基于主成分分析的黃河流域生態(tài)環(huán)境質量評估研究

王珍

（甘肅省生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計與數(shù)據(jù)中心，甘肅蘭州730030）

引言

黃河流域在我國經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位[1]。自2019年9月在河南召開了黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展座談會后，黃河流域生態(tài)環(huán)保和高質量發(fā)展已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。黃河流域是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重點區(qū)域，也是發(fā)展與保護矛盾比較突出的區(qū)域[2]。黃河源頭位于青藏高原，流經(jīng)9個省區(qū)，流域面積75萬km2，河長5464km，2019年徑流量達到592億m3，黃河流域省份2019年底總人口4.2億，占全國30.1%；地區(qū)生產(chǎn)總值24.7萬億元，占全國25.0%；人均GDP為55270元，不到全國人均GDP的78%。黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱，東西差距大，經(jīng)濟仍需大力發(fā)展，黃河流域相關研究也成為目前的熱點。韓君等人利用熵權TOPSIS法測算2017年黃河流域高質量發(fā)展總體水平及其在綠色發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展、社會民生、文化建設、生態(tài)安全子系統(tǒng)的表現(xiàn)，并分析空間分布規(guī)律[3]；劉志博和郝鐘等人對2012?2018年黃河流域9省（區(qū)）生態(tài)文明建設水平展開實證研究，運用SPSS展開聚類分析，指出了黃河流域9省(區(qū))生態(tài)文明建設的優(yōu)勢與短板[4]。借鑒已有研究，主成分分析法作為一種定性和定量相結合的評價方法，在黃河流域生態(tài)環(huán)境質量方面的評價較少，本文構建了一套黃河流域生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系，采用主成分分析方法并對黃河流域9省區(qū)2019年度相關數(shù)據(jù)進行實例分析，探究空間特征，為黃河流域發(fā)展對策和方向上提供參考。

1 生態(tài)環(huán)境質量評價方法

本文通過借鑒已有研究，充分考慮黃河流域的特殊性，基于簡易性、連續(xù)性、科學性和實用性原則，確定了節(jié)能環(huán)保支出、化學需氧量排放量、氨氮排放量、化肥使用量等8個評價指標，采用SPSS24.0軟件進行主成分分析，得到黃河流域9省區(qū)生態(tài)環(huán)境質量綜合得分，最終分析其空間特征。

1.1 生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系建立

本文主要從黃河流域9省區(qū)主要污染物排放量、水質和空氣質量等指標來反映黃河流域生態(tài)保護狀況。具體指標詳見表1。

表1 黃河流域生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系

1.2 生態(tài)環(huán)境質量評價方法

主成分分析的主要思路是將多個指標通過重新組合成幾個相互無關的綜合指標，讓這幾個提取出來的較少的綜合指標盡可能全面地表示出原所有指標的信息，在統(tǒng)計學上叫做主成分分析，在數(shù)學上也是常用的一種降維方法。

1.2.1 逆向指標正向化

本研究采用原始逆向變量（A2、A3、A4、A5、A8）的負數(shù)來進行正向化處理。

1.2.2 標標準化

本研究采用Z標準化方法，每一變量值（A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8）與其平均值之差除以該變量的標準差進行數(shù)據(jù)標準化處理。標準化結果詳見表2。

表2 原始數(shù)據(jù)標準化結果

1.2.3 KMO和巴特利特檢驗

對于已選定的8個指標進行KMO檢驗統(tǒng)計量和巴特利特球形度檢驗判斷指標間的相關性，通過分析巴特利特球形度檢驗判斷指標間的相關性，來確定評價樣本能否采用因子分析法來進行綜合分析。當KMO值>0.5時，可進行因子分析，當巴特利特球形度檢驗對應的顯著性<0.05時，評價樣本數(shù)據(jù)間存在相關性，可進行主成分分析[5]，采用SPSS24.0軟件進行檢驗分析，相關性矩陣見表3，檢驗結果見表4。

表3 相關性矩陣

表4 KMO和巴特利特檢驗結果

1.2.4 主成分確定

特征值是用于客觀計算成分對指標變量影響程度的大小，如果特征值<1時，說明主成分的解釋力度不夠。主成分的方差及方差貢獻如表3所示，分析可知，基于特征值>1的標準，系統(tǒng)提取出2個主成分，成分1的特征值為8.465，成分2的特征值為3.694，兩者總共可以解釋總變異的80.31%，其包含信息量可以解釋生態(tài)環(huán)境指標表征的絕大部分信息，可利用其進行生態(tài)環(huán)境質量的評價研究。

表5 總方差解釋

1.2.5 初始因子載荷矩陣

生態(tài)環(huán)境指標與主成分的相關程度可用初始因子載荷矩陣系數(shù)表征，可以解釋各個主成分變量的變異情況。其中，正或負值分別表示生態(tài)環(huán)境指標與主成分之間呈正或負相關；其絕對值越接近1，表明相關程度越高，該指標越容易成為評價生態(tài)環(huán)境質量的主要指標。生態(tài)環(huán)境主成分初始因子載荷矩陣如表6所示。

表6 主成分初始因子載荷矩陣系數(shù)

1.2.6 主成分計算

將主成分初始因子載荷矩陣中數(shù)據(jù)除以主成分對應特征值平方根，獲得主成分相對應的特征向量，即每個指標相應的系數(shù)，也可以理解為每個主成分的權重，具體計算結果見表7。特征向量乘以每個指標標準化后的數(shù)值得到主成分F1和F2的表達式，計算過程為：

