基于主成分分析的廣東省水資源承載力研究

徐芬芬

（廣東省環境保護產業協會，廣州 510045）

引言

隨著經濟社會的發展，資源和生態環境問題日益突出，水資源短缺已成為經濟社會可持續發展的重要制約因素，因此，正確地評價區域水資源狀況，對促進經濟社會的可持續發展具有重要意義。水資源承載力是承載力概念與水資源領域的自然結合。水資源承載力是指“某一地區的水資源在某一具體歷史發展階段下，以可以預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以維護生態環境良性循環為條件，經過優化配置，對該地區社會經濟發展的最大支撐能力”[1]。近年來，不少學者對水資源承載力進行了研究，研究的方法主要有常規趨勢法、模糊綜合評價法、主成分分析法、系統動力學方法、多目標決策分析法等[2、3]。影響水資源承載力的因素有很多，而主成分分析法采取降維的方式，可以將很多指標轉化為少數幾個綜合指標（即主成分），且每個主成分都能夠涵蓋原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復。曹麗娟等學者分別用主成分分析法對甘肅省[1]、浙江省[4]、安徽省[5]、河北省[6]、江西省[7]、陜西省[8]、湖南省[9]、遼寧省[10]、長江經濟帶[11]、漢江生態經濟帶[12]、遼河干流[13]等地區和流域的水資源承載力進行了研究，主要著眼于對水資源狀態進行評價，而對影響水資源現有狀態的驅動力及針對驅動力所做出的響應研究較少。本文將在原有的研究基礎上，運用驅動力（Driving force）-壓力（Pressure）-狀態（State）-影響（Impact）-響應（Response）模型構建多因素指標體系，利用主成分分析法對廣東省水資源承載力進行評價，旨在為廣東省的水資源規劃及合理利用提供科學依據。

1 區域概況及研究方法

1.1 區域概況

廣東省地處珠江流域下游，陸地國土面積為17.96萬平方公里，約占全國陸地面積的1.85%；2016年廣東省常住人口達10,999萬人[14]，占全國總人口的7.95%，是國內人多地少的省份之一。廣東省的水資源相當豐富，據2016年《中國水資源公報》顯示，全省年平均降水量達2357.6mm，僅次于福建省，位居全國第二；地表水資源量為2448.5億m3，占全國地表水資源總量的7.8%；地下水資源量為570.0億m3，占全國地表水資源總量的6.4%；水資源總量為2458.6億m3，占全國地表水資源總量的7.6%。廣東省主要河系為珠江的西江、東江、北江和三角洲水系以及韓江水系，其次為粵東的榕江、練江、螺河和黃崗河以及粵西的漠陽江、鑒江、九洲江和南渡河等獨流入海河流。珠江通航能力僅次于長江，居中國江河水系的第二位，長度及流域面積均居中國第四位。

1.2 研究方法

本文采用主成分分析法對廣東省的水資源承載力進行評價，主要步驟為：1）在收集數據資料的基礎上，結合當地實際情況，選取合適的分析指標，確定分析變量；2）為消除不同變量量綱不同帶來的影響，對原始數據進行標準化處理；3）計算出標準化后數據的相關系數矩陣、特征值和特征向量，并按照特征值的大小進行排序；4）根據各特征值的大小及累積貢獻率確定主成分個數，一般根據特征值大于1或累積貢獻率大于85%的原則確定；5）以各主成分的信息貢獻率為權數，對歷年水資源承載力進行綜合評價。

1.3 數據來源

本文所涉及數據主要來源于2006～2015年《廣東國民經濟和社會發展統計公報》《廣東省環境統計公報》《廣東省環境狀況公報》和《廣東省水資源公報》。

2 廣東省水資源承載力評價

2.1 指標的選取

水資源系統是一個龐大的系統，影響水資源承載力的因素有很多，且各要素之間相互聯系、相互作用。DPSIR模型構建的指標體系可以很好地拓展指標體系的內涵，但是目前將其應用到水資源承載力評價中的研究較少。本文在原有研究基礎上將DPSIR模型用于水資源承載力評價指標體系的構建，綜合考慮經濟、社會、生態、環境等因素對水資源系統的影響，涵蓋了水資源狀態、驅動力、壓力、影響及響應等多項指標，能更完整地反映各要素之間的關系，突出自然環境、資源與社會之間的關聯，為決策者提供科學的管理依據。

