南京市水资源可持续利用评价

季 妤,陆宝宏,2

南京市水资源可持续利用评价

季 妤1,陆宝宏1,2

(1.河海大学水文水资源学院江苏南京 210098; 2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098)

以南京市所辖区域作为研究区,根据2003—2010年水资源利用的有关资料,采用主成分分析法和熵权法对该研究区水资源可持续利用程度进行综合评价,并运用聚类分析法对评价结果进行对比分析。结果表明：研究区2003—2010年期间水资源可持续利用水平总体呈上升趋势,但从聚类分析结果看,水资源可持续利用程度的改善幅度并不大,说明目前南京市水资源可持续利用问题依然严峻。

主成分分析法;熵权法;聚类分析;水资源;可持续利用;南京市

水资源是人类赖以生存和发展的最基本物质条件,是生态系统中最活跃和影响最广泛的因素,水资源的可持续利用是人类社会可持续发展的基础和保障。水资源可持续利用评价是水资源可持续利用研究的核心问题之一。区域自然环境、经济社会发展相互作用,水资源可持续利用评价是对不同阶段水资源开发利用所导致的生态过程、经济结构、社会组成的动态变化进行评价,以了解区域水资源可持续利用的程度,提出水资源开发利用的方向。传统的评价方法有层次分析法、模糊综合评价法、指标综合评价法等[1-2]。

笔者以南京市所辖区域为研究区,根据2003—2010年水资源利用的有关资料,构建水资源可持续利用评价指标体系,采用主成分分析法和熵权法建立综合评价模型,对南京市的水资源可持续利用能力进行综合评价,并运用系统聚类法对评价结果进行对比分析。

1 研究背景

南京市位于江苏省西南部,东与扬州、镇江、常州3市接壤,南、西、北3面与安徽毗邻,是江苏省政治、经济、文化和交通中心。境内共有大小河道116条,分属两江(长江、青弋江—水阳江)、两湖(固城湖、石臼湖)、两河(滁河、秦淮河),按照跨省、市的流域划分水系,可将之划分为长江南京段、滁河水系、秦淮河水系、青弋江—水阳江水系、淮河流域高宝湖水系、太湖流域湖西水系。

南京市地处北亚热带季风气候区,气候温暖湿润,多年平均气温15.4℃,降水量较为丰沛,多年平均降水量为1081.9 mm,但降水量时空分布不均;全市多年平均水资源总量为30.47亿m3[3]。近年来,随着社会经济的快速发展,南京市各类用水量逐年递增,水资源供需矛盾日益突出,水资源短缺已经成为制约南京市社会经济发展的因素,进行南京市水资源可持续利用综合评价,对促进南京地区的可持续发展具有重要意义。

2 评价方法的选择

2.1 主成分分析法

主成分分析法的特点是,利用降维的思想,把多指标转化为少数几个综合指标。在实际应用中,为了全面、系统地分析问题,指标通常较多。每个变量都在不同程度上反映了所研究问题的某些信息,并且指标之间有一定的相关性,因而所得的统计数据所反映的信息在一定程度上有重叠。变量太多会增加计算量和分析问题的复杂性,而主成分分析法可以较好地解决这一问题。利用主成分分析法进行定量分析,涉及的变量较少,得到的信息量较多。笔者使用主成分分析法计算南京市水资源可持续利用水平综合指数,能够避免计算过程中由于因子众多、数据复杂而造成的人工计算误差,使结果更加可靠。

主成分分析法原理：设原始变量为x1,x2,…, xn,则

式中：z1,z2,…,zm(m＜n)分别为原始变量指标x1, x2,…,xn的第1,第2,…,第m个主成分;L11,L12,…,Lmn为主成分系数。在操作中常挑选几个最大的主成分,且两个主成分之间相互无关[4-5]。

