疏勒河流域水資源承載力評價

程斌強

（甘肅農業大學工學院，甘肅蘭州 730070）

疏勒河流域水資源承載力評價

程斌強

（甘肅農業大學工學院，甘肅蘭州 730070）

應用主成分分析法對疏勒河流域水資源承載力進行評價，結果表明，影響該區域水資源承載力的3個主成分為反映經濟發展和人口狀況的主成分F1、反映節水技術狀況的主成分F2、反映降水量狀況的主成分F3。從主成分的變化趨勢可以看出，2003—2010年疏勒河流域水資源承載力整體呈穩步遞增趨勢，但在2008年和2009年出現了小的波動，其原因主要是2008年、2009年兩個年份降水量減小。要促進疏勒河流域水資源可持續利用，應控制該區域人口數量，大力推廣節水灌溉技術，普及和提高群眾的節水意識。

水資源承載力；主成分分析法；疏勒河流域

水是生命之源、生產之要、生態之基，興水利、除水害，事關人類生存、經濟發展、社會進步。2011年1月29日中共中央發布“一號文件”《關于加強水利改革發展的決定》，提出：“加快水利改革發展，不僅關系到防洪安全、供水安全、糧食安全，而且關系到經濟安全、生態安全、國家安全”，將水利發展定位與國家安全層面。水利是現代農業建設不可或缺的首要條件，是經濟社會發展不可替代的基礎支撐，是生態環境改善不可分割的保障系統。多年來，為了解決日益突出的水問題，探究水資源、社會經濟發展以及生態環境保護之間的協調關系等，國內外學者開展了水資源承載力的研究。水資源承載力是指在某一具體歷史發展階段下，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以維護生態環境良性循環發展為條件，在水資源得到合理開發利用的條件下，某地區的水資源（包括數量、質量）持續支持人類社會發展規模（即一定生活質量的人口數量）的最大支撐能力與限度［1］。筆者以疏勒河流域為研究對象，采用主成分分析法對該流域水資源承載力進行具體分析和計算，以了解疏勒河流域水資源承載力狀況，并為該流域水資源可持續開發利用提供依據。

1 水資源承載力研究現狀

自20世紀80年代“水資源承載力”這一名詞由我國學者提出后，就引起了學術界的高度關注，并成為當今社會水資源科學領域研究的重點和熱點［2～3］。就目前而言，水資源承載力研究還處于探索階段，學術界關于水資源承載力并沒有做出明確定義，許多專家學者通過自己的理解給出了不同的看法。如新疆水資源軟科學課題組認為，水資源承載力是水資源可開發利用量，在滿足維護生態環境用水要求后，所能支撐的工農業最大產值和人口數量［4］；施雅風等人認為水資源承載力是指某一地區的水資源，在一定社會歷史和科學技術發展階段，在不破壞社會和生態系統時，最大可承載（容納）的農業、工業、城市規模和人口的能力，是一個隨著社會、經濟、科學技術發展而變化的綜合目標［5］；錢正英等人認為區域水資源承載力是在某一具體的歷史發展階段，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以維護生態環境良性發展為條件，在水資源經過優化配置并得到合理開發利用的情況下，某一區域的水資源對該區人口增長與經濟發展的最大支撐能力［6］。此外還有許有鵬、馮尚友、惠泱河、程國棟等學者各自不同的理解。水資源承載力是區域水安全研究的一個重要指標，也是指導區域水資源合理配置和可持續發展的重要依據。因此，正確地評價區域水資源的承載力，對合理充分地利用水資源以及促進區域社會經濟的可持續發展具有重要的現實意義［7］。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

疏勒河流域位于甘肅省河西走廊西端，流域面積4.13萬km2，多年平均降水量47～63 mm，年蒸發量2 897～3 042 mm，年平均氣溫6.9～8.8℃，屬于典型的內陸干旱性氣候。流域年水資源總量為11.34億m3，其中地表水總資源量為10.82億m3（疏勒河干流多年平均徑流量為10.31億m3，石油河多年平均徑流量為0.51億m3），與地表水不重復的地下水資源量為0.52億m3。疏勒河發源于祁連山脈的崗格爾肖合力嶺冰川，經青海省天峻縣、甘肅省肅北縣、玉門市、瓜州縣、敦煌市，由東向西曾流入蘇泊爾，干流全長670 km，為甘肅省三大內陸河之一。流域內轄昌馬、雙塔、花海三大灌區，承擔著玉門市、瓜州縣22個鄉鎮、6個國營農場8.96萬hm2耕地的農業灌區和甘肅礦區等單位的工業供水、轄區生態供水及水利發電供水等任務。經過多年大規模的水利建設，尤其是疏勒河綜合開發項目的建成，已初步形成蓄、引、調、排為主的骨干工程體系。目前，灌區有昌馬、雙塔、赤金峽三座水庫，總庫容為4.722億m3。有干渠17條445.86 km，支干渠11條116.77 km，支渠120條548.10 km，斗渠619條1 105.00 km，農渠6 247條2 950.00 km，已形成較為完善的灌溉系統，是甘肅省百萬畝以上大型自流灌區之一，也是甘肅省主要商品糧基地，素有“西部糧倉”之稱，具有重要的經濟戰略地位。

