基于主成分分析法的河南省水資源綜合利用評(píng)價(jià)及對(duì)策

□鄭二偉 郭蓉蓉 馮娟娟

（1河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司；2河南省商丘市水利工程管理處；3河南省白龜山水庫(kù)管理局）

0 引言

水資源具有時(shí)空分布的不均衡性、年際間變化的復(fù)雜性、開發(fā)利用的廣泛性等特點(diǎn)，水資源屬可再生資源，在自身的循環(huán)過程中可以不斷恢復(fù)和更新。水資源的開發(fā)利用程度常用水資源承載能力或可持續(xù)發(fā)展能力表示，以評(píng)價(jià)水資源自身支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模和維系良好生態(tài)系統(tǒng)的能力。河南省人均水資源量?jī)H有414 m3，不足全國(guó)平均水平的1/5，水源性缺水和水質(zhì)性缺水依然存在。隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)，河南省通過加強(qiáng)水資源管理、節(jié)水優(yōu)先和生態(tài)修復(fù)等措施，水資源可持續(xù)利用取得了初步成效。文章選取了河南省水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用主成分分析法對(duì)水資源可持續(xù)利用水平進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，為科學(xué)制定河南省水資源可持續(xù)利用對(duì)策提供參考。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建，必須遵循科學(xué)性、獨(dú)立性、可量性、可持續(xù)發(fā)展、動(dòng)態(tài)性等原則，其指標(biāo)體系完備性是正確評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)利用水平的前提。基于評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇及指標(biāo)體系的構(gòu)建原則，構(gòu)建水資源、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等可持續(xù)利用分析的3個(gè)準(zhǔn)則層31個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，詳見表1。

1.2 主成分分析法

主成分分析法是在保證原始評(píng)價(jià)指標(biāo)信息丟失最少的前提下，取累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上的新變量作為主成分，將原始評(píng)價(jià)指標(biāo)抽取為幾個(gè)更集中、更典型、具有代表意義的新變量。

表1 河南省水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表

2 水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)

根據(jù)《河南省水利統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南省水資源公報(bào)》《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》等資料，選取河南省2007-2017 年水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)水資源子系統(tǒng)10 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果見表2。

水資源子系統(tǒng)前兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到89%＞85%，說明取前兩個(gè)主成分變量就能提取到原10 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的大部分信息，已能充分反映出水資源子系統(tǒng)的基本特征，取前兩個(gè)特征值，計(jì)算得旋轉(zhuǎn)后的載荷矩陣如表3。旋轉(zhuǎn)后的因子載荷第1主成分在產(chǎn)水模數(shù)和地表水資源量上的載荷最大，可以解釋為地表水資源量主成分；第2主成分在入境水量和出境水量上的載荷最大，可以解釋為水資源開發(fā)利用程度主成分。

表2 水資源子系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果表

表3 載荷矩陣

令W1、W2分別代表第1、2主成分，它們可以表示為以下線性組合：

將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)代入上式，得水資源子系統(tǒng)的兩個(gè)主成分得分，作歸一化處理乘所占權(quán)重，可得水資源子系統(tǒng)2007-2017年的發(fā)展水平，結(jié)果見表4。

3 綜合分析

根據(jù)王吉利等學(xué)者對(duì)水資源可持續(xù)利用的研究成果，河南省水資源發(fā)展水平總體呈上升趨勢(shì)，水資源子系統(tǒng)發(fā)展水平變化較大，河南地跨長(zhǎng)江、淮河、黃河和海河四個(gè)流域，降雨和水資源量時(shí)空分布不均，年降水總量最大相差31.50%，導(dǎo)致地表徑流、地下徑流、出入境流量等指標(biāo)變化較大；同時(shí)受高強(qiáng)度人類活動(dòng)的影響，降水產(chǎn)流過程發(fā)生了很大變化，同樣的降水產(chǎn)生的徑流偏小很多；2013年水資源可持續(xù)利用綜合得分較低，主要原因是2013 年降雨量比多年平均降雨量減少了近25%，人均水資源量比多年平均人均水資源量減少了約45%，大中型水庫(kù)蓄水量較近10 a 蓄水量均值減少了約25%。各系統(tǒng)相對(duì)發(fā)展水平見圖1。

