基于PLSR的中山市水資源壓力演變特征與趨勢

郭衛華,周永章

基于PLSR的中山市水資源壓力演變特征與趨勢

郭衛華1,2,3,周永章2

(1.中山大學地理科學與規劃學院,廣東廣州 510275;2.中山大學地球環境與地球資源研究中心,廣東廣州 510275; 3.中山市環境保護局,廣東中山 528400)

以珠江三角洲腹地城市中山市為研究目標,分析城市社會經濟發展多個指標對水資源壓力的影響,并利用偏最小二乘回歸(PLSR)方法對1991年以來中山市水資源壓力的演變特征和趨勢進行分析和預測。結果表明,節水水平和第三產業發展是中山市水資源壓力的主要影響因素。1991—2011年間,中山市的水資源壓力整體上呈先降后升的變化趨勢,并將可能在今后20年的時間內保持上升趨勢。中山市水資源壓力與人均GDP之間則呈現出N形環境庫爾茲涅曲線特征,表明隨著經濟發展到一定程度,中山市水資源壓力將有所下降,但同時也面臨著重新上升的壓力。

水資源壓力;偏最小二乘回歸方法;珠江三角洲;環境庫爾茲涅曲線

水資源壓力是指在一定的時空尺度和自然地理背景下,人類社會經濟活動對其區域內水資源和水生態環境所產生的影響和沖擊。水資源壓力受區域人口、社會、經濟發展所驅動,但又在一定程度上,隨著科學技術和城市管理水平的提高而得到緩解。因此,水資源壓力是一個由水資源-社會經濟-生態環境等方面因素綜合作用的結果[1-2]。

近年來,國內外學者基于不同的研究區域,使用不同的評價方法從水資源總量、區域水資源安全、水資源承載力等不同角度對水資源壓力開展研究,建立了相應的指標體系和評價方法[3-5]。但目前關于區域水資源壓力的諸多研究中,側重點在于評價指標體系的構建[4];而筆者認為,為深入研究區域經濟發展過程各影響因素與水資源壓力的內在聯系,需解決以下兩個問題：①如何實現區域水資源壓力的定量化評價;②如何確定不同影響因素對水資源壓力的貢獻。

筆者以珠江三角洲中山市1991—2011年的相關數據為基礎,提出基于城市水資源開發強度-水環境污染物相結合的水資源壓力指標,并利用偏最小二乘回歸(PLSR)方法,研究人口、社會、經濟、水資源及環境管理水平等因素對城市水資源壓力的影響,以期為區域水資源管理提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究區域概況

中山市地處廣東省中南部,珠江口西岸,全市行政區面積為1 800.14 km2,多年平均水資源總量為17.38億m3。盡管位于雨量充沛的珠三角河網地區,但由于社會經濟的迅猛發展和人口的快速增加,中山市的人均水資源量僅為1100m3/a,低于全國平均水平。此外,中山市水資源年內分配不均,汛期(4—10月)降雨量約占全年的85%,且由于地處珠江出海口,每年枯水期都要遭受咸潮上溯侵襲,頻繁出現局部季節性淡水資源短缺的現象。

1.2 評價指標

1.2.1 水資源壓力指標

在珠三角地區,水資源供需壓力和水質性缺水是水資源利用中的兩個主要問題,水資源壓力集中體現在由水量—水質所導致的各種問題中。筆者以年度水資源開發強度和入河污染物等標污染負荷的乘積作為區域水環境壓力的表征指標,以實現水環境壓力的定量化評價。水資源壓力指標y的計算公式為

式中：E為水資源開發強度(年度總取水量與年度水資源總量之比);Pn為入河污染物等標污染負荷,其計算方法見文獻[6],參評項目及標準分別為：COD(10mg/L)、Cr6+(0.05 mg/L)、氰化物(0.1 mg/L)、石油類(0.5 mg/L)、NH3-N(0.5 mg/L)。

1.2.2 水資源壓力的驅動指標

水資源壓力驅動指標應全面、綜合反映區域內社會經濟發展狀況對水資源系統的影響,因此按照區域性(能夠體現珠三角地區城市水資源情勢特征和利用特點)、規范性(指標科學、規范,在統計、水利部門中得到廣泛使用)、可量化(便于定量化,為進一步的數據分析提供條件)原則,將以下指標作為水資源壓力的驅動指標：①社會發展壓力指標包括：總人口x1,農林牧漁業總產值x2,工業總產值x3,第三產業生產總值x4;②用水特征指標,即人均用水量x5;③環境管理指標,即單位產值COD排放量x6。中山市1991—2011年各相關指標年度統計值見表1。

