基于主成分分析的廣東省水資源承載力研究

徐芬芬

（廣東省環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，廣州 510045）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，資源和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出，水資源短缺已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，因此，正確地評(píng)價(jià)區(qū)域水資源狀況，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。水資源承載力是承載力概念與水資源領(lǐng)域的自然結(jié)合。水資源承載力是指“某一地區(qū)的水資源在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可以預(yù)見(jiàn)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為條件，經(jīng)過(guò)優(yōu)化配置，對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力”[1]。近年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)水資源承載力進(jìn)行了研究，研究的方法主要有常規(guī)趨勢(shì)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、多目標(biāo)決策分析法等[2、3]。影響水資源承載力的因素有很多，而主成分分析法采取降維的方式，可以將很多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)（即主成分），且每個(gè)主成分都能夠涵蓋原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復(fù)。曹麗娟等學(xué)者分別用主成分分析法對(duì)甘肅省[1]、浙江省[4]、安徽省[5]、河北省[6]、江西省[7]、陜西省[8]、湖南省[9]、遼寧省[10]、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶[11]、漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶[12]、遼河干流[13]等地區(qū)和流域的水資源承載力進(jìn)行了研究，主要著眼于對(duì)水資源狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而對(duì)影響水資源現(xiàn)有狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)力及針對(duì)驅(qū)動(dòng)力所做出的響應(yīng)研究較少。本文將在原有的研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用驅(qū)動(dòng)力（Driving force）-壓力（Pressure）-狀態(tài)（State）-影響（Impact）-響應(yīng)（Response）模型構(gòu)建多因素指標(biāo)體系，利用主成分分析法對(duì)廣東省水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為廣東省的水資源規(guī)劃及合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 區(qū)域概況

廣東省地處珠江流域下游，陸地國(guó)土面積為17.96萬(wàn)平方公里，約占全國(guó)陸地面積的1.85%；2016年廣東省常住人口達(dá)10,999萬(wàn)人[14]，占全國(guó)總?cè)丝诘?.95%，是國(guó)內(nèi)人多地少的省份之一。廣東省的水資源相當(dāng)豐富，據(jù)2016年《中國(guó)水資源公報(bào)》顯示，全省年平均降水量達(dá)2357.6mm，僅次于福建省，位居全國(guó)第二；地表水資源量為2448.5億m3，占全國(guó)地表水資源總量的7.8%；地下水資源量為570.0億m3，占全國(guó)地表水資源總量的6.4%；水資源總量為2458.6億m3，占全國(guó)地表水資源總量的7.6%。廣東省主要河系為珠江的西江、東江、北江和三角洲水系以及韓江水系，其次為粵東的榕江、練江、螺河和黃崗河以及粵西的漠陽(yáng)江、鑒江、九洲江和南渡河等獨(dú)流入海河流。珠江通航能力僅次于長(zhǎng)江，居中國(guó)江河水系的第二位，長(zhǎng)度及流域面積均居中國(guó)第四位。

1.2 研究方法

本文采用主成分分析法對(duì)廣東省的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要步驟為：1）在收集數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，選取合適的分析指標(biāo)，確定分析變量；2）為消除不同變量量綱不同帶來(lái)的影響，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；3）計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值和特征向量，并按照特征值的大小進(jìn)行排序；4）根據(jù)各特征值的大小及累積貢獻(xiàn)率確定主成分個(gè)數(shù)，一般根據(jù)特征值大于1或累積貢獻(xiàn)率大于85%的原則確定；5）以各主成分的信息貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)，對(duì)歷年水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所涉及數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2006～2015年《廣東國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》《廣東省環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)》《廣東省環(huán)境狀況公報(bào)》和《廣東省水資源公報(bào)》。

2 廣東省水資源承載力評(píng)價(jià)

2.1 指標(biāo)的選取

水資源系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，影響水資源承載力的因素有很多，且各要素之間相互聯(lián)系、相互作用。DPSIR模型構(gòu)建的指標(biāo)體系可以很好地拓展指標(biāo)體系的內(nèi)涵，但是目前將其應(yīng)用到水資源承載力評(píng)價(jià)中的研究較少。本文在原有研究基礎(chǔ)上將DPSIR模型用于水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、環(huán)境等因素對(duì)水資源系統(tǒng)的影響，涵蓋了水資源狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)力、壓力、影響及響應(yīng)等多項(xiàng)指標(biāo)，能更完整地反映各要素之間的關(guān)系，突出自然環(huán)境、資源與社會(huì)之間的關(guān)聯(lián)，為決策者提供科學(xué)的管理依據(jù)。

