基于主成分分析的長江經濟帶水資源承載力評價

李 燕, 張興奇

(南京大學 地理與海洋科學學院, 江蘇 南京210023)

基于主成分分析的長江經濟帶水資源承載力評價

李 燕, 張興奇

(南京大學地理與海洋科學學院,江蘇南京210023)

[目的] 綜合評價長江經濟帶水資源承載力的時空變化特征，為長江經濟帶水資源的合理利用和區域的可持續發展提供決策參考。 [方法] 從社會經濟、水資源量、用水量和廢水排放量4個方面選取18項指標，建立長江經濟帶水資源承載力評價指標體系，運用主成分分析法對長江經濟帶9省2市水資源承載力的時空變化特征進行了綜合評價。 [結果] 2004—2013年長江經濟帶水資源承載力呈現逐年上升的趨勢，水資源賦存條件、人口的增加、經濟的發展以及水污染治理水平的提高是水資源承載力上升的主要驅動因素；長江經濟帶水資源承載力的空間差異顯著，東部和中部地區總體較好，西部地區除四川省外水資源承載力相對較差。 [結論] 長江經濟帶水資源承載力的時空變化主要受所在地區的水資源賦存條件和社會經濟條件的影響。

水資源承載力; 主成分分析; 長江經濟帶; 時空變化特征; 評價

文獻參數： 李燕, 張興奇.基于主成分分析的長江經濟帶水資源承載力評價[J].水土保持通報，2017,37(4)：172-178.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.029； Li Yan, Zhang Xingqi. Assessment on carrying capacity of water resources in Yangtze River economic zone based on principal component analysis[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：172-178.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.029

水資源是支撐和保障經濟社會可持續發展的基本要素，區域水資源承載力研究是21世紀區域可持續發展和水資源安全戰略研究中的一個基礎課題，水資源承載力是衡量區域可持續發展的一項重要的指標，水資源承載力的研究對合理開發利用水資源和促進區域可持續發展具有重要的意義。水資源承載力具有動態性、不確定性和復雜性，它的評價與水資源系統、社會經濟系統和自然生態系統密切相關，尚未形成完整的理論與方法體系。國外對水資源承載力的研究主要在可持續發展文獻中有所涉及[1-4]，國內學者主要集中于對水資源承載力的定義[5-10]、水資源承載力的主要影響因素與特點[11-12]、水資源承載力的評價指標體系以及評價方法等方面的研究[13]。目前國內的水資源承載力研究主要集中在城市與流域或區域尺度。水資源承載力的研究始于干旱區，旨在為水資源緊缺的區域提供科學指導。在流域尺度上水資源承載力的研究以北方地區為主，劉昌明等[14]圍繞水資源與人口、經濟、社會與環境的關系對黃河流域水資源進行了研究；秦莉云等[15]利用模糊綜合評判模型對淮河流域水資源承載力進行了評價研究，表明淮河流域水資源開發利用已接近其開發容量；趙建世等[16]提出以經濟社會可消耗水量和人均全員耗水量為要素的水資源承載力模型并將其運用于海河流域水資源承載力分析，指出海河流域水資源整體超載，且超載度不斷上升；付玉娟等[17]利用多目標算法分別計算不同情景下遼河流域各市水資源的“生產”、“生活”和“生態”的極限承載力。與我國北方地區相比，南方地區水資源承載力的研究相對較少。曾浩等[18]利用動態因子分析方法對湖北省漢江流域9個城市水資源承載力進行研究，表明漢江流域水資源承載力發展態勢不容樂觀；曹一梅[19]通過區域水資源的人口承載能力與現實人口之間的關系計算滇池流域水資源承載力，指出滇池流域水資源呈過載的狀態。雖然南方地區水資源相對豐沛，但是也面臨水資源供需矛盾的問題，開展區域性水資源承載力研究具有重要的意義。

