辛朋磊 季曉云 單婷婷 陳瑋瑤

摘要：為科學(xué)評價(jià)江蘇省水資源承載力，推動水資源與社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，從水資源、人口、經(jīng)濟(jì)、效率和環(huán)境5個(gè)方面構(gòu)建了包含21個(gè)指標(biāo)的水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系，利用主成分分析法確定影響江蘇省水資源承載力的主要驅(qū)動因子并闡述其影響機(jī)理。結(jié)果表明：影響江蘇省水資源承載力的主要驅(qū)動因子是水資源供應(yīng)因子、人口因子、經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子和用水效率因子；2003～2020年，江蘇省水資源承載力整體呈下降趨勢，表明區(qū)域用水效率的提升未減輕社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源的承載壓力。建議江蘇省在未來發(fā)展中應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化節(jié)約用水，提升各行業(yè)用水效率。

關(guān)鍵詞：水資源承載力評價(jià)； 主成分分析法； 生態(tài)環(huán)境； 江蘇省

中圖法分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.004

文章編號：1006-0081（2023）07-0027-06

0 引 言

水資源承載力評價(jià)是水資源評價(jià)的重要內(nèi)容之一，是可持續(xù)發(fā)展和水資源安全戰(zhàn)略研究的基礎(chǔ)課題，也是當(dāng)前水資源科學(xué)中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)研究問題。其目的是揭示水資源與區(qū)域經(jīng)濟(jì)和人口之間的關(guān)系，合理有據(jù)保護(hù)水資源，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)與水資源可持續(xù)和諧發(fā)展。自20世紀(jì)80年代以來，中國已有很多學(xué)者開展過水資源承載力的研究，但目前仍處于探索階段，還未形成統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)和研究方法［1］。水資源承載力的概念、評價(jià)指標(biāo)的選取以及評價(jià)方法的選擇是當(dāng)前研究的3個(gè)主要方面。在水資源承載力的概念方面，目前主要分兩種觀點(diǎn)：一部分學(xué)者認(rèn)為水資源承載力是一個(gè)相對固定的值，主要與自然條件有關(guān)［2-3］；另一部分學(xué)者認(rèn)為水資源承載力是一個(gè)不斷變化的值，不僅與自然條件有關(guān)，而且與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步等有關(guān)［4-6］，比如通過節(jié)水技術(shù)，可以降低用水量，從而提高水資源承載力。在水資源承載力評價(jià)方法方面，主要有趨勢分析法［7］、模糊綜合評價(jià)法［8-9］和主成分分析法［10］等。其中，主成分分析法可以在損失較少信息的前提下把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)，因此廣受學(xué)者們青睞。在指標(biāo)篩選方面，受初選指標(biāo)及指標(biāo)數(shù)值可靠性等影響，學(xué)者們的研究成果有所不同。例如，于釙等［11］提出影響新疆水資源承載力的因子除環(huán)境、社會和水資源狀況外，還有經(jīng)濟(jì)貿(mào)易；王秦等［12］提出影響雄安新區(qū)水資源環(huán)境承載力的主要因子是人均水資源量、單位有效灌溉面積、水資源開發(fā)利用率和用水效率；顧文權(quán)等［13］提出影響南方小流域水資源承載力的主要因子是人均水資源量、人口密度、人均供水量、農(nóng)業(yè)灌溉平均用水量等；許朗等［14］提出影響江蘇水資源承載力的因子主要為經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子、人口因子和水資源狀況因子；程芳芳［15］提出地區(qū)生產(chǎn)總值、總?cè)丝?、城市人口比重、工業(yè)用水量、萬元GDP用水量、農(nóng)業(yè)用水量、人均用水量、生活用水量、有效灌溉面積、廢污水排水量等指標(biāo)是太原市水資源承載力的主要影響指標(biāo)；Lu等［16］提出水資源承載力與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口、水資源量、農(nóng)業(yè)用水以及工業(yè)用水聯(lián)系密切；Zhang等［17］提出月塘區(qū)水資源水環(huán)境承載力主要受城鎮(zhèn)污水處理率、萬元GDP用水量和人均水資源量的影響。