2.2 熵权法

熵,原本是一个热力学概念,最先由Shannon引入信息论,现已在各个领域得到广泛的应用。熵权法在综合考虑各因素所提供信息量的基础上计算综合指标。作为一种客观综合评价方法,熵权法主要是根据各指标的信息量大小来确定其权数。如果指标的信息熵越小,该指标提供的信息量则越大,在综合评价中所起作用也就越大,权重就越高[6]。笔者使用熵权法确定南京市水资源可持续利用评价体系各子系统的权重。

熵权法原理：当系统处于n种不同的状态,状态概率为pi(i=1,2,…,n)时,则系统熵的表达式为

E(p1,p2,…,pn)=-k∑p(xi)lnp(xi)(2)式中：E为熵;k为玻尔兹曼常量;xi为第i个状态值;p(xi)为出现第i个状态值时的概率。

熵权定义为

式中：wiE为i状态的熵权。

3 研究区水资源利用综合评价

3.1 指标体系的构建

水资源可持续利用评价指标的选取,应根据区域特点,考虑区域社会经济发展的不平衡、水资源开发利用程度及当地科技文化的差异等,具体考虑以下几个方面原则：科学性,整体性,动态性,定性与定量相结合,简明、实用、可行性[7]。

根据2003—2010年《南京市统计年鉴》《南京市水资源公报》中的相关数据和各项相关指标与可持续发展的关系,构建出可持续发展发展水平指标评价体系及指标性质,见表1[8-9]。

3.2 主成分分析

本文运用SPSS20.0统计分析软件对水资源子系统的指标进行标准化处理,计算出水资源子系统主成分的特征值与贡献率[10],见表2。

由表2可见,前3个主成分的累计贡献率已经达到90.17%,而第1个主成分的贡献率更是达到44.38%。根据主成分累计贡献率大于85%的原则,这3个主成分能反映全部指标中的大部分信息,因此选取前3个主成分F1、F2、F3进行分析。

主成分载荷矩阵是主成分与变量间的相关系数,根据确定的3个主成分,利用SPSS20.0进一步计算3个主成分的载荷,计算结果见表3。表3中,X1、X2,…,X6分别代表水资源总量、过境水资源量、生产用水量、生活用水量、生态用水量、供水总量。

表1 评价指标体系及指标性质

表2 主成分特征值、贡献率计算结果

表3 主成分载荷矩阵

从表3中可以看出,第1主成分F1在水资源总量X1、过境水资源量X2、供水总量X6具有较大的载荷,第2主成分F2在生产用水量X3、生态用水量X5具有较大的载荷,而第三主成分F3在过境水资源量X2具有较大的载荷。第1～3主成分可以充分反映子系统的综合水平,可以利用这3个主成分的变化来反映水资源子系统的变化情况。

根据表3的主成分载荷,计算研究区水资源子系统在第1、第2、第3主成分上的综合得分。如果某年份在某一主成分上的得分为正,则意味着该年份的这一主成分在平均发展水平之上;得分为负则在平均水平以下。综合得分Z1为各主成分得分乘以相应的贡献率之后的和,即Z1=0.443 8F1+0.350 4F2+ 0.1075F3。综合得分值越高,表示水资源子系统的发展水平越高,即水资源可持续利用水平越高。计算结果见表4。

表4 水资源子系统主成分因子得分

采用相同的方法与步骤对研究区社会经济子系统、生态环境子系统分别进行评价计算,得到社会经济子系统主成分为2个,生态环境子系统主成分为3个。各子系统综合得分的计算结果见表5。

