基于DPSIR和主成分分析的阜康市水資源承載力評價

王曉瑋+邵景力+崔亞莉+趙輝+郭秀紅+孫倩

摘要：針對新疆自治區阜康市水資源日益短缺及生態環境逐漸惡化的現實情況，根據 DPSIR框架展開水資源承載力因子分析，構建了水資源承載力多因素基礎指標體系；應用主成分分析法篩選出主要指標，采用熵權法進行賦權；構建綜合評價模型對水資源承載力進行計算。研究表明：篩選出的4個主成分累計貢獻率為92.016%，能充分代表多因素基礎指標體系；阜康市九年間（2006年-2014年）水資源承載力綜合評分值在0.498～0.531之間波動，下降速率緩慢且波動幅度減小，整體上處于開發飽和階段。社會和經濟發展的壓力帶來的農業用水的增加是導致水資源承載力下降的主要指標，擴大地下水開采和推行的節水灌溉等壓采措施則在很大程度上緩解了下降的趨勢。

關鍵詞：阜康；水資源承載力；DPSIR；主成分分析；熵權法

中圖分類號：P641.8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0037-06

Abstract：Fukang city in Xinjiang province is faced with increasing scarcity of water resources and worsening ecology.Based on DPSIR，we conducted factor analysis of water resources carrying capacity （WRRC） and built a basic indicator system.Principal component analysis was used to select the main indicators of WRRC and entropy weight analysis was used to determine their weights.A comprehensive evaluation model was built to calculate and evaluate the WRRC of Fukang.The results showed that the selected 4 main indicators can well represent the basic indicator system with an accumulative contribution rate of 92.016%.The WRRC of Fukang fluctuated between 0.498-0.531 during 2006-2014.The rate of decline was slow and the fluctuation range decreased with time.Generally，the utilization has reached saturation.The increased use of agricultural water resulting from social and economic development was a main indicator of the decline in WRRC.But the trend of decline was strongly relieved by the expanding groundwater exploitation and water resources management practices in Fukang.

Key words：Fukang；water resources carrying capacity；DPSIR；main component analysis；entropy method

近年來，水資源的供需矛盾日漸加劇，水資源的可持續利用成為亟待解決的課題，水資源承載力研究也以其基礎性特點成為研究的熱點和重點。在水資源相對短缺的西北內陸河流域的平原地區，水資源的供需矛盾影響到社會經濟和生態環境的各方面，水資源承載力的分析計算和評價被公認為是尋求該區域可持續發展道路的重要依據[1-2]。

國內對水資源承載力的研究成果中[3-5]，雖然尚未統一定義，但是對其內涵認識較為統一，即水資源承載力是一個描述水資源支持人類活動能力閾值的概念。目前的研究通常綜合考慮多因素指標進行定量化綜合評價，常用的量化方法主要有層次分析法[6]、模糊綜合評判法[7-8]、主成分分析法[9-10]、多目標決策分析法[11]、系統動力學法[12-13]、BP人工神經網絡評價[14-15]等。作為可持續發展研究的內容之一，水資源承載力研究需要研究水資源與社會-經濟-生態-資源復合系統之間的關系，目前研究中指標選擇主要著眼于水資源狀態評價，對影響這種狀態的驅動力以及針對驅動力所做出的政策響應研究較少。驅動-壓力-狀態-影響-響應（DPSIR）指標體系可以很好地拓展指標體系的內涵[16-17]，但是目前將其應用到水資源承載力評價中的研究較少[18]，特別是在西北地區研究較少。

阜康市位于新疆自治區天山北麓，其水資源循環賦存條件、開發利用狀況及社會經濟系統與生態系統的相互作用關系在西北內陸河流域具有典型性。由于擴大灌溉面積導致的對水資源的不合理開發利用，引發了諸如河流斷流、地下水位下降、地下水降落漏斗范圍擴張、自然生態環境惡化等一系列嚴重的地質環境問題[19-22]。本文按照DPSIR模型選擇指標體系，綜合采用主成分分析法與熵權法，評價阜康市2006年-2014年水資源承載力，以期揭示水資源承載力在社會經濟發展中的變化及其主要的影響因素。

1 研究方法

1.1 基于DPSIR模型構建多因素指標體系

DPSIR模型是一種基于因果關系組織相關指數的評價模型，其因果關系鏈可以表示為驅動力（Driving force）—壓力（Pressure）—狀態（State）—影響（Impact）—響應（-Response）。該模型不僅能顯示社會發展對環境系統的影響，還涵蓋了環境狀態對人類行為和社會系統的反饋。

