基于主成分分析法的太原市水资源承载力评价

程芳芳

[摘    要] 水资源是维系人类正常生产生活所必不可少的资源，水资源短缺将会严重制约地区经济、社会的发展。文章以太原市的水资源承载力作为研究对象，选取地区生产总值、固定资产投资额、总人口、城市人口比重、水资源总量、万元GDP耗水量、生态用水量、有效灌溉面积、废污水排水量、总供水量、人均用水量、工业用水量、农业用水量、生活用水量等14个指标，运用主成分分析法对太原市水资源承载力进行了分析研究。结果表明：2009-2018年间，太原市水资源承载力整体呈现波动下降的趋势，影响太原市水资源承载力的主要因子有经济因子、人口因子、水资源供应因子、用水量因子、水资源利用程度因子。

[关键词] 水资源承载力;主成分分析法：太原市

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2021. 01. 087

[中图分类号] F205    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2021）01- 0212- 04

0      引    言

水资源是维系人类社会正常生产和发展的重要基础性资源，水资源承载力是经济可持续发展、社会可持续发展的先决条件之一，只有水资源条件能够承载一个地区当前的发展规模，经济社会才能够实现可持续发展，否则就可能陷入水生态环境破坏，再生能力下降，难以维系经济社会活动正常运行的恶性循环。水资源承载力表达的是某一地区的水资源，在特定历史发展阶段下，在维护生态环境良性循环的条件下，合理配置资源、经济、技术等条件，实现水资源对该地区经济发展的最大承载力，促进该地区可持续发展[1]。是衡量区域可持续发展程度的一个重要指标[2]。

随着可持续发展、科学发展观等的深入人心，近年来，对水资源承载力的研究已成为国内外学者的研究热点。1998年，美国URS公司首次运用模型对佛罗里达Key流域的承载力进行研究，承载力被定义为“在不对自然和人工资源造成破坏的前提下，该地区所能承载的最大发展水平”[3]。进入21世纪之后，国内学者对水资源承载力进行了大量研究，对水资源承载力的概念进行了界定，例如，惠泱河[4]将水资源承载力定义为“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”;段春青[5]等认为水资源承载力是指“在一定经济社会和科技发展水平条件下，以生态、环境健康发展和社会经济可持续发展协调为前提的区域水资源系统能够支撑社会经济可持续发展的合理规模”。此外，学者们也运用不同的方法对水资源承载力展开研究，主要包括系统动力学法、多目标法、常规趋势法、模糊综合评价法、生态足迹方法、主成分分析法等。本文在前人研究基础上，选用主成分分析法对太原市水资源承载力进行分析评价，提取影响太原市水资源承载力的驱动因子，明确太原市水资源承载力动态变化特征，以期为太原市水资源的合理配置和区域经济的协调发展提供决策参考。

1      研究方法及数据来源

1.1   研究方法

本文运用主成分分析法对太原市水资源承载力进行分析评价。主成分分析法是一种数据处理方法，利用降维的思想，把多个具有相关性的指标转化为少数几个无相关性的综合指标（即主成分），其中每个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复。这种方法在引进多方面变量的同时将复杂因素归结为几个主成分，使问题简单化，同时使得到的结果具备更加科学有效的数据信息。通常，当提取出的n个主成分的方差累积贡献率达到85%时，就能够认为这n个主成分可以代表原始数据的大部分信息[6]。

本研究的具体步骤为：（1）获得初始数据，并初始数据标准化，以排除量纲的影响;（2）计算标准化后的各指标因子相关矩阵;（3）计算特征值和累积贡献率，并确定主成分;（4）计算主成分的方差贡献率;（5）以各主成分的方差贡献率为权重，综合评价对水资源承载力的影响[7-8]。本文的主成分分析借助SPSS23.0软件进行。

