基于主成分分析的湖南省水资源承载力研究

彭莹莹，陈淑芳

(湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081)

基于主成分分析的湖南省水资源承载力研究

彭莹莹，陈淑芳

(湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081)

针对日益突出的水资源问题，以湖南省为例，运用主成分分析法，选取了总人口、水资源总量、GDP等13项指标，通过分析选取了两大主成分对湖南省的水资源承载力变化情况进行分析.结果表明：湖南省水资源承载力的主要影响因素包括人口和社会经济发展状况，以及水资源的自然状况.总体上，湖南省水资源承载力在逐年朝着较好的方向发展，但仍存在一些不稳定性，需采取有效措施加以巩固，以保证各方面的可持续发展.

主成分分析；水资源承载力；湖南省

水资源是一种不可或缺的自然资源，对人类社会的生存和可持续发展都有着至关重要的作用.水资源短缺和水环境污染等水安全问题的不断出现，成为了制约人类社会又好又快发展的重要因素[1].而水资源承载力作为水资源安全研究中的基础课题和区域可持续发展的一项重要度量指标，对其研究具有十分重要的现实意义[2,3].

综合评价水资源承载力的方法有很多，如常规趋势法、模糊综合评价方法、系统动力学法、多目标分析法等，这些方法都各具特点，但在实际的分析过程中也都存在一定的局限性，并且模型的精度较难控制[4,5].近些年来，随着研究的不断深入以及多元统计分析方法的快速发展，在水资源研究领域中，主成分分析法的应用越来越广泛，大量的研究证实了该方法具有一定的可行性.主成分分析方法的本质在于，把多个复杂的变量进行最佳综合，简化为少数几个综合的指标，这几个综合指标中既包含了原有指标的重要信息，又去除了指标信息间的重叠，同时客观地确定指标间的权重关系，避免了人为的主观随意性，能更科学、准确地反映出研究结果[6].

湖南省虽然水资源总量较丰富，但时空分布不均，部分地区配套的水利设施相对落后，在水资源开发利用方面存在很多的问题.近年来，随着湖南省经济社会的快速发展和水资源供需状况的变化，水资源短缺日益成为了制约湖南省经济社会发展过程中的关键因素.湖南是我国的农业大省，农业历来都是用水大户，不合理的灌溉技术使得水资源耗损严重.除此之外，工业生产废水、生活污水等的大量排放，也对湖南的水资源、水环境带来很大的影响.面对湖南省出现的越来越多的水资源问题，对湖南省的水资源承载力进行研究，为湖南省整体的可持续发展出谋划策具有重要的现实意义.

鉴于以上分析，本文借助SPSS19.0软件[7]，采用主成分分析法，根据湖南省2003-2013年的统计资料，建立适当的指标体系，对湖南省的水资源承载力进行具体分析.

1 研究区域概况

湖南省位于长江以南，属于长江中游地区，介于东经108°47’～114°15’，北纬24°38’～30°08’之间，东临江西，西接重庆、贵州，南毗广东、广西，北与湖北相连，省境绝大部分位于洞庭湖以南.湖南省河流交错纵横，长度5km以上的河流有5341条，其中有1301条河流的流域面积在50km2及以上.河流大多属于湘水、资水、沅水、澧水四水及其支流.湖南地形东、西、南三面环山，北部和中部相对低平，因这样的地势特点，河流由东、西、南三面汇入洞庭湖和长江，形成了一个比较完整的洞庭湖水系.湖南最大的河流是四水中的湘江，其属于长江七大支流之一，由南到北贯穿湖南省境；洞庭湖是我国第二大淡水湖，同时也是湖南省最大的湖泊.湖南属于亚热带季风气候，年平均温度在15-18℃之间，年平均降水量在1200-1700mm之间，气候温暖，四季分明，降水量充沛，为我国雨水较多的省份之一.2013年末湖南省的总人口达到了7147.28万人，其中城镇人口所占比重达到了约47.96%，GDP达到了24501.67亿元，同比增长了约10.1%，近些年来始终保持着良好的增长趋势.2013年湖南全省完成的固定资产投资达到了18381.4亿元，其中工业投资、生态环境投资在总投资中所占的比例增长较多.三大产业结构也在进一步优化，为后续的发展夯实基础.

