陳炯利，唐 蓮,3，齊婭榮，王永良

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；3.“旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用”教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，銀川 750021)

人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展使用水量需求不斷增加。中國(guó)是水資源短缺的國(guó)家，水資源短缺問(wèn)題成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸因素。如何統(tǒng)籌解決水資源供需矛盾，是當(dāng)前社會(huì)普遍關(guān)注的問(wèn)題。因此研究城鎮(zhèn)居民的生活用水量需求影響因素，并提出解決方案，對(duì)于節(jié)水有重要的理論意義。

為了對(duì)用水需求影響因素進(jìn)行分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。例如，David和Schefter基于美國(guó)的數(shù)據(jù)，研究收入變化和水價(jià)對(duì)居民生活用水量需求的影響[1]。王亞麗等利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)金華市區(qū)居民用水量的影響因子進(jìn)行排序，并提出一些建議，為指導(dǎo)城市生活用水規(guī)劃提供理論依據(jù)[2]。

常用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析方法有主成分分析[3]、因子分析[4]、方差分析[5]、聚類分析[6]、典型相關(guān)分析[7]等。上述方法各有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有應(yīng)用方面的限制。主成分分析法的優(yōu)點(diǎn)在于把多個(gè)復(fù)雜的指標(biāo)簡(jiǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，同時(shí)少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)能最大程度上反映主要信息，克服了主觀隨意性，而且操作簡(jiǎn)單[8]。田韶英等運(yùn)用主成分分析法，分析了西安市城鎮(zhèn)居民生活用水量需求影響，考慮了包括降雨量、水價(jià)、人均收入等因素，取得了較好的效果[9]。

在以往的研究中，研究者往往是利用單一方法對(duì)某些年份的地區(qū)的居民生活用水量需求影響因素進(jìn)行分析，僅分析了時(shí)間上的變化，并未考慮地域上可能產(chǎn)生的影響。本文在分析寧夏全區(qū)的城鎮(zhèn)居民用水量需求影響因素之后，探討銀川、石嘴山、中衛(wèi)、吳忠、固原市2008-2016年的城鎮(zhèn)居民用水量影響因素，將5市主要影響因素不同的原因進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋治隹赡茉斐?市影響因素不同的原因，為提高用水效率、規(guī)范用水行為提供依據(jù)。

1 寧夏城鎮(zhèn)居民生活用水現(xiàn)狀分析

寧夏降水量南多北少，大都集中在夏季。干旱山區(qū)年平均降水400 mm，引黃灌區(qū)年平均157 mm。2016年全區(qū)降水總量155.927 億m3，折合降水深301 mm,較多年平均偏多4.3%，較上年偏多4.6%，屬于平水年。其中黃灌區(qū)降水總量13.277 億m3，折合降水深202 mm，較多年平均偏多12.8%，較上年偏多20.7%。

根據(jù)寧夏水資源公報(bào)，寧夏2016年全區(qū)總用水量為64.891 億m3，比2009年的72.234 億m3減少了7.339 億m3。2009年城鎮(zhèn)居民生活用水量為1.180 億m3，占總用水量的1.6%，到2016年增加至2.111 億m3，占總用水量的3.2%。由此表明總用水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但城鎮(zhèn)居民生活用水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。從圖1可以看出寧夏城鎮(zhèn)居民生活用水量2008-2016年的上升幅度。

城鎮(zhèn)居民生活用水指的是城鎮(zhèn)居民日常生活所需用的自來(lái)水，主要包括飲用、洗滌、清掃、洗碗、澆灑、以及家庭洗車等用水。城鎮(zhèn)居民生活用水表現(xiàn)出一定的特征：居民用水時(shí)間有很強(qiáng)的周期性，例如早中晚三餐以及早晨和就寢前； 對(duì)于居民生活用水量的增加有以下幾個(gè)原因：一是人口方面，城鎮(zhèn)居民人口總數(shù)的增長(zhǎng)必定會(huì)在水資源方面提出更高的需求量。二是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，居民用水的方式有了更多的變化，比如家庭用水設(shè)備的增加，導(dǎo)致了用水量的增加。經(jīng)濟(jì)發(fā)展往往伴隨著人均可支配收入的增長(zhǎng)，大量研究表明，居民用水與居民收入呈正相關(guān)，即收入越高，則用水量越大[10]。已有研究表明，影響生活用水量的因素是多樣的，涉及到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、用水習(xí)慣、地域等多個(gè)方面。故本文針對(duì)區(qū)域城鎮(zhèn)居民實(shí)際生活用水現(xiàn)狀及其對(duì)主要影響因素進(jìn)行研究和分析。

