吳 鑒,李志琴,靳曉莉,王君勤,麻澤龍
(1.四川省都江堰管理局,四川 都江堰,611830;2.四川省水利科學(xué)研究院,成都,610072)
水資源承載力是指某一地區(qū)的水資源在某一具體歷史發(fā)展階段下,以可以預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù),以可持續(xù)發(fā)展為原則,以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為條件,經(jīng)過優(yōu)化配置,對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力[1]。水資源承載力是反映區(qū)域水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境之間是否協(xié)調(diào)的重要指標(biāo),也是區(qū)域水資源系統(tǒng)的支撐能力與承載壓力的重要體現(xiàn)。隨著全球氣候變化和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水資源已成為制約地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”因素,水資源承載力研究也已成為可持續(xù)發(fā)展研究和水資源安全戰(zhàn)略研究的基礎(chǔ)課題[2]。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域水資源承載力開展了大量的專門研究。國內(nèi)的研究成果主要集中在水資源承載力概念、內(nèi)涵的探討、水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的探索以及水資源承載力評(píng)價(jià)模型和方法的研究等方面[3]。研究的方法主要有常規(guī)趨勢(shì)法、綜合評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法及多目標(biāo)分析法等,其中又以綜合評(píng)價(jià)法較為常見。本研究在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,采用主成分分析法,對(duì)資陽市水資源承載力時(shí)空變化進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),旨在為資陽市水資源合理配置與可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。
資陽市位于四川腹部川中南地區(qū),南與內(nèi)江相鄰,北與成都、德陽接壤,東與重慶、遂寧毗鄰,西與眉山相連,地理坐標(biāo)介于東經(jīng)104°26′~105°45′,北緯29°45′~30°39′之間。全市轄雁江區(qū)、安岳縣及樂至縣三個(gè)區(qū)縣,幅員面積5747.5km2。境內(nèi)地形、地貌多樣,以丘陵為主。地勢(shì)西北高,東南低,北部龍泉山脈最高點(diǎn)596.3m,東南龍臺(tái)河出境處僅248m。資陽市屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降水量953.4mm,變化在850mm~1050mm之間。雨量相對(duì)充沛但時(shí)空分布不均,受夏旱和伏旱的雙重影響,干旱頻繁。資陽市屬于四川盆地腹部徑流低值區(qū),多年平均徑流深302.4mm,變化在200mm~400mm之間。沱江僅在雁江區(qū)過境,而樂至縣、安岳縣位于沱江與涪江的分水嶺地帶,河流只出不進(jìn),幾乎無過境水可利用,因此水資源開發(fā)利用僅能依靠貧乏的本地水資源。據(jù)測(cè)算,全市人均占有水資源量?jī)H691m3,為全省平均的19.8%,屬全省水資源嚴(yán)重短缺地區(qū)。
主成分分析法是一種降維方法,在現(xiàn)實(shí)的一些研究中,為了用較少的變量去解釋原始資料中的大部分變異,將資料中許多相關(guān)性很高的變量轉(zhuǎn)化成彼此相互獨(dú)立或不相關(guān)的變量,通常選出比原始變量個(gè)數(shù)少、能解釋大部分資料中變異的幾個(gè)新變量,即所謂的主成分,并用以解釋資料的綜合性指標(biāo)[5]。
主成分分析法的分析和計(jì)算步驟如下:①將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,減少各指標(biāo)數(shù)據(jù)受不同量綱的影響;②計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本相關(guān)矩陣;③計(jì)算各成分方差貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率,確定主成分個(gè)數(shù)(本研究按累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%計(jì)算);④計(jì)算各主成分的特征值和特征向量,計(jì)算各主成分得分;⑤根據(jù)特征向量及各主成分權(quán)重,計(jì)算綜合指標(biāo)得分[6]。一般而言,綜合指標(biāo)得分越高,說明水資源承載力越大,也即對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力越強(qiáng),能夠支撐的合理規(guī)模也越大,反之,則越小。