長江流域多年平均水資源總量為9.96×1011m3，約占全國水資源總量的35%，但受氣候、下墊面等條件的影響，水資源時空分布不均；隨著長江流域經濟社會的快速發展，水污染呈加劇之勢[20]。2014年中央政府工作報告把建設長江經濟帶納入了新時期的國家戰略中，表明長江經濟帶是我國未來經濟和社會發展的重要區域，對推動我國經濟發展具有重要作用[21]。水資源的需求量取決于社會經濟活動的現狀與發展情況[22]，通常隨著經濟的發展而增加。隨著長江經濟帶國家發展戰略的實施，水資源的需求量將不斷增加，水資源供需矛盾凸顯，水環境保護的壓力加大，水資源仍然是該地區經濟社會發展的制約因素之一。本文以長江經濟帶“9省2市”作為研究對象，構建水資源承載力評價指標體系，運用主成分分析方法分析影響水資源承載力變化的因子，綜合評價長江經濟帶水資源承載力的時空變化特征，為長江經濟帶水資源的合理利用和區域的可持續發展提供決策參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

長江是我國第一、世界第三大河流，是貨運量位居全球內河第一的黃金水道和連通東西部的交通和經濟紐帶。長江經濟帶地處長江流域，以亞熱帶和暖溫帶氣候為主，雨量充沛。覆蓋云南省、四川省、重慶市、貴州省、湖北省、湖南省、江西省、安徽省、浙江省、江蘇省、上海市等9省2市，面積約2.05×106km2，占國土總面積的21%，橫跨中國東中西3個區域，自然社會條件地區差異顯著，形成了以成渝為核心的上游城市群、以武漢為核心的中游城市群、以上海為核心的下游城市群[23]。長江上游豐富的水資源為工農業和城市的發展提供了優越的自然條件[23]，但上游地區生態系統脆弱，經濟發展相對落后，水資源開發利用困難。中下游地區經濟相對發達，工農業迅速發展，城市化進程加快，廢污水排放加劇了水污染，2004—2012年長江流域廢污水排放總量逐年增加。水污染造成區域性水質性缺水，加劇水資源供需矛盾，不僅制約了本地區的發展，同時對整個長江流域經濟社會的發展產生了不利影響。

本文所采用的數據資料來源于《中國統計年鑒》，《中國環境統計年鑒》以及長江經濟帶9省2市的水資源公報。綜合考慮指標數據的可獲取性以及同類研究的可比性，本文搜集了2004—2013年10 a跨度的樣本數據，經過計算整理獲得。

1.2 研究方法

選取長江經濟帶9省2市作為研究對象，把其分為東中西部3個大區：西部地區包括云南省、四川省、重慶市和貴州省，中部地區包括湖北省、湖南省、江西省和安徽省，東部地區包括浙江省、江蘇省和上海市。

目前用于水資源承載力評價的方法主要有背景分析法、多因素綜合評價方法、模糊綜合評價、多目標決策分析方法、系統動力學方法、多目標規劃方法等[1,24]，這些方法各有優缺點，在具體的分析中都有一定的局限性。主成分分析方法是一種較新的多元統計方法，有其獨特的原理，其本質是對高維變量系統進行最佳綜合和簡化，可以客觀地確定各指標的權重，有效地避免主觀隨意性[25]。主成分分析旨在利用降維的思想，力保數據信息丟失最小，把多個指標轉換為少數幾個綜合指標(即主成分)，其中每個主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且每個主成分之間是相互獨立的。

運用SPSS 21.0統計軟件對評價指標的數據進行分析，主成分分析的具體步驟為： (1) 為了消除量綱的影響，首先對原始數據進行標準化處理； (2) 計算標準化指標數據的相關系數矩陣R，并求R的特征值λ1，λ2，…λi； (3) 計算累計貢獻率，一般按照累計貢獻率≥85%的原則確定主成分個數t； (4) 計算各主成分對應的t個特征向量并計算其表達式； (5) 以各主成分的信息貢獻率為權重，對水資源承載力進行綜合評價[26]。

2 結果與分析

2.1 評價指標的選擇

水資源承載力的研究涉及自然環境條件與社會經濟的諸多要素，依據科學性、全面性、系統性和可行性原則構建長江經濟帶水資源承載力評價指標體系，選取了社會經濟、水資源量、用水量和廢污水排放量4個準則層，共18個指標(表1)。

