基于因子分析的辽宁省水资源承载力研究

刘文铮，刘湘妮

（辽宁省水利水电科学研究院，沈阳110003）

水资源承载力是特定区域的水资源承载力，是指在一定时期内，以当前能够达到的科学技术水平为条件，以经济的可持续绿色发展为准则，以维护生态环境良性循环为目标，通过合理优化配置本地区可开发利用的水资源，为承受该地区的人口数量规模和社会经济活动所能提供的最大容纳和承载能力［1］。随着人类对于水资源、社会经济、生态环境等方面的变化认识，水资源承载力的概念和理论也在不断进行扩展，从单一的基础性理论承载力评价发展到多元化、多角度的可持续利用研究，水资源承载力研究已成为确定区域社会经济发展的基础和解决人与自然和谐发展的需要，同时对实行最严格水资源管理制度的“三条红线”控制具有指导性意义。

水资源承载力综合研究是该区域的水资源可持续发展研究的基础性课题。国内外研究已经取得最新进展，水资源承载力正在逐步由基础理论性研究向复杂性和空间性研究过渡，在国外，Rijiberman［2］把水资源承载力作为城市水安全保障的衡量标准，Ngana等［3］研究了马尼亚拉湖子流域水资源综合管理与承载力认识；在国内，刘丹等［4］提出水资源系统健康的水资源承载力理念，建立基于组合权重的集对分析评价模型，对山西省大同市水资源承载力进行了评价；葛强等［5］采用了主成分分析方法，建立了反映云南省水资源承载力指标体系，从中提取3个主成分进行研究；张士锋等［6］以粮食增产计划重点区松花江区为例，采用综合模型进行计算研究水资源承载力变化趋势。

总之，国内外研究进展可见，经过几十年的不断探索和理论总结，我国的水资源承载力取得了一定成就。首先，水资源承载力研究经历了形成时期，水资源承载力的研究主要是在基本概念、内涵、计算方法等方面研究，目标比较单一。如今水资源承载力的研究包含了社会、经济、生态、水质等影响因素，重点强调水资源的可持续利用，解决供水与需水的平衡问题。

1 辽宁省概况

辽宁省现设有地级市14个，分别为沈阳、大连、鞍山、抚顺、本溪、丹东、锦州、营口、阜新、辽阳、盘锦、铁岭、朝阳、葫芦岛。截止到2013［7］年末，全省总人口4238.0万人，全省国民生产总值27077.7亿元，按照地区生产总值产业比例，第一、第二、第三产业比例为8.6∶52.7∶38.7。

辽宁省地处东北地区南部，南濒黄海、渤海。本省属于温带季风气候，受海陆区位及地形影响，各地气候差异较大。到2013年［8］，全省水资源总量463.17亿m3，比多年平均值多35.5%，平均降水深751.1mm，比多年平均值多10.8%，时空分布差异比较大，汛期降水较多。年内分配，降水量主要集中在6～8月，占全年67.5%。气候特点是四季分明，寒冷期长；雨量集中，东湿西干；平原风大，日照丰富，年日照时数2100～2900h之间，全年平均气温为5.2 ℃～11.7 ℃，最高气温零上30 ℃，最低气温零下30 ℃。平均无霜期130～200d，一般无霜期均在150d以上。

2 研究方法与技术流程

2.1 研究方法

因子分析法是在尽可能保留原有信息量的前提下，用较少的维度去表示原来的数据结构，简化数据，以形成少数几组潜在起支配作用的公共因子与特殊因子的线性组合，从而揭示整体变量的规律或本质，降低在多元分析处理过程中由于变量多、关系混乱而导致局面错综复杂的问题［9］。因子分析法基本步骤：①由于原始数据各指标量纲不同，对原始数据进行标准化；②计算标准化，数据表的相关系数矩阵S；③计算相关系数矩阵特征值和特征向量；④计算方差贡献率与累计方差贡献率，确定因子；⑤进行因子荷载矩阵，进行方差最大正交旋转；⑥根据因子得分系数矩阵和方差贡献率计算综合评价得分。

