基于主成分分析的滨湖城市生态水利效益评价研究

顾小涵，朱诗洁，毛劲乔

(河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

生态水利工程是在满足防洪、发电、灌溉、航运、供水等方面需求的基础上，综合考虑水域生态系统健康和可持续发展的综合性工程[1]，其规划设计需满足水利工程和生态学的原理。国内外标志性生态水利工程有莱茵河综合治理工程、都江堰水利工程等[2]。鄱阳湖是中国第一大淡水湖，而滨湖城市又是自然陆地、湖泊、城市生态的重要交汇区，因此环鄱阳湖滨湖城市一直都是生态水利工程建设的热点地区，该类工程建设与运行的成效，对鄱阳湖流域的水生态文明建设起着至关重要的作用。一般认为，生态水利工程有利于促进水生态保护和流域水系连通，有助于改善因城市建设和工业生产引发的水质污染和生态环境问题，但如何评价其对区域水生态系统的影响或改善度，需要进行科学合理的评判。

生态评价方法可分为定性分析法、数学模型法、系统模型法和综合评价法[3]。中国生态环境影响评价是借鉴国外经验并结合国内实际情况逐步发展起来的，如吴泽斌[4]采用改进的模糊综合评价法评价了龙滩水电工程的生态环境影响，陈叶华等[5]采用水动力模型定量评价了岳阳市芭蕉湖-南湖连通工程的水系连通性，姚杰等[6]采用综合主成分分析法评价了灌区节水改造工程的水利效益，均取得了较好效果。环鄱阳湖城市生态系统是系统性和层次性都很强的复合生态系统，涉及面较广，选取正确的评价方法尤为重要。

作为典型的环鄱阳湖滨湖城市，共青城市积极响应国家生态文明建设的号召，大力推进生态水利工程建设，主要包括河湖水系连通治理工程、生态修复工程、农业节水工程等，但目前关于共青城市生态水利工程的研究还较少。该问题具有涉及面广、影响因素众多、结构关系复杂等特点，因此本文拟采用主成分分析法，以共青城市为评价主体，综合选取多项评价指标建立评价体系，构建主成分分析模型，综合衡量其水利工程效益，为环鄱阳湖区域生态水利运行管理提供技术参考。

1 基于主成分分析法的生态水利效益评价方法

1.1 主成分分析法原理

主成分分析法是一种将多维因子纳入同一系统进行定量化研究、理论比较完善的多元统计分析方法[7]，在简化系统结构但保持原有信息的基础上，将多个指标转化为几个综合指标，实现从高维度空间到低维度空间的转换[8]，可以有效降低计算量。

1.2 具体步骤

1.2.1评价指标体系建立

本文将滨湖城市生态水利评价指标体系分解为目标层、准则层和指标层[9]，主要从经济、生态、社会等多方面综合考虑选取评价指标构成评价指标集。

1.2.2评价指标数据预处理

为消除各指标量纲的影响，在构建主成分分析模型之前需要进行标准化处理，即将量纲归一化。先用取倒数的方法将负向指标变换成正向指标，之后利用标准差标准化法将原始数据标准化，计算公式见式(1)：

(1)

1.2.3适用性检验

相关系数是反映标准化后的数据之间密切程度的统计指标[10]，其绝对值越大，表明变量之间相关性越密切，通过适用性检验判断原始变量之间的相关性，数据结构简化的可行性，以及是否适合做主成分分析。

1.2.4计算相关系数矩阵R

将数据标准化处理后，由式(3)计算相关系数，构建相关系数矩阵R。

(2)

式中ρij——原变量xi与xj的相关系数，ρij=ρji(i=1，2，3，……，p；j=1，2，3，……，p)。

相关系数的计算公式为：

(3)

1.2.5主成分分析

计算相关系数矩阵R的特征值λi、方差贡献率Bi和累积贡献率Mm，方差贡献率Bi表示各主成分的信息量，计算公式为：

(4)

累积贡献率Mm反映了前m个主成分的信息综合能力，计算公式为：

(5)

将每个主成分对应的特征值、方差贡献率和累计贡献率汇总成表，作为确定主成分的依据。

1.2.6计算因子载荷矩阵

进一步计算所选主成分的标准化正交旋转因子载荷矩阵，主成分载荷反映了主成分与原变量之间的相互关联度，其计算公式为：

(6)

