基于主成分分析的新疆水資源承載力分析

洪昕妍

(博爾塔拉水文勘測局，新疆 博樂 833400)

隨著經濟和社會的不斷發展，水資源短缺已經成為我國一個巨大的水資源問題，尤其是對我國西北干旱半干旱地區而言，對生態環境的影響更具限制性。水資源承載力的提出為水資源研究提供了新的思路，有效地結合了水資源領域的承載力概念，使水資源定量評價更加生動[1]。為了研究水資源稟賦與當地社會經濟和自然環境的協調發展，水資源承載力水平評價已成為社會經濟和生態環境可持續發展關注的熱點問題[2]。

1 水資源承載力

承載力的概念最初是從工程學中借來的，最初是指地基強度承載建筑物的能力，現在已經發展成為描述發展限制程度最常用的概念之一[3]。生態學是第一個將這一概念引入科學領域的。根據可持續發展的原則，水資源承載能力是某地區在當前的社會經濟發展水平的基礎上，能夠最大化的維護生態環境良性循環發展，滿足生態用水需求的可用水資源量[4]。

不同的自然條件對于地區發展具有不同的影響，所以研究新疆區域水資源承載力時要結合當地實際情況，因地制宜地提出新疆水資源開發和治理的建議[5]。為了使新疆經濟發展和水資源的開發利用達到可持續，故提出對新疆地區水資源承載力的研究。

2 區域概況

新疆位于中國西北部，新疆中部，歐亞大陸的心臟地帶，東臨吐魯番市。西以昌吉市為界。屬溫帶大陸性干燥氣候，7、8月最熱，平均氣溫25.7℃[6]；最冷的是1月，平均氣溫為-15.2℃。地勢起伏，山區廣闊。南部和東北部高，中部和北部低，山區占總面積的50%以上。

水資源是地處內陸干旱區的新疆最寶貴的資源。新疆水資源形態多樣，有冰川融水、地表徑流和地下徑流等。降水是水資源的供應來源，降水的變化直接影響著水資源的變化。新疆地表水水質良好，河流是內河，河流很短而且分散，它們來自山區，主要由冰雪融水補給，水庫水位隨季節變化較大，分布在綠洲或平原水庫[7]。新疆地區共有河流46條，它們分別屬于烏魯木齊河、頭屯河、白洋河、阿拉溝湖和柴窩鋪湖。新疆地下水資源和冰川資源豐富，主要分布在烏魯木齊河上游、頭屯河的天山和東部的博格達山，儲量73.9億m3，平均消融量1.23億m3[6]。

3 水資源承載力評價

3.1 數據來源及研究方法

3.1.1數據來源

本文研究所用數據均來自于2011—2017年《新疆統計年鑒》、《新疆水資源公報》。

3.1.2研究方法

本文采用主成分分析法對新疆水資源承載力進行綜合評價。主成分分析是通過降維的方式，用少量指標代表多數變量指標，并盡可能多地反映多數變量指標所反映的信息的一種獨立的統計分析方法[8]。具體計算步驟如下。

(1)指標標準化：

(2)計算相關系數矩陣：

(3)計算主成分貢獻率和累計貢獻率，將累計貢獻率大等于85%的確定為主成分[9]：

(4)計算主成分載荷：

(5)計算綜合得分對區域水資源承載力進行綜合評價。

3.2 建立評價指標體系

水資源承載力的研究涉及社會、經濟、生態等各個要素，結合實際資料建立新疆水資源承載力評價指標體系[10]。選取12個指標對新疆 2011—2017年水資源承載力進行綜合評價，評價指標體系如圖1所示。

圖1 水資源承載力評價指標體系

3.3 評價結果分析

借助SPSS 22.0軟件對12個指標因子進行主成分數據分析處理，得到分析結果見表1。

表1 因子方差表

表2 總方差結果表

由表2中我們可以看出，將12個因素根據總方差貢獻值最后分成了3個主成分，第一主成分貢獻值為51.269%，第二主成分貢獻值為24.468%，第三主成分貢獻值為14.878%，3個主成分的貢獻值累計達90.614%，說明前3個主成分足以代表所有因素的影響程度。

