基于主成分分析的濱湖城市生態水利效益評價研究

顧小涵，朱詩潔，毛勁喬

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

生態水利工程是在滿足防洪、發電、灌溉、航運、供水等方面需求的基礎上，綜合考慮水域生態系統健康和可持續發展的綜合性工程[1]，其規劃設計需滿足水利工程和生態學的原理。國內外標志性生態水利工程有萊茵河綜合治理工程、都江堰水利工程等[2]。鄱陽湖是中國第一大淡水湖，而濱湖城市又是自然陸地、湖泊、城市生態的重要交匯區，因此環鄱陽湖濱湖城市一直都是生態水利工程建設的熱點地區，該類工程建設與運行的成效，對鄱陽湖流域的水生態文明建設起著至關重要的作用。一般認為，生態水利工程有利于促進水生態保護和流域水系連通，有助于改善因城市建設和工業生產引發的水質污染和生態環境問題，但如何評價其對區域水生態系統的影響或改善度，需要進行科學合理的評判。

生態評價方法可分為定性分析法、數學模型法、系統模型法和綜合評價法[3]。中國生態環境影響評價是借鑒國外經驗并結合國內實際情況逐步發展起來的，如吳澤斌[4]采用改進的模糊綜合評價法評價了龍灘水電工程的生態環境影響，陳葉華等[5]采用水動力模型定量評價了岳陽市芭蕉湖-南湖連通工程的水系連通性，姚杰等[6]采用綜合主成分分析法評價了灌區節水改造工程的水利效益，均取得了較好效果。環鄱陽湖城市生態系統是系統性和層次性都很強的復合生態系統，涉及面較廣，選取正確的評價方法尤為重要。

作為典型的環鄱陽湖濱湖城市，共青城市積極響應國家生態文明建設的號召，大力推進生態水利工程建設，主要包括河湖水系連通治理工程、生態修復工程、農業節水工程等，但目前關于共青城市生態水利工程的研究還較少。該問題具有涉及面廣、影響因素眾多、結構關系復雜等特點，因此本文擬采用主成分分析法，以共青城市為評價主體，綜合選取多項評價指標建立評價體系，構建主成分分析模型，綜合衡量其水利工程效益，為環鄱陽湖區域生態水利運行管理提供技術參考。

1 基于主成分分析法的生態水利效益評價方法

1.1 主成分分析法原理

主成分分析法是一種將多維因子納入同一系統進行定量化研究、理論比較完善的多元統計分析方法[7]，在簡化系統結構但保持原有信息的基礎上，將多個指標轉化為幾個綜合指標，實現從高維度空間到低維度空間的轉換[8]，可以有效降低計算量。

1.2 具體步驟

1.2.1評價指標體系建立

本文將濱湖城市生態水利評價指標體系分解為目標層、準則層和指標層[9]，主要從經濟、生態、社會等多方面綜合考慮選取評價指標構成評價指標集。

1.2.2評價指標數據預處理

為消除各指標量綱的影響，在構建主成分分析模型之前需要進行標準化處理，即將量綱歸一化。先用取倒數的方法將負向指標變換成正向指標，之后利用標準差標準化法將原始數據標準化，計算公式見式(1)：

(1)

1.2.3適用性檢驗

相關系數是反映標準化后的數據之間密切程度的統計指標[10]，其絕對值越大，表明變量之間相關性越密切，通過適用性檢驗判斷原始變量之間的相關性，數據結構簡化的可行性，以及是否適合做主成分分析。

1.2.4計算相關系數矩陣R

將數據標準化處理后，由式(3)計算相關系數，構建相關系數矩陣R。

(2)

式中ρij——原變量xi與xj的相關系數，ρij=ρji(i=1，2，3，……，p；j=1，2，3，……，p)。

相關系數的計算公式為：

(3)

1.2.5主成分分析

計算相關系數矩陣R的特征值λi、方差貢獻率Bi和累積貢獻率Mm，方差貢獻率Bi表示各主成分的信息量，計算公式為：

(4)

累積貢獻率Mm反映了前m個主成分的信息綜合能力，計算公式為：

(5)

將每個主成分對應的特征值、方差貢獻率和累計貢獻率匯總成表，作為確定主成分的依據。

1.2.6計算因子載荷矩陣

進一步計算所選主成分的標準化正交旋轉因子載荷矩陣，主成分載荷反映了主成分與原變量之間的相互關聯度，其計算公式為：

(6)