对于主成分因子载荷矩阵，相关系数(绝对值)越大，意味着主成分对该变量的代表性也越大，正值表示与该主成分正相关，负值则表示负相关。其中，主成分Fi的计算公式如下：

(7)

1.2.7综合得分

加权求和计算综合得分，权数wi为每个主成分的方差贡献率即每个主成分对应特征值占提取的主成分的特征值之和的比重[11]，由指数模型计算得到最终的综合分数：

I=w1×F1+w2×F2

(8)

其中，主成分表示为式(9)：

(9)

式中uki——第i个主成分下第k个指标对应的因子载荷系数；Zxk——第k个评价指标标准化后的值。

2 生态水利效益评价模型构建

2.1 研究区域概况

共青城位于江西省北部，鄱阳湖西岸，具体地理位置见图1。地势西北高、东南低，属长江流域亚热带季风气候，四季分明，温暖湿润，年平均温度16.7℃，年降雨量1 366 mm，年平均相对湿度78.79%。区域内水系属于鄱阳湖水系，地表水资源量1.11亿m3，地下水资源量0.32亿m3。区域土壤类型主要为水稻土和红壤土，地带性植被主要为常绿阔叶林。截至2019年，共青城土地总面积310 km2，人口总数约22万，全年生产总值147.45亿元，与2018年相比增长8.6%。

图1 共青城市行政区划

2010年以来，随着城市化进程，城市工农业废水、生活污水排放量显著增加，河湖连通性下降，珍珠河、南湖、鄱阳河入水口断面水质已达Ⅴ类水标准。2018年，共青城市生态水利工程正式投入运行，包括水系连通工程、生态修复工程、农业水利工程等，以实现南湖和东湖连通，促进区域实现良性水循环。

2.2 评价指标体系构建

生态水利的效应是综合性的，反映在经济、生态、社会等多个方面。为增强区域生态水利效益评价结果的客观科学性，本文根据评价主体特性，确定适用性、层次性、可操作性、科学性和动态性作为评价指标的选取原则[12-14]，结合目标分析法和理论分析法划分评价体系，以共青城市生态水利效益评价为目标层，准则层选取经济、生态环境和社会三方面效益，指标层包括20项具体评价指标，共同构成共青城市生态水利效益评价指标体系(表1)。表中指标属性涉及“+”“-”2种属性，指标属性为“+”，表明指标值越高，对共青城市生态水利效益越有利；指标属性为“-”，表明指标值越低，对共青城市生态水利效益越有利。

表1 共青城市生态水利效益评价指标体系

2.3 评价等级划分

根据HJ 192—2015《生态环境状况评价技术规范》，结合评价区域的实际特征，将生态水利效应影响下的城市生态环境质量和各评价指标由高到低划分为5个等级，每个等级对应的城市生态环境质量描述如下。①Ⅰ级：城市生态环境优良，各类系统之间协调发展，环境污染控制和城市生态建设颇有成效；②Ⅱ级：城市生态环境良好，各类系统之间协调性较好，污染控制和城市生态建设效果较好；③Ⅲ级：城市生态环境一般，各类系统之间基本能协调发展，城市生态建设程度一般；④Ⅳ级：城市存在明显的生态环境问题，需要大力加强环境保护和生态建设；⑤Ⅴ级：城市生态环境质量恶劣，不利于人类长期生存和发展。

2.4 数据来源

统计数据来自《共青城市总体规划(2012—2030)》《共青城2019年政府工作报告》《九江统计年鉴——2019》《共青城市生态市建设规划(2012—2020)》《共青城市低碳城市试点实施方案》《共青城统计月报》，遥感图像来源于美国USGS官网发布的2018年10月3日至2018年10月10日、类型为Landsat Level-1的遥感图像。水质监测数据采集时间范围为2018年11月至2019年9月，选取溶解氧、pH、高锰酸盐、氨氮、总磷5个最常见、易于采集数据的地表水水质指标，以便采用水质污染综合指数[18]进行量化。

2.5 主成分分析法应用

依据相关系数矩阵，相关系数绝对值大于0.3的占总系数的92.0%，表明原始变量大多数之间的相关性很强，数据结构简化可行，适合做主成分分析。在此基础上进一步计算相关系数矩阵R的特征值λi、方差贡献率Bi和累积贡献率Mm，汇总见表2。

