基于投影寻踪分类法的苏北地区水足迹及用水效率评价

张云宁,袁　军,陈培然

(1.河海大学商学院,江苏 南京　211100; 2江苏省三河闸管理所,江苏 洪泽　223100)



基于投影寻踪分类法的苏北地区水足迹及用水效率评价

张云宁1,袁军1,陈培然2

(1.河海大学商学院,江苏 南京211100; 2江苏省三河闸管理所,江苏 洪泽223100)

摘要：以2013年苏北地区水资源相关数据为样本,根据水足迹理论构建研究水资源利用效率的综合评价体系,并利用投影寻踪分类法作为研究的主要方法对该体系进行实证分析。结果表明,盐城市用水效率较高,而徐州和宿迁用水效率较低。

关键词：苏北地区;投影寻踪分类法;水足迹;用水效率

水资源是社会经济发展的重要物质基础,也是实现区域可持续发展战略的重要保障和战略性资源[1]。科学研究水资源利用效率与区域经济发展水平的内在规律,合理开发利用区域水资源是实现区域经济可持续发展的必然要求。1992年，William等第一次系统、完整地提出生态足迹理论[2];1993年,Allan[3]在生态足迹理论的基础上首创虚拟水概念,并将其定义为农产品生产过程中耗用的水资源量。2002年Hoekstra等[4-5]第一次全面科学地定义水足迹的概念:一个国家、一个地区或一个人,在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源总量。水足迹理论是基于生态足迹的研究基础衍生发展出来的一种区域水资源利用效率综合评价的理论,在区域水资源利用效率评价方面运用较广。我国有关学者也对该理论在我国区域水资源综合利用效率评价方面的科学实践和运用进行了研究。程国栋[6]将虚拟水理论引入国内,并结合西北地区各省市虚拟水计算结果,研究和创新水资源管理体系,构筑干旱区域水资源安全战略体系。周文华等[7]采用水生态足迹核算方法计算城市生态需水量,以水资源贫乏的北京市为例进行分析,探究城市水生态足迹的内涵和4种典型城市水生态足迹的发展轨迹。结果表明,北京市的水资源利用是不可持续的。针对生态足迹模型在水资源计算方面的不足,黄林楠等[8]建立了水资源账户,结合水足迹与传统生态足迹,使用均衡因子和产量因子的计算方法来检验生态足迹模型,证明模型的正确性。傅春等[9]基于1989—2008年鄱阳湖流域水足迹计算结果,建立模型比较了水足迹与流域水资源承载力,结果表明鄱阳湖流域生态承载力能满足区域生态足迹需求，表现出生态盈余，但盈余空间在逐年下降。

1研究区域概况

苏北地区主要指涵盖淮安、宿迁、徐州、盐城和连云港5个省辖市的江苏北部地区。2013年,该地区总计土地面积5.23万km2,常住人口2 856万,5市GDP分别达到3 475.5亿、4 435.8亿、1 785.4亿、2 155.9亿、1 706.3亿元,分别增长12.3%、11.8%、11.8%、12.0%、12.5%,均高于全省9.6%的平均增速。

占据黄海入海口的苏北地区地理位置优越,与日、韩隔海相望,区域内夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,具有明显的温带季风气候特征。在经济发展上,由于紧靠以上海为核心的长江三角洲平原,多年来苏北地区受到广泛的辐射带动作用,逐步发展为沿海经济发达区域。凭借地处江淮平原的地理优势,区域内河湖纵横,生态环境良好,成为我国沿海区域开发战略中重要的农业和制造业基地。区域年平均降雨量低于苏南和苏中地区,且本地降雨和上游来水丰枯变化均较大。根据近年来的报告显示,2013年,苏北地区年用水总量超过180亿m3,超过全省总用水量的1/3。从节水指标方面衡量,苏北地区万元生产总值所需用水量为138 m3,远超苏南、苏中的54 m3、102 m3且几近二者之和,苏北地区万元工业增加值用水量在三区中也占首位。数据表明,苏北地区用水效率相较于苏中、苏南地区处于明显低下水平。

2投影寻踪分类模型

投影寻踪分类法(projection pursuit clustering,PPC)是Friedman等[10]提出的一种集探索性与确定性聚类为一体的分析方法。该方法的本质为从不同的方面去分析数据,并为可以最大化表明数据特征和最细致挖掘数据潜在内容的最优投影方案。

PPC法的特点是省去了专家打分的步骤,不受人为因素干扰,完全从数据本身的特征出发,在不确定各指标权重系数的情况下,利用降维处理方法,将复杂的高维数据降维至简单低维(1～3维)子空间上,对降维后得到的数据,构建投影指标函数来评估投影，揭示某种特征的概率,然后找出可以得到最优投影指标函数的投影值,最后利用投影值来分析高维数据的潜在特征。PPC法同样适用于对非线性和非正态问题的解决。目前PPC法已大量应用于生态环境评估、灾情评估等领域,评价结果与实际较为符合。

