宁夏5市城镇居民生活用水量需求影响分析

陈炯利，唐 莲,3，齐娅荣，王永良

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021；3.“旱区现代农业水资源高效利用”教育部创新团队，银川 750021)

人口增长、经济发展使用水量需求不断增加。中国是水资源短缺的国家，水资源短缺问题成为制约社会经济可持续发展的重要瓶颈因素。如何统筹解决水资源供需矛盾，是当前社会普遍关注的问题。因此研究城镇居民的生活用水量需求影响因素，并提出解决方案，对于节水有重要的理论意义。

为了对用水需求影响因素进行分析，国内外学者进行了大量研究。例如，David和Schefter基于美国的数据，研究收入变化和水价对居民生活用水量需求的影响[1]。王亚丽等利用灰色关联分析法对金华市区居民用水量的影响因子进行排序，并提出一些建议，为指导城市生活用水规划提供理论依据[2]。

常用的统计数据分析方法有主成分分析[3]、因子分析[4]、方差分析[5]、聚类分析[6]、典型相关分析[7]等。上述方法各有优点，同时也有应用方面的限制。主成分分析法的优点在于把多个复杂的指标简化为少数几个综合指标，同时少数几个指标能最大程度上反映主要信息，克服了主观随意性，而且操作简单[8]。田韶英等运用主成分分析法，分析了西安市城镇居民生活用水量需求影响，考虑了包括降雨量、水价、人均收入等因素，取得了较好的效果[9]。

在以往的研究中，研究者往往是利用单一方法对某些年份的地区的居民生活用水量需求影响因素进行分析，仅分析了时间上的变化，并未考虑地域上可能产生的影响。本文在分析宁夏全区的城镇居民用水量需求影响因素之后，探讨银川、石嘴山、中卫、吴忠、固原市2008-2016年的城镇居民用水量影响因素，将5市主要影响因素不同的原因进行横向对比，分析可能造成5市影响因素不同的原因，为提高用水效率、规范用水行为提供依据。

1 宁夏城镇居民生活用水现状分析

宁夏降水量南多北少，大都集中在夏季。干旱山区年平均降水400 mm，引黄灌区年平均157 mm。2016年全区降水总量155.927 亿m3，折合降水深301 mm,较多年平均偏多4.3%，较上年偏多4.6%，属于平水年。其中黄灌区降水总量13.277 亿m3，折合降水深202 mm，较多年平均偏多12.8%，较上年偏多20.7%。

根据宁夏水资源公报，宁夏2016年全区总用水量为64.891 亿m3，比2009年的72.234 亿m3减少了7.339 亿m3。2009年城镇居民生活用水量为1.180 亿m3，占总用水量的1.6%，到2016年增加至2.111 亿m3，占总用水量的3.2%。由此表明总用水量呈现下降趋势，但城镇居民生活用水量呈现增加趋势。从图1可以看出宁夏城镇居民生活用水量2008-2016年的上升幅度。

城镇居民生活用水指的是城镇居民日常生活所需用的自来水，主要包括饮用、洗涤、清扫、洗碗、浇洒、以及家庭洗车等用水。城镇居民生活用水表现出一定的特征：居民用水时间有很强的周期性，例如早中晚三餐以及早晨和就寝前； 对于居民生活用水量的增加有以下几个原因：一是人口方面，城镇居民人口总数的增长必定会在水资源方面提出更高的需求量。二是随着经济发展，居民用水的方式有了更多的变化，比如家庭用水设备的增加，导致了用水量的增加。经济发展往往伴随着人均可支配收入的增长，大量研究表明，居民用水与居民收入呈正相关，即收入越高，则用水量越大[10]。已有研究表明，影响生活用水量的因素是多样的，涉及到社会经济、用水习惯、地域等多个方面。故本文针对区域城镇居民实际生活用水现状及其对主要影响因素进行研究和分析。

图1 2008-2016年宁夏城镇居民生活用水量变化Fig.1 Changes in domestic water consumption of urban residents in Ningxia from 2008 to 2016

2 主成分分析原理和指标选取

2.1 主成分分析原理及步骤

在用统计方法研究多变量问题时,变量太多会增加计算量和分析问题的复杂性。由于原变量之间有相关性，主成分分析能在保证信息最少丢失原则下，把多个指标转化为少数几个综合指标。并且这几个综合指标能最大限度反映出原来较多指标反映的信息，进而简化研究的复杂性，提高研究效率[8]。

主成分分析基本步骤为：①确定分析变量，收集原始数据。②对原始数据进行标准化处理，以消除数量级和量纲上的影响。③根据标准化后的数据矩阵求出相关系数矩阵。④求出特征值和特征向量。⑤计算贡献率和累计贡献率，把累计贡献率达到85%以上的确定为主成分。⑥合成主成分，得到综合评价[11]。