將DPSIR模型應用于水資源承載力的分析，因果關系鏈可以表述為：潛在的社會經濟驅動力—對水資源系統的壓力—資源環境狀態—狀態變化帶來的不利影響—人類社會對影響的響應[18]。各因子對水資源承載力基本要素的展現可以表征為具體的評價指標。

（1）驅動力指標：主要包括經濟發展指標和人口指標。

（2）壓力指標：主要是社會經濟發展對水資源的需求，包括了三生（生產、生活、生態）需水量指標和污水排放量等指標。

（3）狀態指標：包括水資源開發利用程度指標和水資源可利用量指標。

（4）影響指標：包括水位指標、水質指標、生態系統變化指標等。

（5）響應指標：包括財政投入指標、生態恢復指標等。

依據上述理念和原則可以構建一個具有循環回路的指標初選框架，根據資料收集的難易程度等進行篩選后，可以得到涉及多個領域的多因素基礎指標體系。

1.2 水資源承載力主成分分析

采用主成分分析法（principal component analysis）對基礎指標體系進行篩選。主成分分析法是一種對高維變量的降維處理技術[23]，是把給定的一組原始多變量線性變換為另一組少數的綜合變量的多元統計方法。主要包括以下步驟：

2 研究區概況

阜康市行政區劃隸屬于新疆維吾爾自治區昌吉回族自治州，東接吉木薩爾縣，西臨烏魯木齊市米東新區，南隔博格達峰與烏魯木齊縣相望，北連阿勒泰地區富蘊縣。行政區面積11 572.8 km2。位于天山北坡，目前經濟主體是農業。

阜康市南高北低，自南向北依次為山區、平原、沙漠地貌，人工綠洲主要分布在洪積扇中下部和沖積平原。阜康市屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，南部山區年降水量540～700 mm，是水資源的形成區；平原區至沙漠區多年平均降水量140～210 mm，多年平均蒸發量1 850 mm，是水資源的散失區。阜康市地表河流流域范圍均在行政區內，主要補給來源為冰川和積雪融水及大氣降水；地下水主要補給來源是地表水入滲和少量降水入滲，由產流區到散失區，地表水和地下水多次轉化。全市市屬水資源總量為2.87億m3，其中地表水來水近10年平均徑流量1.672 4億m3，平原區多年地下水補給量為1.67億m3，地下水可開采量為0.920 6億m3[25]。

阜康市的水資源開發利用規模不斷增加。各河流之間通過引水渠等水利設施基本上納入了一個統一的水網中；全市共有機井總數為1430眼（不含行政區內新疆建設兵團所轄機井），其中農牧灌溉為1075眼。2000年至2009年地下水開采量由0.915億m3增加到1.759億m3[20]。2013年，全市用水總量4.07億m3，其中引地表水1.36億m3，開采地下水2.71億m3[25]。目前農牧業生產用水占總用水量的85.2%[25]，占地下水總開采量的93.32%。山區水庫的修建使地表水在出山口以前被大量截留，進而平原區大量超采地下水，各類地質環境問題和環境問題日益加劇。如根據阜康市14個地下水監測點水位監測資料，2005年-2013年監測點平均水位埋深增加了5 m左右。

3 結果和討論

3.1 水資源承載力評價結果

依據數據收集的難易程度，篩選出16個評價指標建立基礎評價指標體系，評價周期確定為2006年-2014年（表1），對阜康市水資源承載力動態進行綜合評價。

采用SPSS軟件進行因子分析，得到主成分的特征值和貢獻率。篩選4出前個主成分（累積貢獻率92.016%），其解釋原始信息的能力分別為58.122%、16.356%、9.938%和7.600%。對原始指標數據標準化后，結合4個主成分的得分系數值進行計算，即可得到不同年份主成分的得分情況（表2）。

根據式（7）-式（11），計算的主成分得分值，求得4個主成分因子的權重分別為0.271 09、0.313 52、0.263 86和0.151 53，此權重代表了該主成分指標在問題中提供有用信息量的多寡[23]。最終得到2016年-2014年九年間阜康市水資源承載力的綜合評分值（圖1），得分值總體上在0.498 4～0.531 2之間波動，極值出現在2006年和2009年。可以看出，雖然總體上水資源承載力綜合評分值呈減少趨勢，但減速緩慢，且近幾年曲線波動幅度也逐漸減小，這表明阜康市的水資源開發狀況具有明顯的飽和階段的特征。3.2 水資源承載力變化的主要驅動因子

