基于主成分分析法的水資源承載力綜合評價——以新疆喀什地區為例

陳紅梅 李青

(塔里木大學經濟與管理學院，新疆 阿拉爾 843300)

2010年6月，中發〔2010〕9 號文件正式決定設立喀什經濟開發區。喀什緊緊抓住新疆大建設、大開發、大發展的戰略機遇，大力實施優勢資源轉換戰略，加快推進“打造喀什在中亞南亞經濟圈重心地位”發展戰略。喀什國土面積約占新疆的1/10，人口卻占新疆的1/5，社會經濟發展相對滯后，自然條件相對惡劣、生產條件相對較差、發展基礎較為薄弱。在經濟發展的同時，如何保證喀什市水資源承載力不超過其承載閥值，實現資源利用可持續發展，是擺在喀什市管理者面前亟需解決的問題。

新疆是典型的干旱地區，其水資源缺乏嚴重。有許多學者以新疆為研究對象，從不同角度，采用不同方法研究新疆整體或者局部地區的水資源承載力。董雯，劉志輝應用FAHP 原理研究了新疆博爾塔拉河流域和精河流域的水資源承載能力，提議建立節水型社會，并應優先保障生態用水需求［1］。鄭奕等以新疆焉耆盆地為研究對象，運用多目標決策分析法研究其水資源承載力，建議加強農業節水、加強對污水的控制與治理、湖濱濕地的生態恢復以提高其水資源承載力［2］。孟麗紅等以塔里木河流域為研究對象，采用可變模糊評價法，對其水資源狀況進行了評價研究［3］。熊黑剛等應用主成分分析法和熵權法對新疆奇臺綠洲水資源承載力評價研究，研究結果反映出經濟迅猛發展、生態環境惡化、人口數量增加以及農業灌溉水激增是導致水資源可進一步利用潛力減小的最主要因子［4］。進行喀什地區水資源承載力綜合評價研究對喀什建立經濟開發區，對發展當地經濟、提高居民生活水平以及帶動周邊地區的快速發展有重要意義。本文綜合考慮多方面因素對水資源承載力的影響，建立主成分分析法評價模型，表征喀什地區水資源利用和承載狀況。

1 研究區基本狀況

喀什是中國的西大門，具有獨特的區位優勢。喀什光熱水土條件得天獨厚，年均≥10℃的有效積溫在4 000℃以上，無霜期長達220 天，地表徑流量117 億m3。2010年，喀什地區的情況如下:

1.1 水資源總量與降水情況。2010年屬于偏豐水年，全區地表水資源量92.34 億m3，地下水資源量62.75 億m3，水資源總量為100.24 億m3;全區年平均降水量為195.3mm，山區年降水量與2009年比較，所有站點趨向增加趨勢，其中最為明顯的是卡群水文站增加76.4%、江卡站增加75.6%，克孜勒塔克站增加71%，其它站點也有明顯增加，降水量總體趨勢為上升增加趨勢。

1.2 供水用水情況。全區各類水利工程供水總量為103.9 億m3，其中地表水量占總供水水量的80.3%。2010年的供水模數為7.66 萬/km2，較上一年增加了3%，但比2008年降低了9.4%;全區用水總量為103.9 億m3，生產用水量為100.659億m3，居民生活用水量為1.11 億m3，城鎮公共用水量為0.62 億m3，生態用水量為1.52 億m3，生活用水定額為0.086 m3/d/人，工業和農業用水定額分別為176 m3/104元、6 823 m3/104元。

1.3 水質情況。廢水年排放總量為6 093.14 萬t，其中工業廢水746.04 萬t，占排放總量的12.2%，生活廢水5 347.1 萬t;全區評價河段為葉爾羌河流域中的2 條主要河流以及喀什噶爾河流域7 條主要河流合計20 個水質監測斷面中各項指標均達到地面水Ⅲ類水質標準以上(含Ⅲ類)的河段占評價河段(水庫)總數的90.9%，占全區評價河長的96.1%。

1.4 受災情況及其他。由于喀什地區水利基礎設施條件差，全區五大河流還未建成一座控制性水利樞紐工程，2010年全地區五大河及部分山洪溝均發生較大的洪水災害，且洪水持續時間長，洪量大，防洪成為農村稅費改革后農民的最大負擔。水資源利用率低，土地鹽堿化程度重，人均耕地面積少，嚴重影響農民增收。城鄉基礎設施滯后，城鎮垃圾和污水無害化處理率基本為零，供排水管網嚴重老化。72 萬農村人口飲用水不安全，35 萬戶農戶還沒有通自來水。