2 研究方法及数据来源

本文采用主成分分析法对湖南省的水资源承载力进行研究，以期为湖南省的水资源合理配置和水资源可持续开发利用提供参考依据.

主成分分析法的原理就是对高维变量进行降维处理，以少数几个互不相关、相互独立的综合指标来反映原有多个相关变量的绝大部分信息[8,9].这种方法不仅丢失的信息少，还能弥补只考虑单承载因子的不足之处，很好地解决了因参变量难以把握而导致结论不合理的问题[10].运用SPSS19.0统计分析软件进行主成分分析的一般步骤为：(1)为了避免因量纲和数量级的不同而造成的影响，首先对原始数据进行标准化处理；(2)计算出标准化处理后的数据集的相关系数矩阵；(3)求出相关系数矩阵的特征值以及相对应的特征向量；(4)计算贡献率和累计贡献率，一般来说，按照累计贡献率大于85%的原则确定主成分的个数；(5)计算评价因子的主成分得分，以及水资源承载力综合评价指数得分[11].综合评价指数的得分越高，说明水资源承载力状况越理想；反之，则越不理想[12].

本文中所选用的指标数据均来自于2004-2014年《湖南省统计年鉴》以及2003-2013年《湖南省水资源公报》.

3 湖南省水资源承载力分析

3.1 指标选取

水资源承载能力的影响因素涉及到人口变化、社会经济发展状况、水资源禀赋条件等很多不同方面、不同角度的内容，只有在众多的因素中客观地选择相对合适的影响因素作为评价指标，才能更准确地对该区域的水资源承载力进行评价.根据主成分分析法的原理，找出影响该区域的主要因素[13].本文遵循可测性、可靠性、充分性、科学性等原则，在参考其他学者对水资源承载力研究的基础上，选取了13项评价指标对2003-2013年这十一年间的湖南省水资源承载力进行评价[14].分别为(见表1)：

表1 湖南水资源承载力评价指标

3.2 主成分分析

经收集和整理得到了用于进行湖南省水资源承载力评价的13项指标的原始数据.运用spss19.0统计分析软件对原始数据进行主成分分析，为了消除量纲和数量级造成的影响，首先对原始数据进行标准化处理，进而得到湖南省水资源承载力各评价指标的相关系数矩阵(见表2).通过对所得相关系数矩阵的观察，可以发现所选取的评价指标之间存在着不同程度上的相关性，其中X1(总人口)和X13(污水处理率)、X6(GDP)和X7(固定资产投资)、X6(GDP)和X13(污水处理率)、X8(万元GDP用水量)和X9(万元工业增加值用水量)分别存在着较强的相关性，相关系数分别为0.993、0.990、0.984、0.984，这为下面进一步进行主成分分析提供了基础，证实了主成分分析法在此研究中的可行性和必要性.

表2 评价指标的相关系数矩阵

计算相关系数矩阵的特征值、贡献率和累计贡献率(见表3).

表3 特征值及贡献率

由表3中的数据可知，前两个主成分的累计贡献率已经达到了88.42%，满足按照累计贡献率大于85%确定主成分个数的原则.同时根据成分碎石图(图1)提供的信息，基于将特征值大于1的成分选取为主成分.因此，综合上述两种主成分选取方式，在本研究中可以选取前两个主成分对湖南省的水资源承载能力进行评价，并且从表3和图1中，我们不难看出保留前两大主成分已经能够概括绝大部分的原始信息，这既达到了降维、简化的目的，又在一定程度上保证了后续研究结果能准确而充分地反映出湖南省水资源承载力的基本特征[15].

