基于DPSIR和主成分分析的阜康市水资源承载力评价

王晓玮+邵景力+崔亚莉+赵辉+郭秀红+孙倩

摘要：针对新疆自治区阜康市水资源日益短缺及生态环境逐渐恶化的现实情况，根据 DPSIR框架展开水资源承载力因子分析，构建了水资源承载力多因素基础指标体系；应用主成分分析法筛选出主要指标，采用熵权法进行赋权；构建综合评价模型对水资源承载力进行计算。研究表明：筛选出的4个主成分累计贡献率为92.016%，能充分代表多因素基础指标体系；阜康市九年间（2006年-2014年）水资源承载力综合评分值在0.498～0.531之间波动，下降速率缓慢且波动幅度减小，整体上处于开发饱和阶段。社会和经济发展的压力带来的农业用水的增加是导致水资源承载力下降的主要指标，扩大地下水开采和推行的节水灌溉等压采措施则在很大程度上缓解了下降的趋势。

关键词：阜康；水资源承载力；DPSIR；主成分分析；熵权法

中图分类号：P641.8 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）03-0037-06

Abstract：Fukang city in Xinjiang province is faced with increasing scarcity of water resources and worsening ecology.Based on DPSIR，we conducted factor analysis of water resources carrying capacity （WRRC） and built a basic indicator system.Principal component analysis was used to select the main indicators of WRRC and entropy weight analysis was used to determine their weights.A comprehensive evaluation model was built to calculate and evaluate the WRRC of Fukang.The results showed that the selected 4 main indicators can well represent the basic indicator system with an accumulative contribution rate of 92.016%.The WRRC of Fukang fluctuated between 0.498-0.531 during 2006-2014.The rate of decline was slow and the fluctuation range decreased with time.Generally，the utilization has reached saturation.The increased use of agricultural water resulting from social and economic development was a main indicator of the decline in WRRC.But the trend of decline was strongly relieved by the expanding groundwater exploitation and water resources management practices in Fukang.

Key words：Fukang；water resources carrying capacity；DPSIR；main component analysis；entropy method

近年来，水资源的供需矛盾日渐加剧，水资源的可持续利用成为亟待解决的课题，水资源承载力研究也以其基础性特点成为研究的热点和重点。在水资源相对短缺的西北内陆河流域的平原地区，水资源的供需矛盾影响到社会经济和生态环境的各方面，水资源承载力的分析计算和评价被公认为是寻求该区域可持续发展道路的重要依据[1-2]。

国内对水资源承载力的研究成果中[3-5]，虽然尚未统一定义，但是对其内涵认识较为统一，即水资源承载力是一个描述水资源支持人类活动能力阈值的概念。目前的研究通常综合考虑多因素指标进行定量化综合评价，常用的量化方法主要有层次分析法[6]、模糊综合评判法[7-8]、主成分分析法[9-10]、多目标决策分析法[11]、系统动力学法[12-13]、BP人工神经网络评价[14-15]等。作为可持续发展研究的内容之一，水资源承载力研究需要研究水资源與社会-经济-生态-资源复合系统之间的关系，目前研究中指标选择主要着眼于水资源状态评价，对影响这种状态的驱动力以及针对驱动力所做出的政策响应研究较少。驱动-压力-状态-影响-响应（DPSIR）指标体系可以很好地拓展指标体系的内涵[16-17]，但是目前将其应用到水资源承载力评价中的研究较少[18]，特别是在西北地区研究较少。

阜康市位于新疆自治区天山北麓，其水资源循环赋存条件、开发利用状况及社会经济系统与生态系统的相互作用关系在西北内陆河流域具有典型性。由于扩大灌溉面积导致的对水资源的不合理开发利用，引发了诸如河流断流、地下水位下降、地下水降落漏斗范围扩张、自然生态环境恶化等一系列严重的地质环境问题[19-22]。本文按照DPSIR模型选择指标体系，综合采用主成分分析法与熵权法，评价阜康市2006年-2014年水资源承载力，以期揭示水资源承载力在社会经济发展中的变化及其主要的影响因素。

1 研究方法

1.1 基于DPSIR模型构建多因素指标体系

DPSIR模型是一种基于因果关系组织相关指数的评价模型，其因果关系链可以表示为驱动力（Driving force）—压力（Pressure）—状态（State）—影响（Impact）—响应（-Response）。该模型不仅能显示社会发展对环境系统的影响，还涵盖了环境状态对人类行为和社会系统的反馈。