表1 中山市1991—2011年水資源壓力相關指標數據

1.3 PLSR模型算法

由于城市水資源壓力各指標之間通常存在相關性,利用傳統的最小二乘法建立多元線性回歸方程常會破壞參數估計,擴大模型誤差,難以保證預測模型的精確性和可靠性[7-8],因此本研究中選擇PLSR方法以解決回歸方程中變量的多重共線性問題。PLSR方法是一種基于高維投影思想的非參數回歸方法,通過提取主成分能很好地概括自變量系統,可較好地解釋因變量,并排除系統中的噪聲干擾[9]。近年來,PLSR方法在城市水資源承載能力研究、城市生活用水量預報等方面得到良好的應用[10-11]。PLSR方法的原理是：設有單因變量y和p個自變量x1、x2、…、xp,觀測n個樣本點,構成自變量與因變量的數據矩陣X=(xij),其中i=1,2,…,n,j=1,2,…, p和Y=y1,y2,…,yn。PLSR分別在X和Y中提取成分t1和u1,這兩個主成分分別為X和Y的線性組合,它們應滿足兩個要求：①t1和u1應盡可能大地提取它們各自原變量系統中的變異信息;②t1和u1的相關程度能夠達到最大。PLSR方法的具體步驟如下[9,11]：

步驟1：標準化處理X和Y,得到的標準化矩陣,分別記為E0和F0。

步驟2：從F0中提取一個成分u1=F0c1,‖c1‖=1。由于F0只是一個變量,所以c1為常數。同時從E0中提取一個成分t1,t1=E0w1,w1是第一主軸,w1=ET0F0/‖ET0F0‖,并且‖w1‖=1。分別求E0和F0對t1的兩個回歸方程：

其中,回歸系數向量為

步驟3：用殘差矩陣E1和F1取代E0和F0,用同樣方法求第2個w2軸和c2以及第2個成分u2和t2,如此計算下去,如果進行了m次運算,則會有

由于t1,t2,…,tm均可表示成E01,E02,…,E0p的線性組合,因此,上式可還原成F0關于E0p的回歸方程形式,即

在PLSR方法中確定主成分個數的常用方法有舍一交叉驗證方法、分批交叉驗證方法、分裂樣本交叉驗證方法、隨機樣本交叉驗證方法等[9,12]。在本文中采用舍一交叉驗證方法確定主成分的選取個數。

2 結果與討論

2.1 水資源壓力驅動指標多重相關性診斷

本研究中利用方差膨脹因子對x1～x6的相關數據進行多重相關性診斷。自變量xj的方差膨脹因子記為SJVIF,其表達式為

式中,R2J為以xj為自變量時對其他自變量回歸的復測定系數。

若最大的SJVIF＞10,則認為自變量之間存在高度的相關現象[9]。本文中水資源壓力驅動指標的多重相關性診斷結果見表2。由表2可見,最大的SJVIF=401＞10,自變量間存在高度的多重相關性。

表2 水資源壓力驅動指標的多重相關性診斷結果

2.2 PLSR分析

根據上述原理及步驟,通過統計軟件SAS 9.1 for Windows(SAS Institute Inc.)實現數據的PLSR分析。經過數據標準化、提取成分并作交叉有效性判別,計算結果提取了2個主成分t1和t2,這兩個主成分解釋了原自變量系統中92.47%的信息,同時解釋了因變量系統中80.89%的變異信息,顯示模型精度較好,其模型效應負荷量及標準偏回歸系數見表3。

表3 模型效應負荷量及標準偏回歸系數

結果顯示,在提取的兩個主成分中,x1～x4對t1有較大負載,反映了社會經濟發展對水資源造成的壓力;而x5和x6對t2有較大負載,反映了城市節水水平和環境管理水平對壓力的影響。而各指標的標準偏最小二乘系數表明,人均用水量x5對城市水資源壓力的影響最大,顯示節水水平對于水資源壓力有直接的作用。代表不同產業發展特征的x2～x4項指標對水資源壓力的影響基本相同,其中以第三產業總產值x4的影響最大。而在各項指標中,人口因素和環境管理因素對水資源壓力的貢獻較小。

通過建立y對提取的主成分的回歸,以及數據的逆標準化操作,最終得到的回歸方程為

經檢驗,所建方程的決定系數R2=0.81,p＜0.01,方程具有顯著性。通過多重共線性檢驗得到最大的SJVIF=1.01,多重共線性問題已基本解決。

2.2 水資源壓力趨勢及演變特征

根據中山市水資源綜合規劃等資料,獲得2020年及2030年中山市水資源壓力各影響指標的數據,代入式(10)后得到水資源壓力預測,結果見表4。可見隨著人口及城市工農業的發展,今后一段時期內中山市水資源壓力仍將保持一定的上升態勢。2020年中山市水資源壓力為2011年的1.54倍,而到了2030年將達到2.32倍。