通過分析主成分負荷量，可以得到驅動綜合得分變化的主成分與變量之間的相關性。主成分分析

得到的因子負荷矩陣可以明確顯示這種相關關系（表3）。結果表明：第1主成分在第一、二產業增加值、城鎮和農村居民可支配收入等壓力指標上的載荷較高，均在0.97以上普遍大于0.99，同時在糧食和經濟作物播種面積、農業用水量等驅動力指標上也有較大的載荷，高于0.79，并且在地下水開采量指標上的載荷達到了0.969，，突出表明社會經濟發展的壓力驅動了對水資源的大規模開發利用；第2主成分與引水量、新增節水灌溉面積等指標存在較強的正相關，載荷數分別為0.965和0.749，基本上反映了地區農業活動的情況；第3主成分與當年人工造林面積有較大的正相關，載荷數為0.902，反映了人類對水資源情況變化的正面響應；第4主成分與年總降水量和地下水位降幅等指標呈較強的正相關，載荷數分別為0.912和0.709，反映了自然條件和人類驅動對地下水狀態的改變。在熵權法中，指標的熵值越小，權重越大，提供的信息量越多，4個主成分中，第2個主成分權重最大為0.3135 2，表明在西北地區農業為主的發展模式下，引來地表水量的多寡是重要的影響因素，而不斷增加的節水灌溉面積使用水效率不斷提高，增加了水資源的承載力；同時，第1個主成分的權重也非常高，達到0.2710 9，表明經濟發展對水資源需求的壓力不斷增加，但同時迅速增加的地下水開采供應量，在很大程度上緩解了這種壓力。

總體上可以認為，壓力指標（D）和驅動力指標（P）普遍對承載力的變化起主導作用，不斷增大的經濟發展和社會進步壓力帶來的需水量特別是農業需水量的增加，導致了水資源承載力總體上呈下降趨勢。同時，為了滿足水資源需求而采取的擴大地下水開采措施（S）以及人類主動性的增加節水灌溉面積的活動（R），對水資源承載力起到了提升的作用，減緩了承載力下降的幅度和波動幅度。但是在西北內陸河流域獨特的水文地質條件下，增加地下水的開采量長期來看會導致一系列環境地質問題和生態問題，因此這種模式并是不可持續的。4 結論和建議

（1）采用DPSIR模型建立了新疆自治區阜康市的水資源承載力多因素評價指標體系，包括13個指標；采用主成分分析法對指標進行降維，采用熵權法構建綜合評價模型，對2006年-2014年的水資源承載力進行了評價。研究結果共篩選了4個主成分，累計貢獻率為92.016%；通過熵權法計算求得4個主成分因子的權重分別為0.271 09、0.313 52、0.263 86和0.151 53；最終得到阜康市2006年-2014年水資源承載力綜合評分值在0.498 4～0.531 2之間波動，總體上緩慢下降，波動減小；評價結果表明阜康市的水資源開發利用具有飽和階段特征。

（2）通過分析主成分負荷量可以看出，由于社會和經濟發展的壓力，阜康市不斷擴大的農業種植面積和農灌需水量，是導致水資源承載力持續下降的主要影響指標；為了緩解水資源供需矛盾，不斷擴大地下水開采量，并且大力推廣節水灌溉，這兩個指標表明“開源節流”對水資源系統的變化形成了積極的響應，抵消了一部分社會經濟發展對水資源系統的壓力。但是這種擴大地下水供給的模式是不可持續的。

（3）研究區內地下水和地表水同源且多次轉化，不同的水資源開發利用模式對中下游生態系統和地下水的采補平衡作用也不相同。目前新疆自治區的用水總量控制指標已經分解到了縣一級，應對總量指標進行進一步的細化和合理界定，以生態作為重要的約束條件，將“水-生態-社會經濟”作為一個綜合系統，綜合研究水循環系統演變與社會經濟和生態環境系統的互動關系，結合國民經濟用水情況、歷史現狀、壓采能力等因素，來確定總量控制指標，才能實現水資源承載力的恢復和上升。

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