本文以江蘇省為例，在確保指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取可靠的前提下盡可能將之前學(xué)者涉及到的指標(biāo)納入初選指標(biāo)，通過主成分分析法開展水資源承載力評價(jià)，以期得到影響本地區(qū)水資源承載力的關(guān)鍵因素。同時(shí)對主成分分析法中標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值正負(fù)、同類型指標(biāo)數(shù)目對評價(jià)結(jié)果的影響等問題進(jìn)行了探討。

1 研究區(qū)概況

江蘇省地跨江淮，河湖縱橫，是南水北調(diào)東線工程的源頭，承擔(dān)著中國生態(tài)保護(hù)的重大責(zé)任。省內(nèi)水系分屬長江、淮河兩大流域，以通揚(yáng)運(yùn)河及儀六丘陵區(qū)為界，南部屬長江流域，北部屬淮河流域。全省氣候具有明顯的季風(fēng)特征，冬季干冷，夏季濕熱，四季分明。2020年江蘇省水資源總量543.4億m3，人均水資源量673.3 m3，僅為全國人均水資源量的1/3；全省用水總量572.0億m3，位居各省級行政區(qū)首位；人均綜合用水量675 m3，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量55.7 m3/萬元，用水效率低于全國平均水平（2020年《中國水資源公報(bào)》）。同時(shí)，由于江蘇省工業(yè)廢水和生活污水排放量較高，水中污染物含量不斷增加，加劇了水資源問題的不確定性［18］。為了更好地利用和管理江蘇省的水資源，有必要研究其水資源承載力。

2 研究步驟

研究步驟如下：① 獲取原始數(shù)據(jù)并將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，排除量綱影響；② 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)因子相關(guān)矩陣；③ 計(jì)算特征值和累積貢獻(xiàn)率，并確定主成分；④ 計(jì)算主成分的方差貢獻(xiàn)率；⑤ 以主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，綜合評價(jià)對水資源承載力的影響［19］。

3 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)資料從《城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2003～2020）、《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2003～2020）和《江蘇省水資源公報(bào)》（2003～2020）中獲取，原始數(shù)據(jù)資料具有可靠性。

4 江蘇省水資源承載力評價(jià)

4.1 指標(biāo)選取

從水資源承載力的概念出發(fā)，結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn)［10-15］，初步確定以水資源系統(tǒng)、人口系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、效率系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)共5個(gè)子系統(tǒng)21個(gè)具體指標(biāo)構(gòu)成本次江蘇省水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

按照因子分析，篩選出以下10個(gè)指標(biāo)為本次水資源承載力評價(jià)的指標(biāo)體系，分別為降雨量（X1）、水資源總量（X2）、總?cè)丝冢╔3）、城市人口比重（X4）、GDP（X5）、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重（X6）、有效灌溉面積（X7）、單位面積糧食產(chǎn)量（X8）、萬元GDP用水量（X9）、萬元工業(yè)增加值用水量（X10）。其KMO值為0.807，說明選擇的指標(biāo)間具有相關(guān)性，Bartlett球體檢驗(yàn)sig值為0.000（小于0.05），說明各個(gè)指標(biāo)不是相互獨(dú)立的，符合主成分分析要求。本次未篩選出城鎮(zhèn)污水處理率、廢污水排放量指標(biāo)，可能是因?yàn)榻K近年來污水處理情況基本穩(wěn)定。

4.2 結(jié)果分析

嚴(yán)格按照特征值大于1的原則，篩選出2種主成分。第1、第2主成分貢獻(xiàn)率（方差貢獻(xiàn)率）分別為71.540%和19.611%（表2），累積貢獻(xiàn)率達(dá)到91.151%，滿足主成分累積方差貢獻(xiàn)率大于85%的標(biāo)準(zhǔn)，說明用這2個(gè)主成分能夠很好反映江蘇省水資源承載力。

主成分荷載矩陣見表3。用表3中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)特征值的平方根后可得兩個(gè)主成分中每個(gè)指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)（主成分的權(quán)系數(shù)，見表4），從而得到第1主成分得分Y1和第2主成分得分Y2的公式，見式（1）、（2）。

