基于主成分分析法的水资源承载力综合评价——以新疆喀什地区为例

陈红梅 李青

(塔里木大学经济与管理学院，新疆 阿拉尔 843300)

2010年6月，中发〔2010〕9 号文件正式决定设立喀什经济开发区。喀什紧紧抓住新疆大建设、大开发、大发展的战略机遇，大力实施优势资源转换战略，加快推进“打造喀什在中亚南亚经济圈重心地位”发展战略。喀什国土面积约占新疆的1/10，人口却占新疆的1/5，社会经济发展相对滞后，自然条件相对恶劣、生产条件相对较差、发展基础较为薄弱。在经济发展的同时，如何保证喀什市水资源承载力不超过其承载阀值，实现资源利用可持续发展，是摆在喀什市管理者面前亟需解决的问题。

新疆是典型的干旱地区，其水资源缺乏严重。有许多学者以新疆为研究对象，从不同角度，采用不同方法研究新疆整体或者局部地区的水资源承载力。董雯，刘志辉应用FAHP 原理研究了新疆博尔塔拉河流域和精河流域的水资源承载能力，提议建立节水型社会，并应优先保障生态用水需求［1］。郑奕等以新疆焉耆盆地为研究对象，运用多目标决策分析法研究其水资源承载力，建议加强农业节水、加强对污水的控制与治理、湖滨湿地的生态恢复以提高其水资源承载力［2］。孟丽红等以塔里木河流域为研究对象，采用可变模糊评价法，对其水资源状况进行了评价研究［3］。熊黑刚等应用主成分分析法和熵权法对新疆奇台绿洲水资源承载力评价研究，研究结果反映出经济迅猛发展、生态环境恶化、人口数量增加以及农业灌溉水激增是导致水资源可进一步利用潜力减小的最主要因子［4］。进行喀什地区水资源承载力综合评价研究对喀什建立经济开发区，对发展当地经济、提高居民生活水平以及带动周边地区的快速发展有重要意义。本文综合考虑多方面因素对水资源承载力的影响，建立主成分分析法评价模型，表征喀什地区水资源利用和承载状况。

1 研究区基本状况

喀什是中国的西大门，具有独特的区位优势。喀什光热水土条件得天独厚，年均≥10℃的有效积温在4 000℃以上，无霜期长达220 天，地表径流量117 亿m3。2010年，喀什地区的情况如下:

1.1 水资源总量与降水情况。2010年属于偏丰水年，全区地表水资源量92.34 亿m3，地下水资源量62.75 亿m3，水资源总量为100.24 亿m3;全区年平均降水量为195.3mm，山区年降水量与2009年比较，所有站点趋向增加趋势，其中最为明显的是卡群水文站增加76.4%、江卡站增加75.6%，克孜勒塔克站增加71%，其它站点也有明显增加，降水量总体趋势为上升增加趋势。

1.2 供水用水情况。全区各类水利工程供水总量为103.9 亿m3，其中地表水量占总供水水量的80.3%。2010年的供水模数为7.66 万/km2，较上一年增加了3%，但比2008年降低了9.4%;全区用水总量为103.9 亿m3，生产用水量为100.659亿m3，居民生活用水量为1.11 亿m3，城镇公共用水量为0.62 亿m3，生态用水量为1.52 亿m3，生活用水定额为0.086 m3/d/人，工业和农业用水定额分别为176 m3/104元、6 823 m3/104元。

1.3 水质情况。废水年排放总量为6 093.14 万t，其中工业废水746.04 万t，占排放总量的12.2%，生活废水5 347.1 万t;全区评价河段为叶尔羌河流域中的2 条主要河流以及喀什噶尔河流域7 条主要河流合计20 个水质监测断面中各项指标均达到地面水Ⅲ类水质标准以上(含Ⅲ类)的河段占评价河段(水库)总数的90.9%，占全区评价河长的96.1%。

1.4 受灾情况及其他。由于喀什地区水利基础设施条件差，全区五大河流还未建成一座控制性水利枢纽工程，2010年全地区五大河及部分山洪沟均发生较大的洪水灾害，且洪水持续时间长，洪量大，防洪成为农村税费改革后农民的最大负担。水资源利用率低，土地盐碱化程度重，人均耕地面积少，严重影响农民增收。城乡基础设施滞后，城镇垃圾和污水无害化处理率基本为零，供排水管网严重老化。72 万农村人口饮用水不安全，35 万户农户还没有通自来水。