基于DPSIR模型，遵循指標(biāo)代表性、獨(dú)立性、系統(tǒng)性、可量化等原則，并考慮指標(biāo)的可獲得性，選取23個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了廣東省水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，詳見(jiàn)表1。

表1 廣東省水資源綜合承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 結(jié)果與分析

為消除各指標(biāo)量綱的影響，利用SPSS軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理再進(jìn)行相關(guān)分析，原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，得到的指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

本研究共有23個(gè)指標(biāo)，故得到的特征值及特征向量共有23個(gè)，按照特征值大于1及累計(jì)貢獻(xiàn)率＞85%的原則提取主成分，最終確定提取的主成分個(gè)數(shù)為2個(gè)，提取的2個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征值及貢獻(xiàn)率見(jiàn)表3。由表3可以看出，提取的2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)90.023%，已超過(guò)85%，因此，提取的2個(gè)主成分基本可以代表全部指標(biāo)對(duì)廣東省水資源承載力的影響。

各特征值對(duì)應(yīng)的特征向量見(jiàn)表4。

因子載荷矩陣是主成分與各因子之間相關(guān)系數(shù)的矩陣，通過(guò)最大方差的正交旋轉(zhuǎn)法對(duì)因子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到的矩陣，使因子和原始變量之間的關(guān)系進(jìn)行重新分配，因子載荷矩陣的系數(shù)更加顯著，從而更容易對(duì)各主成分進(jìn)行解釋[11]。經(jīng)過(guò)25次迭代旋轉(zhuǎn)后得到的各主成分荷載矩陣如表5所示。

從表5中可看出，第1主成分與水資源驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)、壓力指標(biāo)、影響指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)呈顯著的相關(guān)性，反映了人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及管理對(duì)水資源承載力的影響。其中，X1、X3、X4、X5、X6、X11、X13、X14、X15、X20、X21、X22、X23等指標(biāo)與第1主成分呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，且城鎮(zhèn)居民人均可支配收入及城市污水日處理能力兩項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率均達(dá)99%以上，表明人民生活水平的提高及污水處理設(shè)施的建設(shè)在一定程度上能緩解水資源的壓力；X2、X7、X8、X9、X10、X11、X12等指標(biāo)與第1主成分呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且人均綜合用水量、萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量等3個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率達(dá)98%以上，表明由于人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來(lái)的水資源消耗是影響水資源承載力的重要因素。

表2 2007～2016年廣東省水資源承載力指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

第2主成分與水資源狀態(tài)指標(biāo)X16、X17、X18、X19呈顯著的相關(guān)性，其中水資源總量、地表水資源量和地下水資源量等指標(biāo)與第2主成分呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明我省的水資源含量充足，對(duì)于緩解水資源供需矛盾，提高水資源承載力起到重要作用；水資源開(kāi)發(fā)利用率與第2主成分呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明水資源開(kāi)發(fā)利用率越低，水資源待開(kāi)發(fā)利用潛力越大，能支持的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平越高。

根據(jù)特征向量及標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，可得到2006～2015年2個(gè)主成分的得分F1和F2 ，然后根據(jù)各主成分對(duì)應(yīng)特征值的方差貢獻(xiàn)率計(jì)算出水資源承載力的綜合得分F，結(jié)果見(jiàn)表6。

表3 提取的主成分特征值及貢獻(xiàn)率

表4 特征值及特征向量

表5 旋轉(zhuǎn)后各主成分荷載矩陣

表6 各主成分得分及綜合得分情況表

從表5可以看出，主成分得分及綜合得分均有正有負(fù)，但得分正、負(fù)并不代表水資源承載力的實(shí)際水平，而是表示其所在年份水資源承載力所處的相對(duì)位置，得分為正表明水資源承載力水平高于評(píng)價(jià)時(shí)間段平均水平，得分為負(fù)表明水資源承載力水平低于評(píng)價(jià)時(shí)間段平均水平。綜合得分越高，表明水資源承載力越大；綜合得分越低，表明水資源承載力越小[15]。

