基于主成分分析法的太原市水資源承載力評價

程芳芳

[摘? ? 要] 水資源是維系人類正常生產生活所必不可少的資源，水資源短缺將會嚴重制約地區經濟、社會的發展。文章以太原市的水資源承載力作為研究對象，選取地區生產總值、固定資產投資額、總人口、城市人口比重、水資源總量、萬元GDP耗水量、生態用水量、有效灌溉面積、廢污水排水量、總供水量、人均用水量、工業用水量、農業用水量、生活用水量等14個指標，運用主成分分析法對太原市水資源承載力進行了分析研究。結果表明：2009-2018年間，太原市水資源承載力整體呈現波動下降的趨勢，影響太原市水資源承載力的主要因子有經濟因子、人口因子、水資源供應因子、用水量因子、水資源利用程度因子。

[關鍵詞] 水資源承載力;主成分分析法：太原市

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2021. 01. 087

[中圖分類號] F205? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2021）01- 0212- 04

0? ? ? 引? ? 言

水資源是維系人類社會正常生產和發展的重要基礎性資源，水資源承載力是經濟可持續發展、社會可持續發展的先決條件之一，只有水資源條件能夠承載一個地區當前的發展規模，經濟社會才能夠實現可持續發展，否則就可能陷入水生態環境破壞，再生能力下降，難以維系經濟社會活動正常運行的惡性循環。水資源承載力表達的是某一地區的水資源，在特定歷史發展階段下，在維護生態環境良性循環的條件下，合理配置資源、經濟、技術等條件，實現水資源對該地區經濟發展的最大承載力，促進該地區可持續發展[1]。是衡量區域可持續發展程度的一個重要指標[2]。

隨著可持續發展、科學發展觀等的深入人心，近年來，對水資源承載力的研究已成為國內外學者的研究熱點。1998年，美國URS公司首次運用模型對佛羅里達Key流域的承載力進行研究，承載力被定義為“在不對自然和人工資源造成破壞的前提下，該地區所能承載的最大發展水平”[3]。進入21世紀之后，國內學者對水資源承載力進行了大量研究，對水資源承載力的概念進行了界定，例如，惠泱河[4]將水資源承載力定義為“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”;段春青[5]等認為水資源承載力是指“在一定經濟社會和科技發展水平條件下，以生態、環境健康發展和社會經濟可持續發展協調為前提的區域水資源系統能夠支撐社會經濟可持續發展的合理規模”。此外，學者們也運用不同的方法對水資源承載力展開研究，主要包括系統動力學法、多目標法、常規趨勢法、模糊綜合評價法、生態足跡方法、主成分分析法等。本文在前人研究基礎上，選用主成分分析法對太原市水資源承載力進行分析評價，提取影響太原市水資源承載力的驅動因子，明確太原市水資源承載力動態變化特征，以期為太原市水資源的合理配置和區域經濟的協調發展提供決策參考。

1? ? ? 研究方法及數據來源

1.1? ?研究方法

本文運用主成分分析法對太原市水資源承載力進行分析評價。主成分分析法是一種數據處理方法，利用降維的思想，把多個具有相關性的指標轉化為少數幾個無相關性的綜合指標（即主成分），其中每個主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復。這種方法在引進多方面變量的同時將復雜因素歸結為幾個主成分，使問題簡單化，同時使得到的結果具備更加科學有效的數據信息。通常，當提取出的n個主成分的方差累積貢獻率達到85%時，就能夠認為這n個主成分可以代表原始數據的大部分信息[6]。

本研究的具體步驟為：（1）獲得初始數據，并初始數據標準化，以排除量綱的影響;（2）計算標準化后的各指標因子相關矩陣;（3）計算特征值和累積貢獻率，并確定主成分;（4）計算主成分的方差貢獻率;（5）以各主成分的方差貢獻率為權重，綜合評價對水資源承載力的影響[7-8]。本文的主成分分析借助SPSS23.0軟件進行。

1.2? ?研究區域概況與數據來源

太原，是山西省的省會和全省的政治、經濟、文化、教育、科技和交通中心，位于山西省境中央，太原盆地的北端，于華北地區黃河流域中部，黃河的第二大支流——汾河，自北向南橫貫太原市全境。太原市地處山西高原中部，中緯度大陸性季風半干旱氣候區域，水文地質條件極其復雜，地下水主要靠大氣降水和河流入滲補給，大氣降水是太原水資源的主要補給源，而水資源的天然補給量正在不斷減少。

山西省是全國重要的能源重化工基地，也是我國嚴重缺水的省份之一。作為山西省省會的太原市，水資源現狀也同樣令人擔憂。人均水資源量在500-1 000m3為重度缺水，據2018年《山西省水資源公報》顯示，太原市水資源總量僅為6.02億m3，人均水資源量為177 m3，不足全國人均量的9%，處于聯合國確定的極度缺水狀態。由于水資源的嚴重短缺，太原市每年靠超過0.7億m3地下水來支撐經濟社會發展與居民生活用水。多年來，由于地下水嚴重超采，導致區域內地下水位持續大幅度下降，含水層被持續疏干，大批中淺井報廢，取水井深不斷下移，再加上采煤漏水得不到有效遏制，太原市地下水資源岌岌可危。地表水受到污染，則進一步加劇了太原市水資源的短缺，使得水資源的供求矛盾更加尖銳。與山西省其他地市相比，太原市水資源總量亦處于較低水平，水資源短缺已成為制約太原市社會經濟發展的“瓶頸”。當前，隨著經濟發展、人口不斷增長，太原市對水資源的需求與日俱增，水資源供需矛盾愈演愈烈，對實現可持續發展已然構成一個嚴重威脅。因此，研究太原市水資源承載力具有重要現實意義，可以為太原市水資源的合理配置和區域經濟的協調發展提供有益理論參考。