2 喀什地區水資源承載力綜合評價

2.1 綜合評價指標體系的構建與數據來源

表1 喀什地區年水資源承載力評價指標體系

根據水指標體系應遵循整體性原則、目的性原則和區域差異性原則，在借鑒前人研究經驗和成果的基礎上，參照全國水資源承載力評價分析中的指標以及使用頻率較高的指標，根據喀什地區水資源、社會、經濟、以及生態環境狀況，數據來源于2005～2011年新疆統計年鑒，2005～2011年喀什地區統計年鑒，以及2004～2010年新疆喀什地區水資源公報相關數據綜合計算獲得，最終建立了喀什地區水資源承載力評價指標體系(表1)。

2.2 水資源承載力的主成分分析

主成分分析法是利用降維的思想，對高維變量系統的多指標轉化為幾個綜合指標的多元統計分析方法。原理是將大量的原有的存在相關性的指標變量，轉換為新指標變量，新指標變量的數量減少并且相互獨立。這樣保留了原有的指標變量的主要信息，找出主導因素，切斷相關性的干擾，做出更加準確的評價。新指標變量稱為原指標變量的主成分。這種方法的優點是既消除了樣本值之間的相關關系，又提取了保持原指標主要信息的主成分，減輕了工作量，并且在分析過程中客觀生成指標權重，避免了人為因素［6］。單位面積水資源可利用量、水資源總量、多年平均降水量、供水模數、產水模數、人均GDP、GDP 增長率、森林覆蓋率、濕地面積、單位面積水資源占有量、人均水資源量、農村人口飲水安全人口比例為正向指標，即這些指標值越大，水資源承載力越高，其余指標為逆向指標，即指標值越大，水資源承載力越低。在綜合評價時，首先必須將指標同趨勢化，在本研究中，指標的同趨勢化是將逆向指標轉化為正向指標，對逆向指標正向化方法為對其取倒數。

運用主成分分析法評價區域經濟發展水平的步驟:(1)原指標數據的同趨化和標準化處理;(2)求出原始指標樣本的相關系數矩陣R;(3)計算相關系數矩陣的特征值和特征向量;(4)計算各特征值的貢獻率，并按累積貢獻率大于85%的準則提取主成分個數;(5)求主成分ZK 和綜合判斷因子得分Z*。用主成分對評價問題作出綜合分析。

運用SPSS17.0 統計分析軟件得出的特征值及其貢獻率、累計貢獻率(表2)，特征向量(表3)，主成分因子綜合得分結果和排序結果(表4)。

表2 特征值及其貢獻率、累計貢獻率

由表2 可知，根據前3 個主成分的累計貢獻率已經達到88.88% ＞85%，可以認為3 個主成分已基本反映了原指標變量的主要信息，因此提取3 個主要成分。其中第一主成分的貢獻率最高，是最重要的因子，包含了最多的信息量，對水資源承載力的大小起著重要作用。

(5) 停車場出入線應連通上下行正線，宜采用互通道岔，同時連通上下行雙方向，其通過能力應根據遠期線路的通過能力、運營要求和道路交叉口通過能力計算核定。

從表3 可以看出:

(1)生活用水定額(B4)、農業用水定額(C4)、萬元工業增加值用水量(E6)在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分主要反映人口生活用水、農業用水、生態用水以及工業用水水平。第一主成分反映的是隨著推進“城鎮化、農村現代化、工業化”的發展，人民生活、工農業生產給水資源帶來了巨大的壓力，因此可以歸結為水資源壓力因子。其特征向量均大于0.98，該因子反映出喀什地區水資源承載力的共性，即以農業生產為主，保障人民生活與工業生產所需要的水資源量，工農業以及人口與水資源協調發展是關鍵。今后應著重提高人們節水意識，推行高新節水灌溉，提高工業用水的重復利用率，在追求經濟發展的同時協調好與水資源的關系是今后實現水資源可持續發展的重要工作。

表3 初始因子載荷矩陣(特征向量)

(2)單位面積水資源量(A1)、水資源總量(A3)、人均水資源量(E3)在第二主成分上有較高載荷，說明第二主成分反映的是區域整體水資源豐裕程度，水資源可利用程度以及發展潛力。第二主成分可以歸結為水資源綜合發展潛力因子。為了提高水資源的承載力，除了節水外，根據不同行政分區的水資源整體豐裕程度，優化配置不同地區，不同部門的水資源，使之能有效地開發利用水資源，能充足而不多余地保證水資源量，而造成“缺水”或者“浪費”。