表7 主成分特征向量

主 成 分 F1=?0.399×ZA1+0.365×ZA2+0.309×ZA3+0.269×ZA4+0.410×ZA5+0.346×ZA6+0.319×ZA7+0.388×ZA8

主 成 分 F2=?0.150×ZA1?0.404×ZA2+0.154×ZA3+0.705×ZA4+0.171×ZA5?0.208×ZA6+0.325×ZA7?0.339×ZA8

1.2.7 生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(shù)計算

生態(tài)環(huán)境質量綜合得分F計算過程為：生態(tài)環(huán)境質量綜合得分F=(F1×5.223+F2×5.223×1.202)÷(5.223+1.202)

主成分綜合評價分析是對數(shù)據(jù)進行標準化后的分析，導致有些指數(shù)為負值，因此再進行T分數(shù)轉化。計算新的排名H=60+10×F。結果見表8。

表8 生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(shù)

2 評價結果與分析

選取黃河流經(jīng)的青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南和山東9省區(qū)為研究比較對象，根據(jù)本文構建的黃河流域生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系對9省區(qū)2019年的生態(tài)環(huán)境質量狀況進行評價，分析各省區(qū)在生態(tài)環(huán)境質量方面存在的問題，以期為推進黃河流域生態(tài)保護與高質量發(fā)展提供理論指導和借鑒。各省區(qū)生態(tài)環(huán)境質量評價指標數(shù)據(jù)來源為各省區(qū)發(fā)布的2020年統(tǒng)計年鑒和環(huán)境狀況公報。9省區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量評價結果如表8所示。評價結果顯示，青海省生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(shù)最高，得分86.02，居9省區(qū)之首；甘肅省得分76.82，位列第二；寧夏回族自治區(qū)得分為75.78，緊隨其后；陜西省得分為67.35，位于中上水平，內蒙古、四川、山西3三省區(qū)得分分別為：59.03、56.61、52.07，這3個省份生態(tài)環(huán)境質量狀況為中下水平，河南省和山東省生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(shù)最低，得分分別為36.05和30.27。

如圖1所示，黃河流域生態(tài)環(huán)境質量狀況總體呈現(xiàn)：源頭良好，上中游存在階梯波動，下游生態(tài)環(huán)境質量狀況下降的趨勢。各省區(qū)2019年節(jié)能環(huán)保支出情況為，河南和山東達到300億元以上，四川、陜西和山西3省達到200億元，甘肅和內蒙古達到100億元，青海和寧夏不到70億元，可見節(jié)能環(huán)保支出的地域存在較大差距。主要表現(xiàn)在從上游到下游逐漸增加的趨勢，這主要跟各省區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展狀況、經(jīng)濟結構和環(huán)保意識有關，經(jīng)濟越發(fā)達的省區(qū)，環(huán)保意識越強的省區(qū)，可以拿出更多的財政預算來改善環(huán)境，進而彌補經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的損失。特別是內蒙古和山西作為資源型省區(qū)，更需要不斷增加環(huán)保投入。各省區(qū)2019年主要涉水污染物（化學需氧量、氨氮）排放量狀況為：青海、甘肅、寧夏和陜西的排放量較小，內蒙古、山東、山西和四川排放量較大，河南省的排放量最大；主要涉氣污染物（二氧化硫和氮氧化物）排放量來看，青海、寧夏、甘肅和陜西排放量最小，內蒙古、山西、四川和河南排放量較大，山東排放量最大，這主要與每個省區(qū)的特色行業(yè)有關。各省區(qū)2019年化肥使用量情況為，青海、寧夏、甘肅和山西為100萬t以下，陜西、內蒙古和四川在200萬t以下，山東和河南的使用量最大，達到300萬t以上。這主要是山東和河南作為黃河下游省份，下游地區(qū)從桃花峪到山東省東營市墾利區(qū)黃河口鎮(zhèn)，下游地區(qū)土地肥沃，農(nóng)業(yè)發(fā)達，發(fā)展水平較高[5]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥使用量相對較中上游省區(qū)多。各省區(qū)地級及以上城市空氣質量優(yōu)良天數(shù)比率和地表水達到或好于III類水體比例均達到80%以上的省區(qū)是：青海、甘肅和四川；達到70%以上的為寧夏和陜西；山西、內蒙古、河南和山東的達標率最低。

圖1 生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(shù)

3 結論與討論

本文對黃河流域9省區(qū)采用主成分分析法進行了生態(tài)環(huán)境質量綜合評價，為進一步推進黃河流域生態(tài)環(huán)保與高質量發(fā)展，一是要繼續(xù)加大環(huán)保投入，特別是黃河上游省區(qū)，把發(fā)展綠色金融作為生態(tài)環(huán)境治理體系和治理能力建設的重要內容，在西北地區(qū)深入探索內陸綠色金融供給側改革，構建政策支持引導和多方主體參與的綠色金融市場體系[7]；二是要減少化肥使用量，尤其是下游省區(qū)，從根本上治理農(nóng)業(yè)非點源污染問題，促進黃河流域環(huán)境質量安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[8]；三是要加大環(huán)境治理，逐步改善中下游省區(qū)環(huán)境空氣和地表水質量，將生態(tài)優(yōu)勢轉變?yōu)榻?jīng)濟優(yōu)勢，助力黃河流域生態(tài)環(huán)保和經(jīng)濟社會高質量發(fā)展。