1.2   研究区域概况与数据来源

太原，是山西省的省会和全省的政治、经济、文化、教育、科技和交通中心，位于山西省境中央，太原盆地的北端，于华北地区黄河流域中部，黄河的第二大支流——汾河，自北向南横贯太原市全境。太原市地处山西高原中部，中纬度大陆性季风半干旱气候区域，水文地质条件极其复杂，地下水主要靠大气降水和河流入渗补给，大气降水是太原水资源的主要补给源，而水资源的天然补给量正在不断减少。

山西省是全国重要的能源重化工基地，也是我国严重缺水的省份之一。作为山西省省会的太原市，水资源现状也同样令人担忧。人均水资源量在500-1 000m3为重度缺水，据2018年《山西省水资源公报》显示，太原市水资源总量仅为6.02亿m3，人均水资源量为177 m3，不足全国人均量的9%，处于联合国确定的极度缺水状态。由于水资源的严重短缺，太原市每年靠超过0.7亿m3地下水来支撑经济社会发展与居民生活用水。多年来，由于地下水严重超采，導致区域内地下水位持续大幅度下降，含水层被持续疏干，大批中浅井报废，取水井深不断下移，再加上采煤漏水得不到有效遏制，太原市地下水资源岌岌可危。地表水受到污染，则进一步加剧了太原市水资源的短缺，使得水资源的供求矛盾更加尖锐。与山西省其他地市相比，太原市水资源总量亦处于较低水平，水资源短缺已成为制约太原市社会经济发展的“瓶颈”。当前，随着经济发展、人口不断增长，太原市对水资源的需求与日俱增，水资源供需矛盾愈演愈烈，对实现可持续发展已然构成一个严重威胁。因此，研究太原市水资源承载力具有重要现实意义，可以为太原市水资源的合理配置和区域经济的协调发展提供有益理论参考。

本文原始数据来自《太原统计年鉴》（2010-2019）、《山西省水资源公报》（2009-2018），以及中华人民共和国水利部官网，并经过整理计算获得。

2      太原市水资源承载力评价

2.1   指标的选取

分析评价太原市水资源承载力，首要前提是选择合适的评价指标，参照前人研究[9]以及全国水资源承载力分析中的指标体系及标准，在科学性原则基础上，本文选取了14个评价指标对太原市2009-2018年的水资源承载力进行综合分析评价。其中，X1表示地区生产总值（亿元）、X2表示固定资产投资额（亿元）、X3表示总人口（万人）、X4表示城市人口比重（%）、X5表示水资源总量（108 m3）、X6表示万元GDP耗水量（m3/万元）、X7表示生态用水量（108 m3）、X8表示有效灌溉面积（103 hm2）、X9表示废污水排水量（万吨）、X10表示总供水量（108 m3）、X11表示人均用水量（m3）、X12表示工业用水量（108 m3）、X13表示农业用水量（108 m3）、X14表示生活用水量（108 m3）。

2.2   结果分析

由《太原统计年鉴》《山西省水资源公报》等整理得到反映太原市水资源承载力的14个评价指标的初始值，利用SPSS 23.0进行主成分分析，得到水资源承载力影响因子的相关性矩阵如表1，主成分特征值及贡献率如表2。由表1可知，所选取的14个指标因子之间具有显著的相关关系。分析可知（表2），前四个主成分的特征值均大于1，第一主成分F1的贡献率为48.539%，第二主成分F2的贡献率为15.641%，第三主成分F3的贡献率为13.901%，第四主成分F4的贡献率为11.016%，该四个主成分累积贡献率为89.097%，超过85%，可提取为主成分。这四个主成分能够较好地替代原先变量，较全面地反映影响太原市水资源承载力的因子，可以在此基础上分析太原市水资源承载力变化趋势。

主成分载荷代表的是主成分与变量之间的相关系数。结合表3信息，第一主成分F1与X1（地区生产总值）、X3（总人口）、X4（城市人口比重）、X12（工业用水量）存在较强的正相关，与X6（万元GDP耗水量）和X13（农业用水量）存在较强的负相关。由此可见，经济因素与人口因素是影响太原市水资源承载力的重要因子，经济的不断发展、人口的逐渐增长，尤其是城市人口的增加，会使太原市对水资源的需求量不断提高，水资源承载力所面临的压力也将随着加剧。同时，科技水平进步带来的集约化经济、节水农业等，能够有效降低万元GDP耗水量，减少农业用水量，提高水资源利用效率，这将在一定程度上减缓太原市水资源压力。