(3)人口自然增長率(B2)、人均GDP(C1)、人均用水量(E2)在第三主成分上有較高載荷，因子三反映的是人口與經濟、水資源系統的協調程度。從總的經濟發展狀況以及水資源總量來看，喀什地區的經濟是比較發達的，水資源總量是較充足的，但由于喀什地區龐大的人口數量，導致人均GDP、人均用水量較低，因此可歸結為人口質量因子。喀什地區2010年人均GDP 為8748 元，比2004年增長150%。2009年和2010年的人口自然增長率已經超過20‰，2010年水資源總量為100.24 億m3，比2004年增加30.74%，但2010年人均用水量為2 455 m3，比2004年減少14.01%。

2.3 實證結果與綜合評價分析

最后，運用SPSS17.0 統計分析軟件得出主成分因子綜合得分結果和排序結果，由于第一因子為壓力因子，其貢獻率較大，壓力越大承載力越小，并且從表3 可以看出，水資源系統、社會系統以及生態系統的特征向量值較多為負值，反映出水資源系統與社會、生態系統對承載力的貢獻呈負向影響，所以Z*(綜合得分)的值越低，說明該年份的水資源承載力越高，反之亦然。具體水資源承載力綜合評判結果和排序如下，見表4。

表4 喀什地區水資源承載力綜合評判結果

(1)從表4 可以看出，第一主成分因子，即壓力因子的得分越來越大，可以反映出喀什地區水資源承受的壓力越來越大。隨著“三化”的發展，用水需求量在逐漸增大，地表水用水量占總用水量的比重逐漸降低，地下水用水量增加，農業、工業、居民生活以及城鎮公共用水給水資源施加了壓力。2004年與2010年農業、工業、生活用水量、地表水地下水用水量比例的比較如表5。

2010年喀什地區城鎮化率為37.28%，比2004年提高6.3%，城鎮化水平提高，城市生活用水量增加，2010年的生活用水定額比2004年增加34.3%，伴隨著城鎮基礎設施建設的加強，城鎮公共用水量比2004年增加47.14%。2010年的工業總產值為2004年的2.43 倍，工業增加值為64.48 億元，反映喀什地區的工業發展進程較快，但同時工業用水量也增大，從表5 可以看出，2010年工業用水量為2004年的2.52 倍。農業的快速發展，使得農田灌溉用水量以及農林牧漁用水量增加。在水資源總量有限的情況下，地表水已不能滿足生產生活用水。隨著經濟的發展，人類開始大量開采地下水，從表5可以看出，2010年地下水用水比重與2004年相比增加13.3%。過度開采地下水，造成地下水位下降，由于不恰當的灌溉方式造成的土地鹽漬化加重。隨著加快推進農業現代化、新型工業化與城鎮化”的發展進程，水資源面臨著壓力越來越大，水資源承載力呈現減弱狀態。

表5 喀什地區2004年與2010年用水壓力比較 單位:108m3

(2)從表4 綜合得分排序可以看出，2005年的綜合評判結果排在首位，即2005年為喀什地區2004～2010年間水資源承載力最高的一年。這可能是因為2005年全區降水總量為426.42 億m3，折合降水深381.9 mm。與多年平均值177.6 mm 相比偏多115.0%，屬豐水年份，與2004年比較偏多44.5%。并且2005年喀什地區水資源總量為103.52億m3，平均產水系數為0.243，平均產水模數為9.27 萬m3/km2，即每平方公里土地面積上平均年產水量近9.27 萬m3/km2。2004、2005、2006年全區降水量、水資源總量、產水模數的比較如表6。

表6 降水總量、水資源總量、產水模數比較表

水資源承載力為水資源對社會經濟發展、生態環境發展的最大支撐能力［1－2］，亦為對工農業生產、人民生活和生態環境保護等最大供給用水的能力［5，7］。從表4 可以看出，水資源承載力的趨勢是逐年降低，偏離其在一定區域內，在技術、社會經濟等某一具體發展階段下，以水—社會—經濟—生態協調可持續發展為目標，區域水資源系統能夠保證工農業生產、人民生活和生態良性循環的最大供給能力。水資源的短缺與脆弱性，削弱了喀什地區水資源的承載能力。