表5 各子系统综合得分

3.3 利用熵权法计算子系统权重

利用熵权法对影响水资源可持续利用的指标赋予权重,能够最大限度地消除水资源可持续利用评价中的不确定性。具体的计算步骤为

a.构建8年19个评价指标的判断矩阵R= (xij)8×19(i=1,2,…,8;j=1,2,…,19)。

b.将矩阵进行归一化处理。

c.计算第i年第j项因子占该年所有因子的比例。计算公式为

d.计算各指标的权重。

式中：ej为第j项评价指标的熵值。

为使lnyij有意义,假定当yij=0时,yijlnyij=0。

e.计算子系统权重。

式中：SiA为第A个子系统权重,A=1,2,3;m为第A个子系统中的指标个数。

对SiA也进行归一化处理后,按照上述公式进行计算,即可得到8年中3个子系统在研究区水资源可持续利用系统中的权重值WA：水资源子系统权重为0.242,社会经济子系统权重为0.508,生态环境子系统权重为0.250。

3.4 综合评价结果

设水资源、社会经济和生态环境子系统的综合得分分别为Z1、Z2、Z3,再根据上小节熵权法得到的水资源、社会经济和生态环境3个子系统权重系数,得到水资源可持续利用状况综合评价指数计算公式为

ISU=0.242Z1+0.508Z2+0.250Z3(9)式中,水资源可持续利用综合指数ISU与水资源子系统评价指数Z1、社会经济子系统评价指数Z2以及生态环境子系统评价指数Z3相关。依据公式(9),可计算出南京市2003—2010年的水资源可持续利用综合评价指数,见表6和图1。

表6 南京市水资源可持续利用综合评价结果

图1 南京市水资源可持续利用评价指数变化曲线

对上述计算结果进行分析,可以得到以下结论：

a.2003—2010年,研究区水资源可持续利用水平随时间变化总体呈上升趋势,虽然在2005年综合得分值有小幅的下降,但2009年后开始回升。

b.从子系统来看,社会经济子系统和生态环境子系统得分的变化趋势与综合得分的趋势基本一致,总体呈上升趋势,而水资源子系统得分呈下降趋势。说明虽然水资源开发利用程度的变化对水资源可持续利用水平产生了较大影响,但是随着社会经济的发展,环保意识和节约用水的理念深入人心,以及一些节水硬性措施的出台,促使了水资源可持续利用水平持续向好的方向发展。

c从单个因子来看,水资源总量、生产用水量、供水总量、人口自然增长率和河流水质劣于Ⅲ类断面比例等指标占有较大的权重。除水资源量、用水效率、水环境质量等因素会影响南京市水资源可持续利用水平外,公众的节水意识也是主要的影响因素。

3.5 评价结果聚类分析

由于以上的评价方法并不能准确地界定出各个年份水资源可持续利用状况的相似程度,也就无法进一步分析各年份水资源可持续利用程度的差异。为使结果进一步明晰,以各年份的综合得分值为指标,应用聚类分析法划分出不同的发展类型对南京市2003—2010年的水资源可持续利用程度进行对比分析。运用SPSS20.0软件,得到聚类树状图,见图2。

图2 南京市水资源可持续利用程度聚类树状图

根据各年的综合评价指数,设计水资源可持续利用能力的度量标准为：ISU≥0.4为可持续发展模式、-0.2≤ISU＜0.4为中层发展模式、ISU＜-0.2为低层次发展模式。当欧氏距离取值为10时,基于欧式距离相近度,将南京市水资源可持续利用程度划分为3种类型：第1类：2003—2004年,水资源可持续利用程度相对较低,综合得分为-0.31,属于低层次发展模式;第2类：2005—2009年,在8年间的对比中,其水资源可持续利用程度属中等,综合得分均值为0.03,属于中层发展模式,与2003年相比,水资源可持续利用状况有所改善;第3类：与前8年间相比,2010年水资源可持续利用程度相对较高,综合得分值为0.45,有较大的改善,属于可持续发展模式。但对比3种类型的平均综合得分值,其改善幅度并不大,这说明南京市水资源可持续利用问题依然严峻。

