基于主成分分析的郑州市水资源承载力评价

李高伟 ， 韩 美 ， 刘 莉 ， 赵小萱 ， 于 佳

(山东师范大学 人口·资源与环境学院，济南 250014)

0 引言

水是生命之源，随着社会经济的发展和人口数量的增加，人类对水资源开发利用的强度逐渐增大，水资源短缺日益成为制约社会经济发展的重要因子。水资源承载力是指某一区域的水资源在一定社会历史和科学技术发展阶段，在不破坏社会和生态系统时，最大可承载的工业、农业、城市规模和人口的能力，是一个随着社会、经济、科学技术发展而变化的综合指标[1]。评价水资源承载力的方法主要有常规趋势法、模糊综合评价法、主成分分析法、系统动力学法、多目标分析评价核心模型、多目标线性规划方法、多目标决策分析方法、密切值法等[2]。其中主成分分析法客观地把多个复杂的变量简化为少数几个综合指标，既保留了原有指标体系的主要信息，消除了指标信息间的重叠，同时又避免了人的主观随意性，更能准确地反映出科学的结果。

目前，国内关于水资源承载力的研究有许多，张士锋等运用聚类分析、层次分析和模糊矩阵的方法分析了松花江区水资源承载力，得到各年份水资源承载力整体处于安全状态的结论[3]；喻小军等根据影响流域水资源承载力的因素构建了用于分析流域水资源承载力的动力学模型[4]；周亮广等运用主成分分析和熵分析了贵阳市水资源承载力的动态变化，得出研究区在1998—2003年间水资源承载力有向好发展的趋势[5]；王智勇等分析了山东省莒南县水资源承载力变化的主要驱动因素，并对其未来水资源的供需状况进行了预测[6]；肖迎迎等根据主成分分析法，对榆林市水资源承载力进行分析，对榆林市各分区的水资源承载力状况进行了综合评价[7]。可以看出，国内对水资源承载力评价的研究从方法上来说更加多样，从区域上来看更趋全面。

郑州市水资源承载力的研究主要有：左其亭等以郑州市为例研究了水环境承载力的计算模型应用[8]；杨峰等预测了郑州市规划水平年的水资源供需量，进而计算出水资源的承载度及最大社会经济规模[9]；雷宏军等分析出郑州市水环境承载力在未来规划水平年呈上升趋势，并提出了提高水环境承载力的几种不同方案[10]；高传昌等通过定量郑州市经济发展规划下的水资源承载力，得出郑州市水资源短缺的结论[11]。目前，对郑州市水资源承载力的研究主要在水环境承载力和水资源承载力的预测方面，而对水资源承载力的现状的研究则主要集中在对水资源数量的计算，忽视了社会经济等要素对水资源承载力的影响。

采用主成分分析法，根据郑州市2003—2011年的统计资料，建立影响水资源承载力的综合指标体系，对郑州市水资源承载力进行综合评价，力求客观全面地反映出其水资源承载力的变化。

1 研究区概况

郑州市位于东经112°42′～114°13′，北纬34°16′～34°58′，现辖6区5县级市1县，全市总面积7 446.2 km2。郑州市属温带大陆性季风气候，降水变率大且降水集中在夏秋两季，年均降水量640.9 mm。2011年全市总水资源量14.027 ×108m3，城镇污水排放总量6.873×108t，总供水量为16.245×108m3，总用水量为16.245 ×108m3。

2 郑州市水资源承载力主成分分析

2.1 指标的选取

水资源承载力的研究涉及到社会经济等诸多要素，结合实际资料，依据科学性、全面性、系统性和可行性原则[12]构建郑州市水资源承载力指标体系。具体包括15个指标：总人口X1(万人)；国内生产总值X2(亿元)；固定资产投资X3(亿元)；城镇化率X4(%)；万元GDP用水量X5(m3)；人均用水量X6(m3)；水资源总量X7(亿m3)；供水总量X8(亿m3)；工业用水量X9(亿m3)；农业用水量X10(亿m3)；居民生活用水量X11(亿m3)；生态环境用水量X12(亿m3)；污水排放量X13(亿m3)；污水年处理量X14(亿m3)；降水量X15(mm)。

2.2 主成分分析法步骤及数据来源

主成分分析是一种把多个变量划分为少数几个综合指标的多元统计方法，从数学角度来看，这是一种对高维变量空间降维的技术[13]。

主成分分析法的计算步骤为：(1)为了消除数量级和量纲带来的误差的影响，对原始数据进行标准化处理；(2)计算标准化后的样本的相关系数矩阵；(3)计算特征值和特征向量；(4)计算贡献率和累计贡献率，一般取累计贡献率达到85%以上的确定为主成分；(5)计算主成分载荷；(6)根据各个主成分的贡献率进行综合评价。

本研究选取的郑州市2003—2011年的15个相关指标数据均来自河南省统计年鉴及郑州市水资源公报。

2.3 主成分分析

运用SPSS统计分析软件对指标数据进行计算处理，对原始数据进行标准化处理以消除数量级和量纲造成的误差，进而得到郑州市水资源各评价因素的相关系数矩阵(表1)、特征值及主成分的贡献率和累计贡献率(表2)、进行最大方差旋转后的因子载荷矩阵(表3)。

表1 水资源承载力影响因子的相关系数矩阵

由表1可知，15个因子之间存在一定的相关性，X3(固定资产投资)、X4(城镇化率)和X14(污水年处理量)分别与X2(国内生产总值)存在相关性，相关系数分别为0.987，0.966和0.978，说明进行主成分分析的必要性。