2.2 研究方法

2.2.1 評價方法目前，關于水資源承載力的評價方法主要有生態足跡法、主成分分析法、綜合指標法、系統動力學法等。本研究選取主成分分析法，主要是因為主成分分析法可以更客觀的確定指標的權重，減少人為因素產生的誤差，而且還能保留大量的原始數據信息，更具有科學性。其本質是通過對原有復雜變量的線性變換和部分信息的舍棄，將高維變量系統進行最優化的綜合與簡化，并客觀地確定了系統各指標的權重，克服了模糊綜合評判方法的缺陷，避免造成主觀任意性［8］。

主成分分析的步驟：

（1）利用SPSS19.0對原有數據進行標準化處理，排除量綱的影響；

（2）計算各個評價指標之間的相關矩陣；

（3）由相關系數矩陣計算特征值（選取特征值大于1的成分為主成分），以及各個主成分的貢獻率與累積貢獻率（按累計貢獻率大于85%以上的特征值所對應的前n個成分來確定主成分）；

（4）計算主成分的特征向量和表達式；

（5）計算主成分載荷，主成分載荷即為主成分與變量之間的相關系數；

（6）求主成分權重及綜合評價得分。

2.2.2 評價指標的選取對區域水資源承載力進行分析時，選擇合理的評價指標顯得格外重要［9］。在指標選取上，筆者根據2003—2010年《甘肅省水資源公報》和《甘肅省統計年鑒》官方統計數據，并遵循選取水資源承載力評價指標的原則［10］，參照全國水資源承載力分析中的指標體系以及其他水資源評價指標體系及標準，選取具有代表性的14個指標作為本研究的基本指標體系，主要包括：總人口（X1，萬人），國內生產總值（X2，億元），萬元GDP耗水量（X3，m3/萬元），人均用水量（X4，m3/人），水資源總量（X5，億m3），供水總量（X6，億m3），工業用水量（X7，億m3），林牧漁畜用水量（X8，億m3），城鎮公共用水量（X9，億m3），居民生活用水量（X10，億m3），生態環境用水量（X11，億m3），污水排放量（X12，萬t/年），降水量（X13，mm），水資源開發利用程度（X14，%）。

表1 疏勒河流域水資源承載力評價指標相關系數矩陣

3 評價結果與分析

對選取的14個分析指標，利用SPSS19.0統計分析軟件進行主成分分析，得到了各因素指標的相關系數矩陣（表1）與主成分特征值及貢獻率（表2）。

選取指標之間存在一定的相關性，是進行主成分分析的必要條件。由表2可知，X2與X9，X4與X6、X11，X6與X8、X11，X8與X9、X11之間存在極顯著相關性，相關系數分別為0.90，0.99、0.98，0.95、0.99，0.96、0.94。

表2 特征值和主成分貢獻率及累積貢獻率

由表3可以看出，主成分1、2、3的累計貢獻率已達到90.76%，所以選取前3個主成分（F1、F2、F3）進行分析。

主成分載荷反映了主成分（F1、F2、F3）與變量（X1……X14）之間的相關系數，如表4所示。第1主成分F1與X4（人均用水量）、X6（供水總量）、X8（林牧漁畜用水量）、X9（城鎮公共用水量）、X11（生態環境用水量）、X14（水資源的開發利用程度）之間存在較顯著的正相關性，與X12（污水排放量）之間存在極顯著的負相關性，可以認為第1主成分F1主要反映了整個流域的生活經濟發展狀況。第2主成分F2與X3（萬元GDP耗水量）、X10（居民生活用水量）表現了較強的相關性，與X2（國內生產總值）存在較強的負相關性，可認為第2主成分F2主要反映了節水技術的發展水平。第3主成分F3與X5（水資源總量）、X13（降水量）表現出較強的相關性，與X14（水資源開發利用程度）存在較顯著的負相關，可認為第3主成分F3主要反映了降水量的水平。

表3 主成分荷載值矩陣

用表3中的數據除以主成分所對應的特征值，然后開平方根便得到每個主成分中的每個指標所對應的系數。即通過公式An=Bn/SQR（λn），即可得到特征向量矩陣（表4）。

