基于主成分分析方法的山東省水資源承載力研究

鞏嘉譽(yù)

（山東師范大學(xué) 人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南250014）

1 引言

水資源是人類賴以生存的重要物質(zhì)，也是工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善環(huán)境不可替代的自然財(cái)富。水資源的供應(yīng)能力不僅取決于自然系統(tǒng)中可利用水資源的更新能力的更新速度，而且還受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人類活動(dòng)的影響。我國水資源總量是有限的，人口基數(shù)大，人均水資源量遠(yuǎn)低于世界平均水平。隨著人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工業(yè)化和城市化的加速推進(jìn)，水資源供需矛盾及短缺問題已經(jīng)日益成為當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要阻礙。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開水資源，目前“以水定產(chǎn)，以水定發(fā)展”的發(fā)展方針多次被提出，即水資源承載力問題受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。

國內(nèi)水資源承載力的研究起步較晚，至今都沒有形成一個(gè)系統(tǒng)科學(xué)的理論體系。由于我國許多學(xué)者對(duì)水資源承載力的理解不同，主要是其內(nèi)涵的界定尚存在一定的分歧，各種定義的表述與側(cè)重點(diǎn)也就不盡相同。綜合眾多定義，大致分為3種：第一種觀點(diǎn)是水資源開發(fā)規(guī)模論，第二種觀點(diǎn)是水資源承載最大人口論，第三種觀點(diǎn)是水資源支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展能力論，即水資源承載力是：某一地區(qū)的水資源在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件，經(jīng)過合理優(yōu)化配置，對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力。

常見的水資源承載力評(píng)價(jià)方法有向量模法、模糊綜合評(píng)判法、多目標(biāo)決策分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、主成份分析方法等。與其它方法相比，主成分分析法可以更客觀的確定指標(biāo)的權(quán)重避免了人為因素產(chǎn)生的誤差，同時(shí)還保留了原數(shù)據(jù)的大部分信息，更具科學(xué)性。

山東省位于中國東部沿海，黃河下游，東臨黃海，北瀕渤海，總面積15.67萬km2，年平均氣溫11～14℃，年平均降水量一般在550～950mm之間。山東省的水資源主要來源于大氣降水。從全省看，水資源比較貧乏，人平均占有量?jī)H為520m3，為全國人均占有量2770m3的18.8%。并且有水資源地區(qū)分布不均勻，年際、年內(nèi)變化劇烈，地表水和地下水聯(lián)系密切等特點(diǎn)。

2 山東省水資源綜合評(píng)價(jià)

2.1 指標(biāo)的選取

指標(biāo)選取可以從不同的角度反映區(qū)域水資源供需關(guān)系及開發(fā)利用的狀況。本文通過對(duì)區(qū)域水資源系統(tǒng)影響因素的綜合分析，充分考慮了山東省水資源自然賦存量及開發(fā)利用方式，選取如下評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，指標(biāo)為正向，即其值越大水資源承載力越大；指標(biāo)為逆向，即其值越大水資源承載力越小。

（1）人均水資源量占有量X1，m3：水資源總量／總?cè)丝冢徽?/p>

（2）單位面積水資源量 X2，m3／km2：水資源總量／土地面積；正。

（3）萬元 GDP用水量X3，m3：GDP／用水量；正。

（4）人均 GDPX4，元：GDP／總?cè)丝冢荒妗?/p>

（5）水資源利用率X5，%：供水量／水資源總量；逆。

（6）供水模數(shù) X6，m3／km2：水平年的供水量／土地面積；逆。

（7）人均供水量X7，m3：水平年的供水量／總?cè)丝冢徽?/p>

（8）農(nóng)田實(shí)灌畝均用量 X8，m3／km2：農(nóng)業(yè)用水量／灌溉面積；正。

（9）城鎮(zhèn)居民生活人均用水量X9，m3：城鎮(zhèn)生活用水量／非農(nóng)業(yè)人口數(shù)；逆。

（10）人口密度X10，人／km2：總?cè)丝冢恋孛娣e；逆。

（11）城鎮(zhèn)化水平X11，%：非農(nóng)業(yè)人口數(shù)／總?cè)丝冢荒妗?/p>

2.2 主成分推求

依據(jù)這11個(gè)指標(biāo)，對(duì)山東省17地市的這寫指標(biāo)Xij（i＝1，2，…，17；j＝1，2，…，11）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，見表1。