PPC法的计算步骤如下。

a. 数据归一化处理,得到标准数据:

(1)

式中:x*(i,j)为第i个样本第j个指标,(i=1,…,n;j=1,…,p);n,p分别为样本数和指标数;xmin(j)为样本中第j个指标的最小值;xmax(j)为样本中第j个指标的最大值。

b. 设定投影的目标函数Q(a)。将p维数据x(i,j)(i=1,…,n;j=1,…,p)转换成投影方向a=(a(1),a(2),…,a(p))上的一维投影值:

(2)

式中a为单位长度向量。

在对zi(i=1,2,…,n)按照数值由大到小排序之后,对指标对象的投影值有一定的分布要求,主要为:①要求局部投影点集中度高,围绕某个点集中分布;②要求投影点避免高度重合,整体分布具有一定分散性。投影函数计算公式可以表达为

(3)

(4)

(5)

式中:Sa、Da分别表示第n个zi(i=1,2,…,n)的标准差以及局部密度;R为根据实际分布情况确定局部密度窗口半径;ut表示阶跃函数

c. 计算最佳投影方向:

maxQ′(a)=SaDa

(6)

式中s.t.表示约束条件。将式(6)求出的最佳投影方向a*代入式(2)即可求出各样本的投影值zi,然后根据投影值的大小排序情况就可以对评价的指标和多个样本进行统一的综合评价。

3苏北地区水足迹计算

3.1水足迹指标

水足迹理论基于社会物质消费视角,统筹考虑其对区域经济发展的价值性,科学合理地计算并评价一定区域内部社会生活的实际耗水量。基于生态足迹及虚拟水理论体系衍生发展的水足迹理论,为科学衡量区域水资源开发利用效率及其与社会经济可持续发展的内在规律奠定了理论基础。虚拟水一般存在于社会物质消费产品中,难以直接识别计算。

水足迹是指在社会生产、生活中有形及无形消费中所需的真实耗水量[11]。人类生产、生活中的直接用水量并不是社会水资源消耗的主要部分,在经济全球化的大环境下,全球贸易不断发展,商品流通速度加快,带动了虚拟水的流通。大部分的水资源消耗是在市场经济作用下以虚拟水的形式存在于消费产品中,所以区域内社会水资源实际耗用量主要有两部分组成:①区域内生产、生活中物质产品以及社会服务所需的水资源总量;②区域进出口产品以及所提供的跨区域服务中的虚拟水总量。

水足迹各指标计算方法如下,各指标释义见图1。

图1　水足迹各指标名称及释义

a. 区域水足迹总量:

b. 内部水足迹总量:

c. 外部水足迹总量:

其中:农业生产需水量=农业产品单位虚拟水含量×农产品区域总产量;进出口虚拟水足迹(QVWEdom、QVWI)=本地进出口贸易总值/区域总产值×生产需水总量。

3.2区域水足迹评价体系

水足迹评价指标体现了水资源组成情况以及区域水资源的战略结构[12],见表1,表1中,QWA表示区域内部可用水资源总量，λTP表示区域人口总量；WGDP表示区域国民生产总值；A表示区域土地面积。区域水资源评价体系包括水足迹结构指标、水足迹效益指标和水资源生态安全指标。水足迹效益指标又分为内部效益指标与外部效益指标两大部分。内部效益指标主要衡量区域水资源的社会价值并科学评价区域水资源对社会经济的贡献率；外部效益指标主要反映进出口贸易中虚拟水的地位和作用。水资源生态安全指标是体现区域水足迹状况的重要依据,旨在反映区域水资源的利用情况以及紧缺程度。

表1　区域水足迹评价综合指标体系

4实证分析

4.1指标的选取和数据来源

选取徐州、盐城、淮安、连云港和宿迁为样本,分别记为S1、S2、S3、S4、S5。同时将区域水足迹评价指标体系中10个二级指标水资源进口依赖度、水资源自给率、水足迹人口密度、水足迹经济效益、水足迹土地密度、水足迹净贸易量、水资源贡献率、水资源价格兑换率、水资源匮乏指标、水资源压力指数分别记为X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10。在10项指标中,水资源自给率(X2)、水足迹经济效益(X4)、水足迹净贸易量(X6)、水资源贡献率(X7)、水资源价格兑换率(X8)为高优指标,即值越大越好;其余指标均为低优指标。

本文中所有农副产品的水足迹计算取值均参考文献[13]。工业生产需水量、本地居民生活用水量及本地生态环境用水量数据直接选取2014年徐州、盐城、淮安、连云港和宿迁统计年鉴中工业用水、居民用水以及生态环境用水的实际耗水量。