2 喀什地区水资源承载力综合评价

2.1 综合评价指标体系的构建与数据来源

表1 喀什地区年水资源承载力评价指标体系

根据水指标体系应遵循整体性原则、目的性原则和区域差异性原则，在借鉴前人研究经验和成果的基础上，参照全国水资源承载力评价分析中的指标以及使用频率较高的指标，根据喀什地区水资源、社会、经济、以及生态环境状况，数据来源于2005～2011年新疆统计年鉴，2005～2011年喀什地区统计年鉴，以及2004～2010年新疆喀什地区水资源公报相关数据综合计算获得，最终建立了喀什地区水资源承载力评价指标体系(表1)。

2.2 水资源承载力的主成分分析

主成分分析法是利用降维的思想，对高维变量系统的多指标转化为几个综合指标的多元统计分析方法。原理是将大量的原有的存在相关性的指标变量，转换为新指标变量，新指标变量的数量减少并且相互独立。这样保留了原有的指标变量的主要信息，找出主导因素，切断相关性的干扰，做出更加准确的评价。新指标变量称为原指标变量的主成分。这种方法的优点是既消除了样本值之间的相关关系，又提取了保持原指标主要信息的主成分，减轻了工作量，并且在分析过程中客观生成指标权重，避免了人为因素［6］。单位面积水资源可利用量、水资源总量、多年平均降水量、供水模数、产水模数、人均GDP、GDP 增长率、森林覆盖率、湿地面积、单位面积水资源占有量、人均水资源量、农村人口饮水安全人口比例为正向指标，即这些指标值越大，水资源承载力越高，其余指标为逆向指标，即指标值越大，水资源承载力越低。在综合评价时，首先必须将指标同趋势化，在本研究中，指标的同趋势化是将逆向指标转化为正向指标，对逆向指标正向化方法为对其取倒数。

运用主成分分析法评价区域经济发展水平的步骤:(1)原指标数据的同趋化和标准化处理;(2)求出原始指标样本的相关系数矩阵R;(3)计算相关系数矩阵的特征值和特征向量;(4)计算各特征值的贡献率，并按累积贡献率大于85%的准则提取主成分个数;(5)求主成分ZK 和综合判断因子得分Z*。用主成分对评价问题作出综合分析。

运用SPSS17.0 统计分析软件得出的特征值及其贡献率、累计贡献率(表2)，特征向量(表3)，主成分因子综合得分结果和排序结果(表4)。

表2 特征值及其贡献率、累计贡献率

由表2 可知，根据前3 个主成分的累计贡献率已经达到88.88% ＞85%，可以认为3 个主成分已基本反映了原指标变量的主要信息，因此提取3 个主要成分。其中第一主成分的贡献率最高，是最重要的因子，包含了最多的信息量，对水资源承载力的大小起着重要作用。

(5) 停车场出入线应连通上下行正线，宜采用互通道岔，同时连通上下行双方向，其通过能力应根据远期线路的通过能力、运营要求和道路交叉口通过能力计算核定。

从表3 可以看出:

(1)生活用水定额(B4)、农业用水定额(C4)、万元工业增加值用水量(E6)在第一主成分上有较高载荷，说明第一主成分主要反映人口生活用水、农业用水、生态用水以及工业用水水平。第一主成分反映的是随着推进“城镇化、农村现代化、工业化”的发展，人民生活、工农业生产给水资源带来了巨大的压力，因此可以归结为水资源压力因子。其特征向量均大于0.98，该因子反映出喀什地区水资源承载力的共性，即以农业生产为主，保障人民生活与工业生产所需要的水资源量，工农业以及人口与水资源协调发展是关键。今后应着重提高人们节水意识，推行高新节水灌溉，提高工业用水的重复利用率，在追求经济发展的同时协调好与水资源的关系是今后实现水资源可持续发展的重要工作。

表3 初始因子载荷矩阵(特征向量)

(2)单位面积水资源量(A1)、水资源总量(A3)、人均水资源量(E3)在第二主成分上有较高载荷，说明第二主成分反映的是区域整体水资源丰裕程度，水资源可利用程度以及发展潜力。第二主成分可以归结为水资源综合发展潜力因子。为了提高水资源的承载力，除了节水外，根据不同行政分区的水资源整体丰裕程度，优化配置不同地区，不同部门的水资源，使之能有效地开发利用水资源，能充足而不多余地保证水资源量，而造成“缺水”或者“浪费”。

(3)人口自然增长率(B2)、人均GDP(C1)、人均用水量(E2)在第三主成分上有较高载荷，因子三反映的是人口与经济、水资源系统的协调程度。从总的经济发展状况以及水资源总量来看，喀什地区的经济是比较发达的，水资源总量是较充足的，但由于喀什地区庞大的人口数量，导致人均GDP、人均用水量较低，因此可归结为人口质量因子。喀什地区2010年人均GDP 为8748 元，比2004年增长150%。2009年和2010年的人口自然增长率已经超过20‰，2010年水资源总量为100.24 亿m3，比2004年增加30.74%，但2010年人均用水量为2 455 m3，比2004年减少14.01%。