本次研究主要利用SPSS軟件對(duì)2005-2017年資陽市水資源承載力和2017年資陽市各區(qū)(縣)水資源承載力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。
城市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)中的一個(gè)關(guān)鍵問題是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選取。影響水資源承載力的因素很多,涉及水資源、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和人類開發(fā)利用等方方面面,為了能夠全面地反映出研究區(qū)水資源承載力情況,所選指標(biāo)需要能夠涵蓋水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)系統(tǒng)。針對(duì)資陽市水資源狀況,參照了國內(nèi)不同地區(qū)對(duì)水資源承載力分析中的指標(biāo)選取,并綜合考慮數(shù)據(jù)的可獲得性、可靠性以及充分性,本文選取了18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),具體包括:年降水量X1(mm)、水資源總量X2(萬m3)、地表水供水量X3(萬m3)、地下水供水量X4(萬m3)、其他水源供水量X5(萬m3)、農(nóng)業(yè)用水量X6(萬m3)、工業(yè)用水量X7(萬m3)、生活用水量X8(萬m3)、生態(tài)環(huán)境用水量X9(萬m3)、廢污水排放量X10(萬m3)、城鎮(zhèn)人均生活用水量X11(L/日·人)、農(nóng)村人均生活用水量X12(L/日·人)、萬元GDP用水量X13(m3/萬元)、萬元工業(yè)增加值用水量X14(m3/萬元)、耕地灌溉畝均用水量X15(m3/畝)、常住人口X16(萬人)、城鎮(zhèn)化率X17(%)、地區(qū)生產(chǎn)總之X18(億元)。
本文采用了資陽市2005-2017年年水資源量、行業(yè)用水量、常住人口、城鎮(zhèn)化率等相關(guān)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)主要來源于《資陽市統(tǒng)計(jì)年鑒》以及《資陽市水資源公報(bào)》(注:2016年,經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn),原資陽市所轄的簡(jiǎn)陽市改由成都市代管,為了統(tǒng)一口徑,本文采用的所有數(shù)據(jù)都已扣除簡(jiǎn)陽市,與公報(bào)數(shù)據(jù)有所不同)。
采用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析計(jì)算,提取出4個(gè)主成分,其對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率見表1。前4個(gè)主成分的特征值均大于1,且累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.82%,大于85%。根據(jù)主成分分析方法的原理,可以認(rèn)為前4個(gè)主成分能夠反映原來所選取的18項(xiàng)指標(biāo)的絕大部分信息(85%以上),可將原有的18個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成這4個(gè)主成分對(duì)資陽市水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
表1 提取的主成分及貢獻(xiàn)率
由主成分分析得到的因子載荷矩陣如表2所示。因子載荷量的統(tǒng)計(jì)意義為變量在因子上的負(fù)荷,反映了變量在因子上的相對(duì)重要性。由表2可看出,因子F1與常住人口(X16)、城鎮(zhèn)化率(X17)和GDP(X18)之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,與萬元工業(yè)增加值用水量(X14)和城鎮(zhèn)人均生活用水量(X11)存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這些指標(biāo)主要反映了資陽市人口變化、經(jīng)濟(jì)增長及城市化發(fā)展水平等因素;因子F2與地表水供水量(X3)和生活用水量(X8)存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,與萬元GDP用水量(X13)和常住人口(X16)存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這些指標(biāo)反映了地區(qū)用水效率、水資源開發(fā)利用程度;因子F3與年降水量(X1)和水資源總量(X2)呈現(xiàn)較高的正相關(guān)關(guān)系,與城鎮(zhèn)人均生活用水量(X11)和耕地灌溉畝均用水量(X15)呈現(xiàn)相對(duì)強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系;因子F4與年降水量(X1)和水資源總量(X2)呈現(xiàn)較高的正相關(guān)關(guān)系,與廢污水排放量(X10)呈現(xiàn)了相對(duì)高的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這些指標(biāo)主要代表了資陽市水資源豐枯程度。因此,資陽市水資源承載力主要影響因子可歸納為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源量豐枯條件、水資源開發(fā)利用程度高低3大類。
