基于主成分分析的旱區水資源承載力評價

任曉燕，紀永福，張恒嘉，殷 強，梁 超，王 永

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 民勤 733300)

1 概述

水資源在地區乃至國家可持續發展中具有至關重要的作用，它不僅是一項戰略性資源，更是人類生存環境和社會經濟發展的主要調控因素。近年來，隨著全球經濟快速發展，我國水污染、浪費、過度開發等問題日益嚴重，水資源供求矛盾逐年激化，已嚴重危及到社會發展和人民生活。因此，水資源承載力研究對實現人水和諧，突破水資源限制社會發展的瓶頸具有現實意義[1]。

“承載力”一詞源于力學[1]，是描述地基強度對建筑物重量的承受能力，具有可量化性；后來Park和Burgess最先提出生態承載力概念，具體是指在保證生態環境良好發展和合理開發利用資源前提下，某區域在一定時間某個特定生態系統能承載的人口、經濟和社會總量的能力[2]。20世紀90年代，美國著名經濟學家Kenneth Arrow聯合生態學專家在Science上共同發表了“經濟增長、承載力和環境”一文[3]，由此承載力相關研究備受學術界的關注。此后，隨著該領域研究的不斷深入，城市承載力、經濟承載力、耕地承載力、水生態承載力等概念被相繼提出，且各領域都有特定的定義和表達方式。

國外對于水資源承載力的研究較少，最早是美國URS公司[4]將其概念定義為“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”。Falkenmark[5]通過簡單的計算求得了一些國家使用水資源的限度，為后續水資源承載力研究提供了有力支撐。我國關于水資源承載力的概念和理論的首次研究是在西部干旱區生產用水激增、生態用水被無序侵占和環境惡化等背景下，由新疆水資源軟科學課題組[6]提出的，為國內相關研究提供了理論基礎。

目前，國內關于水資源承載力研究多從水資源系統和現實層面出發，以社會經濟等作為承載指標進行研究[7]。許有鵬[8]以新疆和田河為例，采用模糊綜合評價模型計算得出，該研究區水資源開發利用潛力較小，已接近開發容量。曹麗娟等[9]運用主成分分析法和系統聚類法準確評價了甘肅省各地市水資源承載力，認為其地區差異顯著且呈下降趨勢。左其亭[10]通過TOPSIS模型評價了黃河流域九省水資源承載力，表明甘肅省水資源承載力長期處于超載狀態。許楊[11]構建DPSIR-改進TOPSIS模型，研究了淮安市水資源承載力，提出該模型較適用于該地區，為淮安市水資源深入研究提供了新思路。由此看出，水資源承載力的研究思路越來越具有獨特性，評價方法也更加多樣化。

武威市是河西走廊的重要節點，其社會經濟發展對于西部大開發成果和區域可持續發展具有重要意義。近年來，研究區各生產系統和人口變化對水資源的需求明顯增加，水資源的質、量等問題日益突出，運用合理的方法評價武威市水資源承載力對該地區水資源合理高效利用和社會經濟可持續發展意義重大。本文對內陸干旱區武威市水資源承載力常年變化進行分析和綜合評價，以期能為武威市生態環境的改善和社會經濟的穩步發展提供參考依據。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

武威市處于中國西北干旱區，地處甘肅省中部，下轄三縣一區，地形呈西高東低，有山區、平原和荒漠3種地貌單元。區域面積共33238km2，境內海拔在1020～4874m之間，降水量113～410mm，蒸發量1548～2645mm，常年日照時數在2200～3030h，無霜期85～165d，屬于典型溫帶大陸性干旱氣候。據統計，2020年末城鎮化率為47.01%，低于全國城鎮化率63.89%，地區GDP為526.41億元，一直保持穩步向前發展。武威市地表水資源主要來源于石羊河流域，人均水資源占有量不足600m3，遠遠低于人均1000m3的國際水資源緊缺標準，是極度缺水區之一[12]。