表4 中山市水資源壓力預測

1991—2030年中山市水資源壓力數據的演變趨勢表明,在不同的時間段內,中山市的水資源壓力增長呈現不同的特點。1991—2000年間,中山市水資源壓力在往復變化中整體呈下降趨勢,年均增長率為-6.89%,主要原因在于該時期內環境保護工作的大力開展,廢水污染物排放得到一定程度的緩解。2001—2010年間,中山市水資源壓力呈迅速上升趨勢,年均增長率為17.3%,增長的主要貢獻來自于工業總產值以及第三產業總產值,顯示該時期內城鎮化、工業化過程中所帶來的用水量增長及工業廢水污染物排放的增加對水資源帶來極大的壓力。而2011—2020年間以及2020—2030年間,由于人口及各項經濟指標的上升,水資源壓力不斷增加,但年均增長速度有所下降,分別為4.9% (2011—2020年)和4.2%(2020—2030年)。

2.3 水資源壓力與城市經濟發展的關系

經驗數據顯示,發達國家城市環境質量指標隨經濟發展的變化存在著一個由上升轉而下降的轉折點。因此,城市環境質量隨收入增長的演變模式可以用環境庫茲涅茨曲線(environment Kuznets curve, EKC)形式來表示[13-14]。筆者以環境庫茲涅茨理論為基礎,研究中山市人均GDP與水資源壓力之間的關系。為了消除異方差的問題,并使模型估計更準確,將水資源壓力指標值作自然對數變換,并采用三次多項式形式建立中山市經濟發展與水資源壓力關系的EKC分析模型。擬合結果顯示,方程的一、二、三次項系數分別為7.548、-1.344、0.0648,R2為0.91,p＜0.01,方程有顯著意義。

圖1顯示,1991—2030年,中山市水資源壓力與人均GDP之間呈現出典型的N形曲線特征。這與國外環境庫茲涅茨曲線理論一般假說中認為的倒U形曲線形式有所不同[15-16],但與張捷等[17]發現廣東省人均GDP增長與工業“三廢”排放量之間的關系一致。該曲線特征表明,在中山市城市發展過程中,經濟增長和水資源壓力存在復雜的相關關系。當社會經濟發展到一定程度后,隨著節水、環保意識的提高以及相關公共管理措施的加強,城市水資源壓力將得到一定的緩解,但并非就從此必然一路下降。隨著人口的增長和社會經濟的發展,水資源壓力的各種內在驅動因素仍然存在,可能導致城市水資源壓力的改善出現曲折反復。根據中山市統計資料,2011年中山市人均GDP約為10.5萬元,按照上述EKC曲線,這段時期中山市水資源壓力正處于該曲線二次上升的轉折點(人均GDP 9.9萬元)。

圖1 中山市人均GDP與水資源壓力關系的EKC曲線

3 結 論

a.利用偏最小二乘回歸方法在自變量存在高度相關性的條件下進行回歸建模,適用于水資源壓力與城市社會經濟發展各指標間的相互關系研究。研究結果顯示節水水平和第三產業發展是中山市水資源壓力的主要影響因素。

b.1991—2011年間,中山市的水資源壓力整體上呈先降后升的演變特征。對中山市水資源壓力的預測結果顯示,未來20年中山市的水資源壓力仍然將處于上升的過程。中山市水資源壓力與人均GDP之間呈現出N形EKC曲線特征,顯示隨著城市經濟的發展,水資源壓力有經過改善后再次加劇的傾向。在今后的城市發展過程中,應更加重視水資源利用和水環境保護,通過轉變產業發展模式、提高水資源利用水平、加大環境保護工作力度等措施以緩解未來面臨的水資源壓力。

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Evolution characteristics and trend of water resources stress of Zhongshan City based on PLSR method

GUO Weihua1,2,3,ZHOU Yongzhang2
(1.Geography and Planning School,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China; 2.Center for Earth Environment and Resources,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China; 3.Zhongshan Environmental Protection Bureau,Zhongshan 528400,China)

Taking Zhongshan City,a hinterland city in the Pearl River Delta,as a case study,the influence of urban socioeconomic development indicators on the water resources stress was examined.The partial least squares regression method was used to analyze the evolution characteristics and predict the trend of the water resources stress of Zhongshan City since 1991.The results show that the water conservation level and the development of the tertiary industry were the principal factors influencing the water resources stress of the city.During the period from 1991 to 2011,the water resources stress of the city first decreased,then increased on the whole,and may maintain an increasing trend over the coming 20 years.The relationship between the water resources stress and per-capita GDP of Zhongshan City was characterized by an N-shaped environmental Kuznets curve,indicating that when the economy develops to a certain extent,the water resources stress of the city may decease,but,meanwhile,rising pressure on water resources in Zhongshan City may still exist.

water resources stress;partial least squares regression method;Pearl River Delta;environmentel Kuznets curve

TV213.4

A

1004-6933(2014)01-0023-05

201307-15 編輯：徐 娟)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.005

廣東省科技計劃項目(2009B030801003)

郭衛華(1971—),男,博士研究生,研究方向為資源環境一體化與區域可持續發展。E-mail：guoweihua01@sina.com