2.2 指标的选择

金巍在研究城镇化进程中人口结构变动对用水量的影响中，表明人口数量以及城镇化水平均会对居民用水量产生影响[12]。孙红在研究城市居民用水量影响因素与评价中，得出结论：居民用水量由多种因素综合影响作用，包括生活习惯、水价、居民人均收入、节水技术等等[10]。本文结合以上研究成果以及城镇生活用水实际，把影响城镇居民生活用水量的主要因素分为4类：经济因素，自然因素，家庭用水习惯和城镇化水平。共选取X1:水价(元)、X2:人口、X3:人均可支配收入(元)、X4:人均住房面积(m2)、X5:降雨量(mm)、X6:生活取水量(亿/m3)、X7:淋浴热水器数量(个)、X8:洗衣机数量(台)共8个影响指标，如表1、表2所示。

2.3 分析过程

根据主成分分析的步骤，对2009-2016年的数据进行处理及计算，具体如下。

表1 宁夏全区居民生活用水量评价指标Tab.1 Evaluation index of domestic water consumption of residents in Ningxia

(1)原始数据标准化。用SPSS软件对指标数据进行标准化处理[13]，目的是消除数量级和量纲造成的误差。标准化后的结果如表3所示。

(2)提取主成分。观察表4，表4中第1列为8个成分, 这8个成分为原始8个指标的线性组合；第2列为对应的特征值，表示所解释的方差的大小；第3列为对应的成分所包含的方差占总方差的百分比；第4列为累计的百分比。一般来说，选择特征值大于1的成分(或者累计百分比大于85%)作为主成分。通过表4可知，前2个主成分的累计值已经达到92%>85%，所以选择前2个主成分进行分析，用这2个主成分来代表原有的8个原始变量，达到了降维的目的。

(3)成分矩阵代表主成分和指标的关系，系数正负表示变量对主成分的贡献方向，系数的绝对值大小则代表对主成分的贡献程度。若系数为正，则为正相关，而且系数越大，代表该系数对主成分正向的贡献越大。若系数为负，则为负相关，说明对主成分的贡献刚好相反。从表5可以看出，第1主成分与所有指标均成正相关，且与X7(淋浴热水器)、X2(人口)、X3(人均可支配收入)正相关性非常强，表明第1主成分由家庭指标因素所决定。第2主成分与X5(降雨量)、X8(洗衣机)有较大的相关性，主要反映自然指标对用水量需求的影响。

表2 宁夏样本原始指标及数据Tab.2 Ningxia sample original indicators and data

注：本研究数据均来源于2009-2016年的《宁夏统计年鉴》和《宁夏水资源公报》。

表3 标准化后数据Tab.3 Standardized data

表4 特征值和方差贡献率Tab.4 Eigenvalue and variance contribution rate

第1主因子包含77.01%的变化率，是影响城镇居民生活用水量需求的最主要影响因素。从表5成分矩阵可知，排名前3影响居民生活用水量的影响因素为淋浴热水器、人口、人均可支配收入。宁夏全区每百户拥有的淋浴热水器从2009年的71台，增长到2016年的91台，涨幅较大，增长率达到28%。2016年宁夏人口为674万人，比2009年的625 万人增加了7.8%。2016年宁夏人均可支配收入为21 753 元，比2009年的14 015 元增长了93%。伴随着生活设施的完善以及人口数量增加，以及收入的增加，可以购买更多的家庭用水设施，使得居民生活用水量迅速增加。

表5 成分矩阵Tab.5 Component matrix

以上分析发现：影响宁夏城镇居民用水水平的主要因素为：淋浴热水器、人口、人均可支配收入，而且家庭指标>城镇化水平>经济指标。

3 宁夏5市城镇居民生活用水量需求影响分析

3.1 5市概况

以上的分析是以宁夏的整体平均水平进行分析的，而宁夏5市的发展极不平衡，存在明显的区域差异。2016年的5市GDP排名为：银川>石嘴山>吴忠>中卫>固原。银川作为宁夏自治区的首府，是一个以发展轻纺工业为主，机械、化工、建材工业协调发展的综合性工业城市。无论是城市化率还是经济发展水平，都领先于其他4个城市，较为发达。石嘴山作为老牌工业城市，煤炭产业是石嘴山的支柱产业，在2016年的5市城市化率和人均GDP中，仅次于银川，经济发展水平较快，但人口数量和其他城市相比较少。吴忠和中卫的经济发展水平处于宁夏中端。固原位于宁夏最南端，是西北特色农场品集散中心，属于5个城市中经济发展较差的城市。

为了更加全面地了解宁夏5市城镇居民的生活用水量相关情况，在上文分析的基础上，再对宁夏5个城市的城镇居民生活用水量进行对比分析。同样选取8个指标，利用主成分分析法完成分析过程。表6～表10为5市的原始数据统计结果。