2.2 長江經濟帶水資源承載力的時間變化特征分析

選取長江經濟帶9省2市連續10 a(2004—2013年)時間序列的相關數據指標，對長江經濟帶水資源承載力時間變化特征進行評價。表2是主成分的特征值和各主成分貢獻率。由表2可知，前3個主成分的特征值都大于1，其累積貢獻率達到92.563%，滿足累積貢獻率大于85%的要求，基本可以反映水資源承載力的影響因子，所以選擇前3個主成分進行分析。

因子載荷矩陣是主成分與影響因子之間相關系數的矩陣，通過最大方差法對因子進行旋轉得到的矩陣，使因子和原始變量之間的關系進行重新分配，因子載荷矩陣的系數更加顯著，從而更容易對各主成分進行解釋。旋轉后的因子載荷矩陣詳見表3。從表3可知，第1主成分與X4，X9，X11，X14和X15有較大的載荷，主要反映水資源的利用情況；第2主成分在X1，X2，X3，X5，X10，X13，X16，X17和X18有較大載荷，主要反映人口增加和經濟發展對水資源的需求與經濟發展對水資源開發利用的促進作用以及對水環境質量帶來的影響；第3主成分主要反映水資源的自然稟賦條件。3大主成分涵蓋了水資源利用情況、人口和經濟發展和水資源的自然稟賦條件，比較全面地反映了驅動水資源承載力變化的因子，能較好地反映水資源承載力狀況。因此用這3個主成分的變化來分析長江經濟帶水資源承載力的時間變化特征。

表1 研究區水資源承載力評價指標

表2 2004-2013年時間序列主成分的特征值和貢獻率

表3 2004-2013年時間序列旋轉因子載荷矩陣

表4 2004-2013年時間序列特征向量矩陣

表4為特征向量矩陣，表示各主成分的系數，第1主成分得分Z1的表達式為：

Z1= 0.292X1+0.295X2+0.294X3+

0.296X4+0.291X5+0.010X6-

0.036X7-0.011X8+0.286X9+

0.278X10+0.227X11+0.286X12-

0.188X13+0.186X14-0.260X15+

0.289X16+0.109X17+0.205X18

同理，可得第2主成分得分Z2和第3主成分得分Z3的表達式，計算出各主成分的得分和主成分的綜合得分(表5)。表5中，Z1，Z2和Z3分別為第1,第2和第3主成分的得分，Z是3個主成分的綜合得分，可以看出水資源承載力的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，只是表示水資源承載力所處的相對位置，正值表示被評價地區的水資源承載力高于平均水平，負值表示被評價地區的水資源承載力低于平均水平[27]。綜合得分(Z)越大，說明水資源承載力越大，反之則越小[26]。由圖1可知，長江經濟帶水資源承載力呈現逐年上升的趨勢。水資源承載力綜合得分與第一主成分得分的正負方向基本趨于一致，但其變化率減小，這是因為第一主成分所占比重大。Z1呈現逐年增長的趨勢，它主要反映的是水資源的利用情況。隨著人口的增加和工農業的發展，用水量不斷增加，供水壓力增大。供水安全對保障經濟社會的可持續發展具有重要的意義，2013年長江經濟帶供水量由2004年的2.35×1011m3增加至2.65×1011m3，10 a間增長了12.7%，供水大幅度增加。