基于DPSIR模型，遵循指標代表性、獨立性、系統性、可量化等原則，并考慮指標的可獲得性，選取23個指標構建了廣東省水資源承載力綜合評價指標體系，詳見表1。

表1 廣東省水資源綜合承載力綜合評價指標體系

2.2 結果與分析

為消除各指標量綱的影響，利用SPSS軟件對原始數據進行標準化處理再進行相關分析，原始數據經處理后，得到的指標體系標準化數據見表2。

本研究共有23個指標，故得到的特征值及特征向量共有23個，按照特征值大于1及累計貢獻率＞85%的原則提取主成分，最終確定提取的主成分個數為2個，提取的2個主成分對應的特征值及貢獻率見表3。由表3可以看出，提取的2個主成分的累積貢獻率達90.023%，已超過85%，因此，提取的2個主成分基本可以代表全部指標對廣東省水資源承載力的影響。

各特征值對應的特征向量見表4。

因子載荷矩陣是主成分與各因子之間相關系數的矩陣，通過最大方差的正交旋轉法對因子進行旋轉得到的矩陣，使因子和原始變量之間的關系進行重新分配，因子載荷矩陣的系數更加顯著，從而更容易對各主成分進行解釋[11]。經過25次迭代旋轉后得到的各主成分荷載矩陣如表5所示。

從表5中可看出，第1主成分與水資源驅動力指標、壓力指標、影響指標、響應指標呈顯著的相關性，反映了人口、經濟、社會及管理對水資源承載力的影響。其中，X1、X3、X4、X5、X6、X11、X13、X14、X15、X20、X21、X22、X23等指標與第1主成分呈顯著的正相關關系，且城鎮居民人均可支配收入及城市污水日處理能力兩項指標的貢獻率均達99%以上，表明人民生活水平的提高及污水處理設施的建設在一定程度上能緩解水資源的壓力；X2、X7、X8、X9、X10、X11、X12等指標與第1主成分呈顯著的負相關關系，且人均綜合用水量、萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量等3個指標的貢獻率達98%以上，表明由于人口和經濟增長帶來的水資源消耗是影響水資源承載力的重要因素。

表2 2007～2016年廣東省水資源承載力指標體系標準化矩陣

第2主成分與水資源狀態指標X16、X17、X18、X19呈顯著的相關性，其中水資源總量、地表水資源量和地下水資源量等指標與第2主成分呈顯著正相關關系，表明我省的水資源含量充足，對于緩解水資源供需矛盾，提高水資源承載力起到重要作用；水資源開發利用率與第2主成分呈顯著負相關關系，表明水資源開發利用率越低，水資源待開發利用潛力越大，能支持的經濟社會發展水平越高。

根據特征向量及標準化后的數據，可得到2006～2015年2個主成分的得分F1和F2 ，然后根據各主成分對應特征值的方差貢獻率計算出水資源承載力的綜合得分F，結果見表6。

表3 提取的主成分特征值及貢獻率

表4 特征值及特征向量

表5 旋轉后各主成分荷載矩陣

表6 各主成分得分及綜合得分情況表

從表5可以看出，主成分得分及綜合得分均有正有負，但得分正、負并不代表水資源承載力的實際水平，而是表示其所在年份水資源承載力所處的相對位置，得分為正表明水資源承載力水平高于評價時間段平均水平，得分為負表明水資源承載力水平低于評價時間段平均水平。綜合得分越高，表明水資源承載力越大；綜合得分越低，表明水資源承載力越小[15]。