圖1為主成分分析生成的碎石圖。碎石圖按特征值的大小排列[11]，一般來說，碎石圖中拐點前所有因子和拐點后的第一個因子是主成分因素[12]。從圖1可以看出，前3個主成分的特征值較大，而其他成分較小，拐點出現在第五特征值處。由于前3個分量已經滿足主成分的要求，所以沒有提取第四個因子。

圖2 成分碎石圖

表3 成分矩陣

由表3可知，第一主成分與總人口、廢水排放量、城市人口比例、區域總產值和固定資產投資呈正相關，與工業用水總量呈負相關，可以看見第一主成分反映了人口、社會和經濟發展的各個方面。第一主成分累積貢獻率達到51.296%，占3個主成分的主要地位，說明人口、社會和經濟發展水平是影響新疆水資源承載力的主要因素。從2011—2017年的7年間，新疆人口和社會經濟處于不斷增長的趨勢，這就導致了水資源大量消耗。同時由于經濟發展和人類活動的影響，水資源浪費和水污染問題日益加劇，對新疆水資源承載能力造成影響[13]。

由表3可知，第二主成分與供水總量和農業用水呈正相關，可以認為第二主成分主要反映新疆水資源的用水程度與用水結構。第二主成分累計貢獻率為24.468%，說明水資源的用水程度與用水結構也是影響新疆水資源承載力的一個重要因子。新疆主要用水部門為農業用水，其次為工業用水、生態建設用水以及居民用水，用水結構不均，農業用水效率低，造成水資源的不合理利用，此外新疆地區的降水主要集中在夏季，年內水資源分配不均，這些都影響著水資源承載力。

由表3可知，第三主成分與人均水資源量呈正相關，與城鎮生活居民用水量呈負相關，可以認為第三主成分主要反映新疆水資源的豐盈程度。第三主成分累計貢獻率為14.878%，說明水資源的豐盈程度也是影響新疆水資源承載力的一個重要因子。

進行主成分計算得到：

F1=0.659X1+0.933X2-0.306X3-0.301X4-0.886X5+0.417X6-0.407X7-0.315X8+0.962X9+0.967X10+0.908X11+0.868X12

F2=-0.331X1+0.036X2+0.895X3+0.886X4+0.361X5-0.379X6-0.739X7+0.205X8+0.113X9+0.127X10+0.380X11+0.450X12

F3=-0.396X1+0.313X2-0.192X3-0.267X4-0.132X5-0.770X6+0.391X7+0.764X8-0.004X9+0.157X10+0.151X11+0.171X12

F=(51.296%/90.614%)F1+(24.468%/90.614%)F2+(14.878%/90.614%)F3

=0.566F1+0.27F2+0.1642F3

根據公式得到新疆水資源承載力綜合得分見表4，F1、F2、F3是主成分得分，F為綜合得分。正向得分表示該值高于研究時的平均水平，負向得分表示低于平均水平[14],綜合得分數值越大，說明水資源承載力越強，反之承載力越弱。

表4 新疆水資源承載力綜合得分表

圖3 2011—2017年F值變化趨勢圖

由表4和圖2可以看出，新疆的水資源承載力隨著時間的增加，呈現出逐年上升的趨勢，造成的主要原因是由于城市化的不斷推進，以及人口和經濟的快速發展，水資源的需求和消耗不斷增加，但水資源利用效率和處污能力逐漸提高[15]。另外，人們的節水意識不斷提高，這在一定程度上可以提高水資源的承載能力[16]。

4 結語

水資源承載力可以很好的評價地區水資源的現狀及發展情況。本文對新疆地區2011—2017年社會、經濟、自然條件數據進行分析研究，構建了新疆地區水資源承載力評價指標體系，借助SPSS 22.0軟件對12個指標因子進行主成分數據分析處理，主要得到影響新疆水資源承載力的3個主成分為人口、社會、經濟發展水平、用水程度與用水結構以及水資源的豐盈程度。此外，研究結果顯示隨著時間的增長，新疆水資源承載力得分呈現逐年增加趨勢，表明水資源承載能力逐步提高。本研究綜合社會經濟各個方面，對于推動新疆地區經濟與生態協調耦合發展，實現資源可持續利用具有一定的積極意義。