宁夏水环境承载力研究

杜倩萍 唐 莲

(宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021)

宁夏水资源匮乏、引黄水量有限,经济社会快速发展加重了水资源污染和水生态受损,影响了区域高质量发展。2019年黄河流域生态保护作为国家重大战略被提出,宁夏作为黄河上游的典型区域,定量评估其水资源禀赋和环境容量对人口与经济规模的最大承载能力,具有重要意义。目前涉及的研究指标包括水资源承载力[1-2]、水环境承载力[3-4]和水生态承载力[5-6],其中,水环境承载力是最常被应用的指标。水环境承载力是指在一定时空范围内,水环境系统能够支持区域人口、经济和社会活动的最大能力,同时满足水质不发生质的改变、水生态环境良性发展[7]。

国内外利用指标体系评价水环境承载力的主要方法有模糊综合评价法[8-9]、向量模法[7,10]、主成分分析法[11,13-14]等,将三种方法横向对比,模糊综合评价法具有操作门槛低、结果准确度高的优势,但因其对信息利用能力较低导致掺杂较多主观因素;向量模法虽然简单易操作,但对水环境承载力的模糊性和向量方向性缺乏定量描述的能力,表现出了较低的可靠性;相比之下主成分分析法能在最大程度上保存研究的数据信息,并对高维变量系统进行优化处理和简化,避免了因过度考虑单维因素而造成的结果缺陷[11-12]。笔者以宁夏2006—2021年的统计数据为基础,根据指标在相关文献中出现的频率,初步筛选出影响水环境承载力的主要因子,用相关性分析筛选并建立了评价指标体系,最后用主成分分析法综合评价宁夏水环境承载力。

1 水环境承载力评价模型的建立

1.1 指标选取与数据来源

采用频率统计法对国内外近10年相关文献的指标进行频率统计,得到初选指标,见表1。并用相关性分析[13]剔除强耦合指标以及非相关性指标,得到最终水环境承载力指标体系,见表2。

表1 初选指标体系

本研究数据均来自2006—2021年《宁夏统计年鉴》和2005—2020年《宁夏水资源公报》。

1.2 主成分分析法

主成分分析法的一般计算步骤如下[11,14-16]:

a.为排除量纲的影响,首先对原始数据进行标准化。

b.计算标准化后的样本相关矩阵R,并求R的特征值λ1,λ2,…,λi。

c.计算累计贡献率,一般按累计贡献率不小于85%的原则确定主成分数。

d.计算主成分的特征向量和表达式。

2 宁夏水环境承载力分析

2.1 主成分分析结果

选取14个指标进行分析,KMO取样适切性量数为0.756,表明变量之间有一定的相关性,适合作主成分分析。表3显示前两个主成分的累计贡献率已达88.141%,可以较全面地反映影响水环境承载力变化的驱动因子。主成分一代表与社会经济系统和生态环境系统相关的影响因子;主成分二代表与水资源系统相关的影响因子。主成分载荷是主成分与变量之间的相关系数(见表4),主成分一与X4、X5、X6、X7、X8、X10、X11、X12、X13、X14有较强的正相关关系,与X9成负相关,基本涵盖了社会经济系统和生态环境系统的主要影响因子。随着城市化进程的加速,城市人口不断增长。由于城市水环境承载能力有限,城市用水量和缺水量逐年上升,为了满足生活和生产需要,可用水资源被优先分配,导致城市河湖水资源逐渐枯竭、水生态系统调节能力降低,同时也加剧了水体污染和自然生态退化等不良后果[17]。

表3 主成分的特征值和贡献率

表4 因子载荷矩阵

随着经济的发展,城市污水处理能力不断提高;污水再生回用量十年内增长百倍。在农业方面,2021年宁夏全区农业灌溉有效利用系数达到0.561,森林覆盖率从2006年6.08%提高到2021年16.91%,这些因素的提升均有利于水环境承载力的提高。

