海水入侵脅迫下的萊州市水資源承載力評價

王 輝，許學工

(北京大學城市與環境學院，地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京 100871)

水資源承載力是指某一地區的水資源在一定歷史階段的社會經濟和科學技術發展水平下，以生態環境健康和社會經濟持續發展為前提，所能承載的農業、工業、城市和人口的最大規模[1,2]，或對該地區社會經濟發展的最大支撐能力[3,4]。水資源承載力具有有限性、動態性、多目標性和不確定性的特征[5]，表示的是一個極限的概念，是有限水資源條件下人類社會增長的閾值界限[6]。水資源承載力的概念是在20世紀80年代由我國新疆水科學軟科學課題組提出的[7]，自提出以來頗受關注，并隨著水資源問題的日益嚴峻而成為國內相關研究領域的熱點問題[5,8,9]。水資源承載力研究是評價水資源安全的基本度量，研究水資源承載力對于認識和建設水資源安全保障體系具有重要的意義[2]。目前，水資源承載力研究的方法主要有背景分析法、常規趨勢法、主成分分析法、人工神經網絡、多目標線性規劃分析法、系統動力學方法、模糊綜合評判法等多種[4,5,9]。各種方法中，主成分分析方法可以有效地找出水資源承載力的影響因素，并且在綜合評價過程中權重的確定是基于數據分析而得到的指標間的內在結構關系，因而避免了主觀上的隨意性，使得評價結果更加準確和科學[10-12]，促進了該方法在水資源承載力評價中的廣泛應用[10-21]。

本研究采用主成分分析方法對萊州市2006-2010年間海水入侵脅迫下水資源承載力的變化情形進行了分析。研究結果可為海水入侵脅迫下萊州市水資源承載力的合理評估提供參考。

1 研究區概況

萊州市位于山東省萊州灣畔，膠東半島西北部，隸屬煙臺市管轄。西接濰坊的昌邑市，南鄰青島的平度市，東面為煙臺的招遠市。海岸線全長108 km，面積1 878 km2，人口大約86萬人。全市主要地形包括低山丘陵、山前崗地、沖洪積平原和濱海平原等，氣候為暖溫帶季風性半濕潤大陸氣候，海岸類型主要有基巖、黃土臺地及砂質海岸等[22]。2013年全年實現國內生產總值642.66億元，比上年增長12%，人均達到7.52萬元。三次產業中，一產、二產、三產產值分別為65.9、349.5和227.3億元，比重為10.2∶54.4∶35.4。第一產業中，漁業是重要支柱產業；第二產業以黃金、建材、鹽化工、食品、輕紡、機械、電子、汽車配件等為主要支柱產業；第三產業則主要涵蓋金融保險、房地產、旅游、信息咨詢等行業。

隨著經濟社會的快速發展，人口規模的擴大，城市化的不斷推進，萊州市用水規模不斷擴大。由于水源主要為濱海平原一帶的地下水，長期以來的過度開采造成了海岸含水層的嚴重超采，地下水位持續下降，水質不斷惡化，海水入侵災害也最終發生。海水入侵是指在自然和人為因素影響下，沿海平原地下淡水水位下降，出現地下水負值漏斗區，地下水淡水頭低于附近海水水頭，海水沿含水層向地下淡水區入侵的現象，一般以地下水中Cl-濃度超過250 mg/L為標志[23]。海水入侵使得海岸含水層的礦化度及Cl-含量上升，地下水水質惡化，可利用地下淡水量減少，危害人民群眾生活及工農業生產的用水安全，造成嚴重的社會經濟及生態環境影響[24-27]。從1979年海水入侵發現以來，萊州市海水入侵災害經歷了初始、發展、惡化、緩解等多個發展階段[23,28]。2010年，萊州市地下水Cl-含量大于250 mg/L的海水入侵區面積仍然達到了228.5 km2，占全市面積的12.17%以上。海水入侵的發生減少了海岸平原的可用地下淡水資源量，使得區域水資源承載能力下降。

2 萊州市水資源承載力的主成分分析與綜合評價

主成分分析法是利用降維的思想把眾多具有一定相關性的指標轉化為少數幾個綜合指標的多元統計分析方法[12,13]。在保證數據信息損失最小的前提下，經線性變換得到幾個相互獨立的綜合變量以取代原始的多維變量，減弱了變量間的相互干擾，避免了變量間的共線性問題。

水資源承載力主成分分析步驟包括：數據標準化、各指標相關系數矩陣計算、特征值和特征向量計算、主成分提取、提取主成分的載荷矩陣解釋以及主成分綜合得分計算等[11-21]。

