资阳市水资源承载力时空变化分析与研究

2021-03-09李志琴靳晓莉王君勤麻泽龙

四川水利 2021年1期

吴鉴，李志琴，靳晓莉，王君勤，麻泽龙

(1.四川省都江堰管理局，四川都江堰，611830；2.四川省水利科学研究院，成都，610072)

前言

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]。水资源承载力是反映区域水资源与社会经济、生态环境之间是否协调的重要指标，也是区域水资源系统的支撑能力与承载压力的重要体现。随着全球气候变化和人类社会经济的发展，水资源已成为制约地区社会经济发展的“瓶颈”因素，水资源承载力研究也已成为可持续发展研究和水资源安全战略研究的基础课题[2]。

近年来，国内外学者对区域水资源承载力开展了大量的专门研究。国内的研究成果主要集中在水资源承载力概念、内涵的探讨、水资源承载力评价指标体系的探索以及水资源承载力评价模型和方法的研究等方面[3]。研究的方法主要有常规趋势法、综合评价法、系统动力学法及多目标分析法等，其中又以综合评价法较为常见。本研究在借鉴前人研究成果的基础上，采用主成分分析法，对资阳市水资源承载力时空变化进行分析和评价，旨在为资阳市水资源合理配置与可持续发展提供参考依据。

1 研究区概况

资阳市位于四川腹部川中南地区，南与内江相邻，北与成都、德阳接壤，东与重庆、遂宁毗邻，西与眉山相连，地理坐标介于东经104°26′～105°45′，北纬29°45′～30°39′之间。全市辖雁江区、安岳县及乐至县三个区县，幅员面积5747.5km2。境内地形、地貌多样，以丘陵为主。地势西北高，东南低，北部龙泉山脉最高点596.3m，东南龙台河出境处仅248m。资阳市属中亚热带湿润季风气候区，多年平均降水量953.4mm，变化在850mm～1050mm之间。雨量相对充沛但时空分布不均，受夏旱和伏旱的双重影响，干旱频繁。资阳市属于四川盆地腹部径流低值区，多年平均径流深302.4mm，变化在200mm～400mm之间。沱江仅在雁江区过境，而乐至县、安岳县位于沱江与涪江的分水岭地带，河流只出不进，几乎无过境水可利用，因此水资源开发利用仅能依靠贫乏的本地水资源。据测算，全市人均占有水资源量仅691m3，为全省平均的19.8%，属全省水资源严重短缺地区。

2 研究方法

2.1 主成分分析法

主成分分析法是一种降维方法，在现实的一些研究中，为了用较少的变量去解释原始资料中的大部分变异，将资料中许多相关性很高的变量转化成彼此相互独立或不相关的变量，通常选出比原始变量个数少、能解释大部分资料中变异的几个新变量，即所谓的主成分，并用以解释资料的综合性指标[5]。

主成分分析法的分析和计算步骤如下：①将原始数据标准化，减少各指标数据受不同量纲的影响；②计算标准化后的样本相关矩阵；③计算各成分方差贡献率、累积贡献率，确定主成分个数(本研究按累计贡献率≥85%计算)；④计算各主成分的特征值和特征向量，计算各主成分得分；⑤根据特征向量及各主成分权重，计算综合指标得分[6]。一般而言，综合指标得分越高，说明水资源承载力越大，也即对社会经济的支撑能力越强，能够支撑的合理规模也越大，反之，则越小。

本次研究主要利用SPSS软件对2005-2017年资阳市水资源承载力和2017年资阳市各区(县)水资源承载力的统计数据进行主成分分析。

2.2 指标选取及数据来源

城市水资源承载力综合评价中的一个关键问题是评价指标体系的选取。影响水资源承载力的因素很多，涉及水资源、生态环境、社会经济系统和人类开发利用等方方面面，为了能够全面地反映出研究区水资源承载力情况，所选指标需要能够涵盖水资源、社会经济和生态环境3个系统。针对资阳市水资源状况，参照了国内不同地区对水资源承载力分析中的指标选取，并综合考虑数据的可获得性、可靠性以及充分性，本文选取了18个评价指标，具体包括：年降水量X1(mm)、水资源总量X2(万m3)、地表水供水量X3(万m3)、地下水供水量X4(万m3)、其他水源供水量X5(万m3)、农业用水量X6(万m3)、工业用水量X7(万m3)、生活用水量X8(万m3)、生态环境用水量X9(万m3)、废污水排放量X10(万m3)、城镇人均生活用水量X11(L/日·人)、农村人均生活用水量X12(L/日·人)、万元GDP用水量X13(m3/万元)、万元工业增加值用水量X14(m3/万元)、耕地灌溉亩均用水量X15(m3/亩)、常住人口X16(万人)、城镇化率X17(%)、地区生产总之X18(亿元)。