表4 主成分载荷矩阵

计算主成分的载荷矩阵，主成分载荷是指两大主成分与各变量指标之间的相关系数[16](见表4).

图1 因子分析结果碎石图

由表4可知，第一主成分与污水处理率、总人口、GDP、工业用水量、人口自然增长率、固定资产投资之间存在强正相关关系，与农业用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量之间存在强负相关关系；可以认为，这些指标反映了湖南省人口、社会经济的发展情况.第二主成分与水资源总量、年平均降水量之间存在强正相关关系；可以认为，反映了湖南省水资源供应的自然状况.两大主成分包含了人口、社会经济发展、水资源的自然状况等方面的内容，比较全面地概括了影响水资源承载能力的因素，因此，可以用这两个主成分来反映湖南省水资源承载力的变化情况.

第一主成分的贡献率达到了71.971%，说明人口和社会经济发展是影响湖南省水资源承载力的最主要的因子.人不仅是社会生产的主体，也是水资源承载力的客体[17].2013年湖南的总人口数比2003年增加了7.27%，人口自然增长率也从2003年的4.95%增加到了2013年的6.54%.伴随着湖南省与日俱增的人口数量，必然使得人们对用水的需求大幅度的增加，人类的活动也导致了不断加剧的水浪费和水污染问题，这些无疑都会对湖南省的水资源承载力造成更加大的压力.2013年湖南省GDP达到了24501.67亿元，比2003年的4659.99亿元增加了4倍多，固定资产投资也由2003年的1557亿元增加到了2013年的18381.44亿元，增加了10倍多.随着经济的快速发展和城市化进程的不断推进，一方面，导致了工、农业等各方面用水量的需求不断增加，水资源被大量的消耗.另一方面，因为科学技术的不断进步，使得对污水的处理能力得到了显著的提高；2013年湖南省的污水处理率由2003年的26.8%提高到了88.4%，这在一定程度上对水资源起到了补给的作用，缓解了水资源的压力.因此，经济发展对水资源承载力来说，既是压力因素同时也是动力因素.湖南是传统的农业大省，农业的生产对水的需求非常的大，不当的灌溉技术以及较低的用水效率，会造成水资源的大量耗损，这对水资源承载力来说也是不小的压力.

第二主成分的贡献率达到了16.451%，说明水资源的自然状况也是影响湖南省水资源承载力的一个重要因子.总体而言，湖南省水资源自然状况良好，湘、资、沅、澧四水蜿蜒曲折流贯全省，拥有我国第二大淡水湖——洞庭湖，是我国雨水较多的省区之一，降水能在很大程度上缓解水资源供应的压力.但是湖南水资源分布不均，不仅年内变化大，经常会导致季节性缺水的问题，而且年际变化大，存在着明显的丰水年和枯水年，这都影响着水资源承载力的稳定性.

3.3 水资源承载力主成分得分分析

计算出两个主成分的得分，并根据两个主成分的贡献率，计算出主成分的综合得分(见表5和图2),以此分析湖南省水资源承载力年际变化的情况.

表5 2003-2013年水资源承载力综合评价

图2 湖南省水资源承载力变化趋势图

从表5中可以看到，F1、F2是主成分得分，F为综合得分.其中，主成分得分有正有负，这里的正负并不能代表水资源承载力的实际水平，而是表示其所处的相对位置，正值表示高于所评价时间段的平均水平，负值表示低于所评价时间段的平均水平.综合得分的值越大，说明水资源承载力越大，综合得分的值越小，则说明水资源承载力越小[18].