圖1 2008-2016年寧夏城鎮(zhèn)居民生活用水量變化Fig.1 Changes in domestic water consumption of urban residents in Ningxia from 2008 to 2016

2 主成分分析原理和指標(biāo)選取

2.1 主成分分析原理及步驟

在用統(tǒng)計(jì)方法研究多變量問(wèn)題時(shí),變量太多會(huì)增加計(jì)算量和分析問(wèn)題的復(fù)雜性。由于原變量之間有相關(guān)性，主成分分析能在保證信息最少丟失原則下，把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)。并且這幾個(gè)綜合指標(biāo)能最大限度反映出原來(lái)較多指標(biāo)反映的信息，進(jìn)而簡(jiǎn)化研究的復(fù)雜性，提高研究效率[8]。

主成分分析基本步驟為：①確定分析變量，收集原始數(shù)據(jù)。②對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除數(shù)量級(jí)和量綱上的影響。③根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)矩陣求出相關(guān)系數(shù)矩陣。④求出特征值和特征向量。⑤計(jì)算貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，把累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上的確定為主成分。⑥合成主成分，得到綜合評(píng)價(jià)[11]。

2.2 指標(biāo)的選擇

金巍在研究城鎮(zhèn)化進(jìn)程中人口結(jié)構(gòu)變動(dòng)對(duì)用水量的影響中，表明人口數(shù)量以及城鎮(zhèn)化水平均會(huì)對(duì)居民用水量產(chǎn)生影響[12]。孫紅在研究城市居民用水量影響因素與評(píng)價(jià)中，得出結(jié)論：居民用水量由多種因素綜合影響作用，包括生活習(xí)慣、水價(jià)、居民人均收入、節(jié)水技術(shù)等等[10]。本文結(jié)合以上研究成果以及城鎮(zhèn)生活用水實(shí)際，把影響城鎮(zhèn)居民生活用水量的主要因素分為4類：經(jīng)濟(jì)因素，自然因素，家庭用水習(xí)慣和城鎮(zhèn)化水平。共選取X1:水價(jià)(元)、X2:人口、X3:人均可支配收入(元)、X4:人均住房面積(m2)、X5:降雨量(mm)、X6:生活取水量(億/m3)、X7:淋浴熱水器數(shù)量(個(gè))、X8:洗衣機(jī)數(shù)量(臺(tái))共8個(gè)影響指標(biāo)，如表1、表2所示。

2.3 分析過(guò)程

根據(jù)主成分分析的步驟，對(duì)2009-2016年的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及計(jì)算，具體如下。

表1 寧夏全區(qū)居民生活用水量評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation index of domestic water consumption of residents in Ningxia

(1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。用SPSS軟件對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[13]，目的是消除數(shù)量級(jí)和量綱造成的誤差。標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果如表3所示。

(2)提取主成分。觀察表4，表4中第1列為8個(gè)成分, 這8個(gè)成分為原始8個(gè)指標(biāo)的線性組合；第2列為對(duì)應(yīng)的特征值，表示所解釋的方差的大小；第3列為對(duì)應(yīng)的成分所包含的方差占總方差的百分比；第4列為累計(jì)的百分比。一般來(lái)說(shuō)，選擇特征值大于1的成分(或者累計(jì)百分比大于85%)作為主成分。通過(guò)表4可知，前2個(gè)主成分的累計(jì)值已經(jīng)達(dá)到92%>85%，所以選擇前2個(gè)主成分進(jìn)行分析，用這2個(gè)主成分來(lái)代表原有的8個(gè)原始變量，達(dá)到了降維的目的。

(3)成分矩陣代表主成分和指標(biāo)的關(guān)系，系數(shù)正負(fù)表示變量對(duì)主成分的貢獻(xiàn)方向，系數(shù)的絕對(duì)值大小則代表對(duì)主成分的貢獻(xiàn)程度。若系數(shù)為正，則為正相關(guān)，而且系數(shù)越大，代表該系數(shù)對(duì)主成分正向的貢獻(xiàn)越大。若系數(shù)為負(fù)，則為負(fù)相關(guān)，說(shuō)明對(duì)主成分的貢獻(xiàn)剛好相反。從表5可以看出，第1主成分與所有指標(biāo)均成正相關(guān)，且與X7(淋浴熱水器)、X2(人口)、X3(人均可支配收入)正相關(guān)性非常強(qiáng)，表明第1主成分由家庭指標(biāo)因素所決定。第2主成分與X5(降雨量)、X8(洗衣機(jī))有較大的相關(guān)性，主要反映自然指標(biāo)對(duì)用水量需求的影響。