第2主成分得分反映人口和經濟發展對水資源承載力的影響程度。人口是水資源承載力的壓力亦是動力，人口的增加意味著水資源需求量的加大，給水資源帶來壓力。水資源是經濟社會發展的戰略資源和經濟資源，社會經濟的發展有利于產業結構的調整和節水設施的改善，對水資源的集約利用具有重要的意義。科學技術的進步與應用，可提高水資源的開發利用程度與用水效率，對緩解水資源壓力具有積極的促進作用。2004—2013年長江經濟帶生產總值由6.82×1012元增加到2.59×1013元，增加了2倍多，固定資產投資額從3.05×1012元增加到1.79×1012元，增加了近5倍，農村居民消費水平不斷提高是水資源承載力提高的動力因素。有效灌溉面積的增加是經濟發展促進了灌溉設施的改善，使水資源利用程度提高，有效灌溉面積從2004年的2.07×107hm2增加到2013年的2.34×107hm2。水資源是生產力的重要因素，生產用水的可持續利用是產業發展的保障，但是如果產業廢水得不到有效處理將污染水環境、導致水質性缺水問題的發生。水資源緊缺將制約工農業的可持續發展，并影響區域經濟社會的發展。工業廢水和城市污水的排放已造成長江流域區域性水環境污染，2013年工業廢水排放量由2004年的1.08×1010t增加到1.36×1010t，增幅約30%，同期城市污水排放量增幅高于10%。第3主成分得分反映水資源自然稟賦條件對水資源承載力的影響程度。水資源自然稟賦條件中水資源量是保障水資源承載力的基礎，相對穩定的水資源量為經濟社會的可持續發展提供了堅實后盾。長江流域相對穩定的水資源量，在一定程度上緩解了長江經濟帶水資源承載力的壓力。

表5 長江經濟帶2004-2013年水資源承載力得分

圖1 長江經濟帶2004-2013年水資源承載力動態變化

2.3 長江經濟帶水資源承載力的空間差異

以2013年為例分析長江經濟帶水資源承載力的空間差異，主成分的特征值和貢獻率詳見表6，前3個主成分的累計貢獻率達到87.577%，能夠全面地反映長江經濟帶各省市水資源承載力的驅動因子。

表6 主成分的特征值和貢獻率(空間差異)

表7為旋轉后的因子載荷矩陣，第1主成分在X3，X9，X10，X11，X14和X16上載荷較大，具有強正相關關系，從用水量的角度反映水資源承載力狀況；第2主成分與X4、X5、X6、X7、X8和X18有較大載荷，從水資源量和消費水平反映水資源承載力的狀況；第3主成分所占的比重較小，主要從社會經濟發展狀況反映水資源承載力狀況。3大主成分從不同側面反映了水資源承載力變化的驅動因子。

表7 旋轉因子載荷矩陣(空間差異)

表8為特征向量矩陣，表示各主成分的系數，第1主成分得分C1的表達式為：

C1= 0.251X1+0.307X2+0.306X3+

0.086X4+0.137X5-0.054X6-

0.064X7-0.155X8+0.306X9+

0.271X10+0.304X11+0.310X12+

0.166X13+0.247X14+0.255X15+

0.228X16+0.216X17+0.292X18

表8 特征向量矩陣(空間差異)

同理，可得第2主成分得分C2和第3主成分得分C3的表達式，計算出各主成分的得分和主成分的綜合得分，如表9所示。由表9可知，長江經濟帶水資源承載力綜合得分(C)最大的是東部地區的江蘇省，C值為3.205，最小的是西部地區的貴州省，C值為-2.134，表明長江經濟帶水資源承載力的地區差異明顯。根據長江經濟帶9省2市水資源承載力綜合得分分布圖(圖2)，以長江經濟帶東部、中部和西部分析水資源承載力的空間差異。綜合得分大于2.0的省市只有東部的江蘇省；綜合得分介于1.0～2.0之間的省市有兩個，分別位于中部(湖南省)和西部(四川省)；綜合得分介于0～1.0之間的省市有3個，分別位于東部(浙江省)和中部(安徽省和湖北省)；綜合得分介于-1.0～0之間只有中部的江西省；綜合得分都小于-1.0的省市有4個，分別是東部的上海市和西部的云南省、貴州省和重慶市。通過分析可知，東部和中部地區水資源承載力綜合得分整體較高，西部地區除四川省綜合得分較高之外，其余省市得分相對較低，排名相對靠后。分析其原因，西部地區位于長江流域的上游，地貌類型以山地、高原為主，水土流失嚴重，不僅影響當地水資源的開發利用，而且對中下游地區的水資源利用也帶來不利影響。西部地區經濟社會的發展只能依靠本地水資源，除了四川省水資源稟賦條件較好外，云貴兩省受特殊的喀斯特地形影響，水資源量豐富但開發利用困難，缺水嚴重；而重慶市由于經濟的快速發展，水資源供需矛盾突出。另外，受經濟增長方式較為粗放與產業結構和布局等因素的影響，西部地區經濟社會發展水平低，制約了水資源開發利用率和用水效率的提高，從而導致水資源承載力較差。中東部地區位于長江流域的中下游，豐富的過境水資源為區域經濟社會的發展提供了支撐作用，促進了經濟社會的快速發展。而中東部地區經濟社會的快速發展有利于水資源開發利用率與用水效率的提高、有利于水污染治理水平的提高，從而使水資源承載力得以提升。但中東部地區水資源承載力的壓力因素也不容忽視，僅依靠過境水并不能保證供水安全，若上游來水受到污染，將對中下游地區造成影響。而且，在中東部地區沿江工業企業密布，沿江城市化快速發展，大量工業廢水和生活污水的排放加劇了水環境污染，導致水質性缺水的風險加大。