将DPSIR模型应用于水资源承载力的分析，因果关系链可以表述为：潜在的社会经济驱动力—对水资源系统的压力—资源环境状态—状态变化带来的不利影响—人类社会对影响的响应[18]。各因子对水资源承载力基本要素的展现可以表征为具体的评价指标。

（1）驱动力指标：主要包括经济发展指标和人口指标。

（2）压力指标：主要是社会经济发展对水资源的需求，包括了三生（生产、生活、生态）需水量指标和污水排放量等指标。

（3）状态指标：包括水资源开发利用程度指标和水资源可利用量指标。

（4）影响指标：包括水位指标、水质指标、生态系统变化指标等。

（5）响应指标：包括财政投入指标、生态恢复指标等。

依据上述理念和原则可以构建一个具有循环回路的指标初选框架，根据资料收集的难易程度等进行筛选后，可以得到涉及多个领域的多因素基础指标体系。

1.2 水资源承载力主成分分析

采用主成分分析法（principal component analysis）对基础指标体系进行筛选。主成分分析法是一种对高维变量的降维处理技术[23]，是把给定的一组原始多变量线性变换为另一组少数的综合变量的多元统计方法。主要包括以下步骤：

2 研究区概况

阜康市行政区划隶属于新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州，东接吉木萨尔县，西临乌鲁木齐市米东新区，南隔博格达峰与乌鲁木齐县相望，北连阿勒泰地区富蕴县。行政区面积11 572.8 km2。位于天山北坡，目前经济主体是农业。

阜康市南高北低，自南向北依次为山区、平原、沙漠地貌，人工绿洲主要分布在洪积扇中下部和冲积平原。阜康市属于典型的温带大陆性干旱气候，南部山区年降水量540～700 mm，是水资源的形成区；平原区至沙漠区多年平均降水量140～210 mm，多年平均蒸发量1 850 mm，是水资源的散失区。阜康市地表河流流域范围均在行政区内，主要补给来源为冰川和积雪融水及大气降水；地下水主要补给来源是地表水入渗和少量降水入渗，由产流区到散失区，地表水和地下水多次转化。全市市属水资源总量为2.87亿m3，其中地表水来水近10年平均径流量1.672 4亿m3，平原区多年地下水补给量为1.67亿m3，地下水可开采量为0.920 6亿m3[25]。

阜康市的水资源开发利用规模不断增加。各河流之间通过引水渠等水利设施基本上纳入了一个统一的水网中；全市共有机井总数为1430眼（不含行政区内新疆建设兵团所辖机井），其中农牧灌溉为1075眼。2000年至2009年地下水开采量由0.915亿m3增加到1.759亿m3[20]。2013年，全市用水总量4.07亿m3，其中引地表水1.36亿m3，开采地下水2.71亿m3[25]。目前农牧业生产用水占总用水量的85.2%[25]，占地下水总开采量的93.32%。山区水库的修建使地表水在出山口以前被大量截留，进而平原区大量超采地下水，各类地质环境问题和环境问题日益加剧。如根据阜康市14个地下水监测点水位监测资料，2005年-2013年监测点平均水位埋深增加了5 m左右。

3 结果和讨论

3.1 水资源承载力评价结果

依据数据收集的难易程度，筛选出16个评价指标建立基础评价指标体系，评价周期确定为2006年-2014年（表1），对阜康市水资源承载力动态进行综合评价。

采用SPSS软件进行因子分析，得到主成分的特征值和贡献率。筛选4出前个主成分（累积贡献率92.016%），其解释原始信息的能力分别为58.122%、16.356%、9.938%和7.600%。对原始指标数据标准化后，结合4个主成分的得分系数值进行计算，即可得到不同年份主成分的得分情况（表2）。

根据式（7）-式（11），计算的主成分得分值，求得4个主成分因子的权重分别为0.271 09、0.313 52、0.263 86和0.151 53，此权重代表了该主成分指标在问题中提供有用信息量的多寡[23]。最终得到2016年-2014年九年间阜康市水资源承载力的综合评分值（图1），得分值总体上在0.498 4～0.531 2之间波动，極值出现在2006年和2009年。可以看出，虽然总体上水资源承载力综合评分值呈减少趋势，但减速缓慢，且近几年曲线波动幅度也逐渐减小，这表明阜康市的水资源开发状况具有明显的饱和阶段的特征。3.2 水资源承载力变化的主要驱动因子