表2 共青城市生态评价指标的特征值和贡献率

提取特征值大于1或者累积贡献率大于85%的因子为主成分，表中前两项的特征值大于1且累计贡献率为97.521%，大于85%，表明前两项作为主成分有较高的可信度，可以基本涵盖全部数据的信息，因此选取前两项作为共青城市生态环境评价的主成分因子。加权求和计算综合得分，将各指标等级和实测值的综合得分汇总见表3，最终得到2019年共青城市生态评价得分为1.253 8，质量等级隶属Ⅲ级。

表3 综合得分

2.6 评价结果分析

水利工程建设和运行对河流生态环境的功能和系统都会产生影响[19]，进而影响周边区域生态系统。对共青城市开展生态水利效益评价，结果表明，在鄱阳湖生态水利工程影响下的共青城市2019年生态水利效益评价得分为1.253 8，整体质量等级归属Ⅲ级，各类系统之间基本能协调发展，城市生态建设程度一般，具体反映在各准则层的评价指标上，由图2可以得到以下结论。

a)经济效益层面，生态水利工程建设运行增加了投资机遇。人均GDP指标达到Ⅰ级水平，土地开发利用强度指标位于Ⅲ级水平，共青城土地开发利用程度中等；可利用水资源指标偏Ⅴ级，尽管工程优化了水资源配置，增加了区域水资源总量，但是人口增长和围湖造田等因素还是造成了人均水资源量趋于下降；农业生产指标偏Ⅲ级，表明农业开发程度适中；经济结构调整指标位于Ⅳ级水平，表明工程建设运行促进了科技和服务业的发展，改善了第三产业占比。

b)生态环境效益层面，随着共青城生态水利工程的投入运行，共青城努力推进低碳城市试点方案，加大废水处理力度，取得了成效；水质达标率指标位于Ⅱ级和Ⅲ级之间，区域水质状况有所改善；共青城市耕地面积占比较高，鄱阳湖农业生态水利工程增加了灌溉水源，适量灌溉有利于加速有机化合物的溶解和吸收，从而减少农药化肥的使用量；空气质量指标介于Ⅰ级和Ⅱ级之间，空气质量状况良好；土壤质量指标处于Ⅰ级水平，底栖生物物种多样性指标和湿地分布情况指标都处于Ⅴ级，除了已经建设的湿地保护区之外，其他地区湿地分布较少，湿地保护力度不足；得益于水系连通工程，水系连通程度指标Ⅰ级，区域内水系交错，地表水资源充足；生态修复工程增加植被覆盖，植被覆盖度指标Ⅱ级，区域植被资源充足；区域降水量指标Ⅲ级，在全国范围内属于中等水平。

c)社会效益层面，共青城人口密度指标偏Ⅳ级，人口密集度不高，在城市承载力之内；人居环境指标介于Ⅰ级和Ⅱ级之间，表征在生态水利概念的辐射下，共青城政府注重生态建设，加大环境保护力度；区域旅游观光指标Ⅱ级，生态水利工程有助于营造旅游资源，有利于绿色发展；防洪减灾指标偏Ⅳ级，通过建设圩堤除险加固工程，共青城防汛条件大大改善，防洪效益显著。

a)经济效益准则层的各项评价指标等级

b)生态环境效益准则层的各项评价指标等级

c)社会效益准则层的各项评价指标等级图2 评价指标等级

3 结论

针对环鄱阳湖滨湖城市的生态水利工程效益开展评价，构建了包含经济效益、生态环境效益、社会效益3个方面、20项评价指标的生态水利效益评价体系，利用主成分分析模型开展了定性与定量相结合的评价研究。以共青城为典型案例，进行模型应用与方法研究，结果表明共青城生态环境等级隶属Ⅲ级，区域经济发展水平良好，生态城市建设和社会保障制度较为完善。以此为依托，共青城应继续优化产业结构，改善经济发展环境，深化绿色发展。本文提出的生态水利效益评价体系及主成分分析模型，能兼顾多指标的综合效应，适用于滨湖城市的生态水利效益定量评价，为生态水利建设可持续发展提供技术手段。