基于因子分析的遼寧省水資源承載力研究

劉文錚，劉湘妮

（遼寧省水利水電科學研究院，沈陽110003）

水資源承載力是特定區域的水資源承載力，是指在一定時期內，以當前能夠達到的科學技術水平為條件，以經濟的可持續綠色發展為準則，以維護生態環境良性循環為目標，通過合理優化配置本地區可開發利用的水資源，為承受該地區的人口數量規模和社會經濟活動所能提供的最大容納和承載能力［1］。隨著人類對于水資源、社會經濟、生態環境等方面的變化認識，水資源承載力的概念和理論也在不斷進行擴展，從單一的基礎性理論承載力評價發展到多元化、多角度的可持續利用研究，水資源承載力研究已成為確定區域社會經濟發展的基礎和解決人與自然和諧發展的需要，同時對實行最嚴格水資源管理制度的“三條紅線”控制具有指導性意義。

水資源承載力綜合研究是該區域的水資源可持續發展研究的基礎性課題。國內外研究已經取得最新進展，水資源承載力正在逐步由基礎理論性研究向復雜性和空間性研究過渡，在國外，Rijiberman［2］把水資源承載力作為城市水安全保障的衡量標準，Ngana等［3］研究了馬尼亞拉湖子流域水資源綜合管理與承載力認識；在國內，劉丹等［4］提出水資源系統健康的水資源承載力理念，建立基于組合權重的集對分析評價模型，對山西省大同市水資源承載力進行了評價；葛強等［5］采用了主成分分析方法，建立了反映云南省水資源承載力指標體系，從中提取3個主成分進行研究；張士鋒等［6］以糧食增產計劃重點區松花江區為例，采用綜合模型進行計算研究水資源承載力變化趨勢。

總之，國內外研究進展可見，經過幾十年的不斷探索和理論總結，我國的水資源承載力取得了一定成就。首先，水資源承載力研究經歷了形成時期，水資源承載力的研究主要是在基本概念、內涵、計算方法等方面研究，目標比較單一。如今水資源承載力的研究包含了社會、經濟、生態、水質等影響因素，重點強調水資源的可持續利用，解決供水與需水的平衡問題。

1 遼寧省概況

遼寧省現設有地級市14個，分別為沈陽、大連、鞍山、撫順、本溪、丹東、錦州、營口、阜新、遼陽、盤錦、鐵嶺、朝陽、葫蘆島。截止到2013［7］年末，全省總人口4238.0萬人，全省國民生產總值27077.7億元，按照地區生產總值產業比例，第一、第二、第三產業比例為8.6∶52.7∶38.7。

遼寧省地處東北地區南部，南瀕黃海、渤海。本省屬于溫帶季風氣候，受海陸區位及地形影響，各地氣候差異較大。到2013年［8］，全省水資源總量463.17億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%，時空分布差異比較大，汛期降水較多。年內分配，降水量主要集中在6～8月，占全年67.5%。氣候特點是四季分明，寒冷期長；雨量集中，東濕西干；平原風大，日照豐富，年日照時數2100～2900h之間，全年平均氣溫為5.2 ℃～11.7 ℃，最高氣溫零上30 ℃，最低氣溫零下30 ℃。平均無霜期130～200d，一般無霜期均在150d以上。

2 研究方法與技術流程

2.1 研究方法

因子分析法是在盡可能保留原有信息量的前提下，用較少的維度去表示原來的數據結構，簡化數據，以形成少數幾組潛在起支配作用的公共因子與特殊因子的線性組合，從而揭示整體變量的規律或本質，降低在多元分析處理過程中由于變量多、關系混亂而導致局面錯綜復雜的問題［9］。因子分析法基本步驟：①由于原始數據各指標量綱不同，對原始數據進行標準化；②計算標準化，數據表的相關系數矩陣S；③計算相關系數矩陣特征值和特征向量；④計算方差貢獻率與累計方差貢獻率，確定因子；⑤進行因子荷載矩陣，進行方差最大正交旋轉；⑥根據因子得分系數矩陣和方差貢獻率計算綜合評價得分。

2.2 技術流程

水資源承載力是在水資源系統、社會經濟系統、生態環境系統基礎上進行，水資源的可持續利用支撐著社會經濟的快速發展，也是重要的組成部分，采用合理的數學模型和科學的計算方法進行水資源承載力計算，從而為該區域水資源高效利用與優化配置提供科學的理論依據。

技術流程如圖1。

圖1 遼寧省水資源承載力技術流程

3 指標體系分析與綜合評價

3.1 水資源承載力指標選取

水資源承載力的基本單元是承載力評價指標，水資源承載力評價指標是反映水資源、社會經濟、生態環境3個系統的基本情況，各個評價指標之間具有獨立性，也具有相關性。水資源評價指標體系的構建，從指標的選取角度上，考慮了承載對象和承載程度，從區域性發展的趨勢上，水資源承載力評價指標由單方面發展向著多方面發展的延伸。

根據水資源承載力的定義和內涵，在指標體系的設計原則上［10］，遵循實用性、可行性、代表性，盡可能包括系統內的主要影響因素。

本文結合遼寧省的水資源程度、社會經濟條件、生態環境條件等因素考慮，共選取12個影響因素指標，如圖2。

圖2 遼寧省水資源承載力指標體系

3.2 水資源承載力綜合評價

根據遼寧省水資源公報和遼寧省統計年鑒，選取2013年遼寧省各行政分區的14個城市的數據為原始數據，對所選取的12個評價指標進行隨機誤差獨立性檢驗的Bartlett球型檢驗與KMO （Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗法，結果表明原始數據符合因子分析法的基本要求。對原始數據進行標準化處理，計算相關系數矩陣S。

