基于主成分分析的广东省水资源承载力研究

2019-03-20徐芬芬

中国环保产业 2019年2期

徐芬芬

（广东省环境保护产业协会，广州 510045）

引言

随着经济社会的发展，资源和生态环境问题日益突出，水资源短缺已成为经济社会可持续发展的重要制约因素，因此，正确地评价区域水资源状况，对促进经济社会的可持续发展具有重要意义。水资源承载力是承载力概念与水资源领域的自然结合。水资源承载力是指“某一地区的水资源在某一具体历史发展阶段下，以可以预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维护生态环境良性循环为条件，经过优化配置，对该地区社会经济发展的最大支撑能力”[1]。近年来，不少学者对水资源承载力进行了研究，研究的方法主要有常规趋势法、模糊综合评价法、主成分分析法、系统动力学方法、多目标决策分析法等[2、3]。影响水资源承载力的因素有很多，而主成分分析法采取降维的方式，可以将很多指标转化为少数几个综合指标（即主成分），且每个主成分都能够涵盖原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复。曹丽娟等学者分别用主成分分析法对甘肃省[1]、浙江省[4]、安徽省[5]、河北省[6]、江西省[7]、陕西省[8]、湖南省[9]、辽宁省[10]、长江经济带[11]、汉江生态经济带[12]、辽河干流[13]等地区和流域的水资源承载力进行了研究，主要着眼于对水资源状态进行评价，而对影响水资源现有状态的驱动力及针对驱动力所做出的响应研究较少。本文将在原有的研究基础上，运用驱动力（Driving force）-压力（Pressure）-状态（State）-影响（Impact）-响应（Response）模型构建多因素指标体系，利用主成分分析法对广东省水资源承载力进行评价，旨在为广东省的水资源规划及合理利用提供科学依据。

1 区域概况及研究方法

1.1 区域概况

广东省地处珠江流域下游，陆地国土面积为17.96万平方公里，约占全国陆地面积的1.85%；2016年广东省常住人口达10,999万人[14]，占全国总人口的7.95%，是国内人多地少的省份之一。广东省的水资源相当丰富，据2016年《中国水资源公报》显示，全省年平均降水量达2357.6mm，仅次于福建省，位居全国第二；地表水资源量为2448.5亿m3，占全国地表水资源总量的7.8%；地下水资源量为570.0亿m3，占全国地表水资源总量的6.4%；水资源总量为2458.6亿m3，占全国地表水资源总量的7.6%。广东省主要河系为珠江的西江、东江、北江和三角洲水系以及韩江水系，其次为粤东的榕江、练江、螺河和黄岗河以及粤西的漠阳江、鉴江、九洲江和南渡河等独流入海河流。珠江通航能力仅次于长江，居中国江河水系的第二位，长度及流域面积均居中国第四位。

1.2 研究方法

本文采用主成分分析法对广东省的水资源承载力进行评价，主要步骤为：1）在收集数据资料的基础上，结合当地实际情况，选取合适的分析指标，确定分析变量；2）为消除不同变量量纲不同带来的影响，对原始数据进行标准化处理；3）计算出标准化后数据的相关系数矩阵、特征值和特征向量，并按照特征值的大小进行排序；4）根据各特征值的大小及累积贡献率确定主成分个数，一般根据特征值大于1或累积贡献率大于85%的原则确定；5）以各主成分的信息贡献率为权数，对历年水资源承载力进行综合评价。

1.3 数据来源

本文所涉及数据主要来源于2006～2015年《广东国民经济和社会发展统计公报》《广东省环境统计公报》《广东省环境状况公报》和《广东省水资源公报》。

2 广东省水资源承载力评价

2.1 指标的选取

水资源系统是一个庞大的系统，影响水资源承载力的因素有很多，且各要素之间相互联系、相互作用。DPSIR模型构建的指标体系可以很好地拓展指标体系的内涵，但是目前将其应用到水资源承载力评价中的研究较少。本文在原有研究基础上将DPSIR模型用于水资源承载力评价指标体系的构建，综合考虑经济、社会、生态、环境等因素对水资源系统的影响，涵盖了水资源状态、驱动力、压力、影响及响应等多项指标，能更完整地反映各要素之间的关系，突出自然环境、资源与社会之间的关联，为决策者提供科学的管理依据。

基于DPSIR模型，遵循指标代表性、独立性、系统性、可量化等原则，并考虑指标的可获得性，选取23个指标构建了广东省水资源承载力综合评价指标体系，详见表1。

表1 广东省水资源综合承载力综合评价指标体系

2.2 结果与分析

为消除各指标量纲的影响，利用SPSS软件对原始数据进行标准化处理再进行相关分析，原始数据经处理后，得到的指标体系标准化数据见表2。

本研究共有23个指标，故得到的特征值及特征向量共有23个，按照特征值大于1及累计贡献率＞85%的原则提取主成分，最终确定提取的主成分个数为2个，提取的2个主成分对应的特征值及贡献率见表3。由表3可以看出，提取的2个主成分的累积贡献率达90.023%，已超过85%，因此，提取的2个主成分基本可以代表全部指标对广东省水资源承载力的影响。

