基于主成分分析的旱区水资源承载力评价

2022-06-21任晓燕纪永福张恒嘉

水利规划与设计 2022年4期

任晓燕，纪永福，张恒嘉，殷强，梁超，王永

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃省治沙研究所，甘肃民勤 733300)

1 概述

水资源在地区乃至国家可持续发展中具有至关重要的作用，它不仅是一项战略性资源，更是人类生存环境和社会经济发展的主要调控因素。近年来，随着全球经济快速发展，我国水污染、浪费、过度开发等问题日益严重，水资源供求矛盾逐年激化，已严重危及到社会发展和人民生活。因此，水资源承载力研究对实现人水和谐，突破水资源限制社会发展的瓶颈具有现实意义[1]。

“承载力”一词源于力学[1]，是描述地基强度对建筑物重量的承受能力，具有可量化性；后来Park和Burgess最先提出生态承载力概念，具体是指在保证生态环境良好发展和合理开发利用资源前提下，某区域在一定时间某个特定生态系统能承载的人口、经济和社会总量的能力[2]。20世纪90年代，美国著名经济学家Kenneth Arrow联合生态学专家在Science上共同发表了“经济增长、承载力和环境”一文[3]，由此承载力相关研究备受学术界的关注。此后，随着该领域研究的不断深入，城市承载力、经济承载力、耕地承载力、水生态承载力等概念被相继提出，且各领域都有特定的定义和表达方式。

国外对于水资源承载力的研究较少，最早是美国URS公司[4]将其概念定义为“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”。Falkenmark[5]通过简单的计算求得了一些国家使用水资源的限度，为后续水资源承载力研究提供了有力支撑。我国关于水资源承载力的概念和理论的首次研究是在西部干旱区生产用水激增、生态用水被无序侵占和环境恶化等背景下，由新疆水资源软科学课题组[6]提出的，为国内相关研究提供了理论基础。

目前，国内关于水资源承载力研究多从水资源系统和现实层面出发，以社会经济等作为承载指标进行研究[7]。许有鹏[8]以新疆和田河为例，采用模糊综合评价模型计算得出，该研究区水资源开发利用潜力较小，已接近开发容量。曹丽娟等[9]运用主成分分析法和系统聚类法准确评价了甘肃省各地市水资源承载力，认为其地区差异显著且呈下降趋势。左其亭[10]通过TOPSIS模型评价了黄河流域九省水资源承载力，表明甘肃省水资源承载力长期处于超载状态。许杨[11]构建DPSIR-改进TOPSIS模型，研究了淮安市水资源承载力，提出该模型较适用于该地区，为淮安市水资源深入研究提供了新思路。由此看出，水资源承载力的研究思路越来越具有独特性，评价方法也更加多样化。

武威市是河西走廊的重要节点，其社会经济发展对于西部大开发成果和区域可持续发展具有重要意义。近年来，研究区各生产系统和人口变化对水资源的需求明显增加，水资源的质、量等问题日益突出，运用合理的方法评价武威市水资源承载力对该地区水资源合理高效利用和社会经济可持续发展意义重大。本文对内陆干旱区武威市水资源承载力常年变化进行分析和综合评价，以期能为武威市生态环境的改善和社会经济的稳步发展提供参考依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

武威市处于中国西北干旱区，地处甘肃省中部，下辖三县一区，地形呈西高东低，有山区、平原和荒漠3种地貌单元。区域面积共33238km2，境内海拔在1020～4874m之间，降水量113～410mm，蒸发量1548～2645mm，常年日照时数在2200～3030h，无霜期85～165d，属于典型温带大陆性干旱气候。据统计，2020年末城镇化率为47.01%，低于全国城镇化率63.89%，地区GDP为526.41亿元，一直保持稳步向前发展。武威市地表水资源主要来源于石羊河流域，人均水资源占有量不足600m3，远远低于人均1000m3的国际水资源紧缺标准，是极度缺水区之一[12]。

2.2 研究方法

2.2.1研究方法

目前水资源承载力的研究方法很多，干旱区常用的有常规趋势法、模糊评价法、主成分分析法、生态足迹法、多目标分析法、系统动力学法等[13]，研究理论和方法众多，但各有优势和不足，如常规趋势法的优点是能够直观反映单因素的变化趋势，计算简单，不足之处是不能体现各个因子间的联系和相互作用，因此需根据研究区实际情况和资料的可获取性选取适宜的研究方法。本文采用主成分分析法及SPSS 26.0软件，对武威市2010—2020年水资源承载力进行分析[14]。

2.2.2数据来源

本文所选原始数据均来源于《甘肃省水资源公报》(2010—2020年)、《甘肃省统计年鉴》(2010—2020年)和武威市国民经济和社会发展统计公报(2010—2020年)。

3 结果与分析

3.1 指标选取

水资源承载力是以社会经济可持续发展为研究理念和前提的，是一个需从社会、经济、环境、人口、水资源等多方面进行分析的综合概念，因此指标选取应遵循客观性、代表性及可行性原则[15]，首先要能综合反映各系统对水资源承载力的影响，其次需充分考虑资料的来源和可获得性。本文根据以上原则及地区特点，选取以下13个指标进行分析评价。