表2 寧夏樣本原始指標(biāo)及數(shù)據(jù)Tab.2 Ningxia sample original indicators and data

注：本研究數(shù)據(jù)均來(lái)源于2009-2016年的《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》和《寧夏水資源公報(bào)》。

表3 標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)Tab.3 Standardized data

表4 特征值和方差貢獻(xiàn)率Tab.4 Eigenvalue and variance contribution rate

第1主因子包含77.01%的變化率，是影響城鎮(zhèn)居民生活用水量需求的最主要影響因素。從表5成分矩陣可知，排名前3影響居民生活用水量的影響因素為淋浴熱水器、人口、人均可支配收入。寧夏全區(qū)每百戶擁有的淋浴熱水器從2009年的71臺(tái)，增長(zhǎng)到2016年的91臺(tái)，漲幅較大，增長(zhǎng)率達(dá)到28%。2016年寧夏人口為674萬(wàn)人，比2009年的625 萬(wàn)人增加了7.8%。2016年寧夏人均可支配收入為21 753 元，比2009年的14 015 元增長(zhǎng)了93%。伴隨著生活設(shè)施的完善以及人口數(shù)量增加，以及收入的增加，可以購(gòu)買更多的家庭用水設(shè)施，使得居民生活用水量迅速增加。

表5 成分矩陣Tab.5 Component matrix

以上分析發(fā)現(xiàn)：影響寧夏城鎮(zhèn)居民用水水平的主要因素為：淋浴熱水器、人口、人均可支配收入，而且家庭指標(biāo)>城鎮(zhèn)化水平>經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3 寧夏5市城鎮(zhèn)居民生活用水量需求影響分析

3.1 5市概況

以上的分析是以寧夏的整體平均水平進(jìn)行分析的，而寧夏5市的發(fā)展極不平衡，存在明顯的區(qū)域差異。2016年的5市GDP排名為：銀川>石嘴山>吳忠>中衛(wèi)>固原。銀川作為寧夏自治區(qū)的首府，是一個(gè)以發(fā)展輕紡工業(yè)為主，機(jī)械、化工、建材工業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合性工業(yè)城市。無(wú)論是城市化率還是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，都領(lǐng)先于其他4個(gè)城市，較為發(fā)達(dá)。石嘴山作為老牌工業(yè)城市，煤炭產(chǎn)業(yè)是石嘴山的支柱產(chǎn)業(yè)，在2016年的5市城市化率和人均GDP中，僅次于銀川，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較快，但人口數(shù)量和其他城市相比較少。吳忠和中衛(wèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平處于寧夏中端。固原位于寧夏最南端，是西北特色農(nóng)場(chǎng)品集散中心，屬于5個(gè)城市中經(jīng)濟(jì)發(fā)展較差的城市。

為了更加全面地了解寧夏5市城鎮(zhèn)居民的生活用水量相關(guān)情況，在上文分析的基礎(chǔ)上，再對(duì)寧夏5個(gè)城市的城鎮(zhèn)居民生活用水量進(jìn)行對(duì)比分析。同樣選取8個(gè)指標(biāo)，利用主成分分析法完成分析過(guò)程。表6～表10為5市的原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表6 石嘴山市樣本原始指標(biāo)及數(shù)據(jù)Tab.6 Shizuishan City sample original indicators and data

表7 銀川市樣本原始指標(biāo)及數(shù)據(jù)Tab.7 Yinchuan sample original indicators and data

表8 吳忠市樣本原始指標(biāo)及數(shù)據(jù)Tab.8 Wuzhong City sample original indicators and data

表9 中衛(wèi)樣本原始指標(biāo)及數(shù)據(jù)Tab.9 Zhongwei sample original indicators and data

表10 固原市樣本原始指標(biāo)及數(shù)據(jù)Tab.10 Guyuan sample original indicators and data

3.2 5市城鎮(zhèn)居民生活用水量影響因素主成分分析

(1)5市主成分計(jì)算的特征值及方差貢獻(xiàn)率。由表11可知，寧夏5市的前2個(gè)成分累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)大于85%，所以選擇前2項(xiàng)作為主成分來(lái)分析。

(2)5市主成分矩陣。由表12可知，吳忠市城鎮(zhèn)居民生活用水量主要影響因素為水價(jià)、人均可支配收入、人均住房面積。固原市城鎮(zhèn)居民生活用水量主要影響因素為水價(jià)、人均可支配收入、人均住房面積。石嘴山市城鎮(zhèn)居民生活用水量主要影響因素為人均可支配收入、生活取水量和淋浴熱水器。中衛(wèi)市城鎮(zhèn)居民生活用水量主要影響因素為人均可支配收入、人均住房面積、洗衣機(jī)。銀川市城鎮(zhèn)居民生活用水量的需求的最重要影響因素為人均可支配收入、城鎮(zhèn)人口數(shù)量、洗衣機(jī)臺(tái)數(shù)和沐浴器個(gè)數(shù)。