從下圖可以看出，第1主成分得分在評價時間段內呈逐年上升趨勢，這是因為對第1主成分荷載較大的指標在評價時間段內呈有序上升或下降趨勢。2006～2015年十年間，廣東省年末常住人口增加了1500萬人；GDP由25,968億元增長至72,812億元，增長了1.8倍；固定資產投資由8116億元增長至30,031億元，增長了2.7倍；城鎮居民人均可支配收入及農村居民人均純收入分別增加1.2倍和1.6倍。而隨著廣東省人口的增加、經濟的持續發展和人民生活水平的提高，對水資源的需求量和排放量也會不斷增加，給水資源承載力造成的負擔會不斷加大；另一方面，隨著科技的進步，單位用水指標以及工業廢水排放量均呈逐年下降的趨勢，其中，萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量減少70%，工業廢水排放量減少了30%，人均綜合用水量、城鎮居民人均生活用水量減少20%，同時，水利、環境和公共設施管理投資由643億元增長至1443億元，增加了2.8倍，城市污水處理能力由724萬噸增加至2353萬噸，提高了2.2倍，森林覆蓋率及水質優良率保持平穩并有上升的態勢，這些都在一定程度上緩解了人口增加和經濟社會化進步帶給水資源承載力的壓力。

2006～2015年廣東省水資源承載力主成分得分及綜合得分折線圖

而第2主成分呈波動狀態，這主要是由于對第2主成分荷載較大的指標（水資源總量、地表水資源量、地下水資源量、水資源開發利用率等）在評價時間段內呈波動狀態。廣東省屬于東亞季風區，地處低緯度帶，面臨廣闊的海洋，受地形及季風氣候的影響，降水充沛，年平均降水量在1300～2500毫米之間，但降水年內及年際分布不均勻，年際變化較大，多雨年降水量為少雨年的2倍以上，從而導致廣東省的水資源條件的不穩定性，進而對水資源承載力造成影響。

綜合得分與第1主成分得分趨勢保持一致，在評價時間段內呈逐年上升的趨勢，這是因為第1主成分的貢獻率達72.476%，而呈波動狀態的第2主成分的貢獻率僅為14.547%，對綜合得分沒有起到太大影響。在2006～2015年十年間，廣東省水資源承載力呈逐年上升的趨勢，其主要原因有：1）在經濟和社會發展過程中，隨著人們環保意識的不斷提高，對水利環境等公共管理設施的投入越來越大，污水處理能力不斷增強，緩解了污廢水排放帶來的水資源壓力；2）同時隨著科技的快速發展，各領域對水資源的消耗水平逐年減少，工業廢水排放量也呈下降的趨勢，在一定程度上緩解了水資源的供需矛盾；3）隨著人們節能減排意識的增強，化學需氧量排放總量、氨氮排放總量等指標增速逐漸趨于平緩，且從2012年開始呈逐年下降趨勢，這些都能緩解一部分水資源的壓力，提高水資源承載力。

3 結論

（1）通過主成分分析法，提出的2個主成分的累積貢獻率達90.023%，能較好地反映全部指標對廣東省水資源承載力的影響。

（2）主成分分析法提取的第1主成分與水資源驅動力指標、壓力指標、影響指標、響應指標呈顯著的相關性，反映了人口、經濟、社會及管理對水資源承載力的影響。第2主成分與水資源狀態指標反映了水資源的自然稟賦條件對水資源承載力的影響。

（3）各主成分得分及水資源承載力的綜合得分表明，2006～2015年十年間，廣東省水資源承載力呈逐年上升的趨勢。表明經濟的發展、社會的進步、科技水平的提高、人們節能減排意識的提高都能從一定程度上緩解水資源供需矛盾，減少水資源的壓力，提高水資源承載力。

（4）影響廣東省水資源承載力的因子眾多，政府部門在制定緩解水資源壓力、提高水資源承載力的對策時，可從推廣節水器具、提升用水水平、提高污水處理效率、減少污廢水排放、加強節能減排宣傳、提高人民節能減排意識等方面綜合考慮。