2.3 实证结果与综合评价分析

最后，运用SPSS17.0 统计分析软件得出主成分因子综合得分结果和排序结果，由于第一因子为压力因子，其贡献率较大，压力越大承载力越小，并且从表3 可以看出，水资源系统、社会系统以及生态系统的特征向量值较多为负值，反映出水资源系统与社会、生态系统对承载力的贡献呈负向影响，所以Z*(综合得分)的值越低，说明该年份的水资源承载力越高，反之亦然。具体水资源承载力综合评判结果和排序如下，见表4。

表4 喀什地区水资源承载力综合评判结果

(1)从表4 可以看出，第一主成分因子，即压力因子的得分越来越大，可以反映出喀什地区水资源承受的压力越来越大。随着“三化”的发展，用水需求量在逐渐增大，地表水用水量占总用水量的比重逐渐降低，地下水用水量增加，农业、工业、居民生活以及城镇公共用水给水资源施加了压力。2004年与2010年农业、工业、生活用水量、地表水地下水用水量比例的比较如表5。

2010年喀什地区城镇化率为37.28%，比2004年提高6.3%，城镇化水平提高，城市生活用水量增加，2010年的生活用水定额比2004年增加34.3%，伴随着城镇基础设施建设的加强，城镇公共用水量比2004年增加47.14%。2010年的工业总产值为2004年的2.43 倍，工业增加值为64.48 亿元，反映喀什地区的工业发展进程较快，但同时工业用水量也增大，从表5 可以看出，2010年工业用水量为2004年的2.52 倍。农业的快速发展，使得农田灌溉用水量以及农林牧渔用水量增加。在水资源总量有限的情况下，地表水已不能满足生产生活用水。随着经济的发展，人类开始大量开采地下水，从表5可以看出，2010年地下水用水比重与2004年相比增加13.3%。过度开采地下水，造成地下水位下降，由于不恰当的灌溉方式造成的土地盐渍化加重。随着加快推进农业现代化、新型工业化与城镇化”的发展进程，水资源面临着压力越来越大，水资源承载力呈现减弱状态。

表5 喀什地区2004年与2010年用水压力比较 单位:108m3

(2)从表4 综合得分排序可以看出，2005年的综合评判结果排在首位，即2005年为喀什地区2004～2010年间水资源承载力最高的一年。这可能是因为2005年全区降水总量为426.42 亿m3，折合降水深381.9 mm。与多年平均值177.6 mm 相比偏多115.0%，属丰水年份，与2004年比较偏多44.5%。并且2005年喀什地区水资源总量为103.52亿m3，平均产水系数为0.243，平均产水模数为9.27 万m3/km2，即每平方公里土地面积上平均年产水量近9.27 万m3/km2。2004、2005、2006年全区降水量、水资源总量、产水模数的比较如表6。

表6 降水总量、水资源总量、产水模数比较表

水资源承载力为水资源对社会经济发展、生态环境发展的最大支撑能力［1－2］，亦为对工农业生产、人民生活和生态环境保护等最大供给用水的能力［5，7］。从表4 可以看出，水资源承载力的趋势是逐年降低，偏离其在一定区域内，在技术、社会经济等某一具体发展阶段下，以水—社会—经济—生态协调可持续发展为目标，区域水资源系统能够保证工农业生产、人民生活和生态良性循环的最大供给能力。水资源的短缺与脆弱性，削弱了喀什地区水资源的承载能力。

社会方面，巨大的人口数量和较高的人口自然增长率给水资源施加较大的压力。2009年，喀什地区的人口数量达到387.28 万人，人口自然增长率高达21.09‰。经济方面，工业用水，农业用水尤其是灌溉用水给水资源施加较大的压力。2010年喀什地区的万元工业增加值用水330.12 m3，比2004年每单位用水量增加51.6 m3，农业用水量占用水总量的96.88%。伴随着工业、农业、生活用水的结构性矛盾突出，挤占了部分生态用水，同时由于水资源年内分布不均、区域分布不均，造成喀什地区水资源承载能力的降低。

4 结论与建议

通过对喀什地区2004～2010年水资源总量、来水量、地表水地下水、供水用水耗水、水质等资料的动态趋势分析，结合喀什地区的自然背景、经济背景以及主成分分析法，得出以下结论及建议:

4.1 人民生活、工农业生产用水给水资源承载力施加的压力越来越大，经济用水挤占了生态用水，对生态功能的恢复和修复造成了一定的影响，水－社会－经济－生态复合系统系统之间协同性较弱，加剧了水资源和生态的脆弱性，阻碍了社会经济的发展，使得水资源与社会、经济、生态各系统之间存在非良性循环。山东、深圳市、上海市等地区与喀什地区对口支援，加快推进了喀什地区的经济发展。2010年与2004年相比，喀什地区的人均GDP 增加了1.5倍，城镇化率提高了6.3%，工业总产值增加了2.43倍。城镇化与工业化是相互促进的，随着经济活动的增强，城镇公共用水量增加，工业用水量增加的同时，工业废水排放量也增加，2010年喀什地区的工业废水排放量是2004年的2.12 倍。春季大河来水偏少，用水矛盾突出，随着近几年地区种植结构调整，增大了春季作物用水量，同时较低的渠系灌溉系数，造成缺水矛盾加大。2010年喀什地区发生严重旱情，一些县却没有严格落实地区的灌水制度，有些地方存在超定额灌溉、大水漫灌、串灌的现象，造成水量的浪费。由于设施农业大棚零星分散以及林果业大部分位于小麦和棉花地中，林果业和瓜菜的灌水次数较频繁，不但增加了用水量，同时增加了渠道调水次数，加大了水量调配难度和输水损失。随着加快推进经济跨越式和“三化”的发展进程，水资源面临的压力越来越大，在这种情况下，合理调整种植结构，提高农业灌溉系数和渠系水利用系数，提高工业用水重复利用率，控制人口数量的增长并提高人口素质，不仅可以缓解水资源短缺，还可以实现经济快速稳定发展和生态环境良好的“双赢”。

4.2 水资源承载力的趋势是越来越低。水资源承载力是在一定经济技术水平和社会生产条件下，水资源可最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力［7］，喀什地区供水总量高于水资源总量，这是由于水资源短缺，产水和来水补给不足，人们开采地下水以缓解水资源供需矛盾。随着地下水的开采率增大，进行打井抗旱，喀什地区提出利用三年时间，新打机井2789 眼以缓解旱情。大量的打井开采地下水将会导致地面下沉，盐渍化加剧。喀什地区本身盐渍化程度严重，盐碱地面积较大，治理难度大。根据喀什噶尔河和叶尔羌河两流域盐碱地改良利用规划报告，2010年全区仍有不同程度盐碱地面积400 万亩，规划总投资近30.39 亿元，但2005～2010年改良盐碱地面积仅6.53 万亩。今后盐碱地改良治理将是任重而道远，争取项目的投资也是一项艰巨的任务。依据合理配置理论，喀什应发挥区域资源优势，因地制宜地开发利用资源，合理配置资源，并提倡节约和循环利用资源，提高资源的利用率。虽然可以从节水技术或者污水回收利用技术等方面提高水资源利用率，但是由于人类活动的增强引起的全球气候的变化而给水资源带来的压力是较难解决的。在需求方面应通过调整产业结构、建设节水型经济，抑制需水增长来适应不利的水资源条件;在供给方面应通过协调各部门竞争性用水，通过加强管理、工程措施改变水资源的时空差异性分布来适应生产力布局。区域水资源合理配置应与区域社会、经济发展状况和自然条件相适应，因地制宜，按地区发展计划，有条件地分阶段进行，以有利于社会、经济、生态环境的持续协调发展［8］。

［1］董雯，刘志辉.基于FHP 原理的水资源承载力综合评价研究——以新疆博尔塔拉河流域和精河流域为例［J］.干旱区资源与环境，2008，22(10):5－10.

［2］郑奕，魏文寿，崔彩霞.新疆焉耆盆地水资源承载力研究［J］.中国人口·资源与环境，2010:20(11):60－65.

［3］孟丽红，陈亚宁，徐祥明等.基于可变模糊评价法的塔里木河流域水资源承载力研究［J］.水利保持通报，2012，32(2):162—167.

［4］熊黑钢，付金花，王凯龙.基于熵权法的新疆奇台绿洲水资源承载力评价研究［J］.中国生态农业学报，2012，20(10):1382—1387.

［5］刘佳骏，董锁成，李泽红.中国水资源承载力综合评价研究［J］.自然资源学报，2011，26(2):258－269.

［6］何晓群.多元统计分析(第二版)［M］.北京:中国人民大学 出版社，2008.

［7］袁伟，楼章华，田娟.富阳市水资源承载力综合评价［J］.水利水报，2008，39(1):103－108.

［8］ALBERT G，TAEON J.Aquafeeds and the environment:policy implication［J］.Aqua－ culture，2003，226(10):181－189.