2.1 指標的選取與標準化

綜合評價指標的選取要求能從不同方面、不同角度客觀地反映區域水資源條件、供需關系、開發利用現狀及生態環境狀況等[10,18]，遵循目的性、整體性、動態性及層次性等原則[29]?？紤]到萊州市水資源系統及其影響因素特別是海水入侵危害的脅迫，參照相關文獻[29-32]中水資源承載力評價指標體系，選取年降雨量(X1)、人均水資源量(X2)、每公頃平均水資源量(X3)、人均GDP(X4)、第三產業比例(X5)、城市化率(X6)、地表水開發利用率(X7)、人均綜合用水量(X8)、萬元GDP用水量(X9)、萬元工業增加值用水量(X10)、自來水普及率(X11)、地下水超采面積(X12)、地下水水質達標率(X13)、海水入侵面積(X14)、城市生活污水處理率(X15)、城市生活污水處理回用率(X16)、萬元GDP的COD產生量(X17)和人均綠地面積(X18)等18個指標為萊州市水資源承載力評價指標。相關數據取自《萊州市水生態系統保護與修復試點工作技術工作報告》，主成分分析工作平臺為SPSS16.0。

原始數據采用Z-Score方法預先進行標準化處理，經Z-Score方法處理后的原始數據取值如表1所示。

表1 萊州市水資源承載力評價各指標標準值Tab.1 The standardized data of water resources carrying capacity in Laizhou

2.2 主成分提取

經過主成分分析，前2個主成分特征值都大于1且累計貢獻率達到93.937%，完全滿足了分析的需要[13,16,19]，因此選取前2個主成分為提取主成分。提取主成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率如表2所示。

表2 萊州市水資源承載力提取主成分的特征值和貢獻率Tab.2 The eigenvalue and variance contribution

經過主成分分析還可以得到主成分載荷矩陣，主成分載荷的大小反映出主成分與有關變量之間相關程度的大小，主成分載荷矩陣如表3所示。

表3 主成分載荷矩陣Tab.3 The principal component load matrix

由表3可知，主成分1與人均GDP(X4)、城市生活污水處理率(X15)、城市化率(X6)、自來水普及率(X11)、年降雨量(X1)有高的正相關；與萬元GDP的COD產生量(X17)、地下水超采面積(X12)、萬元GDP用水量(X9)、萬元工業增加值用水量(X10)、海水入侵面積(X14)有高的負相關。主成分2與人均綜合用水量(X8)有高的負相關。因此，萊州市水資源承載力的影響因素可分以歸納為社會經濟發展水平、水資源數量與利用水平、生態環境狀況以及海水入侵發展程度等方面。

(1)社會經濟發展水平因素。包括人均GDP、城市化率、自來水普及率等。2006-2010年，萊州市經濟規模不斷擴大，人均GDP由2006年的3.27萬元增加到2010年的5.44萬元，增加幅度為66.36%。經濟成長也帶來了社會的進步。例如城市化率不斷提高，由2006年的51%提高到2010年的58%；自來水普及率由2006年的36%提高到2010年的75%。經濟規模的擴大、城鎮人口比例的上升以及自來水供應的逐步普及，使得全社會用水量不斷增加，水資源系統承受的壓力逐步增大，水資源承載潛力逐步下降。

(2)水資源數量與利用水平因素。包括年降雨量、萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量、人均綜合用水量等指標。2006-2010年，萊州市降雨量相對豐富，5 a間平均降水量達603.4 mm，高于多年平均降雨量，使得水資源承載狀況有所好轉。此外，隨著科學技術的進步，萬元GDP用水量以及萬元工業增加值用水量等指標值逐步下降，從而在一定程度上緩解了水資源系統的壓力。人均綜合用水量體現了全社會的水資源利用水平，反映了經濟發展程度、社會進步、節水技術及意識等各方面的綜合影響。當人均用水量小時，水資源承載力狀況就會好轉；當人均用水量大時，水資源承載力狀況就會趨于惡化。

(3)生態環境狀況因素。包括萬元GDP的COD產生量、城市生活污水處理率等。萬元GDP的COD產生量體現了生產過程中清潔生產的水平；城市生活污水處理率則體現了末端治理的水平。這兩項指標都會對生態環境狀況有所影響，從而影響到萊州市整體水資源承載水平的高低。

(4)海水入侵程度因素。包括地下水超采面積、海水入侵面積等指標。表明海水入侵程度會明顯影響到萊州市的水資源承載能力。2006-2010年，萊州市海水入侵危害程度有所緩解，地下水超采面積由850 km2下降到650 km2，海水入侵面積也由261 km2下降到228.5 km2，表明隨著降雨量的增加、地下水超采的嚴格限制，全市海水入侵災害危害程度有所緩解，地下水水質好轉的區域增加，水資源承載能力有所上升。

