基于主成分分析的安徽省水资源承载力研究

宁 溶

（安徽大学 社会与政治学院，安徽 合肥230601）

“水资源承载力”是随着水问题的日益突出由我国学者在上世纪80年代末提出来的。作为可持续发展研究和水资源安全战略研究中的一个基础课题，水资源承载力研究已引起学术界高度关注并成为当前水资源科学中一个重点和热点研究问题［1］。近年来，随着社会经济的快速发展、人口的不断增长以及工业化、城市化的不断推进，安徽省的水资源供需矛盾日益尖锐，已经逐渐成为制约社会经济可持续发展的瓶颈。因此，实现水资源的可持续利用是当务之急，对安徽省的水资源承载力进行分析研究，必将有利于水资源的合理优化配置，同时对区域社会经济可持续发展有着重要的现实意义。

1 国内外水资源承载力研究现状

国外关于水资源承载力的单项研究成果较少，且大多被纳入可持续发展理论中。如Harris着重研究了农业生产区域水资源农业承载力，将此作为区域发展潜力的一项衡量标准［2］；Joardor等从供水的角度对城市水资源承载力进行了相关研究，并将其纳入了城市发展规划当中［3］；Rijiberman.J等在研究城市水资源承载力评价和管理体系中将承载力作为城市水资源安全保障的衡量标准［4］；美国的URS公司对佛罗里达Keys流域的承载能力进行了研究，内容包括承载力的概念、研究方法和模型量化手段等方面。此外，Falkenmark等学者的一些研究也涉及到水资源的承载限度等问题。

国内在这方面研究起步较晚，始于20世纪80年代中后期，以新疆水资源软科学课题组对新疆的水资源承载力和开发战略对策进行研究为代表。之后有许多学者对水资源承载力进行了研究，如施雅风、惠泱河、夏军等。虽然经过几十年的发展，国内学者们通过一系列研究计划和工作，获得了较大的进展和一些初步成果，但到目前为止，水资源承载力的研究仍未形成一个系统的、科学的理论体系。

国内的研究成果归纳起来，可分为以下3个方面：（1）偏重从水资源承载力的定量计算、评价模型和方法上进行积极探索。如施雅风、曲耀光［5］、张鑫［6］，陈冰［7］、傅湘［8］、朱照宇［9］等分别采用常规趋势法、模糊评价法、系统动力仿真、主成分分析、多目标分析法对多地方的水资源承载力进行研究和评价；与此同时还有一些学者对水资源承载力评价模型进行深入研究，如冯耀龙、王顺久、孙志等。（2）偏重从水资源承载力评价指标体系上进行探索。一类是从传统的水资源供需平衡分析基础上发展起来的对区域水资源承载力的评价；另一类是选择反映区域水资源承载力的主要影响指标，借助一定的评价模型和方法，综合评价水资源承载力。（3）偏重从水资源承载力的概念理论、内涵方面进行探讨。施雅风、冯尚友、惠泱河等多位学者从不同角度对水资源承载力进行了定义，可归纳为3种类型：第一种强调的是水资源所能供给的量［10-11］；第二种强调的是水资源所能承载的人口数量［12］。第三种观点认为，水资源承载力是指在一个地区或流域的范围内，在具体的发展阶段和发展模式条件下，当地水资源对该地区经济发展和维护良好的生态环境的最大支撑能力［13］。

2 安徽省水资源概况

安徽省地处中纬度，是亚热带向暖温带的过渡区域，气候具有明显的过渡性，受季风气候影响，天气多变，降水年际变化大，常有旱涝等自然灾害发生。全省境内共有淮河、长江、新安江流域3大水系。

2010年，全省水资源总量为922.82×108m3，其中地表水资源量为876.27×108m3，地下水资源量为197.81×108m3，地表水与地下水资源重复量为151.26×108m3，人均水资源占有量为1 550.90m3／人，均高于多年平均水平，但时空分布不均，差异较大。在时间分布上，降水主要集中在3～9月，占总降水量的80%～90%，其他月份降水量较少；在空间分布上，南方多于北方，山地丘陵多于平原，就3大水系而言，新安江流域降水量最多，长江流域次之，淮河流域最少。全省用水总量为293.72×108m3，人均用水量为493.60m3／人，同样高于多年平均水平［14］。

总的来说，安徽省水资源较丰富，但近年来，随着社会经济的持续发展，人口的增长以及工业化、城市化的不断推进，工农业用水、生活用水不断增多，一些城市出现了水资源短缺的现象，再加上水环境的恶化，水资源供需矛盾日益尖锐，已经逐渐成为制约社会经济可持续发展的瓶颈。

3 安徽省水资源承载力分析

3.1 方法和指标的选取

常用的水资源承载力综合评价方法很多，如背景分析法、层次分析法、多目标决策分析法、模糊综合评判法等，这些方法各有特点，但在具体的分析过程中都存在一定的局限性，且模型精度较难控制，而主成分分析法与上述常见的方法有着不同的原理，其本质是对高维变量系统进行最佳综合与简化，同时可以客观地确定各个指标的权重，避免人为的主观任意性。鉴于此，本文采用主成分分析法对安徽省各地市水资源承载力进行具体计算和分析。