從下圖可以看出，第1主成分得分在評(píng)價(jià)時(shí)間段內(nèi)呈逐年上升趨勢(shì)，這是因?yàn)閷?duì)第1主成分荷載較大的指標(biāo)在評(píng)價(jià)時(shí)間段內(nèi)呈有序上升或下降趨勢(shì)。2006～2015年十年間，廣東省年末常住人口增加了1500萬(wàn)人；GDP由25,968億元增長(zhǎng)至72,812億元，增長(zhǎng)了1.8倍；固定資產(chǎn)投資由8116億元增長(zhǎng)至30,031億元，增長(zhǎng)了2.7倍；城鎮(zhèn)居民人均可支配收入及農(nóng)村居民人均純收入分別增加1.2倍和1.6倍。而隨著廣東省人口的增加、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)水資源的需求量和排放量也會(huì)不斷增加，給水資源承載力造成的負(fù)擔(dān)會(huì)不斷加大；另一方面，隨著科技的進(jìn)步，單位用水指標(biāo)以及工業(yè)廢水排放量均呈逐年下降的趨勢(shì)，其中，萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量減少70%，工業(yè)廢水排放量減少了30%，人均綜合用水量、城鎮(zhèn)居民人均生活用水量減少20%，同時(shí)，水利、環(huán)境和公共設(shè)施管理投資由643億元增長(zhǎng)至1443億元，增加了2.8倍，城市污水處理能力由724萬(wàn)噸增加至2353萬(wàn)噸，提高了2.2倍，森林覆蓋率及水質(zhì)優(yōu)良率保持平穩(wěn)并有上升的態(tài)勢(shì)，這些都在一定程度上緩解了人口增加和經(jīng)濟(jì)社會(huì)化進(jìn)步帶給水資源承載力的壓力。

2006～2015年廣東省水資源承載力主成分得分及綜合得分折線圖

而第2主成分呈波動(dòng)狀態(tài)，這主要是由于對(duì)第2主成分荷載較大的指標(biāo)（水資源總量、地表水資源量、地下水資源量、水資源開(kāi)發(fā)利用率等）在評(píng)價(jià)時(shí)間段內(nèi)呈波動(dòng)狀態(tài)。廣東省屬于東亞季風(fēng)區(qū)，地處低緯度帶，面臨廣闊的海洋，受地形及季風(fēng)氣候的影響，降水充沛，年平均降水量在1300～2500毫米之間，但降水年內(nèi)及年際分布不均勻，年際變化較大，多雨年降水量為少雨年的2倍以上，從而導(dǎo)致廣東省的水資源條件的不穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)水資源承載力造成影響。

綜合得分與第1主成分得分趨勢(shì)保持一致，在評(píng)價(jià)時(shí)間段內(nèi)呈逐年上升的趨勢(shì)，這是因?yàn)榈?主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)72.476%，而呈波動(dòng)狀態(tài)的第2主成分的貢獻(xiàn)率僅為14.547%，對(duì)綜合得分沒(méi)有起到太大影響。在2006～2015年十年間，廣東省水資源承載力呈逐年上升的趨勢(shì)，其主要原因有：1）在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，對(duì)水利環(huán)境等公共管理設(shè)施的投入越來(lái)越大，污水處理能力不斷增強(qiáng)，緩解了污廢水排放帶來(lái)的水資源壓力；2）同時(shí)隨著科技的快速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)λY源的消耗水平逐年減少，工業(yè)廢水排放量也呈下降的趨勢(shì)，在一定程度上緩解了水資源的供需矛盾；3）隨著人們節(jié)能減排意識(shí)的增強(qiáng)，化學(xué)需氧量排放總量、氨氮排放總量等指標(biāo)增速逐漸趨于平緩，且從2012年開(kāi)始呈逐年下降趨勢(shì)，這些都能緩解一部分水資源的壓力，提高水資源承載力。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)主成分分析法，提出的2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)90.023%，能較好地反映全部指標(biāo)對(duì)廣東省水資源承載力的影響。

（2）主成分分析法提取的第1主成分與水資源驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)、壓力指標(biāo)、影響指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)呈顯著的相關(guān)性，反映了人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及管理對(duì)水資源承載力的影響。第2主成分與水資源狀態(tài)指標(biāo)反映了水資源的自然稟賦條件對(duì)水資源承載力的影響。

（3）各主成分得分及水資源承載力的綜合得分表明，2006～2015年十年間，廣東省水資源承載力呈逐年上升的趨勢(shì)。表明經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步、科技水平的提高、人們節(jié)能減排意識(shí)的提高都能從一定程度上緩解水資源供需矛盾，減少水資源的壓力，提高水資源承載力。

（4）影響廣東省水資源承載力的因子眾多，政府部門(mén)在制定緩解水資源壓力、提高水資源承載力的對(duì)策時(shí)，可從推廣節(jié)水器具、提升用水水平、提高污水處理效率、減少污廢水排放、加強(qiáng)節(jié)能減排宣傳、提高人民節(jié)能減排意識(shí)等方面綜合考慮。