基于主成分分析的黑龙江省水资源承载力评价研究

陈梦婷，程显霞，王正君，武永娜

(黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)

1 概述

水资源是人类生存和发展不可或缺的重要物质基础[1-3]。黑龙江省地域广阔，作为我国重要的水资源省份之一，拥有丰富的水资源和水利条件，境内有黑龙江、松花江、辉南江等重要河流，水域面积达到8.86万km2，水资源总量达到1.4万亿m3，约占全国总量的7%。尽管水资源丰富，但同时面临着水资源开发利用不合理、环境污染、水资源供需矛盾等问题，因此对黑龙江省水资源承载力进行评价研究，对于推动黑龙江省水资源合理利用，保障经济社会可持续发展具有重要意义。在未来的发展中，需要进一步加强水资源管理，提高水资源利用效率，保护好水生态环境，实现可持续发展。

2 水资源承载力评价的概念和意义

水资源承载力是指一个地区在一定时期内，由于社会、经济、环境、生态等多个方面的需求，以及自然生态环境的条件限制，能够满足这些需求的水资源量的极限范围。水资源承载力评价的主要目的是为了揭示地区水资源状况、水资源利用效率以及未来水资源供需状况，从而调整和优化水资源利用结构，合理规划水资源开发利用，保障水资源可持续利用。水资源承载力评价还有利于落实国家水资源管理制度，推进相关政策法规的实施，增强水资源保障能力。

目前，对于水资源承载力评价研究众多学者采用了不同的方法，从不同的方向出发开展了一系列研究[4-8]，但各种方法均有其优势和局限性。其研究涉及流域、灌区、行政区等不同区域，研究内容包括水资源时空分布特征分析，水资源承载力的动态模拟评估等，研究方法主要有主成分分析法、生态足迹法、模糊综合评价法等，这为研究农各地区水资源承载力的可持续发展问题提供了可参考的理论依据[9]。

3 区域概况与数据来源

黑龙江省位于中国东北地区，地理位置重要，是中国的区域性大省之一，水资源丰富，主要有黑龙江、松花江、辉南江、嫩江、图们江、鸡西河、浑河、雅鲁河等多条大河流经该省。此外，黑龙江省还有众多湖泊、水库、大型水利工程等，其中黑龙江、松花江是中华民族创造历史的重要河流，是中俄边境的天然屏障，这两条河流横贯黑龙江省，为该省的经济发展和人民生活提供了极为重要的水资源。

本文收集了黑龙江省2016—2020年的水资源数据和经济统计数据。数据主来源于《中华人民共和国水利部》《黑龙江省水利厅》《黑龙江省统计年鉴》以及与黑龙江省有关的各类统计年鉴和公报，并计算整理获取。原始数值见表1所示。

表1 黑龙江省水资源安全评价指标及原始数值

4 实证分析

4.1 指标的选取

水资源承载力是由经济情况、社会情况、供需情况与生态情况等多种要素综合构成的概念，由此可见，选择恰当的指标在对特定区域水资源承载力作出评价时显得尤为重要。本文结合以往对水资源承载力的深入研究与总结，综合考虑了全国水资源供需研究中的体系构建方法，并在分析了黑龙江省实际情况后，选取了16个指标因子对黑龙江省2016—2020年的水资源承载力进行综合评价(见表2所示)。

表2 水资源安全评价指标体系

4.2 结果分析

选取反映黑龙江省水资源承载力的16个因子，进行主成分分析，其步骤分为：① 对数据进行标准化处理；② 得出相关矩阵R，并求R的特征值分别为λ1，λ2，…，λi； ③ 计算累计贡献率，当累计贡献率≥85%时可确定主成分个数；④ 计算主成分的特征向量和表达式；⑤ 以贡献率为权数对水资源承载力进行综合评价[10]。

运用SPSSPRO统计软件可得水资源承载力因子相关系数矩阵和主成分的特征值及贡献率(见表3、表4)。

表3 黑龙江省水资源承载力因子相关系数矩阵

表4 黑龙省主成分特征值及贡献率

由表3可知，所选取的16个因子之间存在相关性，这是进行主成分分析的基础和条件，也进一步验证了对因子做主成分分析的必要性和科学性。

由表4可知，前3个主成分的累计贡献率已经达到了93.569%(大于85%)，可基本认为3大主成分可以全面反映影响水资源承载力的16项因子的绝大多数信息，可以充分体现黑龙江省水资源承载力的年际变化趋势。故选取3个主成分对黑龙江省水资源承载力进行分析，并得出3个主成分得分系数矩阵反映主成分与影响因子间的关系(见表5所示)。