各特征值对应的特征向量见表4。

因子载荷矩阵是主成分与各因子之间相关系数的矩阵，通过最大方差的正交旋转法对因子进行旋转得到的矩阵，使因子和原始变量之间的关系进行重新分配，因子载荷矩阵的系数更加显著，从而更容易对各主成分进行解释[11]。经过25次迭代旋转后得到的各主成分荷载矩阵如表5所示。

从表5中可看出，第1主成分与水资源驱动力指标、压力指标、影响指标、响应指标呈显著的相关性，反映了人口、经济、社会及管理对水资源承载力的影响。其中，X1、X3、X4、X5、X6、X11、X13、X14、X15、X20、X21、X22、X23等指标与第1主成分呈显著的正相关关系，且城镇居民人均可支配收入及城市污水日处理能力两项指标的贡献率均达99%以上，表明人民生活水平的提高及污水处理设施的建设在一定程度上能缓解水资源的压力；X2、X7、X8、X9、X10、X11、X12等指标与第1主成分呈显著的负相关关系，且人均综合用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量等3个指标的贡献率达98%以上，表明由于人口和经济增长带来的水资源消耗是影响水资源承载力的重要因素。

表2 2007～2016年广东省水资源承载力指标体系标准化矩阵

第2主成分与水资源状态指标X16、X17、X18、X19呈显著的相关性，其中水资源总量、地表水资源量和地下水资源量等指标与第2主成分呈显著正相关关系，表明我省的水资源含量充足，对于缓解水资源供需矛盾，提高水资源承载力起到重要作用；水资源开发利用率与第2主成分呈显著负相关关系，表明水资源开发利用率越低，水资源待开发利用潜力越大，能支持的经济社会发展水平越高。

根据特征向量及标准化后的数据，可得到2006～2015年2个主成分的得分F1和F2 ，然后根据各主成分对应特征值的方差贡献率计算出水资源承载力的综合得分F，结果见表6。

表3 提取的主成分特征值及贡献率

表4 特征值及特征向量

表5 旋转后各主成分荷载矩阵

表6 各主成分得分及综合得分情况表

从表5可以看出，主成分得分及综合得分均有正有负，但得分正、负并不代表水资源承载力的实际水平，而是表示其所在年份水资源承载力所处的相对位置，得分为正表明水资源承载力水平高于评价时间段平均水平，得分为负表明水资源承载力水平低于评价时间段平均水平。综合得分越高，表明水资源承载力越大；综合得分越低，表明水资源承载力越小[15]。

从下图可以看出，第1主成分得分在评价时间段内呈逐年上升趋势，这是因为对第1主成分荷载较大的指标在评价时间段内呈有序上升或下降趋势。2006～2015年十年间，广东省年末常住人口增加了1500万人；GDP由25,968亿元增长至72,812亿元，增长了1.8倍；固定资产投资由8116亿元增长至30,031亿元，增长了2.7倍；城镇居民人均可支配收入及农村居民人均纯收入分别增加1.2倍和1.6倍。而随着广东省人口的增加、经济的持续发展和人民生活水平的提高，对水资源的需求量和排放量也会不断增加，给水资源承载力造成的负担会不断加大；另一方面，随着科技的进步，单位用水指标以及工业废水排放量均呈逐年下降的趋势，其中，万元GDP用水量、万元工业增加值用水量减少70%，工业废水排放量减少了30%，人均综合用水量、城镇居民人均生活用水量减少20%，同时，水利、环境和公共设施管理投资由643亿元增长至1443亿元，增加了2.8倍，城市污水处理能力由724万吨增加至2353万吨，提高了2.2倍，森林覆盖率及水质优良率保持平稳并有上升的态势，这些都在一定程度上缓解了人口增加和经济社会化进步带给水资源承载力的压力。

2006～2015年广东省水资源承载力主成分得分及综合得分折线图

而第2主成分呈波动状态，这主要是由于对第2主成分荷载较大的指标（水资源总量、地表水资源量、地下水资源量、水资源开发利用率等）在评价时间段内呈波动状态。广东省属于东亚季风区，地处低纬度带，面临广阔的海洋，受地形及季风气候的影响，降水充沛，年平均降水量在1300～2500毫米之间，但降水年内及年际分布不均匀，年际变化较大，多雨年降水量为少雨年的2倍以上，从而导致广东省的水资源条件的不稳定性，进而对水资源承载力造成影响。

综合得分与第1主成分得分趋势保持一致，在评价时间段内呈逐年上升的趋势，这是因为第1主成分的贡献率达72.476%，而呈波动状态的第2主成分的贡献率仅为14.547%，对综合得分没有起到太大影响。在2006～2015年十年间，广东省水资源承载力呈逐年上升的趋势，其主要原因有：1）在经济和社会发展过程中，随着人们环保意识的不断提高，对水利环境等公共管理设施的投入越来越大，污水处理能力不断增强，缓解了污废水排放带来的水资源压力；2）同时随着科技的快速发展，各领域对水资源的消耗水平逐年减少，工业废水排放量也呈下降的趋势，在一定程度上缓解了水资源的供需矛盾；3）随着人们节能减排意识的增强，化学需氧量排放总量、氨氮排放总量等指标增速逐渐趋于平缓，且从2012年开始呈逐年下降趋势，这些都能缓解一部分水资源的压力，提高水资源承载力。