表6 石嘴山市样本原始指标及数据Tab.6 Shizuishan City sample original indicators and data

表7 银川市样本原始指标及数据Tab.7 Yinchuan sample original indicators and data

表8 吴忠市样本原始指标及数据Tab.8 Wuzhong City sample original indicators and data

表9 中卫样本原始指标及数据Tab.9 Zhongwei sample original indicators and data

表10 固原市样本原始指标及数据Tab.10 Guyuan sample original indicators and data

3.2 5市城镇居民生活用水量影响因素主成分分析

(1)5市主成分计算的特征值及方差贡献率。由表11可知，宁夏5市的前2个成分累计贡献率已经大于85%，所以选择前2项作为主成分来分析。

(2)5市主成分矩阵。由表12可知，吴忠市城镇居民生活用水量主要影响因素为水价、人均可支配收入、人均住房面积。固原市城镇居民生活用水量主要影响因素为水价、人均可支配收入、人均住房面积。石嘴山市城镇居民生活用水量主要影响因素为人均可支配收入、生活取水量和淋浴热水器。中卫市城镇居民生活用水量主要影响因素为人均可支配收入、人均住房面积、洗衣机。银川市城镇居民生活用水量的需求的最重要影响因素为人均可支配收入、城镇人口数量、洗衣机台数和沐浴器个数。

表11 宁夏5市特征值和方差贡献率Tab.11 Characteristic value and variance contribution rate of five cities in Ningxia

4 5市及宁夏的生活用水量影响因素比较

从表13可以看出，无论是宁夏还是5市，人均可支配收入均为主要影响因素之一。随着经济的快速发展，居民收入不断增加，人们有能力购买更多的家庭耗水器具及设备，例如淋浴热水器、洗衣机、洗碗机等。这些耗水设备的增加，使得用水量也会大量增加。2016年，宁夏的人口接近675万人，而银川市作为宁夏的首府，是宁夏全区的最主要的居住地，2016年银川市常住人口达到165万人，占全区的24%，远超其他4个城市。人口的增多必然会导致城市用水量的上升，所以人口是银川市居民生活用水量的主要影响因素之一。人口同时也是中卫和固原的次要影响因素，这是因为中卫和固原市人口数量较少而且城市规模较小，所以人口并没有在很大程度上影响居民生活用水量。

表12 宁夏5市成分矩阵Tab.12 Ningxia five city component matrix

表13 影响居民生活用水量的因素Tab.13 Factors affecting residents' domestic water consumption

水价的制定方法、计收制度、水价结构以及价格水平都会对用水量产生影响。有研究表明：水费占家庭收入比例的不同，会造成居民用水习惯的不同：水费占家庭收入的1%时，对心理影响不大。而当水费占家庭收入的10%时，对居民用水习惯造成很大的影响，而且会考虑水的重复利用。也就是说中高层收入阶层的居民用水行为受水价的影响较小。水价作为吴忠和固原市的居民生活用水量主要影响因素之一，较为可能的原因是，这2个城市作为宁夏经济发展较为落后的地区，人均收入总体来说并不高，由此受到了水价的影响。在其余情况相同的条件下，不同居住水平的居住区在用水量方面会有较大差异，人均居住面积越大的同时，给排水卫生设备越完善，居民生活的生活用水量就越大。

5 结 论

首先考虑宁夏全区2009-2016年间城镇居民生活用水量影响因素，然后对宁夏5市2008-2016年的居民生活用水量影响因素进行分析，具体得到以下2个结论：

(1)通过主成分分析，将8个指标降维成2个主成分，建立宁夏城镇居民生活用水量模型。最终结果为：淋浴热水器、人口、人均可支配收入等对宁夏全区城镇居民生活用水量影响比较显著，即家庭指标>城镇化水平>经济指标。

(2)宁夏5市的城镇居民生活用水量需求影响因素结果表明：宁夏各个城市之间人均可支配收入均为主要影响因素之一。说明收入与用水量之间有着较强的关联性。但居民生活用水量影响因素差异较大，银川市是宁夏的政治中心，城市规模较大，人口数量远超其他城市，所以家庭指标和城镇化水平影响较大。中卫作为宁夏最年轻的城市，城市发展迅速，主要受到了城镇化水平和家庭指标的影响。固原市位于自然环境较为恶劣的南部黄土高原区，城市规模小，经济较为落后；吴忠市位于引黄灌区的特殊地段，农业发达，经济水平同样较低，水价是主要的影响因素。石嘴山近些年来加大了对资源的开发利用，且经济水平较高，是宁夏人均GDP排名第2的城市，生活用水量主要受家庭指标和城镇化水平的影响。