表4 水資源子系統(tǒng)發(fā)展水平

圖1 各系統(tǒng)相對(duì)發(fā)展水平圖

表5 河南省水資源可持續(xù)發(fā)展程度表

4 水資源可持續(xù)利用對(duì)策研究

4.1 強(qiáng)化水資源管理、堅(jiān)持節(jié)水優(yōu)先

強(qiáng)化水資源剛性約束，全面實(shí)施水資源消耗總量和強(qiáng)度“雙控”行動(dòng)；堅(jiān)持節(jié)水優(yōu)先、落實(shí)以水定需，推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)達(dá)標(biāo)建設(shè)；在生態(tài)脆弱敏感區(qū)、地下水超采和漏斗區(qū)、干旱及嚴(yán)重缺水區(qū)，在嚴(yán)控高耗水、高污染項(xiàng)目的同時(shí)，加快推進(jìn)水效對(duì)標(biāo)、達(dá)標(biāo)改造工作，切實(shí)提高廢水循環(huán)利用率，積極推進(jìn)廢水減量化和雨洪資源化；明確地下水禁采區(qū)和限采區(qū)范圍，積極實(shí)施水源置換、嚴(yán)控新增取用地下水。

4.2 加強(qiáng)水環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)

切實(shí)推進(jìn)“河湖長(zhǎng)制”工作和“四水同治”的實(shí)施，加大城鄉(xiāng)水環(huán)境治理力度和水生態(tài)修復(fù)，加強(qiáng)水環(huán)境治理，持續(xù)推進(jìn)入河排污口整治、優(yōu)化工程布局；完善江河湖庫(kù)水資源聯(lián)合調(diào)度，保障生態(tài)流量；切實(shí)推進(jìn)南水北調(diào)中線及調(diào)蓄工程、黃河、淮河等沿岸生態(tài)廊道建設(shè)，強(qiáng)化環(huán)境準(zhǔn)入和淘汰制度。

4.3 加大引黃力度、充分發(fā)揮南水北調(diào)中線工程效益

加快推進(jìn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置，合理擴(kuò)大南水北調(diào)中線和沿黃受水區(qū)范圍，著力提高供水保障能力，加大生態(tài)補(bǔ)水力度。結(jié)合受水區(qū)水資源承載力和受水指標(biāo)分配，科學(xué)配置生活生產(chǎn)生態(tài)用水。充分利用工程沿線已有水利工程，合理新建配套調(diào)蓄及水系連通工程，實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)水、引黃水與當(dāng)?shù)厮膬?yōu)化配置，有效改善受水區(qū)沿線河流和城市的生態(tài)環(huán)境。

4.4 嚴(yán)格地下水監(jiān)管、加快推進(jìn)水源置換

全力推進(jìn)嚴(yán)格地下水監(jiān)管，加快推進(jìn)引調(diào)水工程受水區(qū)地下水井封停，壓減地下水開采總量，加快水源置換工程建設(shè)。2018年消減南水北調(diào)受水區(qū)地下水開采量6 600萬m3，至2018年底累計(jì)壓采地下水4.73 億m3，從全省平原區(qū)淺層地下水位與上年同期相比平均變化幅度來看，自2014 年地下水位在逐年回升，年平均相對(duì)回升0.10 m。

4.5 科學(xué)調(diào)配水資源、推進(jìn)智慧水利建設(shè)

加快制定水利工程運(yùn)行調(diào)度方案和應(yīng)急水量調(diào)度預(yù)案，切實(shí)推進(jìn)南水北調(diào)中線干線調(diào)蓄工程和引江濟(jì)淮工程建設(shè)建設(shè)，進(jìn)一步提高雨污水、礦坑水等源化利用水平，科學(xué)調(diào)配水資源；構(gòu)建水工程、水生態(tài)、水環(huán)境、河湖岸線等涉水要素的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，加快推進(jìn)智慧水利建設(shè)。

5 結(jié)語

河南省水資源基礎(chǔ)條件差，加之經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，河道外用水量持續(xù)增加；地下水超采治理和海綿城市的建設(shè)是一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)期的過程。通過持續(xù)強(qiáng)化水資源管理、堅(jiān)持節(jié)水優(yōu)先，加強(qiáng)水環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)，充分發(fā)揮南水北調(diào)中線工程效益、加大引黃力度，嚴(yán)格地下水監(jiān)管、加快推進(jìn)水源置換，科學(xué)調(diào)配水資源、推進(jìn)智慧水利建設(shè)，逐步提升實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用綜合水平。文章采用主成分分析法評(píng)價(jià)河南省2007-2017 年水資源可持續(xù)利用程度，其結(jié)果基本與近10 a 的水資源綜合利用情況一致，河南省水資源可持續(xù)利用發(fā)展水平基本呈上升趨勢(shì)。