表1 武威市水资源承载力指标体系

3.2 主成分分析

3.2.1数据处理

分析得到水资源承载力驱动因子相关性矩阵见表2。由表2可知13个因子间存在相关关系，X1与X4、X5、X13呈正相关，与X3、X8呈负相关，因此可进行主成分分析[16- 18]。

表2 驱动因子相关系数矩阵

3.2.2主成分选择及评价

主成分特征值及方差贡献率见表3。由表3可知，前3个主成分F1、F2、F3的特征值分别为6.003、4.181、1.165，均大于1，且前3个主成分累计贡献率达到87.304%，符合累计贡献率不小于85%的要求，说明前3个主成分变量能够较全面地反映武威市水资源承载力状况。因此，本研究选取前3个主成分分析并计算各因子在主成分上的荷载，见表4，在此基础上进行水资源承载力评价研究。

表3 主成分特征值及贡献率

表4 成分载荷矩阵

由表3—4可知，第一主成分F1比重为46.179%，与X2、X4、X13存在正相关关系，与X6、X9存在负相关关系，表明第一主成分与经济发展及水资源利用情况相关，并且是影响武威市水资源承载力的首要因素。2010—2020年，武威市年均降水量为262.9mm，而年均蒸发量高达1996.6mm，年均水资源量为12.11亿m3，水资源极为短缺。社会经济方面，随当地经济稳步发展，2020年武威市地区生产总值达到526.41亿元，较2010年228.77亿元增加130.1%，城市人口比重由27.56%增加到47.01%，但同时也加重了水资源压力。水资源利用方面，武威市总供水量在研究年限内基本保持稳定，水资源总量小幅增加，减轻了该地区水资源压力。此外，武威市属于典型资源型缺水区，且存在严重的水资源浪费现象，近年来通过节水技术措施取得了一定成效，万元GDP用水量从2010年的772.45m3/万元缩减到2020年的327.53m3/万元，有效灌溉面积从285.06万亩增加到323.96万亩，万元GDP用水量显著减少，水资源利用率明显提升。但农业用水仍占比很大，数据显示，2020年武威市总用水量为17.24亿m3，其中农业用水量为13.66亿m3，占比高达79.2%，同时农业用水效益处于全市各行业平均用水效益之下，由此可见，该地区农业用水效率极低，还需大幅提升。

第二主成分F2与X1、X10、X11有较强的正相关关系，主要体现人口变化和生活用水及生态环境用水状况，反映了人类活动强度的关键作用。近11年，研究区随人口的变化，总供水量基本保持不变，生活用水量由2010年的0.48亿m3增加到2020年的0.58亿m3，大体呈缓慢增加趋势，且因当地人民对生态保护愈加重视，生态用水量也同步增加，而水资源需求日益增长势必对水资源承载能力造成压力。

第三主成分F3与X3、X11存在正相关关系。11年间，武威市固定资产投资呈先增后减的态势，经济增长给企业带来用水压力，从而促使企业提高用水效率，对水资源高效利用具有重要意义。综上所述，影响武威市水资源承载力因子可概括为社会经济发展水平、水资源有效利用情况和水资源自然条件3个方面。

3.3 水资源承载力分析

根据特征值(表3)和成分荷载矩阵(表4)，令y1代表F1的得分，可将y1、y2、y3表示为以下线性关系：

y1=0.210x1+0.388x2+0.056x3+0.362x4+
0.230x5-0.391x6-0.325x7-0.175x8-0.374x9-
0.136x10-0.057x11+0.148x12+0.381x13

(1)

y2=0.331x1+0.068x2-0.388x3+0.209x4+
0.129x5+0.052x6+0.230x7-0.371x8+0.177x9+
0.429x10+0.423x11-0.277x12+0.106x13

(2)

y3=-0.247x1+0.220x2+0.425x3+0.143x4-
0.499x5-0.145x6+0.260x7-0.040x8-0.001x9+
0.253x10+0.409x11+0.333x12+0.091x13

(3)

将量纲统一后的原始数据带入(1)(2)(3)式，计算得到主成分得分，再将3个主成分贡献率(分别为0.46179、0.32163、0.08962)作为权重，得到水资源承载力综合得分Y的数学函数如下:

Y=0.46179×y1+0.32163×y2+0.08962×y3

(4)

由综合评价函数可得武威市水资源承载力得分情况见表5，y1、y2、y3为主成分得分，Y代表主成分综合得分，Y的大小说明了该地区的水资源承载力所在的相应位置，正值代表该年研究区的水资源承载力在平均水资源承载力之上，负值则相反，Y分值越大，水资源承载力越小，开发利用空间越小，反之越大[9]。

表5 2010—2020年武威市水资源承载力综合得分

由表5可以看出，第一主成分得分逐年增大，2020年有下降趋势，总体变化与综合得分变化趋势一致，且第一主成分的贡献率达46.179%，可见经济发展情况对水资源承载力起到关键作用，同时水资源自然禀赋和开发利用情况也有一定的影响。第二、三主成分变化波动较大，对整体得分影响较小。武威市水资源承载力在研究年限内呈逐年递减趋势，水资源开发利用潜力日益减小。总体来说，武威市近年来经济发展较快，农业用水有小幅减少，用水效率不高，水资源供需不平衡等因素导致水资源承载负荷逐渐加大。水资源需求虽未减少，但武威市政府配合实施《石羊河流域重点治理规划》，采取高效节水用水措施，开源节流，这些举措均促进武威市生态环境向好发展。