基于PCA的呼伦贝尔市水资源承载力研究

吴红艳，王 冬

（呼伦贝尔学院，内蒙古自治区 呼伦贝尔 021000）

水资源是人类生产和生活中最重要的资源，人类没有水资源就无法生存。水资源在人们的生产生活过程中起着非常重要的作用，无论是工业、生活以及生产方面都需要用水。但是在近些年的发展过程中，人们在使用水资源时没有节约意识，让水资源浪费问题开始变得日趋严重，不仅对社会经济发展造成了一定的影响，更是阻碍着对水资源的科学、合理化的使用。

内蒙古地区的各个地级市水资源存在严重的分布不均匀，此次主要是以呼伦贝尔市为研究对象，目的是在于以呼伦贝尔市水资源现状以及人口与经济等情况作为依据，建立适合呼伦贝尔市水资源承载力的研究指标体系，选用适当的方法对呼伦贝尔市水资源承载力进行研究与分析，通过对呼伦贝尔市水资源承载力影响因素分析。能够为相关的水利资源部门和政府提供一定的参考，为未来呼伦贝尔市水资源科学、合理的发展提供科学化策略。

1 研究区域概况

呼伦贝尔市位于内蒙古自治区的最东部，总共包含13个旗、县、市，气候寒冷，有着长达9个多月的冬季，冬季气温达-40 ℃。与黑龙江省、俄罗斯以及蒙古国相邻。凭借着得天独厚的草原优势而闻名，呼伦贝尔市的河流、湖泊非常多，其中有额尔古纳河水系和嫩江水系两大水系。呼伦贝尔市在2021年的水资源总量就达到了316.19亿m3。呼伦贝尔市的地域及气候特点是地广人稀、夏季时间短并且火热、冬季时间长并且非常寒冷、雨雪比较多、夏季日照充足等。

从呼伦贝尔市区域划分图（图1）与呼伦贝尔市主要河流分布图（图2）来看。满洲里市位于海拉尔区的西北方，附近有呼伦湖；牙克石位于海拉尔区的正东方向，有海拉尔河途经此地；额尔古纳市和根河市位于海拉尔区的偏北方，分别有额尔古纳河和根河流经；扎兰屯市位于海拉尔区的西南方向，有地质河和哈尼河等河流。五个县级市周围均有众多河流。在分析水资源承载力方面，选取5市更具有代表性。

图1 呼伦贝尔区域划分地图

图2 呼伦贝尔市主要河流分布图

2 水资源承载力评价

2.1 数据来源与指标设定

充分结合呼伦贝尔市实际情况，借鉴许朗学者的研究体系，选取了12个主要影响因子作为研究指标对呼伦贝尔市2007~2017年的饮用水资源承载能力状况进行了综合性评价。选取的指标具体如下：年底生活总人口X1/104人；生产总值X2/108元；工业生产总值X3/108元；城乡居民人均最低可支配经济收入X4/104元；水资源总量X5/108m3；供给饮用水总额X6/108m3；工业用水总额X7/108m3；农业用水总额X8/108m3；生态饮用水总额X9/108m3；生态用水总额X10/108m3；降雨量X11/mm；土地面积X12/khm2。

文章采用主成分分析法和应用统计分析软件SPSS 22.0完成。数据均来源于2008~2018年《呼伦贝尔统计年鉴》和2008~2018年《内蒙古水资源公报》计算并整理而获得。

2.2 研究方法

近年来，各地水资源的开发与利用情况普遍都受到了广泛关注，对水资源承载力的研究方法也层出不穷，其中应用最广泛的是主成分分析法、层次分析法以及供需平衡法三种。此外，很多学者在研究不同地区水资源承载力的过程中也使用了不同的方法以及模型，旨在能够更加科学、合理化地对地区水资源承载力进行分析。

主成分分析法运用的是降维的思想，方法运用及操作都很简单，因此被大众和业内广泛认可。在以往的研究中，对区域水资源承载力的评价和分析只有一种方法。本文将应用主成分分析法对呼伦贝尔市水资源承载力在时间维度和空间维度进行研究与分析。首先，对比分析了呼伦贝尔市2007~2017年水资源承载力的变化，然后讨论了呼伦贝尔市2013年5个县级市的水资源承载力。

3 水资源承载力影响因素实证分析

3.1 呼伦贝尔市水资源承载力的时间维度分析

选取反映呼伦贝尔水资源承载力的12个指标对水资源承载力状况进行分析，得出12个指标的特征值及贡献率，如表1所示。

表1 主成分特征值和累积贡献率

通过数据可得出前三个主成分对水资源承载力最具有影响，所以会将第一主成分、第二主成分以及第三主成分对呼伦贝尔市水资源承载力进行分析。利用三个主成分得分和特征值贡献率最终计算得到综合得分。

F1、F2、F3和F的得分可从表2中获得。可以看出，三个主成分之间的值是有正有负，但这里的正负并不是指资源承载力的真实水平，而是表明了水资源承载力的相对位置。综合得分F值越大，水资源承载力越小，开发利用潜力越小；综合得分F值越小，水资源承载力越大，开发利用潜力越大。

表2 主成分得分及排序

由表2中的排名可以看出，以2013年为分界点，2006~2013年，呼伦贝尔市水资源的承载力呈逐年上升的态势；2013~2017年，呼伦贝尔市水资源的承载力呈逐年下降的趋势。这是由于水资源总量、供给饮用水总额以及降雨量在2007~2013年呈逐渐上升的趋势，在2013~2017年呈逐渐下降的趋势。