2.2 技术流程

水资源承载力是在水资源系统、社会经济系统、生态环境系统基础上进行，水资源的可持续利用支撑着社会经济的快速发展，也是重要的组成部分，采用合理的数学模型和科学的计算方法进行水资源承载力计算，从而为该区域水资源高效利用与优化配置提供科学的理论依据。

技术流程如图1。

图1 辽宁省水资源承载力技术流程

3 指标体系分析与综合评价

3.1 水资源承载力指标选取

水资源承载力的基本单元是承载力评价指标，水资源承载力评价指标是反映水资源、社会经济、生态环境3个系统的基本情况，各个评价指标之间具有独立性，也具有相关性。水资源评价指标体系的构建，从指标的选取角度上，考虑了承载对象和承载程度，从区域性发展的趋势上，水资源承载力评价指标由单方面发展向着多方面发展的延伸。

根据水资源承载力的定义和内涵，在指标体系的设计原则上［10］，遵循实用性、可行性、代表性，尽可能包括系统内的主要影响因素。

本文结合辽宁省的水资源程度、社会经济条件、生态环境条件等因素考虑，共选取12个影响因素指标，如图2。

图2 辽宁省水资源承载力指标体系

3.2 水资源承载力综合评价

根据辽宁省水资源公报和辽宁省统计年鉴，选取2013年辽宁省各行政分区的14个城市的数据为原始数据，对所选取的12个评价指标进行随机误差独立性检验的Bartlett球型检验与KMO （Kaiser-Meyer-Olkin）检验法，结果表明原始数据符合因子分析法的基本要求。对原始数据进行标准化处理，计算相关系数矩阵S。

根据相关系数矩阵求解旋转前和旋转后方程的特征值，并计算各主成分的贡献率和累计贡献率，如表1。

表1 旋转前后的特征值和主成分贡献率 单位：%

根据表1计算结果可知，根据因子分析得到旋转前后特征值和特征向量，确定第1、第2、第3、第4个主因子，旋转后累积贡献率分别为43.759%，62.001%，75.561%，87.025%，累计贡献率大于85%，说明包含12项指标所有信息，可以采用因子分析法进行计算。

为了更清楚地解释各变量在主成分因子上的载荷意义，对因子载荷作方差最大化正交旋转，旋转后的载荷矩阵如表2。

表2 旋转后的因子载荷矩阵

4个主因子成分能够比较全面地概括水资源承载力的变化驱动因子，能够更好地反映水资源承载力的目前状况，因此用这4个主因子成分来表示辽宁省水资源承载力变化状况是合理的。

从表2中可以看出，供水总量、城市污水处理能力、城市园林绿地面积与第一主成分有很大正相关，因此主要代表水资源与生态环境相结合的发展状况，随着城镇化进程的加快，人口数量持续增长，对供水量需求越来越大，也在一定程度上影响着水资源的承载力；降水量和水资源总量与第二主成分有0.6522和0.5953的相关度，认为第二主成分主要代表着水资源条件对水资源承载力的影响状况；第三主成分与城市用水普及率和工业废水处理量具有较大的正相关，跟第一主成分一样也代表着水资源及生态环境，人均GDP、城市人口密度与第四主成分具有0.3619和0.7883的相关性，代表着社会经济发展状况对水资源承载力的影响，因此说明辽宁省水资源承载力因子分析是必要的。

通过变异系数法［11］计算各评价指标的权重，确定各评价指标对水资源承载力的影响程度。

各指标的权重分别为：（x1）0.0354、（x2）0.1005、（x3）0.0011、（x4）0.1024、（x5）0.1165、（x6）0.0453、（x7）0.0611、（x8）0.0674、（x9）0.1283、（x10）0.1221、（x11）0.0939、（x12）0.1260。

