基于主成分分析的黑龍江省水資源承載力評價研究

陳夢婷，程顯霞，王正君，武永娜

(黑龍江大學 水利電力學院，哈爾濱 150080)

1 概述

水資源是人類生存和發展不可或缺的重要物質基礎[1-3]。黑龍江省地域廣闊，作為我國重要的水資源省份之一，擁有豐富的水資源和水利條件，境內有黑龍江、松花江、輝南江等重要河流，水域面積達到8.86萬km2，水資源總量達到1.4萬億m3，約占全國總量的7%。盡管水資源豐富，但同時面臨著水資源開發利用不合理、環境污染、水資源供需矛盾等問題，因此對黑龍江省水資源承載力進行評價研究，對于推動黑龍江省水資源合理利用，保障經濟社會可持續發展具有重要意義。在未來的發展中，需要進一步加強水資源管理，提高水資源利用效率，保護好水生態環境，實現可持續發展。

2 水資源承載力評價的概念和意義

水資源承載力是指一個地區在一定時期內，由于社會、經濟、環境、生態等多個方面的需求，以及自然生態環境的條件限制，能夠滿足這些需求的水資源量的極限范圍。水資源承載力評價的主要目的是為了揭示地區水資源狀況、水資源利用效率以及未來水資源供需狀況，從而調整和優化水資源利用結構，合理規劃水資源開發利用，保障水資源可持續利用。水資源承載力評價還有利于落實國家水資源管理制度，推進相關政策法規的實施，增強水資源保障能力。

目前，對于水資源承載力評價研究眾多學者采用了不同的方法，從不同的方向出發開展了一系列研究[4-8]，但各種方法均有其優勢和局限性。其研究涉及流域、灌區、行政區等不同區域，研究內容包括水資源時空分布特征分析，水資源承載力的動態模擬評估等，研究方法主要有主成分分析法、生態足跡法、模糊綜合評價法等，這為研究農各地區水資源承載力的可持續發展問題提供了可參考的理論依據[9]。

3 區域概況與數據來源

黑龍江省位于中國東北地區，地理位置重要，是中國的區域性大省之一，水資源豐富，主要有黑龍江、松花江、輝南江、嫩江、圖們江、雞西河、渾河、雅魯河等多條大河流經該省。此外，黑龍江省還有眾多湖泊、水庫、大型水利工程等，其中黑龍江、松花江是中華民族創造歷史的重要河流，是中俄邊境的天然屏障，這兩條河流橫貫黑龍江省，為該省的經濟發展和人民生活提供了極為重要的水資源。

本文收集了黑龍江省2016—2020年的水資源數據和經濟統計數據。數據主來源于《中華人民共和國水利部》《黑龍江省水利廳》《黑龍江省統計年鑒》以及與黑龍江省有關的各類統計年鑒和公報，并計算整理獲取。原始數值見表1所示。

表1 黑龍江省水資源安全評價指標及原始數值

4 實證分析

4.1 指標的選取

水資源承載力是由經濟情況、社會情況、供需情況與生態情況等多種要素綜合構成的概念，由此可見，選擇恰當的指標在對特定區域水資源承載力作出評價時顯得尤為重要。本文結合以往對水資源承載力的深入研究與總結，綜合考慮了全國水資源供需研究中的體系構建方法，并在分析了黑龍江省實際情況后，選取了16個指標因子對黑龍江省2016—2020年的水資源承載力進行綜合評價(見表2所示)。

表2 水資源安全評價指標體系

4.2 結果分析

選取反映黑龍江省水資源承載力的16個因子，進行主成分分析，其步驟分為：① 對數據進行標準化處理；② 得出相關矩陣R，并求R的特征值分別為λ1，λ2，…，λi； ③ 計算累計貢獻率，當累計貢獻率≥85%時可確定主成分個數；④ 計算主成分的特征向量和表達式；⑤ 以貢獻率為權數對水資源承載力進行綜合評價[10]。

運用SPSSPRO統計軟件可得水資源承載力因子相關系數矩陣和主成分的特征值及貢獻率(見表3、表4)。

表3 黑龍江省水資源承載力因子相關系數矩陣

表4 黑龍省主成分特征值及貢獻率

由表3可知，所選取的16個因子之間存在相關性，這是進行主成分分析的基礎和條件，也進一步驗證了對因子做主成分分析的必要性和科學性。

由表4可知，前3個主成分的累計貢獻率已經達到了93.569%(大于85%)，可基本認為3大主成分可以全面反映影響水資源承載力的16項因子的絕大多數信息，可以充分體現黑龍江省水資源承載力的年際變化趨勢。故選取3個主成分對黑龍江省水資源承載力進行分析，并得出3個主成分得分系數矩陣反映主成分與影響因子間的關系(見表5所示)。