社會方面，巨大的人口數量和較高的人口自然增長率給水資源施加較大的壓力。2009年，喀什地區的人口數量達到387.28 萬人，人口自然增長率高達21.09‰。經濟方面，工業用水，農業用水尤其是灌溉用水給水資源施加較大的壓力。2010年喀什地區的萬元工業增加值用水330.12 m3，比2004年每單位用水量增加51.6 m3，農業用水量占用水總量的96.88%。伴隨著工業、農業、生活用水的結構性矛盾突出，擠占了部分生態用水，同時由于水資源年內分布不均、區域分布不均，造成喀什地區水資源承載能力的降低。

4 結論與建議

通過對喀什地區2004～2010年水資源總量、來水量、地表水地下水、供水用水耗水、水質等資料的動態趨勢分析，結合喀什地區的自然背景、經濟背景以及主成分分析法，得出以下結論及建議:

4.1 人民生活、工農業生產用水給水資源承載力施加的壓力越來越大，經濟用水擠占了生態用水，對生態功能的恢復和修復造成了一定的影響，水－社會－經濟－生態復合系統系統之間協同性較弱，加劇了水資源和生態的脆弱性，阻礙了社會經濟的發展，使得水資源與社會、經濟、生態各系統之間存在非良性循環。山東、深圳市、上海市等地區與喀什地區對口支援，加快推進了喀什地區的經濟發展。2010年與2004年相比，喀什地區的人均GDP 增加了1.5倍，城鎮化率提高了6.3%，工業總產值增加了2.43倍。城鎮化與工業化是相互促進的，隨著經濟活動的增強，城鎮公共用水量增加，工業用水量增加的同時，工業廢水排放量也增加，2010年喀什地區的工業廢水排放量是2004年的2.12 倍。春季大河來水偏少，用水矛盾突出，隨著近幾年地區種植結構調整，增大了春季作物用水量，同時較低的渠系灌溉系數，造成缺水矛盾加大。2010年喀什地區發生嚴重旱情，一些縣卻沒有嚴格落實地區的灌水制度，有些地方存在超定額灌溉、大水漫灌、串灌的現象，造成水量的浪費。由于設施農業大棚零星分散以及林果業大部分位于小麥和棉花地中，林果業和瓜菜的灌水次數較頻繁，不但增加了用水量，同時增加了渠道調水次數，加大了水量調配難度和輸水損失。隨著加快推進經濟跨越式和“三化”的發展進程，水資源面臨的壓力越來越大，在這種情況下，合理調整種植結構，提高農業灌溉系數和渠系水利用系數，提高工業用水重復利用率，控制人口數量的增長并提高人口素質，不僅可以緩解水資源短缺，還可以實現經濟快速穩定發展和生態環境良好的“雙贏”。

4.2 水資源承載力的趨勢是越來越低。水資源承載力是在一定經濟技術水平和社會生產條件下，水資源可最大供給工農業生產、人民生活和生態環境保護等用水的能力［7］，喀什地區供水總量高于水資源總量，這是由于水資源短缺，產水和來水補給不足，人們開采地下水以緩解水資源供需矛盾。隨著地下水的開采率增大，進行打井抗旱，喀什地區提出利用三年時間，新打機井2789 眼以緩解旱情。大量的打井開采地下水將會導致地面下沉，鹽漬化加劇。喀什地區本身鹽漬化程度嚴重，鹽堿地面積較大，治理難度大。根據喀什噶爾河和葉爾羌河兩流域鹽堿地改良利用規劃報告，2010年全區仍有不同程度鹽堿地面積400 萬畝，規劃總投資近30.39 億元，但2005～2010年改良鹽堿地面積僅6.53 萬畝。今后鹽堿地改良治理將是任重而道遠，爭取項目的投資也是一項艱巨的任務。依據合理配置理論，喀什應發揮區域資源優勢，因地制宜地開發利用資源，合理配置資源，并提倡節約和循環利用資源，提高資源的利用率。雖然可以從節水技術或者污水回收利用技術等方面提高水資源利用率，但是由于人類活動的增強引起的全球氣候的變化而給水資源帶來的壓力是較難解決的。在需求方面應通過調整產業結構、建設節水型經濟，抑制需水增長來適應不利的水資源條件;在供給方面應通過協調各部門競爭性用水，通過加強管理、工程措施改變水資源的時空差異性分布來適應生產力布局。區域水資源合理配置應與區域社會、經濟發展狀況和自然條件相適應，因地制宜，按地區發展計劃，有條件地分階段進行，以有利于社會、經濟、生態環境的持續協調發展［8］。

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