應(yīng)用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，見表2，表3。根據(jù)主成分的統(tǒng)計(jì)信息表及碎石圖（圖1）所提供的信息，選取特征值大于0.8的成分為主成分。選取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%～95%以上的特征值所對(duì)應(yīng)的前m個(gè)主成分，這樣，原數(shù)據(jù)的大部分信息得以保留，且達(dá)到了降維的目的。三是對(duì)碎石圖進(jìn)行分析判斷，可以看出有明顯的拐點(diǎn)，取拐點(diǎn)前所有的因子及拐點(diǎn)后的第一個(gè)因子作為主成分。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

表2 相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 特征值、主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

綜合主成分確定因素及碎石圖。選取了3個(gè)主成份。第1主成分的特征值為3.353；第2個(gè)主成分的特征值為2.948；第3個(gè)主成分的特征值為2.150；第4個(gè)主成分的特征值為1.113。前4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為86.941%說明前4個(gè)主成分大體可以反映原變量的大部分信息。所以僅選取前4個(gè)主成分來代替原有的11個(gè)指標(biāo)變量。

提取方法為主成分分析法。

圖1 碎石圖

已提取了4個(gè)成分。從表4中可以看出，第一主成分與萬元GDP用水量、城鎮(zhèn)居民生活人均用水量、城鎮(zhèn)化水平關(guān)系密切，故第一主成分可以看作水資源相對(duì)經(jīng)濟(jì)承載力；第二主成分與人均水資源量占有量、單位面積水資源量、水資源利用率關(guān)系密切，故第二主成分可以看作水資源的自然承載力；第三主成分與人均GDP、農(nóng)田實(shí)灌畝均用量、人口密度關(guān)系密切，故第三主成分可以看作水資源相對(duì)人口承載力；第四主成分與供水模數(shù)、城鎮(zhèn)化水平、農(nóng)田實(shí)灌畝均用量關(guān)系密切，因此看以看作水資源相對(duì)城市發(fā)展承載力。

通過SPSS軟件還可得到相應(yīng)的特征向量U。利用特征向量用原來的11個(gè)變量表征4個(gè)主成分的大小，見表5。

表4 旋轉(zhuǎn)后的因子負(fù)荷矩陣

表5 相關(guān)矩陣特征向量

通過計(jì)算，各指標(biāo)與主成分之間的線性組合關(guān)系為：

各個(gè)主成分的地市排名是不相同的，對(duì)各個(gè)主成分逐一分析只能從單一的角度對(duì)水資源承載力進(jìn)行分析。因此，計(jì)算出各類景觀類型的第一、二、三主成分的標(biāo)準(zhǔn)化值，再將它們與它們相應(yīng)的貢獻(xiàn)值相乘，最后用3個(gè)乘積相加求和得出3個(gè)主成分的綜合得分，見表6。

表6 各地市水資源承載力綜合排名

從表6中可以看出，水資源承載力的綜合得分臨沂市＞日照市＞萊蕪市＞東營市＞濟(jì)寧市＞煙臺(tái)市＞淄博市＞濟(jì)南市＞泰安市＞棗莊市＞德州市＞菏澤市＞威海市＞濱州市＞濰坊市＞聊城市＞青島市；對(duì)于前幾名的地市，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平卻不高，說明在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中沒有充分利用水資源的優(yōu)勢(shì)；對(duì)于排名較往后的地市，說明其水資源承載力較弱，在發(fā)展的過程中，應(yīng)充分考慮到水資源的高效利用問題。

3 結(jié)語

目前水資源已經(jīng)成為各個(gè)城市發(fā)展的重要瓶頸因素，本文揭示了水資源，流域經(jīng)濟(jì)及人口三者的關(guān)系，同時(shí)基于SPSS軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)山東省17地市的水資源承載力進(jìn)行的綜合分析，通過查閱山東省各統(tǒng)計(jì)年鑒而獲得數(shù)據(jù)。一方面由于時(shí)間不夠充足，另一方面由于數(shù)據(jù)的真實(shí)性有待提高，故沒有得到理想的結(jié)果。保證以后會(huì)不斷的進(jìn)行完善。

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