表5 因子荷載矩陣

從表5可以看出，主成分與變量之間的相關系數，第1主成分與年降水量(C1)、地表水資源量(C2)、地下水資源量(C3)、地下與地表水資源不重復量(C4)、水資源總量(C5)、用水普及率(C10)、人均GDP(C11)、萬元GDP用水量(C12)、農田灌溉水有效利用系數(C16)之間存在較強的正相關關系，與總用水量(C6)、人口總量(C8)、人口自然增長率(C9)、工業廢水排放量(C13)、工業廢水排放處理率(C14)存在較強的相關關系，基本涵蓋了供需情況、社會情況、經濟情況和生態情況的主要因子。由各因子的荷載系數大小可見，相對于生態環境而言，水資源自然條件、社會人口和經濟發展對黑龍江省水資源承載力的重大影響，同時也反映了隨著水資源自然條件的不斷改善，雖然水資源的需求逐漸増加，會給水資源承載力造成一定壓力，但從總體來看，水資源的供需得到一定的緩解。 第2主成分與人均綜合用水量(C7)具有較強相關關系，反映了人均綜合用水量對水資源承載力具有一定影響。第3主成分與耕地實際灌溉畝均用水量(C15)具有較強相關關系，體現出耕地實際灌溉畝均用水量對黑龍江省水資源承載力的也有影響。

根據綜合分析可知，黑龍江省的水資源的開發利用已具有一定的規模，但隨著社會經濟的不斷發展，科技水平的進步，使水資源的開發與利用得到有效地改善，水資源承載力還將有一定的富余空間，客觀地反映了黑龍江省的水資源開發利用情況及其水資源承載潛力[12-13]。

黑龍江省水資源承載力的綜合排名(2016—2020年)見表6所示，其中，Z1、Z2、Z3是主成分得分，Z是主成分的綜合得分。主成分得分有正負之分，正負代表水資源承載力所處的相對位置，負值表示該年份得分處于平均水平之下，正值說明該年份得分處于平均水平之上[10]。綜合得分Z值越大，說明水資源承載力越大，反之越小[14]。

表6 黑龍江省水資源承載力綜合排名(2016—2020年)

由表6可知，黑龍江省水資源承載力總體呈遞增趨勢，雖然經濟發展導致工業生產與日常所需的水資源逐年増加，但是隨著科學技術的改進和人們節水意識的增強，水資源的有效利用率不斷提升，使得水資源的承載壓力得到一定的緩解。因此，從總體來看水資源的承載力呈現了逐年增長的趨勢。

根據表6，繪制黑龍江省水資源承載力綜合趨勢(如圖1所示)，可以更為直觀的展示2016—2020年黑龍江省水資源承載力的動態變化。

圖1 水資源承載力主成分及綜合得分趨勢示意

由圖1可知，2016—2020年承載力的得分在-0.8～0.9之間波動，2016年得分最低，2019年得分最高，2017年到2019年上升幅度較大，是因為2017—2019年間水資源總量有明顯增加。第1主成分的變化趨勢和水資源承載力大體一致，由于第1主成分所占貢獻率為69.868%，故其相應的指標對水資源承載力的影響最大，第2主成分和第3主成分的變化趨勢相較于綜合得分的變化趨勢有較大波動，因其對綜合得分影響相對較小。

5 結語

1)本文基于主成分分析法，結合2016—2020年黑龍江省水資源的實際情況進行分析，綜合評價了黑龍江省水資源承載力狀況，分析得出，影響黑龍江省水資源承載力的決定性因素是水資源自然條件、社會人口和經濟發展。

2)從時間上看，2016—2020年黑龍江省水資源承載力總體呈現上升趨勢。其中，2016年的綜合得分為-0.771，分值最小，處于弱承載力；2019年的綜合得分為0.846，分值最大，承載力最強。2016—2018年的水資源承載能力雖然一直在增強，但仍處于弱勢。

3)通過分析得出，水資源自然條件、社會人口和經濟發展是影響黑龍江省水資源承載力的主要因素。隨著經濟的發展和水資源自然條件的不斷改善，雖然水資源的需求逐漸増加，會給水資源承載力造成一定壓力，但從總體來看，水資源的供需得有效的緩解，但仍需大力提倡節約用水，提高水資源利用率。