2.3 萊州市水資源承載力綜合評價

提取的2個主成分是18個指標標準化后的取值與主成分特征向量的乘積[10,12,13,8-20]，因此，提取的2個主成分與各指標間有如下關系式：

Y1=0.246X1+0.237X2+0.236X3+0.255X4+

0.242X5+0.254X6+0.166X7-0.08X8-

0.248X9-0.248X10+0.249X11-0.251X12+

0.241X13-0.246X14+0.254X15-0.242X16-

0.253X17+0.23X18

(1)

Y2=0.176X1+0.241X2+0.247X3-0.082X4+

0.086X5-0.135X6-0.066X7+0.645X8+

0.194X9+0.123X10-0.163X11+0.099X12-

0.255X13+0.213X14+0.095X15-0.254X16-

0.147X17+0.32X18

(2)

式中：Y1、Y2為提取的2個主成分的歷年水資源承載力評價得分；X1～X18為選取評價指標的歷年標準化取值。

將X1～X18歷年標準化值帶入以上2個公式即可得到Y1、Y2的2006-2010年5個年份的最終評價得分值。以提取2個主成分的貢獻率為權重，構造萊州市水資源承載力的綜合評價指數F。以2個主成分的貢獻率與主成分評價得分值相乘然后相加即得到萊州市水資源承載力綜合評價得分[10,12-14,16,20]，如下：

F=0.827Y1+0.112Y2

(3)

式中：F為主成分分析法得到的萊州市水資源承載力歷年綜合得分；Y1、Y2為提取的2個主成分的歷年評價得分。

經過計算，2006-2010年Y1、Y2和F的得分值如表4所示。

表4中，主成分得分以及綜合得分正負并不直接表示大小，而是表示該年所處的水平與平均水平的相對大小程度，正值表示得分值高于平均水平，負值表示得分值低于平均水平，得分值越大表示該年份的水資源承載力越小[10,12,14,16,20,21]。為了直觀看出主成分得分值以及綜合評價得分值的波動，繪制出萊州市研究期間主成分得分以及綜合得分變化趨勢圖，如圖1所示。由表4以及圖1可知，2006-2010年萊州市水資源承載能力是不斷減小的，綜合得分值由2006年的-5.047上升到2010年的3.023，水資源開發潛力持續減小。第1主成分得分在2006-2010年呈現快速上升趨勢，得分值由2006年的-5.927提高到2010年的3.849，體現了社會經濟要素例如人均GDP、城市化率等的影響。第2主成分在2006-2007年首先出現快速上升的態勢，隨后在2007-2010年持續、快速地下降，體現了人均綜合用水量在研究時段內的變化特征：研究時期內，人均綜合用水量由2006年的188 m3上升為2007年的201 m3，隨后呈現持續減少的趨勢。人均綜合用水量的增加使得主成分2得分值上升，表明水資源承載狀況變差；人均綜合用水量減少使得主成分2得分值下降，表明水資源承載狀況好轉。兩個主成分變化的綜合作用使得萊州市水資源承載力綜合得分持續減小，與主成分1變化趨勢近乎一致，體現了主成分1對水資源承載能力的巨大影響。

表4 萊州市水資源承載力綜合評價結果Tab.4 The results of evaluation of water resources carrying capacity in Laizhou

圖1 2006-2010年萊州市水資源承載力主成分得分變化趨勢Fig.1 The trends of level changes of water resources carrying capacity in Laizhou

3 結 語

(1)結果表明，主成分分析是一種很好的降維分析處理工具，可以有效地提取出萊州市水資源承載力的主要影響因素；并能夠客觀賦權以計算出最終的綜合評價值，從而避免了水資源承載力評價過程中的人為主觀性，是一種行之有效的評價方法。

(2)主成分分析表明，萊州市水資源承載力受社會經濟發展水平、水資源數量及利用水平、生態環境狀況以及海水入侵發展程度等多方面因素的影響。其中，海水入侵危害程度方面例如地下水超采面積、海水入侵面積等指標數值，在研究時段內逐步減小，有利于水資源承載能力的提升。主成分綜合得分計算表明，2006-2010年萊州市水資源承載力綜合得分不斷上升，水資源承載力的潛力持續減小，這與社會經濟發展不斷發展導致的用水需求持續上升有關。

(3)應該繼續加大海水入侵治理的力度，使得濱海平原地下水位繼續逐步回升，地下水礦化度和Cl-含量繼續下降，從而最終使得可利用地下淡水水資源量增加，提高萊州市的水資源承載能力。總之，采用適宜的海水入侵治理措施，有效地控制海水入侵的危害程度，是提升萊州市水資源承載能力的必然途徑。

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