图2清晰地反映了湖南省水资源承载力的变化趋势，从图2中，我们可以看到，主成分F1的得分变化趋势与综合得分的变化趋势大致是一样的，整体呈现逐年上升的趋势，主要是受人口和社会经济逐年增长的影响.主成分F2的得分变化经历了多次上升、下降的交替过程，考虑与降水的不稳定性存在很大的关联.较大的下降年份出现在2007、2009、2011、2013，在这些年份，降水量较往年出现较大幅度的减少，其中尤以2011年下降程度最为明显.2011年湖南出现全省性的春夏连旱，干旱发生时段为多年来少见[19].2011年湖南省的年平均降水量仅为1051.3mm,为多年来的降水量最低值，该年的水资源总量同样也为多年来的最低值，可见降水对缓解水资源压力，提高水资源承载力的重要性.

总体而言，湖南省的水资源承载力呈现出了逐年的波动上升，这主要是因为虽然随着人口的不断增长、经济的快速发展以及城市化进程的不断推进，对水资源的需求和损耗势必越来越大，但在这个过程中，随着湖南经济社会的全方位发展和科学技术水平的提高，对降水不稳定等水资源禀赋条件中不利情况的处理和适应能力得到提高，对水资源的开发利用程度以及对污水的处理能力也在不断地增强.同时由于国家鼓励实施计划生育政策和人们思想觉悟的提高，湖南人口的素质也在进步，人们对于水资源的节约和保护意识都在增强；从另一层面上讲，这也能缓解一部分水资源的压力，提高水资源的承载能力[20].

4 结果与讨论

本文根据2003-2013年湖南省水资源情况和社会经济发展状况的统计数据，在众多影响因素中选择了总人口、水资源总量、年平均降水量、GDP、万元GDP用水量等13个关键因素作为评价指标，运用主成分分析法对湖南省水资源承载力的年际变化情况进行分析.通过主成分分析，确定了影响湖南省水资源承载力的两个主成分，分别为人口和社会经济发展以及水资源自然状况，能够比较全面地概括水资源承载力的影响因素，反映水资源承载力的变化趋势.

2003-2013年间，湖南省的水资源承载力整体呈波动上升的趋势，其中人口和社会经济发展是影响湖南水资源承载力的最主要因素.因此，为促进水资源的可持续发展，提高水资源承载能力，一方面要注意响应国家政策，实施计划生育，控制人口过快增长，提高人口素质，强化人们节约水资源、保护水资源的意识；另一方面要加快调整经济发展方式，鼓励多发展耗水少，污水排放少的产业，多开发能提高污水处理能力和水资源开发利用程度的科学技术，做好水资源的科学管理，减少经济快速发展与有限的水量供给之间的矛盾，促进人与社会、自然的协调可持续发展.

本文由于资料的限制，只是对湖南省近11年间的水资源承载力进行了时间上的变化分析，没有对湖南省各地区的水资源承载力进行空间分析，在以后的研究中将不断改进，找出湖南省各地区之间的水资源承载力差异以及各评价指标对于湖南省水资源承载力有哪些具体的影响.另在本文中，只采用了主成分分析法，并未与其他方法的评价结果进行比较分析，因此有待进一步深入研究.

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(责任编校：晴川)

Study on the Carrying Capacity of Water Resources in Hunan Province Based on the Principal Component Analysis

PENG Yingying, CHEN Shufang

(College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha Hunan 410081, China)

In terms of the increasingly prominent problem of water resources, taking Hunan province as an example, the paper uses the principal component analysis method to analyze the carrying capacity of water resources in Hunan province. For the analysis, we selected total population, total amount of water resources, GDP and other 10 indicators. Finally, two principal components were selected through the analysis. The results show that the main influencing factors of water resources carrying capacity in Hunan province include population, social economy development condition and natural condition of water resources. In general, the water resources carrying capacity in Hunan province is growing better and better year by year. However, there are still some instabilities. Effective measures are supposed to be taken to consolidate the carrying capacity to ensure the sustainable development of all aspects.

principal component analysis; carrying capacity of water resources; Hunan province

2015-05-25

彭莹莹(1990— )，女，江苏南通人，湖南师范大学资源与环境科学学院硕士生.研究方向：洞庭湖流域水资源和水环境.

TV213

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1008-4681(2015)05-0091-04