根据各因子得分系数和方差贡献率计算辽宁省各行政水资源承载力综合得分，并进行排序，得分越高，说明辽宁省下设行政分区在该年度的水资源承载力越小，反之越大，如表3。

表3 各行政分区水资源承载力综合得分及排名

3.3 结果分析

从表3的计算结果可知，辽宁省14个行政分区中，大连和沈阳市水资源承载力综合评价得分最高，这两个市的水资源可持续利用量在全省最高，说明这两个城市社会经济发达，工业的发展占主导地位，国民生产总值在全省其他城市位于前两位，分别为7650.79亿元和7158.57亿元；鞍山市和本溪市水资源承载力虽然比大连和沈阳低，但综合得分为正数，水资源还是比较充裕，还具有更大的承载潜力，阜新市和朝阳市水资源承载能力最低，由于这两个城市降雨最少，阜新市降雨量为平均降雨量的66.2%，朝阳市的降雨量只有413.4mm，经济比较落后，水资源开发利用率比较低，导致现状的承载力较小，其他城市除了抚顺和丹东水资源承载力综合得分为正，表明水资源承载力较大，其余6个城市水资源承载力比阜新和朝阳略大，但综合得分仍然为负值，说明水资源承载能力比较低。

4 结语

（1）通过对辽宁省14个行政分区的水资源系统、社会经济系统、生态环境系统评价指标体系的建立，利用因子分析法进行水资源承载力计算和分析，取得在一年内全省不同地区水资源承载力的一个发展趋势，以期为该区经济社会和水资源的优化配置提供有效参考。

（2）针对目前的发展趋势，提出一些提高水资源承载力的切实政策：①完善落实治水政策，推动水利事业健康发展；②加强和规划前期工作，满足工程建设的需要；③完善防汛减灾体系，有效减轻灾害损失；④完善水资源配置体系，确保供水安全。辽宁省水资源承载力是该区域水资源可持续发展的重要组成部分，总体上来看，社会经济的发展是以水资源为载体，水资源处于健康稳定的发展状况，在该省的综合实力提高中具有不可替代的作用，以完成水资源的可持续来支撑经济的可持续发展。

［1］童纪新，顾希.基于主成分分析的南京市水资源承载力研究［J］.水资源与水工程学报，2015，26（1）：122-125.

［2］Rijisberman，et al.Different approaches to assessment of design and management of sustainable urban water system［J］.Envi-ronment Impact Assessment Review，2000，129（3）：333-345.

［3］Ngana J O，Mwalyost R B B，Yanda P，et al.Strategic development plan for integrated water resources management in Lake Manyara sub -basin，North -Eastern Tanzania ［J］.Physics and chemistry of the Earth，2004，29（15-18）：1219-1224.

［4］刘丹，王丽萍，等.基于水资源系统健康的区域水资源承载力评价［J］.南水北调与水利科技，2015，13（2）：40-45.

［5］葛强，雷艳娇.云南省水资源承载力与可持续利用研究［J］.人民珠江，2014（1）：29-31.

［6］张士锋，孟秀敬.粮食增产背景下松花江区水资源承载力分析［J］.地理科学，2012，32（3）：342-347.

［7］辽宁省统计局.2014年辽宁省统计年鉴［M］.北京：中国统计出版社，2014.

［8］辽宁省水利厅.辽宁省2013年度水资源公报［R］.2014.

［9］刘慧，蔡定建，等.基于因子分析和熵权法的赣江源流域水资源承载力研究［J］.安徽农业科学，2011，39（23）：14264-14267.

［10］惠泱河，蒋晓辉，等.水资源承载力评价指标体系研究［J］.水土保持通报，2001，21（1）：30-34.

［11］李文宾，姚阿曼.玛纳斯河流域水资源承载力模糊评价［J］.地下水，2013，35（2）：80-81.