通过分析主成分负荷量，可以得到驱动综合得分变化的主成分与变量之间的相关性。主成分分析

得到的因子负荷矩阵可以明确显示这种相关关系（表3）。结果表明：第1主成分在第一、二产业增加值、城镇和农村居民可支配收入等压力指标上的载荷较高，均在0.97以上普遍大于0.99，同时在粮食和经济作物播种面积、农业用水量等驱动力指标上也有较大的载荷，高于0.79，并且在地下水开采量指标上的载荷达到了0.969，，突出表明社会经济发展的压力驱动了对水资源的大规模开发利用；第2主成分与引水量、新增节水灌溉面积等指标存在较强的正相关，载荷数分别为0.965和0.749，基本上反映了地区农业活动的情况；第3主成分与当年人工造林面积有较大的正相关，载荷数为0.902，反映了人类对水资源情况变化的正面响应；第4主成分与年总降水量和地下水位降幅等指标呈较强的正相关，载荷数分别为0.912和0.709，反映了自然条件和人类驱动对地下水状态的改变。在熵权法中，指标的熵值越小，权重越大，提供的信息量越多，4个主成分中，第2个主成分权重最大为0.3135 2，表明在西北地区农业为主的发展模式下，引来地表水量的多寡是重要的影响因素，而不断增加的节水灌溉面积使用水效率不断提高，增加了水资源的承载力；同时，第1个主成分的权重也非常高，达到0.2710 9，表明经济发展对水资源需求的压力不断增加，但同时迅速增加的地下水开采供应量，在很大程度上缓解了这种压力。

总体上可以认为，压力指标（D）和驱动力指标（P）普遍对承载力的变化起主导作用，不断增大的经济发展和社会进步压力带来的需水量特别是农业需水量的增加，导致了水资源承载力总体上呈下降趋势。同时，为了满足水资源需求而采取的扩大地下水开采措施（S）以及人类主动性的增加节水灌溉面积的活动（R），对水资源承载力起到了提升的作用，减缓了承载力下降的幅度和波动幅度。但是在西北內陆河流域独特的水文地质条件下，增加地下水的开采量长期来看会导致一系列环境地质问题和生态问题，因此这种模式并是不可持续的。4 结论和建议

（1）采用DPSIR模型建立了新疆自治区阜康市的水资源承载力多因素评价指标体系，包括13个指标；采用主成分分析法对指标进行降维，采用熵权法构建综合评价模型，对2006年-2014年的水资源承载力进行了评价。研究结果共筛选了4个主成分，累计贡献率为92.016%；通过熵权法计算求得4个主成分因子的权重分别为0.271 09、0.313 52、0.263 86和0.151 53；最终得到阜康市2006年-2014年水资源承载力综合评分值在0.498 4～0.531 2之间波动，总体上缓慢下降，波动减小；评价结果表明阜康市的水资源开发利用具有饱和阶段特征。

（2）通过分析主成分负荷量可以看出，由于社会和经济发展的压力，阜康市不断扩大的农业种植面积和农灌需水量，是导致水资源承载力持续下降的主要影响指标；为了缓解水资源供需矛盾，不断扩大地下水开采量，并且大力推广节水灌溉，这两个指标表明“开源节流”对水资源系统的变化形成了积极的响应，抵消了一部分社会经济发展对水资源系统的压力。但是这种扩大地下水供给的模式是不可持续的。

（3）研究区内地下水和地表水同源且多次转化，不同的水资源开发利用模式对中下游生态系统和地下水的采补平衡作用也不相同。目前新疆自治区的用水总量控制指标已经分解到了县一级，应对总量指标进行进一步的细化和合理界定，以生态作为重要的约束条件，将“水-生态-社会经济”作为一个综合系统，综合研究水循环系统演变与社会经济和生态环境系统的互动关系，结合国民经济用水情况、历史现状、压采能力等因素，来确定总量控制指标，才能实现水资源承载力的恢复和上升。

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