水资源承载力研究的关键是水资源承载力评价指标体系的建立，本文依据科学性、整体性、区域性和可行性等原则，在参照国内外水资源承载力研究实例的基础上，综合考虑相关因素对安徽省各地市水资源的影响程度，经过反复筛选后，根据《安徽统计年鉴》和《安徽省水资源公报》的统计资料，选取了14个水资源承载力评价指标：X1：人口数（万）；X2：人均GDP（元）；X3：人均水资源量（m3）；X4：水资源利用率（%）；X5：总供水量（108m3）；X6：城市化（%）；X7：降水量（108m3）；X8：农业用水（108m3）；X9：工业用水（108m3）；X10：生活用水（108m3）；X11：生态用水（108m3）；X12：工业废水的年排放量（万吨）；X13：农村居民生活消费支出（元）；X14：城市居民消费支出（元）。

3.2 主成分分析

对安徽省17个地市的14个指标进行标准化，见表1。

表1 安徽省17个地市的水资源承载力评价指标

表2 KMO和巴特利特检验

由表2可知，巴特利特球度值为337.205，P值为0.000，表明该研究运用主成分分析方法是可行的。与此同时，在表3中X1与X10、X2与X6、X2与X13以及 X2与 X14的相关系数分别为0.944、0..923、0.869和0.839，表明各变量之间存在较大的相关性，符合主成分分析的必要条件。

表3 相关系数矩阵

表4 主成分的特征值、贡献率及累计贡献率

由表4可以看出，前4个主成分的累计贡献率为88.23%，较全面地包括了水资源承载力变化的驱动因子，能较好地反映安徽省各地市水资源承载力所处的状况。

表5反映了各变量在各个主成分上的载荷。可以看出，人口数、人均GDP、水资源利用率、城市化、工业用水、农村居民生活消费支出和城市居民消费支出在主成分1上有较大的载荷，总供水量、生活用水在主成分2上有较大载荷，人均水资源量、降水量以及生态用水在主成分3、4上有较大载荷，因而可以把主成分概括为人口与社会经济技术水平、水资源数量、水资源开发利用水平和用水状况。

由表5主成分载荷矩阵和4个特征值，可以得出各个特征值相对应的特征向量。所得到的特征向量矩阵与影响水资源承载力驱动因子的标准化值矩阵相乘，最终得到安徽省17个地市的4个主成分得分情况，把各个主成分在整个主成分中的贡献率作为权重，计算出安徽省17个地市水资源承载力的综合得分，并进行排序（见表6）。

表5 主成分载荷矩阵

根据表6的综合评判结果分析，总体上，安徽省尚处于水资源开发的发展阶段，水资源的开发利用已具有一定的规模，但各地市的水资源承载力存在差异。具体来说，开发利用程度最高的是马鞍山，合肥、铜陵、芜湖和淮南次之，这5个地区的水资源开发利用已处于饱和阶段，水资源进一步开发潜力较小；安庆、滁州、宣城、蚌埠和巢湖的水资源开发利用已具有一定的规模，水资源进一步开发潜力仍存在；而黄山、阜阳、淮北、亳州和宿州的开发利用程度最低，尚处于水资源开发利用的初始阶段，其水资源进一步开发潜力较大。

表6 安徽省17个地市水资源承载力综合评判结果

从各个主成分得分和综合得分的变化趋势来看，主成分1与综合得分的变化趋势几乎一致，在一定程度上表明主成分1所代表的人口与社会经济技术水平是水资源承载力的主要驱动因子。水资源开发利用处于饱和状态的马鞍山、合肥、铜陵、芜湖和淮南5市近年来社会经济发展迅速，人口不断增加，在常住人口持续增长的情况下大量外来务工人员涌入，加快了城市化进程，居民消费水平提高，导致生活用水量迅速增加，对水资源承载力造成很大压力；同时，经济增长率也处于高值期，GDP增长伴随的是工业企业数量的增加、全社会固定资产投资的加大，从而导致用水需求的不断增长，水资源大量消耗，水资源承载能力经受着前所未有的重大考验；另一方面，由于人类活动的加剧，破坏了水资源系统的完整性，使水资源的再生能力降低，从而引起水资源承载能力的降低。但随着社会经济的发展，科学技术水平的提高，人们的节水意识不断增强，水资源开发利用率和节水水平的提高，水资源承载力仍会有较大的富余空间。

4 结语

（1）影响水资源承载力的因素众多，本文从中选取了14个驱动因子作为评价指标，运用主成分分析方法综合评价了2010年安徽省17个地市的水资源承载力状况。总的来说，分析的结果客观地反映了各地区水资源承载力的现状，对各地区水资源的可持续利用具有一定的现实指导意义。同时也表明了主成分分析方法是一种行之有效的分析水资源承载力的方法。

（2）人口和社会经济技术水平是水资源承载力的主要驱动因子，既是推力也是压力。随着人口的不断增加和社会经济技术水平的不断提高，水资源承载力的压力也会逐渐增大。

（3）安徽省地处江淮之间，在全国范围内属于水资源较丰富的地区，但由于水资源的开发利用水平的限制，水资源承载力得不到应有的提高。因而，今后在加快社会经济又快又好发展的同时，也应提高水资源的开发利用水平，使有限的水资源可支持更大的社会经济发展规模。

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［13］贾嵘，薛惠峰，解建仓，等.区域水资源承载力研究［J］.西安理工大学学报，1998，14（4）：382-387.

［14］安徽省水利厅.2010年安徽省水资源公报［R］.