價方法有很多，如：常規(guī)趨勢評價法、密切值評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[9]、向量模法及主成分分析法[10,11]等。

1 數(shù)據(jù)來源主成分分析法

主成分分析法能將多個不相關(guān)的指標匯集為少數(shù)幾個獨立的綜合性指標，這種方法的優(yōu)點是能將繁雜的問題變得簡單，使問題分析起來更加簡單方便，得出的結(jié)果科學(xué)性更強。本文根據(jù)2005-2015年的寧夏統(tǒng)計資料，選取13項主要影響水資源承載力的因素，建立綜合評價體系，并對寧夏水資源承載水平進行綜合評價。本文所選指標均出自《寧夏統(tǒng)計年鑒》和《寧夏水資源公報》。

主成分分析法的一般計算步驟如下：

(2)對樣本的相關(guān)系數(shù)矩陣R進行計算。R=[rij]p×p，其中：

(3)對特征向量及特征值進行計算。根據(jù)|R-λIp|=0，得到R的前m個較大的特征值λ1≥λ2≥…λm>0,滿足并求出其對應(yīng)的特征向量U1≥U2≥…≥Um。

(5)對主成分得分進行計算。主成分的得分是相應(yīng)的因子得分乘以相應(yīng)的方差的算術(shù)平方根。Fn=α1nX1+α2nX2+…+αpnXp，i=1，2，…，m。

2 寧夏水資源承載力綜合研究

2.1 研究區(qū)概況

寧夏處在中國西部的黃河上游，南北相距約456 km，東西相距約250 km，總面積為6.64 萬多km2。2016年末全區(qū)常住人口674.90萬人，其中，城鎮(zhèn)人口379.87萬人。寧夏降水稀少，多年平均降雨量僅為289 mm，不足全國平均值的一半。全區(qū)多年平均年徑流量為9.493 億m3，僅為全國均值的1/15。寧夏全區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源總量11.633 億m3，多年平均當(dāng)?shù)氐乇硭Y源可利用量為4.5 億m3，當(dāng)?shù)氐叵滤昧?.5 億m3，經(jīng)濟社會的發(fā)展主要依賴于國家分配的過境黃河水。

寧夏全區(qū)用水結(jié)構(gòu)非常不合理，水資源利用效率不高。2015年，全年全區(qū)用水總量為70.4 億m3。農(nóng)業(yè)用水61.9 m3，占總用水量的87.93%，而全國均值為68%。工業(yè)用水為4.4 億m3，僅占總用水量的6.25%，遠低于全國平均水準。寧夏作為一個農(nóng)業(yè)大省，水資源嚴重短缺，農(nóng)業(yè)用水占比較大，水資源供需矛盾突出。

2.2 指標的選取

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，寧夏地區(qū)存在水資源供需矛盾突出、供用水結(jié)構(gòu)不盡合理及水環(huán)境逐日惡化等問題，水資源壓力越來越大。為了更準確、客觀的反映評價結(jié)果，本文從水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等不同角度來綜合評價寧夏地區(qū)的水資源承載能力狀況，詳細指標類型、表示方法及作用見表1。具體指標包括：X1：水資源總量，億m3；X2：降水量，mm；X3：總用水量，億m3；X4：城鎮(zhèn)生活用水量，億m3；X5：人口自然增長率，%；X6：常住總?cè)丝?，萬人；X7：工業(yè)用水量，億m3；X8：農(nóng)業(yè)用水量，億m3；X9：人均GDP，萬元/人；X10：生態(tài)用水量，億m3；X11：工業(yè)總產(chǎn)值，萬元；X12：生態(tài)環(huán)境用水率，%；X13：工業(yè)廢水排放總量，萬t。

表1 水資源承載力指標類型劃分、表示方法及作用

2.3 水資源承載力的主成分計算

運用SPSS19.0軟件(Statistical Product and Service Solutions，即為“統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”軟件)將所選的13項評價指標數(shù)據(jù)(見表2)作標準差標準化處理后，得到相關(guān)系數(shù)矩陣，見表3。從表3中可以看出，各因子之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，X6與X9、X10的相關(guān)系數(shù)分別為0.99、0.91，這說明采用主成分分析方法，有助于客觀分析寧夏水資源承載狀況。

表2 原始數(shù)據(jù)

表3 寧夏水資源承載力變化驅(qū)動因素相關(guān)系數(shù)矩陣

由表4可知，抽取主成分后所有變量的公因子方差全在0.6以上，其中有5個變量的公因子方差超過了0.9。這進一步說明，采用主成分分析法得到的結(jié)果可靠性較高，使用該方法評價寧夏水資源承載狀況可以得到更加客觀的結(jié)果。