本文采用了资阳市2005-2017年年水资源量、行业用水量、常住人口、城镇化率等相关数据，数据主要来源于《资阳市统计年鉴》以及《资阳市水资源公报》(注：2016年，经国务院批准，原资阳市所辖的简阳市改由成都市代管，为了统一口径，本文采用的所有数据都已扣除简阳市，与公报数据有所不同)。

3 结果与分析

3.1 资阳市水资源承载力年际变化分析

采用SPSS软件进行主成分分析计算，提取出4个主成分，其对应的方差贡献率及累计贡献率见表1。前4个主成分的特征值均大于1，且累计贡献率为88.82%，大于85%。根据主成分分析方法的原理，可以认为前4个主成分能够反映原来所选取的18项指标的绝大部分信息(85%以上)，可将原有的18个指标转化成这4个主成分对资阳市水资源承载力进行综合评价。

表1 提取的主成分及贡献率

由主成分分析得到的因子载荷矩阵如表2所示。因子载荷量的统计意义为变量在因子上的负荷，反映了变量在因子上的相对重要性。由表2可看出，因子F1与常住人口(X16)、城镇化率(X17)和GDP(X18)之间存在较强的正相关关系，与万元工业增加值用水量(X14)和城镇人均生活用水量(X11)存在较强的负相关关系，这些指标主要反映了资阳市人口变化、经济增长及城市化发展水平等因素；因子F2与地表水供水量(X3)和生活用水量(X8)存在较强的正相关关系，与万元GDP用水量(X13)和常住人口(X16)存在较强的负相关关系，这些指标反映了地区用水效率、水资源开发利用程度；因子F3与年降水量(X1)和水资源总量(X2)呈现较高的正相关关系，与城镇人均生活用水量(X11)和耕地灌溉亩均用水量(X15)呈现相对强的负相关关系；因子F4与年降水量(X1)和水资源总量(X2)呈现较高的正相关关系，与废污水排放量(X10)呈现了相对高的负相关关系，这些指标主要代表了资阳市水资源丰枯程度。因此，资阳市水资源承载力主要影响因子可归纳为社会经济发展水平、水资源量丰枯条件、水资源开发利用程度高低3大类。

表2 因子载荷矩阵

根据因子载荷矩阵和特征值，得到特征向量，也即主成分载荷矩阵。按照主成分分析法的计算方法与步骤，以上述计算分析所得的4个主成分贡献率为权重，进行归一化处理，得到综合评价函数如下：

F=(F1×50.985+F2×18.128+F3×13.429

+F4×6.277)/88.818

(1)

由综合评价函数得到的综合得分F有正有负，正负不能代表水资源承载力的真实水平，而是表示水资源承载力所处的相对位置，负值表示该年份在被评价时间段内所处的相对地位是在平均水平以下的，正值则说明被评价的年份水资源承载力处于平均水平以上。综合得分值越大，说明水资源承载力越大，反之越小[7]。由图1各年的综合得分变化情况可以看出，2005-2017年资阳市全市水资源承载力总体呈上升趋势，其中，在2015年，综合评价得分发生了突变，大幅提高，可能与行政区划调整，数据的扣减折算原因有关。由此可知，随着资阳市社会经济的发展和节水技术的进步与应用，水资源利用效率不断提升，人们对于节水重要性的认识不断提高，水资源承载能力总体上也在不断上升。

图1 2005-2017年资阳市水资源承载力主成分分析综合评价结果

3.2 各区县水资源承载力分析

本研究选取了2017年资阳市各区县的社会经济及水资源状况统计数据进行了资阳市水资源承载力空间分布的差异研究。

通过主成分分析，提取了两个主成分，方差累积贡献率超过95%，其中：主成分一与GDP(X18)、耕地灌溉亩均用水量(X15)、地表水供水量(X3)存在高度正相关关系，与农村人均生活用水量(X12)、地下水供水量(X4)存在高度负相关关系；主成分二与年降水量(X1)、水资源总量(X2)和万元GDP用水量(X13)呈现较强的正相关，与其他水源供水量(X5)、城镇人均生活用水量(X11)存在相对高的负相关关系。

按照主成分分析法的计算方法与步骤，得到各主成分得分及综合评价得分如表3所示。

表3 各区县主成分得分及综合评价得分

由表3可以看出，2017年，雁江区水资源承载力处于平均水平以上，而安岳县和乐至县处于平均水平以下，各区县水资源承载力水平由高到低依次为：雁江区>安岳县>乐至县。根据《资阳市水资源综合规划》，2020年，在中等干旱年(P=75%)时，雁江区基本不缺水，安岳县缺水率0.7%，乐至县缺水率3.7%，与本研究结论基本一致。因此，本研究采用的主成分分析法合适，研究结论可靠。