基于主成分分析的新疆水资源承载力分析

洪昕妍

(博尔塔拉水文勘测局，新疆 博乐 833400)

随着经济和社会的不断发展，水资源短缺已经成为我国一个巨大的水资源问题，尤其是对我国西北干旱半干旱地区而言，对生态环境的影响更具限制性。水资源承载力的提出为水资源研究提供了新的思路，有效地结合了水资源领域的承载力概念，使水资源定量评价更加生动[1]。为了研究水资源禀赋与当地社会经济和自然环境的协调发展，水资源承载力水平评价已成为社会经济和生态环境可持续发展关注的热点问题[2]。

1 水资源承载力

承载力的概念最初是从工程学中借来的，最初是指地基强度承载建筑物的能力，现在已经发展成为描述发展限制程度最常用的概念之一[3]。生态学是第一个将这一概念引入科学领域的。根据可持续发展的原则，水资源承载能力是某地区在当前的社会经济发展水平的基础上，能够最大化的维护生态环境良性循环发展，满足生态用水需求的可用水资源量[4]。

不同的自然条件对于地区发展具有不同的影响，所以研究新疆区域水资源承载力时要结合当地实际情况，因地制宜地提出新疆水资源开发和治理的建议[5]。为了使新疆经济发展和水资源的开发利用达到可持续，故提出对新疆地区水资源承载力的研究。

2 区域概况

新疆位于中国西北部，新疆中部，欧亚大陆的心脏地带，东临吐鲁番市。西以昌吉市为界。属温带大陆性干燥气候，7、8月最热，平均气温25.7℃[6]；最冷的是1月，平均气温为-15.2℃。地势起伏，山区广阔。南部和东北部高，中部和北部低，山区占总面积的50%以上。

水资源是地处内陆干旱区的新疆最宝贵的资源。新疆水资源形态多样，有冰川融水、地表径流和地下径流等。降水是水资源的供应来源，降水的变化直接影响着水资源的变化。新疆地表水水质良好，河流是内河，河流很短而且分散，它们来自山区，主要由冰雪融水补给，水库水位随季节变化较大，分布在绿洲或平原水库[7]。新疆地区共有河流46条，它们分别属于乌鲁木齐河、头屯河、白洋河、阿拉沟湖和柴窝铺湖。新疆地下水资源和冰川资源丰富，主要分布在乌鲁木齐河上游、头屯河的天山和东部的博格达山，储量73.9亿m3，平均消融量1.23亿m3[6]。

3 水资源承载力评价

3.1 数据来源及研究方法

3.1.1数据来源

本文研究所用数据均来自于2011—2017年《新疆统计年鉴》、《新疆水资源公报》。

3.1.2研究方法

本文采用主成分分析法对新疆水资源承载力进行综合评价。主成分分析是通过降维的方式，用少量指标代表多数变量指标，并尽可能多地反映多数变量指标所反映的信息的一种独立的统计分析方法[8]。具体计算步骤如下。

(1)指标标准化：

(2)计算相关系数矩阵：

(3)计算主成分贡献率和累计贡献率，将累计贡献率大等于85%的确定为主成分[9]：

(4)计算主成分载荷：

(5)计算综合得分对区域水资源承载力进行综合评价。

3.2 建立评价指标体系

水资源承载力的研究涉及社会、经济、生态等各个要素，结合实际资料建立新疆水资源承载力评价指标体系[10]。选取12个指标对新疆 2011—2017年水资源承载力进行综合评价，评价指标体系如图1所示。

图1 水资源承载力评价指标体系

3.3 评价结果分析

借助SPSS 22.0软件对12个指标因子进行主成分数据分析处理，得到分析结果见表1。

表1 因子方差表

表2 总方差结果表

由表2中我们可以看出，将12个因素根据总方差贡献值最后分成了3个主成分，第一主成分贡献值为51.269%，第二主成分贡献值为24.468%，第三主成分贡献值为14.878%，3个主成分的贡献值累计达90.614%，说明前3个主成分足以代表所有因素的影响程度。