對于主成分因子載荷矩陣，相關系數(絕對值)越大，意味著主成分對該變量的代表性也越大，正值表示與該主成分正相關，負值則表示負相關。其中，主成分Fi的計算公式如下：

(7)

1.2.7綜合得分

加權求和計算綜合得分，權數wi為每個主成分的方差貢獻率即每個主成分對應特征值占提取的主成分的特征值之和的比重[11]，由指數模型計算得到最終的綜合分數：

I=w1×F1+w2×F2

(8)

其中，主成分表示為式(9)：

(9)

式中uki——第i個主成分下第k個指標對應的因子載荷系數；Zxk——第k個評價指標標準化后的值。

2 生態水利效益評價模型構建

2.1 研究區域概況

共青城位于江西省北部，鄱陽湖西岸，具體地理位置見圖1。地勢西北高、東南低，屬長江流域亞熱帶季風氣候，四季分明，溫暖濕潤，年平均溫度16.7℃，年降雨量1 366 mm，年平均相對濕度78.79%。區域內水系屬于鄱陽湖水系，地表水資源量1.11億m3，地下水資源量0.32億m3。區域土壤類型主要為水稻土和紅壤土，地帶性植被主要為常綠闊葉林。截至2019年，共青城土地總面積310 km2，人口總數約22萬，全年生產總值147.45億元，與2018年相比增長8.6%。

圖1 共青城市行政區劃

2010年以來，隨著城市化進程，城市工農業廢水、生活污水排放量顯著增加，河湖連通性下降，珍珠河、南湖、鄱陽河入水口斷面水質已達Ⅴ類水標準。2018年，共青城市生態水利工程正式投入運行，包括水系連通工程、生態修復工程、農業水利工程等，以實現南湖和東湖連通，促進區域實現良性水循環。

2.2 評價指標體系構建

生態水利的效應是綜合性的，反映在經濟、生態、社會等多個方面。為增強區域生態水利效益評價結果的客觀科學性，本文根據評價主體特性，確定適用性、層次性、可操作性、科學性和動態性作為評價指標的選取原則[12-14]，結合目標分析法和理論分析法劃分評價體系，以共青城市生態水利效益評價為目標層，準則層選取經濟、生態環境和社會三方面效益，指標層包括20項具體評價指標，共同構成共青城市生態水利效益評價指標體系(表1)。表中指標屬性涉及“+”“-”2種屬性，指標屬性為“+”，表明指標值越高，對共青城市生態水利效益越有利；指標屬性為“-”，表明指標值越低，對共青城市生態水利效益越有利。

表1 共青城市生態水利效益評價指標體系

2.3 評價等級劃分

根據HJ 192—2015《生態環境狀況評價技術規范》，結合評價區域的實際特征，將生態水利效應影響下的城市生態環境質量和各評價指標由高到低劃分為5個等級，每個等級對應的城市生態環境質量描述如下。①Ⅰ級：城市生態環境優良，各類系統之間協調發展，環境污染控制和城市生態建設頗有成效；②Ⅱ級：城市生態環境良好，各類系統之間協調性較好，污染控制和城市生態建設效果較好；③Ⅲ級：城市生態環境一般，各類系統之間基本能協調發展，城市生態建設程度一般；④Ⅳ級：城市存在明顯的生態環境問題，需要大力加強環境保護和生態建設；⑤Ⅴ級：城市生態環境質量惡劣，不利于人類長期生存和發展。

2.4 數據來源

統計數據來自《共青城市總體規劃(2012—2030)》《共青城2019年政府工作報告》《九江統計年鑒——2019》《共青城市生態市建設規劃(2012—2020)》《共青城市低碳城市試點實施方案》《共青城統計月報》，遙感圖像來源于美國USGS官網發布的2018年10月3日至2018年10月10日、類型為Landsat Level-1的遙感圖像。水質監測數據采集時間范圍為2018年11月至2019年9月，選取溶解氧、pH、高錳酸鹽、氨氮、總磷5個最常見、易于采集數據的地表水水質指標，以便采用水質污染綜合指數[18]進行量化。

2.5 主成分分析法應用

依據相關系數矩陣，相關系數絕對值大于0.3的占總系數的92.0%，表明原始變量大多數之間的相關性很強，數據結構簡化可行，適合做主成分分析。在此基礎上進一步計算相關系數矩陣R的特征值λi、方差貢獻率Bi和累積貢獻率Mm，匯總見表2。