表11 寧夏5市特征值和方差貢獻(xiàn)率Tab.11 Characteristic value and variance contribution rate of five cities in Ningxia

4 5市及寧夏的生活用水量影響因素比較

從表13可以看出，無(wú)論是寧夏還是5市，人均可支配收入均為主要影響因素之一。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民收入不斷增加，人們有能力購(gòu)買更多的家庭耗水器具及設(shè)備，例如淋浴熱水器、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等。這些耗水設(shè)備的增加，使得用水量也會(huì)大量增加。2016年，寧夏的人口接近675萬(wàn)人，而銀川市作為寧夏的首府，是寧夏全區(qū)的最主要的居住地，2016年銀川市常住人口達(dá)到165萬(wàn)人，占全區(qū)的24%，遠(yuǎn)超其他4個(gè)城市。人口的增多必然會(huì)導(dǎo)致城市用水量的上升，所以人口是銀川市居民生活用水量的主要影響因素之一。人口同時(shí)也是中衛(wèi)和固原的次要影響因素，這是因?yàn)橹行l(wèi)和固原市人口數(shù)量較少而且城市規(guī)模較小，所以人口并沒(méi)有在很大程度上影響居民生活用水量。

表12 寧夏5市成分矩陣Tab.12 Ningxia five city component matrix

表13 影響居民生活用水量的因素Tab.13 Factors affecting residents' domestic water consumption

水價(jià)的制定方法、計(jì)收制度、水價(jià)結(jié)構(gòu)以及價(jià)格水平都會(huì)對(duì)用水量產(chǎn)生影響。有研究表明：水費(fèi)占家庭收入比例的不同，會(huì)造成居民用水習(xí)慣的不同：水費(fèi)占家庭收入的1%時(shí)，對(duì)心理影響不大。而當(dāng)水費(fèi)占家庭收入的10%時(shí)，對(duì)居民用水習(xí)慣造成很大的影響，而且會(huì)考慮水的重復(fù)利用。也就是說(shuō)中高層收入階層的居民用水行為受水價(jià)的影響較小。水價(jià)作為吳忠和固原市的居民生活用水量主要影響因素之一，較為可能的原因是，這2個(gè)城市作為寧夏經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后的地區(qū)，人均收入總體來(lái)說(shuō)并不高，由此受到了水價(jià)的影響。在其余情況相同的條件下，不同居住水平的居住區(qū)在用水量方面會(huì)有較大差異，人均居住面積越大的同時(shí)，給排水衛(wèi)生設(shè)備越完善，居民生活的生活用水量就越大。

5 結(jié) 論

首先考慮寧夏全區(qū)2009-2016年間城鎮(zhèn)居民生活用水量影響因素，然后對(duì)寧夏5市2008-2016年的居民生活用水量影響因素進(jìn)行分析，具體得到以下2個(gè)結(jié)論：

(1)通過(guò)主成分分析，將8個(gè)指標(biāo)降維成2個(gè)主成分，建立寧夏城鎮(zhèn)居民生活用水量模型。最終結(jié)果為：淋浴熱水器、人口、人均可支配收入等對(duì)寧夏全區(qū)城鎮(zhèn)居民生活用水量影響比較顯著，即家庭指標(biāo)>城鎮(zhèn)化水平>經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

(2)寧夏5市的城鎮(zhèn)居民生活用水量需求影響因素結(jié)果表明：寧夏各個(gè)城市之間人均可支配收入均為主要影響因素之一。說(shuō)明收入與用水量之間有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。但居民生活用水量影響因素差異較大，銀川市是寧夏的政治中心，城市規(guī)模較大，人口數(shù)量遠(yuǎn)超其他城市，所以家庭指標(biāo)和城鎮(zhèn)化水平影響較大。中衛(wèi)作為寧夏最年輕的城市，城市發(fā)展迅速，主要受到了城鎮(zhèn)化水平和家庭指標(biāo)的影響。固原市位于自然環(huán)境較為惡劣的南部黃土高原區(qū)，城市規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)較為落后；吳忠市位于引黃灌區(qū)的特殊地段，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)水平同樣較低，水價(jià)是主要的影響因素。石嘴山近些年來(lái)加大了對(duì)資源的開發(fā)利用，且經(jīng)濟(jì)水平較高，是寧夏人均GDP排名第2的城市，生活用水量主要受家庭指標(biāo)和城鎮(zhèn)化水平的影響。