主成分二主要包括水资源系统因子,宁夏地处内陆干旱半干旱地带,干旱少雨,多年平均降水量仅298mm,不足全国平均水平的1/2,2021年人均水资源量只有128.82m3,仅占全国人均值的1/12,天然基础条件较差。宁夏是沿黄九省区中唯一全境属于黄河流域的省区,引黄灌区范围达到8600km2,引黄水在水资源中占比近九成,保证了宁夏供水安全以及经济社会的可持续发展[18]。充分说明了水资源系统在区域承载力中的重要地位及作用,同时也体现出区域的缺水状态对水环境承载的强约束作用。

2.2 基于主成分得分对宁夏水环境承载力的评价

通过计算,得到各主成分得分(见表5)。由图1可知,综合得分与主成分一得分趋势基本一致,这主要是由主成分一的贡献率65.766%决定的。

图1 主成分得分趋势

表5 水环境承载力综合得分

2014—2015年综合得分出现明显下降,归因于主成分二,其中降雨量、人均水资源量、产水模数都出现了下降,而人均水资源量为主成分二的最高权重因子,受当时水资源量的影响,人均水资源量的大幅度减少是影响2014—2015年水环境承载力下降的主要原因。在水资源总量不变的情况下,为应对人口增加和城市化率提高,宁夏需加速提高水资源利用效率,如针对占比较大的农业用水,推进精细化管理、控制新增灌溉地、限制高耗水作物的种植面积等。2018—2021年综合得分下降的原因同样归于主成分二。人均水资源量、产水模数、降雨量的减少是影响2018—2021年水环境承载力下降的主要原因。因全球气候变暖,2021年宁夏平均气温高达21.9℃,平均降水量降低到26.3mm,发生了严重的旱灾,直接导致了水环境承载力的下降。说明该区域的水环境状态与水资源的条件息息相关,水资源状态是影响水环境状态的关键前提。所以宁夏应重点关注区域性抗旱应急保供能力;其次在跨区域调水工程建设方面,加快构建现代水网体系也尤为重要。

分析可知,社会经济系统与生态环境系统对水环境承载力具有关键的影响,但这两个系统随时间变化的波动较小,一直处于提升阶段;而水资源系统随时间变化发展不稳定,极易出现大幅度升降,是当前宁夏水环境承载力提升过程中需要重点关注的主要矛盾点之一。

综合来看,水环境承载力总体呈上升趋势,主要因为主成分一的持续上升态势,其主要体现为社会经济指标和污水再生回用量指标的变动。而污水再生回用量与水环境承载力的相关系数为0.863,污水再生回用的持续改善是保持水环境承载力上升的重要因素。建议积极创造条件,进一步加大宁夏污水处理及再生利用规模,并提升再生水出水水质,以扩大再生水使用途径,提高水资源利用率。同时也说明宁夏虽然气候干旱,水资源自然储蓄量少,生态环境较为脆弱,但是随着人口增长和城镇化率提高,宁夏一直在采取措施进行水污染防治以及生态保护修复,人为干预效果较为显著。

3 结 语

a.通过频度统计法与相关性分析筛选指标,得到最终评价指标,利用主成分分析方法结合SPSS软件,将14个基础指标凝练成两个主成分,影响水环境承载力的主成分一主要涵盖社会经济系统与生态环境系统的影响因子,主成分二主要代表水资源系统的相关因子。

b.利用特征向量与标准化后的指标数据,计算得出各主成分因子得分与综合得分,并将综合得分与两个主成分进行相关性分析,结果表明综合得分的变化趋势主要和主成分一强相关,但随时间变化主成分一较为稳定而主成分二波动较大,综合得分值容易因主成分二的波动发生变化。总体来看,在2006—2021年,宁夏水环境承载水平总体呈上升态势,这说明宁夏推行的生态治水措施起到了显著作用,进一步提升了该地区的水环境承载水平。

c.基于数据分析以及定量得出的对宁夏水环境承载力的最大影响因素,建议通过优先发展节水控水,如进一步加大宁夏污水处理及再生水利用规模,提升再生水出水水质,扩大再生水使用途径来提高再生水回用量以及水资源利用率;可以通过严格划定水生态红线,并落实最严格的水资源管理制度来提高人均水资源量。