將表4中的數據與初始指標標準化后的數據相乘，便可以得到各主成分表達式，即：

表4 特征向量矩陣

另外，以每個主成分所對應的特征值占所選取主成分總的特征值之和的比例作為權重計算綜合主成分F的數學模型：

通過計算，可以得到綜合主成分F的表達式如下：

從上式進而得到疏勒河流域水資源承載力的綜合評價結果（表5）。

從表5可知，主成分得分有正有負，正負并不能代表水資源承載力的真實水平，而表示水資源承載力所處的相對位置，負值表示該年份水資源承載力處于被評價年份的平均水平以下，正值說明水資源承載力處于被評價年份的平均水平以上。綜合得分F值越大，說明水資源承載力越大，反之越小［11］。由表5排名可以看出，疏勒河流域的水資源承載力呈逐年上升的趨勢，但在2008年、2009年兩個年份出現了小的波動，查其原因主要是2008年、2009年降水量減小，由2007年的202.3 mm，降到了2008年的78.5 mm，降低了61.2%。而水資源的開發利用程度從2007年的72%增加到了2008年的86%，增加了將近14個百分點。

表5 2003—2010年疏勒河流域水資源承載力的綜合評判結果

由圖1可以看出，主成分F1持續增大，主要是由于人口數量的增加和人民生活水平的提高，致使對水資源總量的需求也越來越高。主成分F2自2005年開始一直緩慢的減小，它體現了節水技術的發展以及人們節水意識增強。主成分F3在2008年、2009年出現大的波折，從2009年之后又慢慢回升，主要是由于2008年、2009年降水量較小的緣故。

圖1 2003—2010年三大主成分得分情況

4 討論

我國在水資源開發利用方面已取得了很大成就，水資源利用量的增加速率已超過了人口數量的增加速率，這在農業生產、社會經濟發展方面發揮了重要作用。然而，隨著人口數量的增加，人類對水資源的開發強度逐年加大，由此引起的水危機問題成為國家實現可持續發展戰略的瓶頸。本研究通過運用主成分分析法對疏勒河流域水資源的承載能力分析發現，經濟水平、人口數量和降水量成為影響該流域水資源承載力的主要因素，在整體上2003—2010年疏勒河流域水資源承載力呈穩步遞增的趨勢。為保證該流域水資源承載力有充足的發展空間，實現水資源可持續發展，權衡各種水利用之間的利弊成為水資源管理中不可避免的挑戰。為此，相關部門在加大人力、資金、設備投入的同時，應大力推廣節水灌溉技術，以期提高用水效率，使有限的水資源能夠滿足社會經濟發展的需要。

［1］程美家，韓美.基于主成分分析法的山東省水資源承載力評價［J］.資源開發與市場，2009，25（5）：410-412.

［2］湯奇成，張捷斌.西北干旱地區水資源與生態環境保護［J］.地理科學進展，2001（3）：227-232.

［3］李令躍，甘泓.試論水資源合理配置和承載能力概念與可持續發展之間的關系［J］.水科學進展，2001，12（3）：307-313.

［4］新疆水資源軟科學課題組.新疆水資源及其承載力的開發戰略對策［J］.水利水電技術，1989（6）：2-9．

［5］施雅風，曲耀光.烏魯木齊河流域水資源承載力及其合理利用［M］.北京：科學出版社，1992：94-111.

［6］錢正英，張光斗.中國可持續發展水資源戰略研究綜合報告及各專題報告［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［7］邵金花，劉賢趙.區域水資源承載力的主成分分析法及應用—以陜西省西安市為例［J］.安徽農業科學，2006，34（19）：5 017-5 018，5021．

［8］任玉忠，葉芳.基于主成分分析的濰坊市水資源承載力評價研究［J］.中國農學通報，2012，28（5）：312-316.

［9］郭曉麗.聊城市水資源承載力因子分析［J］.安徽農業科學，2009，37（35）：17 602-17 603.

［10］惠泱河，蔣曉輝，黃強，等.水資源承載力評價指標體系研究［J］.水土保持通報，2001，21（1）：30-33.

［11］王維維，孟江濤，張毅.基于主成分分析的湖北省水資源承載力研究［J］.湖北農業科學，2010，49（11）：2 764-2 767.

（本文責編：鄭立龍）

Evaluation on Water Resource Capacity in the Shule River Basin

CHENGBin-qiang
（College of Engineering Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070，China）

Through using principal component analysis，this paper obtained three principal components，which affected water resource carrying capacity in the Shule river basin.Firstly，reflecting the development of economy and status of population. Secondly，reflecting the water-saving technology status.Tirdly，reflecting the rainfall status.The result shows that the water resource carrying capacity stayed steady increasing trend in the Shule River Basin in 2003—2010，but there was a little fluctuation because of decreasing of the rainfall in 2008 and 2009.At last，this paper puts forward some proposals on sustainable utilization in this basin，such as controlling the population，promoting water-saving technology，popularizing people's consciousness of saving water.

Shule River Basin；Principal component analysis；Water resource carrying capacity

S273

A

1001-1463（2015）04-0034-05

10.3969/j.issn.1001-1463.2015.04.010

2015-03-09

程斌強（1987—），男，甘肅白銀人，碩士研究生，研究方向為灌溉排水工程。E-mail：1052943551@qq.com