4.2计算结果

依据投影寻踪分类法的计算步骤,使用DPS7.05软件计算得到最佳投影方向a*，见表2。根据最佳投影方向,还能深入分析各评价指标对苏北地区水资源利用效率影响程度。由表2投影方向数值的大小可以看出,指标X4对苏北地区水资源利用综合评价结果的影响最大,X7、X5次之,X10、X9和X1影响最小。

表2　a*对苏北地区水资源利用综合评价结果的影响

基于水足迹评价综合指标的投影方向得出苏北地区的投影数值,见表3

表3　投影值计算结果及排序

以投影寻踪分类法对苏北地区水足迹评价指标进行实证分析。2013年徐州、盐城、淮安、连云港和宿迁水资源利用综合评价结果显示,盐城市水资源综合利用水平最高,连云港和淮安紧随其后。徐州和宿迁是水资源综合利用水平相对薄弱的地区。

5结论

水足迹是为了衡量与人类产品消费量和产品消费模式相关联的水资源利用效率,在虚拟水和生态足迹理论基础上衍生发展出来的一种新方法[14]。以此为基础的水资源评价较之其他方法更为复杂和多元。以2013年苏北地区水资源相关数据为样本,根据水足迹理论构建了研究水资源利用效率的综合评价体系,并利用投影寻踪分类法作为研究的主要方法对该体系进行实证分析。研究结果表明:①徐州、盐城、淮安、连云港和宿迁5市,水资源综合利用效率最高的是盐城,这也与盐城市近年来积极开展全国水生态文明城市建设试点工作密不可分。排在第2、3位的是连云港和淮安。连云港市和淮安市凭借良好的地理优势,区域内河网密集、河湖众多。与此同时,连云港和淮安共同致力于区域内部水资源的科学开发及利用,不断提升水资源综合利用水平。②徐州和宿迁在水资源综合利用效率排名中处于末位。究其原因,主要可以从两方面来解释。在工业用水方面,徐州市还未摆脱初级工业化阶段的桎梏,单位产品耗水量大。从农业用水角度看,农业生产中诸如大水漫灌等粗放式用水形式依旧存在,科学的节水灌溉技术未得到有效推广,水资源利用效率在渠灌区内尤为低下。多方面因素综合导致徐州在资源性缺水的情况下仍然用水效率低下。北部与徐州相连的宿迁市,在工业用水以及农业灌溉用水方面与徐州惊人相似。全面建设节水型社会,不断提高水资源综合利用效率已经成为徐州市和宿迁市未来发展的方向。

参考文献：

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[3] ALLAN J A.Fortunately there are substitutes for water otherwise our hydro-political futures would be impossible[C]//Priorities for Water Resources Allocation and Management.London:ODA,1993:13-26.

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[5] HOEKSTRA A Y，MEKONNEN M M.The green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products[J]. Hydrology & Earth System Sciences，2011，15(5)：1577-1600.

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[8] 黄林楠,张伟新,姜翠玲,等. 水资源生态足迹计算方法[J].生态学报,2008,28(3):1279-1286.

[9] 傅春,陈炜,欧阳莹. 环鄱阳湖区生态足迹与经济产业发展关系的实证研究[J]. 长江流域资源与环境,2011,20(12):1525-1531.

[10] FRIEDMAN J H，STUETZLE W. Projection pursuit methods for data analysis [J]. Modern Data Analysis，1982，6(1)：123-147.

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[13] CHAPAGAIN A K,HOEKSTRA A Y.Water footprints of nations-Volume[R].Value of Water Research Report Series No. 16.Deft,the Netherlands:UNESCO-IHE,2004.

[14] 王新华,徐中民,李应海. 甘肃省2003年的水足迹评价[J]. 自然资源学报,2005,20(6):115-121.

Water footprints and evaluation of water use efficiency in northern areas of Jiangsu Province based on projection pursuit clustering/

ZHANG Yunning1,YUAN Jun1,CHEN Peiran2

(1.Business School, Hohai University, Nanjing 211100, China; 2. Sanhe Lock Management Office of Jiangsu Province, Hongze 223100, China)

Abstract:Based on the relevant data samples of water resources in the northern areas of Jiangsu Province in 2013, a comprehensive evaluation system for water use efficiency is established according to the theory of water footprints. The projection pursuit clustering is employed to analyze the proposed system. The results show that the water use efficiency in Yancheng City is higher, while that in Xuzhou City and Suqian City is relatively low.

Key words:northern area of Jiangsu Province; projection pursuit clustering; water footprint; water use efficiency

(收稿日期：2015-08-12编辑：胡新宇)

中图分类号：TV213.4

文献标识码：A

文章编号：1003-9511(2016)02-0016-04

DOI：10.3880/j.issn.1003-9511.2016.02.004

作者简介：张云宁(1959—),男,江苏南京人,副教授,主要从事工程经济、工程管理研究。E-mail:1542077993@qq.com