表2 主成分特征值及贡献率

从表2可以看出，前两个主成分的累计贡献率已经达到了88.014%，可以选取第一、第二主成分对郑州市水资源承载力进行分析，进而计算各变量在第一、第二主成分上的载荷(表3)及相应的特征向量(表4)。

从表3看出，第一主成分与总人口 (X1)、国内生产总值(X2)、固定资产投资(X3)、居民生活用水量 (X11)和污水年处理量(X14)有很大的正相关，与人均用水量 (X6)和农业用水量(X10)有很大的负相关，主要代表了社会经济发展状况；第二主成分与工业用水量(X9)有较大的正相关，与万元GDP用水量(X5)、水资源总量(X7)和降水量(X15)有很大的负相关，主要反映了水资源供需状况。因此，郑州市水资源承载力的主要影响因子可以归纳为社会经济发展和水资源供需2个主成分。

第一主成分包含了73.629%的变化率，是影响郑州市水资源承载力的最主要因子。2011年郑州市人口为885.7万人，比2003年的697.7万人增加了26.95%。伴随着人口数量的增加和人民生活水平的提高，使得生活用水总量和人均用水量迅速增加，造成水资源承载力的压力。此外，人们在利用水资源的过程中不可避免的会出现浪费和污染现象，进一步增加了水资源承载力的压力。2011年郑州市国内生产总值4 979.8亿元，比2003年的1 074.1亿元增加了363.63%，固定资产投资由2003年的500.4亿元增加到3 002.5亿元，随着经济的快速发展必然要带来水资源的巨大消耗。

表3 旋转后的因子载荷矩阵

表4 特征向量矩阵

第二主成分包含了14.384%的变化率，主要反映水资源的供需状况。郑州市2011年工业用水量5.63亿m3，比2003年3.71亿m3增加了51.61%，工业用水在郑州市用水总量中所占比例越来越大，已经超过农业用水所占比例，给水资源承载力带来很大压力。从水资源供应来看，郑州市2003年水资源总量为21.06亿m3，2008年水资源总量为8.43亿m3，2011年水资源总量为14.03亿m3，水资源总量的年际变化较大。降水在很大程度上缓解了水资源的供给压力，但降水量的变率大进而影响水资源承载力的稳定。从统计资料来看，2003年降水量为1 016.5 mm，是2007年的降水量523.3 mm的194.25%。万元GDP用水量可以反映水资源利用的效率，郑州市水资源利用效率逐年提升，2011年的万元GDP用水量仅为2003年的23.73%，说明随着科技水平的提高和人们节水意识的增强，水资源供需矛盾紧张的局面可以得到一定程度的缓解。

2.4 水资源承载力综合得分

计算两个主成分得分并根据2个主成分Y1和Y2的得分贡献率，计算出综合得分Y，Y值越小说明当年的水资源承载力越大[7]，具体水资源承载力的各主成分得分和综合得分及其排序见表5。

表5 水资源承载力综合评价

由表4得到主成分Y1和Y2的表达式：

Y1=0.273X1+0.290X2+0.292X3+0.290X4-0.287X5-0.212X6-0.174X7+0.227X8+ 0.251X9-0.276X10+0.271X11+0.251X12+0.288X13+0.278X14-0.164X15。

Y2=0.248X1+0.052X2+0.063X3-0.107X4+0.187X5-0.402X6+0.534X7+0.107X8- 0.221X9-0.050X10+0.257X11+0.080X12-0.117X13+0.135X14+0.521X15。

为了更清晰地反映出郑州市2003—2011年水资源承载力的动态变化，根据表5得出水资源承载力主成分及综合得分趋势(图1)。

图1 水资源承载力主成分及综合得分趋势

从图1看出：郑州市水资源承载力在2003年最高，此后逐渐下降，到2010年达到最低，2003—2011年郑州市的水资源承载力总体呈下降趋势，说明郑州市水资源开发利用强度很大，进一步开发利用的潜力在逐渐变小；郑州市水资源承载力在2011年出现回升。第一主成分和水资源承载力的总趋势大体一致，也是在2011年出现上升趋势，主要是因为第一主成分包含了73.629%的变化率，是影响郑州市水资源承载力的最主要因子。第一主成分是社会经济发展因素，主要受人口数量和社会经济发展水平的制约。第二主成分变动较大，经历了先上升、再下降、再上升的过程，这与郑州市降水量的变化有着很强的相关性。郑州市水资源承载力压力越来越大，必须积极采取措施，以促进其社会经济健康发展。

3 结论和讨论

(1)通过主成分分析得出影响郑州市水资源承载力动态变化的两大主成分，即社会经济发展状况和水资源供需状况。

(2)2003—2011年郑州市水资源承载力状况总体呈现下降态势，水资源的开发利用程度逐渐增大，开发潜力变小，但2011年出现回升趋势。社会经济的快速发展使得需水量快速增加，工农业生产占用了郑州市主要用水量，同时又污染了大量水源。人口数量的增加和人们生活消费水平的提高，使得人们对水资源数量和质量的要求越来越高，最终导致水资源承载力的压力逐渐增大。

(3)郑州市应把人口和经济发展规模控制在社会和资源所能承载的范围内，在制定政策时更多地考虑资源的承载能力，以促进社会经济和生态协调发展。

(4)为了缓解水资源承载力的压力，郑州市应积极调整产业结构，加强对水资源的利用管理，鼓励水资源利用率高、水资源使用量少的低耗水产业的发展；积极开展水资源的回收利用和污水处理，加强水污染防治工作；大力发展节水工艺，提高水资源的利用率；合理分配水资源，制定合适的水价，提高社会的节水意识。

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