表2 共青城市生態評價指標的特征值和貢獻率

提取特征值大于1或者累積貢獻率大于85%的因子為主成分，表中前兩項的特征值大于1且累計貢獻率為97.521%，大于85%，表明前兩項作為主成分有較高的可信度，可以基本涵蓋全部數據的信息，因此選取前兩項作為共青城市生態環境評價的主成分因子。加權求和計算綜合得分，將各指標等級和實測值的綜合得分匯總見表3，最終得到2019年共青城市生態評價得分為1.253 8，質量等級隸屬Ⅲ級。

表3 綜合得分

2.6 評價結果分析

水利工程建設和運行對河流生態環境的功能和系統都會產生影響[19]，進而影響周邊區域生態系統。對共青城市開展生態水利效益評價，結果表明，在鄱陽湖生態水利工程影響下的共青城市2019年生態水利效益評價得分為1.253 8，整體質量等級歸屬Ⅲ級，各類系統之間基本能協調發展，城市生態建設程度一般，具體反映在各準則層的評價指標上，由圖2可以得到以下結論。

a)經濟效益層面，生態水利工程建設運行增加了投資機遇。人均GDP指標達到Ⅰ級水平，土地開發利用強度指標位于Ⅲ級水平，共青城土地開發利用程度中等；可利用水資源指標偏Ⅴ級，盡管工程優化了水資源配置，增加了區域水資源總量，但是人口增長和圍湖造田等因素還是造成了人均水資源量趨于下降；農業生產指標偏Ⅲ級，表明農業開發程度適中；經濟結構調整指標位于Ⅳ級水平，表明工程建設運行促進了科技和服務業的發展，改善了第三產業占比。

b)生態環境效益層面，隨著共青城生態水利工程的投入運行，共青城努力推進低碳城市試點方案，加大廢水處理力度，取得了成效；水質達標率指標位于Ⅱ級和Ⅲ級之間，區域水質狀況有所改善；共青城市耕地面積占比較高，鄱陽湖農業生態水利工程增加了灌溉水源，適量灌溉有利于加速有機化合物的溶解和吸收，從而減少農藥化肥的使用量；空氣質量指標介于Ⅰ級和Ⅱ級之間，空氣質量狀況良好；土壤質量指標處于Ⅰ級水平，底棲生物物種多樣性指標和濕地分布情況指標都處于Ⅴ級，除了已經建設的濕地保護區之外，其他地區濕地分布較少，濕地保護力度不足；得益于水系連通工程，水系連通程度指標Ⅰ級，區域內水系交錯，地表水資源充足；生態修復工程增加植被覆蓋，植被覆蓋度指標Ⅱ級，區域植被資源充足；區域降水量指標Ⅲ級，在全國范圍內屬于中等水平。

c)社會效益層面，共青城人口密度指標偏Ⅳ級，人口密集度不高，在城市承載力之內；人居環境指標介于Ⅰ級和Ⅱ級之間，表征在生態水利概念的輻射下，共青城政府注重生態建設，加大環境保護力度；區域旅游觀光指標Ⅱ級，生態水利工程有助于營造旅游資源，有利于綠色發展；防洪減災指標偏Ⅳ級，通過建設圩堤除險加固工程，共青城防汛條件大大改善，防洪效益顯著。

a)經濟效益準則層的各項評價指標等級

b)生態環境效益準則層的各項評價指標等級

c)社會效益準則層的各項評價指標等級圖2 評價指標等級

3 結論

針對環鄱陽湖濱湖城市的生態水利工程效益開展評價，構建了包含經濟效益、生態環境效益、社會效益3個方面、20項評價指標的生態水利效益評價體系，利用主成分分析模型開展了定性與定量相結合的評價研究。以共青城為典型案例，進行模型應用與方法研究，結果表明共青城生態環境等級隸屬Ⅲ級，區域經濟發展水平良好，生態城市建設和社會保障制度較為完善。以此為依托，共青城應繼續優化產業結構，改善經濟發展環境，深化綠色發展。本文提出的生態水利效益評價體系及主成分分析模型，能兼顧多指標的綜合效應，適用于濱湖城市的生態水利效益定量評價，為生態水利建設可持續發展提供技術手段。