根據相關系數矩陣求解旋轉前和旋轉后方程的特征值，并計算各主成分的貢獻率和累計貢獻率，如表1。

表1 旋轉前后的特征值和主成分貢獻率 單位：%

根據表1計算結果可知，根據因子分析得到旋轉前后特征值和特征向量，確定第1、第2、第3、第4個主因子，旋轉后累積貢獻率分別為43.759%，62.001%，75.561%，87.025%，累計貢獻率大于85%，說明包含12項指標所有信息，可以采用因子分析法進行計算。

為了更清楚地解釋各變量在主成分因子上的載荷意義，對因子載荷作方差最大化正交旋轉，旋轉后的載荷矩陣如表2。

表2 旋轉后的因子載荷矩陣

4個主因子成分能夠比較全面地概括水資源承載力的變化驅動因子，能夠更好地反映水資源承載力的目前狀況，因此用這4個主因子成分來表示遼寧省水資源承載力變化狀況是合理的。

從表2中可以看出，供水總量、城市污水處理能力、城市園林綠地面積與第一主成分有很大正相關，因此主要代表水資源與生態環境相結合的發展狀況，隨著城鎮化進程的加快，人口數量持續增長，對供水量需求越來越大，也在一定程度上影響著水資源的承載力；降水量和水資源總量與第二主成分有0.6522和0.5953的相關度，認為第二主成分主要代表著水資源條件對水資源承載力的影響狀況；第三主成分與城市用水普及率和工業廢水處理量具有較大的正相關，跟第一主成分一樣也代表著水資源及生態環境，人均GDP、城市人口密度與第四主成分具有0.3619和0.7883的相關性，代表著社會經濟發展狀況對水資源承載力的影響，因此說明遼寧省水資源承載力因子分析是必要的。

通過變異系數法［11］計算各評價指標的權重，確定各評價指標對水資源承載力的影響程度。

各指標的權重分別為：（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。

根據各因子得分系數和方差貢獻率計算遼寧省各行政水資源承載力綜合得分，并進行排序，得分越高，說明遼寧省下設行政分區在該年度的水資源承載力越小，反之越大，如表3。

表3 各行政分區水資源承載力綜合得分及排名

3.3 結果分析

從表3的計算結果可知，遼寧省14個行政分區中，大連和沈陽市水資源承載力綜合評價得分最高，這兩個市的水資源可持續利用量在全省最高，說明這兩個城市社會經濟發達，工業的發展占主導地位，國民生產總值在全省其他城市位于前兩位，分別為7650.79億元和7158.57億元；鞍山市和本溪市水資源承載力雖然比大連和沈陽低，但綜合得分為正數，水資源還是比較充裕，還具有更大的承載潛力，阜新市和朝陽市水資源承載能力最低，由于這兩個城市降雨最少，阜新市降雨量為平均降雨量的66.2%，朝陽市的降雨量只有413.4mm，經濟比較落后，水資源開發利用率比較低，導致現狀的承載力較小，其他城市除了撫順和丹東水資源承載力綜合得分為正，表明水資源承載力較大，其余6個城市水資源承載力比阜新和朝陽略大，但綜合得分仍然為負值，說明水資源承載能力比較低。

4 結語

（1）通過對遼寧省14個行政分區的水資源系統、社會經濟系統、生態環境系統評價指標體系的建立，利用因子分析法進行水資源承載力計算和分析，取得在一年內全省不同地區水資源承載力的一個發展趨勢，以期為該區經濟社會和水資源的優化配置提供有效參考。

（2）針對目前的發展趨勢，提出一些提高水資源承載力的切實政策：①完善落實治水政策，推動水利事業健康發展；②加強和規劃前期工作，滿足工程建設的需要；③完善防汛減災體系，有效減輕災害損失；④完善水資源配置體系，確保供水安全。遼寧省水資源承載力是該區域水資源可持續發展的重要組成部分，總體上來看，社會經濟的發展是以水資源為載體，水資源處于健康穩定的發展狀況，在該省的綜合實力提高中具有不可替代的作用，以完成水資源的可持續來支撐經濟的可持續發展。

［1］童紀新，顧希.基于主成分分析的南京市水資源承載力研究［J］.水資源與水工程學報，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］劉丹，王麗萍，等.基于水資源系統健康的區域水資源承載力評價［J］.南水北調與水利科技，2015，13（2）：40-45.

［5］葛強，雷艷嬌.云南省水資源承載力與可持續利用研究［J］.人民珠江，2014（1）：29-31.

［6］張士鋒，孟秀敬.糧食增產背景下松花江區水資源承載力分析［J］.地理科學，2012，32（3）：342-347.

［7］遼寧省統計局.2014年遼寧省統計年鑒［M］.北京：中國統計出版社，2014.

［8］遼寧省水利廳.遼寧省2013年度水資源公報［R］.2014.

［9］劉慧，蔡定建，等.基于因子分析和熵權法的贛江源流域水資源承載力研究［J］.安徽農業科學，2011，39（23）：14264-14267.

［10］惠泱河，蔣曉輝，等.水資源承載力評價指標體系研究［J］.水土保持通報，2001，21（1）：30-34.

［11］李文賓，姚阿曼.瑪納斯河流域水資源承載力模糊評價［J］.地下水，2013，35（2）：80-81.