Y1=-0.049X1-0.029X2-0.363 X3-??? 0.365 X4-0.354 X5-0.356X6-0.337 X7-0.319 X8+0.367 X9+0.360 X10（1）

主成分的權(quán)系數(shù)絕對值越大，表明對應(yīng)的指標(biāo)對主成分的作用越大。其中，第1主成分是最重要的，其方差貢獻(xiàn)率最大，為71.540%。從權(quán)系數(shù)絕對值的大小來看，對第1主成分作用較大的有總?cè)丝?、城市人口比重、GDP、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、有效灌溉面積、單位面積糧食產(chǎn)量、萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量這幾個(gè)指標(biāo)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.363，-0.365，-0.354，-0.356，-0.337，-0.319，0.367，0.360。其中，總?cè)丝诤统鞘腥丝诒戎伢w現(xiàn)了人口對水資源承載力的影響。人口越多，特別是城市人口越多，水資源承載壓力越大；GDP和第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)對水資源承載力的影響，經(jīng)濟(jì)體量越大，水資源承載壓力越大。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)中，第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)占GDP比重未成為影響江蘇省水資源承載力的重要指標(biāo)，主要是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)單位面積GDP產(chǎn)出小，影響農(nóng)業(yè)用水的關(guān)鍵因素是有效灌溉面積和單位面積糧食產(chǎn)量而非產(chǎn)業(yè)增加值。而由江蘇省工業(yè)增加值和工業(yè)用水量歷年變化曲線圖（圖1）可知，近年來，江蘇省工業(yè)增加值逐年增加，但工業(yè)用水量整體保持穩(wěn)定，主要原因是工業(yè)用水效率不斷提升所致。因此，影響江蘇水資源承載力的主要因素是工業(yè)用水效率而非工業(yè)增加值。用水效率方面主要篩選出單位GDP用水量和單位工業(yè)增加值用水量，人均生活用水量指標(biāo)未成為主要影響因素，主要是因?yàn)樯钣盟吭诮K省總用水量中占比很小，僅為總用水量的10.0%左右。

第2主成分中，降雨量和水資源總量指標(biāo)作用最大，相關(guān)系數(shù)分別為0.702和0.704，體現(xiàn)了水資源條件對水資源承載力的影響。但因第2主成分方差貢獻(xiàn)率較小，僅為19.611%，說明對江蘇省而言，影響區(qū)域水資源承載力的主要因素是社會經(jīng)濟(jì)和用水效率，而非水資源先天條件。

從指標(biāo)正負(fù)值來看，社會經(jīng)濟(jì)對水資源承載力呈負(fù)影響，而用水效率對水資源承載力呈正影響。

按照主成分分析方法，以貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，得到水資源承載力綜合得分Y的表達(dá)式：

Y=0.71540Y1+0.19611Y2（3）

由綜合得分表達(dá)式計(jì)算江蘇省水資源承載力得分情況，見表5和圖2。由圖2可見，近幾年江蘇省水資源承載力呈整體下降趨勢，說明區(qū)域用水效率的提升未減輕社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源的承載壓力。2020年，江蘇省萬元GDP用水量55.7 m3，低于全國平均水平57.2 m3，與先進(jìn)地區(qū)北京市11.2 m3還有44.5 m3的差距；萬元工業(yè)增加值用水量62.8 m3，約為全國平均值32.9m3的兩倍，為先進(jìn)地區(qū)北京市7.1 m3的8.8倍?？梢?，江蘇省整體用水水平仍偏低。因此，江蘇省未來若要保持現(xiàn)有的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，必須著力加強(qiáng)節(jié)約用水工作。

5 討 論

5.1 標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值正負(fù)問題

將主成分分析法用于實(shí)際問題方面，已有學(xué)者對特征值的正負(fù)號、主成分荷載、主成分得分、主成分標(biāo)準(zhǔn)化等問題做過研究［20-22］。本次在計(jì)算主成分得分時(shí)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值正負(fù)問題也需要關(guān)注。