表9 長江經濟帶9省2市水資源承載力得分(C)

圖2 長江經濟帶水資源承載力空間分布

3 結 論

(1) 對長江經濟帶水資源承載力時空變化特征的評價表明，2004—2013年長江經濟帶水資源承載力呈現出逐年上升的趨勢。人口的增加、區域經濟的發展帶動了水資源開發利率與用水效率的提高，以及水污染治理水平的提高是水資源承載力上升的驅動因素。長江流域優越的水資源自然稟賦條件是長江經濟帶水資源承載力不斷提升的基礎，但區域性水質性缺水是長江經濟帶水資源承載力提高的制約因素。

(2) 長江經濟帶水資源承載力的區域差異顯著，東部和中部地區總體較好，西部地區除四川省外水資源承載力相對較差。長江經濟帶水資源承載力的區域差異主要與所在地區的水資源自然稟賦條件和社會經濟條件相關。

(3) 長江經濟帶水資源承載力時空變化的驅動因子眾多且處于動態變化中，各省市在制定緩解水資源壓力、提高水資源承載力的對策時要有針對性。同時，由于長江經濟帶的發展以長江流域水資源作為支撐，必須在流域尺度上加強水資源管理和水環境保護，以長江流域水資源的可持續利用促進長江經濟帶以及整個流域經濟社會的可持續發展。

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Assessment on Carrying Capacity of Water Resources in Yangtze River Economic Zone Based on Principal Component Analysis

LI Yan, ZHANG Xingqi

(School of Geographic and Oceanographic Sciences， Nanjing University, Nanjing， Jiangsu 210023, China)

[Objective] Evaluation of spatial-temporal characteristics of the water resources carrying capacity of Yangtze River economic zone is of great significance to the rational utilization of water resources and the sustainable development of the region. [Methods] An evaluation index system of water resources carrying capacity that include 18 indices from four aspects, including social economic, the quantity of water resources, water consumption and wastewater discharge, was established. The spatial-temporal characteristics of water resources carrying capacity of the Yangtze River economic zone were evaluated using the principal component analysis method. [Results] The water resources carrying capacity of the Yangtze River economic zone increased during 2004—2013. The main factors to drive the increasing of water resources carrying capacity are natural conditions of water resources, population and economic growth, and water pollution control. The spatial differences of water resources carrying capacity of the Yangtze River economic zone are significant. The water resources carrying capacity of the eastern and the middle regions is in good situation, whereas the water resources carrying capacity of the western region is relatively poor except Sichuan Province. [Conclusion] These differences are mainly attributed to the natural conditions of water resources and the economic development level.

waterresourcescarryingcapacity;principalcomponentanalysis;YangtzeRivereconomiczone;spatial-temporalcharacteristics;assessment

A

： 1000-288X(2017)04-0172-07

： TV213

2016-12-27

：2017-02-26

江蘇省科技計劃項目“城市雨水利用及其對城市內澇災害的減輕作用研究”(BK20141318); 江蘇省水利科技項目(2015057)

李燕(1992—),女(漢族),山西省祁縣人,碩士研究生，研究方向為水資源與水環境。E-mail:lddlliyan@163.com。

張興奇(1964—),男(漢族),貴州省仁懷市人,博士,副教授，主要從事水資源與水土保持方面的研究。E-mail:zxqrh@nju.edu.cn。