經(jīng)SPSS19.0的計算得到各主成分的特征值和累計貢獻率。從表5可以觀察到前兩個因子的累計貢獻率達到了87.132%，已超過85%的要求，所以我們選前兩個因子作為主成分來分析寧夏水資源承載力狀況。

主成分荷載矩陣能反映各主成分與變量之間相互關(guān)系，相關(guān)系數(shù)值越大，說明該變量對主成分的影響越大。從表6可以看出，第一主成分主要與X4、X6、X7、X9、X10、X11、X12呈正相關(guān)關(guān)系，因此我們定義第一主成分主要表示水資源開發(fā)利用和管理水平、社會經(jīng)濟發(fā)展程度；第二主成分主要受X1影響，我們定義第二主成分主要表示水資源量對水資源承載力的影響。

表4 公因子方差

表5 特征值及主成分貢獻率

表6 主成分荷載

利用SPSS19.0軟件計算得到各主成分，將2個主成分得分按方差貢獻率加權(quán)得分計算得到綜合得分F。計算得到的綜合F越大，說明水資源承載空間就越大，反之越小。

F=(76.147F1+10.985F2)/87.132

(1)

寧夏水資源承載力綜合評價得分情況見表7。

表7 水資源承載力綜合評價得分表

通過圖1我們可以更直觀地觀察出：第一主成分與綜合得分趨勢基本一致，這就說明了寧夏地區(qū)水資源承載能力水平主要受水資源開發(fā)利用和管理水平、社會經(jīng)濟發(fā)展程度的影響比較大。而第二主成分趨勢較綜合得分趨勢波動較大，因此其對綜合得分影響不大。

趙自陽,李王成等人[10]從寧夏的水資源支持力、社會經(jīng)濟技術(shù)水平和社會生活水平3方面對該地區(qū)水資源承載力展開綜合評價。其研究結(jié)果表明：在2004-2014年間，寧夏水資源承載力僅在2005-2006年有波動，其余11年間保持穩(wěn)定上升。從本文評價結(jié)果可以看出：2005-2015年間寧夏地區(qū)水資源承載力水平整體呈上升態(tài)勢，在2007-2008年、2014-2015年出現(xiàn)下降。本文結(jié)果與趙自陽等人的研究結(jié)果基本一致，部分年份結(jié)果稍有偏差。2008年，寧夏地區(qū)水資源承載力較2007年下降，是因為該年農(nóng)業(yè)用水量較大，而水資源總量減少，造成該年水資源承載水平下降。2015年較2014年人口增加6萬余人，而水資源量減少0.9 億m3，所以水資源承載力略有下降。水資源開發(fā)利用和管理水平、社會經(jīng)濟發(fā)展程度是影響寧夏水資源承載力水平的主要因素。

本研究綜合考慮資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)4個子系統(tǒng)，最終形成寧夏水資源承載力綜合評價的基本思路，與趙自陽等人所做的從水資源支持力、社會經(jīng)濟技術(shù)水平和社會生活3方面展開評價的思路稍有區(qū)別。這也是本研究的不同之處，較前文所選指標更全面，結(jié)果更符合研究區(qū)域的實際情況。本項研究進一步完善寧夏地區(qū)水資源承載力研究的研究思路，豐富了寧夏地區(qū)水資源承載力的研究內(nèi)容。本文研究還表明，水資源開發(fā)利用和管理水平、社會經(jīng)濟發(fā)展程度是影響寧夏水資源承載力水平的主要因素。

圖1 主成分得分趨勢圖

3 結(jié) 語

主成分分析法作為研究地區(qū)水資源承載力狀況的有效方法，能比較科學(xué)、全面地反映出研究區(qū)域的水資源承載狀況。本文對寧夏水資源承載力進行主成分研究后，得到如下幾個結(jié)論。

(1)利用主成分分析方法結(jié)合SPSS19.0軟件，將13個基礎(chǔ)指標凝煉成2個主成分，確定了寧夏地區(qū)水資源承載能力水平主要受水資源開發(fā)利用和管理水平、社會經(jīng)濟發(fā)展程度的影響。

(2)2005-2015年間，寧夏水資源承載水平總體呈上升態(tài)勢，其在2014年達到最高。這就說明寧夏推行的節(jié)水管控措施起到了非常顯著的作用，進一步提升了該地區(qū)的水資源承載水平。

(3)寧夏現(xiàn)狀用水水平較低，農(nóng)業(yè)用水占比較高，供用水結(jié)構(gòu)不盡合理，水資源供需矛盾突出，這是制約其水資源承載力的主要問題。

隨著“節(jié)水型城市”的發(fā)展，水資源調(diào)配工程的快速建設(shè)，未來寧夏地區(qū)水資源承載能力水平還存在一定的上升空間。

□