图1为主成分分析生成的碎石图。碎石图按特征值的大小排列[11]，一般来说，碎石图中拐点前所有因子和拐点后的第一个因子是主成分因素[12]。从图1可以看出，前3个主成分的特征值较大，而其他成分较小，拐点出现在第五特征值处。由于前3个分量已经满足主成分的要求，所以没有提取第四个因子。

图2 成分碎石图

表3 成分矩阵

由表3可知，第一主成分与总人口、废水排放量、城市人口比例、区域总产值和固定资产投资呈正相关，与工业用水总量呈负相关，可以看见第一主成分反映了人口、社会和经济发展的各个方面。第一主成分累积贡献率达到51.296%，占3个主成分的主要地位，说明人口、社会和经济发展水平是影响新疆水资源承载力的主要因素。从2011—2017年的7年间，新疆人口和社会经济处于不断增长的趋势，这就导致了水资源大量消耗。同时由于经济发展和人类活动的影响，水资源浪费和水污染问题日益加剧，对新疆水资源承载能力造成影响[13]。

由表3可知，第二主成分与供水总量和农业用水呈正相关，可以认为第二主成分主要反映新疆水资源的用水程度与用水结构。第二主成分累计贡献率为24.468%，说明水资源的用水程度与用水结构也是影响新疆水资源承载力的一个重要因子。新疆主要用水部门为农业用水，其次为工业用水、生态建设用水以及居民用水，用水结构不均，农业用水效率低，造成水资源的不合理利用，此外新疆地区的降水主要集中在夏季，年内水资源分配不均，这些都影响着水资源承载力。

由表3可知，第三主成分与人均水资源量呈正相关，与城镇生活居民用水量呈负相关，可以认为第三主成分主要反映新疆水资源的丰盈程度。第三主成分累计贡献率为14.878%，说明水资源的丰盈程度也是影响新疆水资源承载力的一个重要因子。

进行主成分计算得到：

F1=0.659X1+0.933X2-0.306X3-0.301X4-0.886X5+0.417X6-0.407X7-0.315X8+0.962X9+0.967X10+0.908X11+0.868X12

F2=-0.331X1+0.036X2+0.895X3+0.886X4+0.361X5-0.379X6-0.739X7+0.205X8+0.113X9+0.127X10+0.380X11+0.450X12

F3=-0.396X1+0.313X2-0.192X3-0.267X4-0.132X5-0.770X6+0.391X7+0.764X8-0.004X9+0.157X10+0.151X11+0.171X12

F=(51.296%/90.614%)F1+(24.468%/90.614%)F2+(14.878%/90.614%)F3

=0.566F1+0.27F2+0.1642F3

根据公式得到新疆水资源承载力综合得分见表4，F1、F2、F3是主成分得分，F为综合得分。正向得分表示该值高于研究时的平均水平，负向得分表示低于平均水平[14],综合得分数值越大，说明水资源承载力越强，反之承载力越弱。

表4 新疆水资源承载力综合得分表

图3 2011—2017年F值变化趋势图

由表4和图2可以看出，新疆的水资源承载力随着时间的增加，呈现出逐年上升的趋势，造成的主要原因是由于城市化的不断推进，以及人口和经济的快速发展，水资源的需求和消耗不断增加，但水资源利用效率和处污能力逐渐提高[15]。另外，人们的节水意识不断提高，这在一定程度上可以提高水资源的承载能力[16]。

4 结语

水资源承载力可以很好的评价地区水资源的现状及发展情况。本文对新疆地区2011—2017年社会、经济、自然条件数据进行分析研究，构建了新疆地区水资源承载力评价指标体系，借助SPSS 22.0软件对12个指标因子进行主成分数据分析处理，主要得到影响新疆水资源承载力的3个主成分为人口、社会、经济发展水平、用水程度与用水结构以及水资源的丰盈程度。此外，研究结果显示随着时间的增长，新疆水资源承载力得分呈现逐年增加趋势，表明水资源承载能力逐步提高。本研究综合社会经济各个方面，对于推动新疆地区经济与生态协调耦合发展，实现资源可持续利用具有一定的积极意义。