4 结 语

笔者以南京市为研究区域,采用熵权法确定各子系统的权重,结合主成分分析法对水资源可持续利用进行了综合评价。评价结果表明：2003—2010年,南京市水资源可持续利用水平呈总体上升趋势,虽然在2005年综合得分值有小幅的下降,但2009年后开始回升;社会经济子系统和生态环境子系统得分的变化趋势与综合得分的趋势基本一致,总体呈上升趋势,而水资源子系统得分呈下降趋势。对评价结果进行聚类分析可以看到,8年间的改善幅度并不大,说明目前南京市水资源可持续利用问题依然严峻。

[1]程乖梅,何士华.水资源可持续利用评价方法研究进展[J].水资源与水工程学报,2006,17(1)：52-56. (CHENG Guaimei,HE Shihua.Progress on evaluating methods for sustainable utilization of water resources[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering,2006, 17(1)：52-56.(in Chinese))

[2]姚章民,张建云.水资源评价研究进展[J].水文,2009, 30(增刊1)：16-18.(YAO Zhangmin,ZHANG Jianyun. Advance in research on water resources assessment[J]. Journal of China Hydrology,2009,30(S1)：16-18.(in Chinese))

[3]南京市水利局.2003-2010年水资源公报[EB/OL]. [2012-12-10].http：//www.njsl.gov.cn/www/njsl/ szygb.html.

[4]徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京：高等教育出版社,2002：31-36.

[5]任玉忠,叶芳,高树东,等.基于主成分分析的潍坊市水资源承载力评价研究[J].中国农学通报,2012,28 (5)：312-316.(REN Yuzhong,YE Fang,GAO Shudong, et al.Study on water resources carrying capacity in weifang city based on principal component analysis[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2012,28(5)：312-316.(in Chinese))

[6]罗刚军,解建仓,阮本清.基于熵权的水资源短缺风险模糊综合评价模型及应用[J].水利学报,2008,39 (9)：1092-1097.(LUO Gangjun,XIE Jiancang,RUAN Benqing.Fuzzy comprehensive assessment model for water shortage risk based on entropy weight[J].Journal of Hydraulic Engineering,2008,39(9)：1092-1097.(in Chinese))

[7]来海亮,汪党献,吴涤非.水资源及其开发利用综合评价指标体系[J].水科学进展,2006,17(1)：95-101. (LAIHailiang,WANGDangxian,WUDifei. Comprehensive assessment indicator systemforwater resources and its development and use[J].Advances in Water Science,2006,17(1)：95-101.(in Chinese))

[8]姜登岭.区域水资源可持续利用的评价指标体系研究[J].水科学与工程技术,2006(2)：14-16.(JIANG Dengling.Assessment index system of regional water resources sustainable utilization[J].Water Sciences and Engineering Technology,2006(2)：14-16.(in Chinese))

[9]HELLSTROM D,JEPPSSON U,RRMAN E.A framework forsystems analysis of sustainable urban water management [J].Environment Impact Assessment Review,2000,20：311-321.

[10]王伏虎.SPSS在社会经济分析中的应用[M].合肥：中国科学技术大学出版社,2009：231-238.

Assessment of sustainable utilization of urban water resources in Nanjing City

JI Yu1,LU Baohong1,2
(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China)

The principal component analysis method and the entropy weight method were used to evaluate the sustainable utilization of the water resources in Nanjing City,based on water resources utilization data from 2003 to 2010.The clustering analysis method was used to compare and analyze the evaluation results.The results show that,during the period from 2003 to 2010,the sustainable utilization level of water resources showed an increasing trend in general.Clustering analysis shows that the increase is not significant,indicating that there are still serious obstacles to sustainable utilization of the water resources in Nanjing City.

principal component analysis method;entropy weight method;clustering analysis,water resources; sustainable utilization;Nanjing City

TV213.4

A

1004-6933(2014)01-0079-05

201303-12 编辑：彭桃英)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.016

国家自然科学基金(NSFC-50979023);水利部公益性行业科研专项(201201026)

季妤(1990—),女,硕士研究生,研究方向为水资源规划与管理。E-mail：jiyu798@163.com

陆宝宏,副教授。E-mail：lubaohong@126.com