根据表2绘制呼伦贝尔市水资源承载力的得分趋势图（图3），可以更加直观地展示出2007~2017年呼伦贝尔市水资源承载力的动态变化。第一主成分的得分和综合得分的趋势线大体一致，所以可以认为是影响呼伦贝尔市水资源承载力的主要因素；第二主成分和第三主成分的趋势与综合得分相比较，具有较大的波动，因此对综合得分的影响相对于第一主成分较小。

图3 水资源承载力主成分得分与综合得分趋势图

3.2 呼伦贝尔市水资源承载力的空间维度分析

呼伦贝尔市的水资源总量非常充沛，2021年达到了316.19亿m3，然而，由于呼伦贝尔市水资源时空分布不均匀，这种不均匀的分布减少了水资源的有效供给。为了能全面了解呼伦贝尔市水资源的承载力，在近几年的数据中，2015年的数据相对于其他的时间比较全面，因此文章选取了呼伦贝尔市2015年5个城市的数据，对呼伦贝尔市各市水资源承载力的差异进行比较与分析。选取的12个指标如下：年底生活总人口X1/万人；人均用水总额X2/m3；水资源总量X3/104m3；农民人均纯收入X4/元；城乡居民人均最低可支配经济收入X5/元；工业用水总额X6/104m3；农业用水总额X7/104m3；供给饮用水总额X8/104m3；生态环境用水总额X9/104m3；万元GDP用水总额X10/104m3；水资源开发利用率X11/%；降雨量X12/mm。各变量初始值见表3。

表3 呼伦贝尔市2015年各市综合评价指标初始值

由表4可以看出来前三个主成分的累计贡献率已经达到了91.298%，大于85%，能够比较全面地反映出各地区影响水资源承载力的因素。可以认为是影响水资源承载力的主要因素。其中第一主成分与呼伦贝尔市5个城市的水资源利用和降雨量有关；第二主成分和第三主成分反映了呼伦贝尔市经济和人口因素的影响。

表4 主成分特征值和累积贡献率

计算三个主成分的因子载荷矩阵，并绘制呼伦贝尔市5个城市的水资源承载力得分趋势图（图4）：折线图直观地反映了呼伦贝尔市2015年5个县级市水资源承载力的动态变化。第一主成分得分与综合得分的折线趋势基本一致，所以大致可以认为是影响呼伦贝尔市五个城市水资源承载力的主要因素。第二主成分和第三主成分的趋势与综合得分相比较，之间具有较大的波动，因此对综合得分的影响相对于第一主成分是比较小的。

图4 5个县级市水资源承载力主成分得分与综合得分趋势图

由图4可知，呼伦贝尔市地区的5个县级市的水资源承载力主成分得分与综合得分的关系进行看，其中与综合得分最为相近的则是第一主成分，可见第一成分对于呼伦贝尔市5个城市的水资源承载力起着决定性的作用。同时，与综合得分较为相近的主成分二和三，即人口因素以及经济对水资源承载力也有着一定的影响。

从呼伦贝尔市的饮用水承载力来看。呼伦贝尔市5个县级市的水资源承载力依次为满洲里市、牙克石市、扎兰屯市、额尔古纳市和根河市。根据主成分分析确定的第一主成分指数，可计算如下：人均饮用水总消耗量、自来水资源总消耗量、工业饮用水总消耗量、农业饮用水总消耗量、生态饮用水消费总量中万元GDP总用水量和人均生态能源消费总量在水资源承载力指标中占有较高的公平或正权重，但水资源的开发利用率和年降雨量是水资源的支撑能力，占据着比较大和负责任的地位。满洲里市水资源总量和水资源供给总量居5市之首，降雨量居5市之末，因此满洲里市水资源承载力最大。根河市的平均降雨量是5个城市中的第一位，但水资源总量和供水总量是最后一位，因此根河市的水资源承载力最小。

从呼伦贝尔市5个城市的社会经济水平状况上来看。满洲里市的工业用水总额、农业用水总额、生态用水总额以及万元GDP用水总额处于首位，但降雨量处于末位，因此满洲里市的社会经济水平最高；根河市的工业用水总额、农业用水总额、生态用水总额以及万元GDP用水总额处于末位，但降雨量处于首位，因此根河市的社会经济水平最低。

从呼伦贝尔市5个城市的社会生活水平来看，农村人均纯收入和城乡居民人均最低可支配经济收入是最大的影响因素，2015年满洲里市农村人均纯收入10 374元，城乡居民人均最低可支配经济收入7 568.33元，居5市前列，生活水平最高。2015年，根河市农村人均纯收入为5 369元，城乡居民人均最低可支配经济收入为13 346元，居5市之末，因此，根河市的生活水平最低。

表5 呼伦贝尔市5市水资源承载力的综合得分及排序

4 结论

文章通过主成分分析，综合评价了2007~2017年呼伦贝尔市水资源承载力的变化情况以及2015年呼伦贝尔市5个县级市的水资源承载力状况，经过整体的分析得出了人口与社会经济发展是对呼伦贝尔市水资源承载力最主要的影响因素，同时发现水资源的利用与年降水量对水资源承载力的影响最大。不仅如此，呼伦贝尔市在发展的过程中，人口与整个社会经济也对水资源承载力有着一定的影响。整体而言，满洲里地区由于其境内呼伦湖影响，其水资源承载力高于呼伦贝尔市其余区域。为实现各旗县市经济持续健康发展，各旗县市需根据实际经济发展水平、人口规模以及水资源自然条件，理性开发水资源，积极调整产业结构，提高水资源利用率，同时推行节水型社会建设，提高社会的节水意识。