表2 因子載荷矩陣
根據(jù)因子載荷矩陣和特征值,得到特征向量,也即主成分載荷矩陣。按照主成分分析法的計(jì)算方法與步驟,以上述計(jì)算分析所得的4個(gè)主成分貢獻(xiàn)率為權(quán)重,進(jìn)行歸一化處理,得到綜合評(píng)價(jià)函數(shù)如下:
F=(F1×50.985+F2×18.128+F3×13.429
+F4×6.277)/88.818
(1)
由綜合評(píng)價(jià)函數(shù)得到的綜合得分F有正有負(fù),正負(fù)不能代表水資源承載力的真實(shí)水平,而是表示水資源承載力所處的相對(duì)位置,負(fù)值表示該年份在被評(píng)價(jià)時(shí)間段內(nèi)所處的相對(duì)地位是在平均水平以下的,正值則說明被評(píng)價(jià)的年份水資源承載力處于平均水平以上。綜合得分值越大,說明水資源承載力越大,反之越小[7]。由圖1各年的綜合得分變化情況可以看出,2005-2017年資陽市全市水資源承載力總體呈上升趨勢(shì),其中,在2015年,綜合評(píng)價(jià)得分發(fā)生了突變,大幅提高,可能與行政區(qū)劃調(diào)整,數(shù)據(jù)的扣減折算原因有關(guān)。由此可知,隨著資陽市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用,水資源利用效率不斷提升,人們對(duì)于節(jié)水重要性的認(rèn)識(shí)不斷提高,水資源承載能力總體上也在不斷上升。
圖1 2005-2017年資陽市水資源承載力主成分分析綜合評(píng)價(jià)結(jié)果
本研究選取了2017年資陽市各區(qū)縣的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及水資源狀況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了資陽市水資源承載力空間分布的差異研究。
通過主成分分析,提取了兩個(gè)主成分,方差累積貢獻(xiàn)率超過95%,其中:主成分一與GDP(X18)、耕地灌溉畝均用水量(X15)、地表水供水量(X3)存在高度正相關(guān)關(guān)系,與農(nóng)村人均生活用水量(X12)、地下水供水量(X4)存在高度負(fù)相關(guān)關(guān)系;主成分二與年降水量(X1)、水資源總量(X2)和萬元GDP用水量(X13)呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān),與其他水源供水量(X5)、城鎮(zhèn)人均生活用水量(X11)存在相對(duì)高的負(fù)相關(guān)關(guān)系。
按照主成分分析法的計(jì)算方法與步驟,得到各主成分得分及綜合評(píng)價(jià)得分如表3所示。
表3 各區(qū)縣主成分得分及綜合評(píng)價(jià)得分
由表3可以看出,2017年,雁江區(qū)水資源承載力處于平均水平以上,而安岳縣和樂至縣處于平均水平以下,各區(qū)縣水資源承載力水平由高到低依次為:雁江區(qū)>安岳縣>樂至縣。根據(jù)《資陽市水資源綜合規(guī)劃》,2020年,在中等干旱年(P=75%)時(shí),雁江區(qū)基本不缺水,安岳縣缺水率0.7%,樂至縣缺水率3.7%,與本研究結(jié)論基本一致。因此,本研究采用的主成分分析法合適,研究結(jié)論可靠。
本研究應(yīng)用主成分分析法,選取年降水量、水資源總量、地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值、工業(yè)增加值、城鎮(zhèn)化率等18個(gè)指標(biāo),對(duì)資陽市水資源承載力的時(shí)間和空間變化特征進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:
(1)影響資陽市水資源承載力的驅(qū)動(dòng)因子可歸納為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源量豐枯條件、水資源開發(fā)利用程度高低3類,其中,又以經(jīng)濟(jì)總量增長及城市化發(fā)展水平對(duì)資陽市水資源承載力時(shí)間變化和空間變化的影響最為顯著。
(2)在時(shí)間變化上,2005-2017年資陽市水資源承載力總體呈上升趨勢(shì)??梢?,近13年來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步、水資源利用效率的提升等,資陽市水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力越來越強(qiáng)。
(3)通過比較2017年資陽市各區(qū)縣的水資源承載力,發(fā)現(xiàn)資陽市水資源承載力在空間上差異不明顯,雁江區(qū)>安岳縣>樂至縣,與已有的研究成果基本一致。