第二主成分F2与X5（水资源总量）、X10（总供水量）存在较强的正相关，说明水资源供应因子是影响太原市水资源承载力的一个主要因子。根据《山西省水资源公报》数据显示，2009-2018年间，太原市总供水量基本保持稳定，而水资源总量有小幅增加，这与年降水量、地表径流量、地下水资源量等的小幅增加有密切联系。

第三主成分F3与X11（人均用水量）、X14（生活用水量）存在明显正相关，表明用水量也是太原市水资源承载力的一个重要影响因子。2009-2018年间，太原市生活用水量是除工业用水外的另一用水大户，对水资源需求的增加，会对水资源承载力带来压力。

第四主成分F4与X8（有效灌溉面积）、X9（废污水排水量）存在明显正相关，可以看出，对水资源的有效利用程度是影响太原市水资源承载力的又一重要因子。数据显示，太原市农田灌溉亩均用水量常年处于全省较高水平，农业灌溉用水效率有很大提升空间。另一方面，作为省会城市、全省经济中心，居民生活和工业生产带来的废污水排放量与日俱增，除造成严重的水体污染外，也给全市水资源承载力带来很大压力。

结合以上分析可以得出，影响太原市水资源承载力的主要因子有经济与人口因子、水资源供应因子、用水量因子、水资源利用程度因子，基本涵盖了影响水资源承载力的各个因子。

通过计算四个主成分F1、F2、F3、F4的得分，并根据其对应的贡献率，计算出综合得分F（表4）。综合得分F值越大，说明水资源承载力越小，开发利用潜力越小;反之水资源承载力越大，开发利用潜力越大[9-10]。由表4中排名可以发现，2009-2018年间，太原市的水资源承载力整体呈现波动下降的趋势。其中。2009-2012年，水资源承载力呈明显下降趋势，且2011年下降幅度最大，2012年达到了水资源承载力最低值;2013年、2014年出现短暂上升;2015-2018年，整体又出现下降态势。

3      结    语

本文运用主成分分析法对太原市水资源承载力进行了综合分析评价，通过分析发现：（1）影响太原市水资源承载力的主要因子有经济與人口因子、水资源供应因子、用水量因子、水资源利用程度因子。（2）2009-2018年间，太原市水资源承载力整体呈现波动下降的趋势。2009年综合得分最低，为-2.654，即水资源承载力最大;2012年综合得分最高，达1.713，即水资源承载力最小。

主要参考文献

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[2]王奎峰.山东半岛资源环境承载力综合评价与区划[D].徐州：中国矿业大学，2015.

[3]张保成，孙林岩.国内外水资源承载力的研究综述[J].当代经济科学，2006，28（6）：97-101，126.

[4]惠泱河，蒋晓辉，黄强，等. 二元模式下水资源承载力系统动态仿真模型研究[J]. 地理研究，2001，20（2）：191-198.

[5]段春青，刘昌明，陈晓楠，等.区域水资源承载力概念及研究方法的探讨[J].地理学报，2010，65（1）：82-90.

[6]王丹，倪长健.主成分分析法在大气环境质量评价中的应用[J].平顶山学院学报，2011，26（2）：112-115.

[7]王维维，孟江涛，张毅.基于主成分分析的湖北省水资源承载力研究[J].湖北农业科学，2010，49（11）：2764-2767.

[8]段凤魁，贺克斌，刘咸德.北京PM2.5中有机酸的污染特征及来源[J].环境科学学报，2009，29（6）：1139-1145.

[9]曹丽娟，张小平.基于主成分分析的甘肃省水资源承载力评价[J].干旱区地理，2017（4）.

[10]张鸿龄，孙丽娜，赵国革.运用主成分分析法评价浑河水体中重金属污染来源[J].沈阳大学学报：自然科学版，2012，24（5）：5-9.