表5 因子荷载矩阵

从表5可以看出，主成分与变量之间的相关系数，第1主成分与年降水量(C1)、地表水资源量(C2)、地下水资源量(C3)、地下与地表水资源不重复量(C4)、水资源总量(C5)、用水普及率(C10)、人均GDP(C11)、万元GDP用水量(C12)、农田灌溉水有效利用系数(C16)之间存在较强的正相关关系，与总用水量(C6)、人口总量(C8)、人口自然增长率(C9)、工业废水排放量(C13)、工业废水排放处理率(C14)存在较强的相关关系，基本涵盖了供需情况、社会情况、经济情况和生态情况的主要因子。由各因子的荷载系数大小可见，相对于生态环境而言，水资源自然条件、社会人口和经济发展对黑龙江省水资源承载力的重大影响，同时也反映了随着水资源自然条件的不断改善，虽然水资源的需求逐渐増加，会给水资源承载力造成一定压力，但从总体来看，水资源的供需得到一定的缓解。 第2主成分与人均综合用水量(C7)具有较强相关关系，反映了人均综合用水量对水资源承载力具有一定影响。第3主成分与耕地实际灌溉亩均用水量(C15)具有较强相关关系，体现出耕地实际灌溉亩均用水量对黑龙江省水资源承载力的也有影响。

根据综合分析可知，黑龙江省的水资源的开发利用已具有一定的规模，但随着社会经济的不断发展，科技水平的进步，使水资源的开发与利用得到有效地改善，水资源承载力还将有一定的富余空间，客观地反映了黑龙江省的水资源开发利用情况及其水资源承载潜力[12-13]。

黑龙江省水资源承载力的综合排名(2016—2020年)见表6所示，其中，Z1、Z2、Z3是主成分得分，Z是主成分的综合得分。主成分得分有正负之分，正负代表水资源承载力所处的相对位置，负值表示该年份得分处于平均水平之下，正值说明该年份得分处于平均水平之上[10]。综合得分Z值越大，说明水资源承载力越大，反之越小[14]。

表6 黑龙江省水资源承载力综合排名(2016—2020年)

由表6可知，黑龙江省水资源承载力总体呈递增趋势，虽然经济发展导致工业生产与日常所需的水资源逐年増加，但是随着科学技术的改进和人们节水意识的增强，水资源的有效利用率不断提升，使得水资源的承载压力得到一定的缓解。因此，从总体来看水资源的承载力呈现了逐年增长的趋势。

根据表6，绘制黑龙江省水资源承载力综合趋势(如图1所示)，可以更为直观的展示2016—2020年黑龙江省水资源承载力的动态变化。

图1 水资源承载力主成分及综合得分趋势示意

由图1可知，2016—2020年承载力的得分在-0.8～0.9之间波动，2016年得分最低，2019年得分最高，2017年到2019年上升幅度较大，是因为2017—2019年间水资源总量有明显增加。第1主成分的变化趋势和水资源承载力大体一致，由于第1主成分所占贡献率为69.868%，故其相应的指标对水资源承载力的影响最大，第2主成分和第3主成分的变化趋势相较于综合得分的变化趋势有较大波动，因其对综合得分影响相对较小。

5 结语

1)本文基于主成分分析法，结合2016—2020年黑龙江省水资源的实际情况进行分析，综合评价了黑龙江省水资源承载力状况，分析得出，影响黑龙江省水资源承载力的决定性因素是水资源自然条件、社会人口和经济发展。

2)从时间上看，2016—2020年黑龙江省水资源承载力总体呈现上升趋势。其中，2016年的综合得分为-0.771，分值最小，处于弱承载力；2019年的综合得分为0.846，分值最大，承载力最强。2016—2018年的水资源承载能力虽然一直在增强，但仍处于弱势。

3)通过分析得出，水资源自然条件、社会人口和经济发展是影响黑龙江省水资源承载力的主要因素。随着经济的发展和水资源自然条件的不断改善，虽然水资源的需求逐渐増加，会给水资源承载力造成一定压力，但从总体来看，水资源的供需得有效的缓解，但仍需大力提倡节约用水，提高水资源利用率。