主成分分析法一般按照Z-score法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理［20-22］，計(jì)算公式如下：

X′ij=Xij-XjSj（i=1，2，…，n；j=1，2，…，p）（4）

式中：Xij為第i 個(gè)樣本的第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的原始值；X′ij為原始指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化后的值；Xj，Sj 分別為第j個(gè)指標(biāo)的樣本均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值的正負(fù)取值僅反映了數(shù)值與平均值的大小關(guān)系。萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量這兩個(gè)指標(biāo)應(yīng)該隨著用水效率的不斷提升，指標(biāo)得分逐年增加。但本次將主成分分析法用于江蘇省水資源承載力評價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然原始數(shù)據(jù)的萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量逐年降低，但主成分分析法計(jì)算得到第1主成分中萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量歷年指標(biāo)得分也逐年降低，見圖3（a），與實(shí)際意義不符。因此，本次主成分分析時(shí)根據(jù)指標(biāo)的具體意義對這兩個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值統(tǒng)一取負(fù)，修正后兩個(gè)指標(biāo)的得分見圖3（b），可見，修正后的指標(biāo)得分與實(shí)際相符。

圖3 第1主成分用水效率指標(biāo)得分曲線

Fig.3 Water use efficiency index score? curve of first principal component

5.2 同類型指標(biāo)個(gè)數(shù)問題

本次參與評價(jià)的指標(biāo)中，水資源系統(tǒng)有降雨量和水資源總量2個(gè)指標(biāo)，人口系統(tǒng)有總?cè)丝诤统鞘腥丝诒戎?個(gè)指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)有GDP、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、有效灌溉面積、單位面積糧食產(chǎn)量4個(gè)指標(biāo)，效率系統(tǒng)有萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量2個(gè)指標(biāo)。根據(jù)公式（1），第1主成分中除降雨量和水資源總量這兩個(gè)主成分權(quán)系數(shù)絕對值較小的指標(biāo)外，其他8個(gè)指標(biāo)中有6個(gè)指標(biāo)對水資源承載力呈負(fù)影響，只有2個(gè)指標(biāo)對水資源承載力呈正影響?？梢妳⑴c評價(jià)的同類型指標(biāo)數(shù)目越多，對綜合得分產(chǎn)生的影響將越大，從而導(dǎo)致綜合評價(jià)結(jié)果不夠客觀。因此，在主成分分析時(shí)建議消除同類型指標(biāo)數(shù)目對評價(jià)結(jié)果的影響。本次將公式（1）和公式（2）作修正如下：

Y1=（-0.049X1-0.029X2）/2+（-0.363X3-0.365X4）/2+（-0.354X5-0.356X6-0.337X7-0.319X8）/4+（0.367X9+0.360X10）/2（5）

Y2=（0.702 X1+0.704 X2）/2+（-0.000X3-0.008X4）/2+（-0.002X5+0.038X6-0.031X7-0.066X8）/4+（0.022X9+0.068X10）/2（6）

修正后的水資源承載力評價(jià)得分見圖4。由圖4可見，修正后江蘇省水資源承載力雖仍呈下降趨勢，但下降趨勢較圖2更為緩和，評價(jià)結(jié)果更具客觀性。

圖4 江蘇省水資源承載力評價(jià)得分（修正后）

Fig.4 Score of water resources carrying capacity evaluation of Jiangsu Province （modified）

6 結(jié) 論

通過對江蘇省2003～2020年水資源承載力主成分進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1） 影響江蘇水資源承載力的主要驅(qū)動因子包括水資源系統(tǒng)、人口系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、效率系統(tǒng)等共10個(gè)指標(biāo)，其中，人口系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、效率系統(tǒng)為第1主成分，是主要影響因素；水資源系統(tǒng)是第2主成分，是次要影響因素。

（2） 經(jīng)綜合評價(jià)，近年來江蘇省水資源承載力整體呈下降趨勢，說明區(qū)域用水效率的提升未減輕社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源的承載壓力。未來，江蘇省應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化節(jié)約用水，提升各行業(yè)用水效率。

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（編輯：江 文）