本文原始數據來自《太原統計年鑒》（2010-2019）、《山西省水資源公報》（2009-2018），以及中華人民共和國水利部官網，并經過整理計算獲得。

2? ? ? 太原市水資源承載力評價

2.1? ?指標的選取

分析評價太原市水資源承載力，首要前提是選擇合適的評價指標，參照前人研究[9]以及全國水資源承載力分析中的指標體系及標準，在科學性原則基礎上，本文選取了14個評價指標對太原市2009-2018年的水資源承載力進行綜合分析評價。其中，X1表示地區生產總值（億元）、X2表示固定資產投資額（億元）、X3表示總人口（萬人）、X4表示城市人口比重（%）、X5表示水資源總量（108 m3）、X6表示萬元GDP耗水量（m3/萬元）、X7表示生態用水量（108 m3）、X8表示有效灌溉面積（103 hm2）、X9表示廢污水排水量（萬噸）、X10表示總供水量（108 m3）、X11表示人均用水量（m3）、X12表示工業用水量（108 m3）、X13表示農業用水量（108 m3）、X14表示生活用水量（108 m3）。

2.2? ?結果分析

由《太原統計年鑒》《山西省水資源公報》等整理得到反映太原市水資源承載力的14個評價指標的初始值，利用SPSS 23.0進行主成分分析，得到水資源承載力影響因子的相關性矩陣如表1，主成分特征值及貢獻率如表2。由表1可知，所選取的14個指標因子之間具有顯著的相關關系。分析可知（表2），前四個主成分的特征值均大于1，第一主成分F1的貢獻率為48.539%，第二主成分F2的貢獻率為15.641%，第三主成分F3的貢獻率為13.901%，第四主成分F4的貢獻率為11.016%，該四個主成分累積貢獻率為89.097%，超過85%，可提取為主成分。這四個主成分能夠較好地替代原先變量，較全面地反映影響太原市水資源承載力的因子，可以在此基礎上分析太原市水資源承載力變化趨勢。

主成分載荷代表的是主成分與變量之間的相關系數。結合表3信息，第一主成分F1與X1（地區生產總值）、X3（總人口）、X4（城市人口比重）、X12（工業用水量）存在較強的正相關，與X6（萬元GDP耗水量）和X13（農業用水量）存在較強的負相關。由此可見，經濟因素與人口因素是影響太原市水資源承載力的重要因子，經濟的不斷發展、人口的逐漸增長，尤其是城市人口的增加，會使太原市對水資源的需求量不斷提高，水資源承載力所面臨的壓力也將隨著加劇。同時，科技水平進步帶來的集約化經濟、節水農業等，能夠有效降低萬元GDP耗水量，減少農業用水量，提高水資源利用效率，這將在一定程度上減緩太原市水資源壓力。

第二主成分F2與X5（水資源總量）、X10（總供水量）存在較強的正相關，說明水資源供應因子是影響太原市水資源承載力的一個主要因子。根據《山西省水資源公報》數據顯示，2009-2018年間，太原市總供水量基本保持穩定，而水資源總量有小幅增加，這與年降水量、地表徑流量、地下水資源量等的小幅增加有密切聯系。

第三主成分F3與X11（人均用水量）、X14（生活用水量）存在明顯正相關，表明用水量也是太原市水資源承載力的一個重要影響因子。2009-2018年間，太原市生活用水量是除工業用水外的另一用水大戶，對水資源需求的增加，會對水資源承載力帶來壓力。

第四主成分F4與X8（有效灌溉面積）、X9（廢污水排水量）存在明顯正相關，可以看出，對水資源的有效利用程度是影響太原市水資源承載力的又一重要因子。數據顯示，太原市農田灌溉畝均用水量常年處于全省較高水平，農業灌溉用水效率有很大提升空間。另一方面，作為省會城市、全省經濟中心，居民生活和工業生產帶來的廢污水排放量與日俱增，除造成嚴重的水體污染外，也給全市水資源承載力帶來很大壓力。

結合以上分析可以得出，影響太原市水資源承載力的主要因子有經濟與人口因子、水資源供應因子、用水量因子、水資源利用程度因子，基本涵蓋了影響水資源承載力的各個因子。

通過計算四個主成分F1、F2、F3、F4的得分，并根據其對應的貢獻率，計算出綜合得分F（表4）。綜合得分F值越大，說明水資源承載力越小，開發利用潛力越小;反之水資源承載力越大，開發利用潛力越大[9-10]。由表4中排名可以發現，2009-2018年間，太原市的水資源承載力整體呈現波動下降的趨勢。其中。2009-2012年，水資源承載力呈明顯下降趨勢，且2011年下降幅度最大，2012年達到了水資源承載力最低值;2013年、2014年出現短暫上升;2015-2018年，整體又出現下降態勢。

3? ? ? 結? ? 語

本文運用主成分分析法對太原市水資源承載力進行了綜合分析評價，通過分析發現：（1）影響太原市水資源承載力的主要因子有經濟與人口因子、水資源供應因子、用水量因子、水資源利用程度因子。（2）2009-2018年間，太原市水資源承載力整體呈現波動下降的趨勢。2009年綜合得分最低，為-2.654，即水資源承載力最大;2012年綜合得分最高，達1.713，即水資源承載力最小。

主要參考文獻

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