2.2 研究方法

2.2.1研究方法

目前水資源承載力的研究方法很多，干旱區常用的有常規趨勢法、模糊評價法、主成分分析法、生態足跡法、多目標分析法、系統動力學法等[13]，研究理論和方法眾多，但各有優勢和不足，如常規趨勢法的優點是能夠直觀反映單因素的變化趨勢，計算簡單，不足之處是不能體現各個因子間的聯系和相互作用，因此需根據研究區實際情況和資料的可獲取性選取適宜的研究方法。本文采用主成分分析法及SPSS 26.0軟件，對武威市2010—2020年水資源承載力進行分析[14]。

2.2.2數據來源

本文所選原始數據均來源于《甘肅省水資源公報》(2010—2020年)、《甘肅省統計年鑒》(2010—2020年)和武威市國民經濟和社會發展統計公報(2010—2020年)。

3 結果與分析

3.1 指標選取

水資源承載力是以社會經濟可持續發展為研究理念和前提的，是一個需從社會、經濟、環境、人口、水資源等多方面進行分析的綜合概念，因此指標選取應遵循客觀性、代表性及可行性原則[15]，首先要能綜合反映各系統對水資源承載力的影響，其次需充分考慮資料的來源和可獲得性。本文根據以上原則及地區特點，選取以下13個指標進行分析評價。

表1 武威市水資源承載力指標體系

3.2 主成分分析

3.2.1數據處理

分析得到水資源承載力驅動因子相關性矩陣見表2。由表2可知13個因子間存在相關關系，X1與X4、X5、X13呈正相關，與X3、X8呈負相關，因此可進行主成分分析[16- 18]。

表2 驅動因子相關系數矩陣

3.2.2主成分選擇及評價

主成分特征值及方差貢獻率見表3。由表3可知，前3個主成分F1、F2、F3的特征值分別為6.003、4.181、1.165，均大于1，且前3個主成分累計貢獻率達到87.304%，符合累計貢獻率不小于85%的要求，說明前3個主成分變量能夠較全面地反映武威市水資源承載力狀況。因此，本研究選取前3個主成分分析并計算各因子在主成分上的荷載，見表4，在此基礎上進行水資源承載力評價研究。

表3 主成分特征值及貢獻率

表4 成分載荷矩陣

由表3—4可知，第一主成分F1比重為46.179%，與X2、X4、X13存在正相關關系，與X6、X9存在負相關關系，表明第一主成分與經濟發展及水資源利用情況相關，并且是影響武威市水資源承載力的首要因素。2010—2020年，武威市年均降水量為262.9mm，而年均蒸發量高達1996.6mm，年均水資源量為12.11億m3，水資源極為短缺。社會經濟方面，隨當地經濟穩步發展，2020年武威市地區生產總值達到526.41億元，較2010年228.77億元增加130.1%，城市人口比重由27.56%增加到47.01%，但同時也加重了水資源壓力。水資源利用方面，武威市總供水量在研究年限內基本保持穩定，水資源總量小幅增加，減輕了該地區水資源壓力。此外，武威市屬于典型資源型缺水區，且存在嚴重的水資源浪費現象，近年來通過節水技術措施取得了一定成效，萬元GDP用水量從2010年的772.45m3/萬元縮減到2020年的327.53m3/萬元，有效灌溉面積從285.06萬畝增加到323.96萬畝，萬元GDP用水量顯著減少，水資源利用率明顯提升。但農業用水仍占比很大，數據顯示，2020年武威市總用水量為17.24億m3，其中農業用水量為13.66億m3，占比高達79.2%，同時農業用水效益處于全市各行業平均用水效益之下，由此可見，該地區農業用水效率極低，還需大幅提升。

第二主成分F2與X1、X10、X11有較強的正相關關系，主要體現人口變化和生活用水及生態環境用水狀況，反映了人類活動強度的關鍵作用。近11年，研究區隨人口的變化，總供水量基本保持不變，生活用水量由2010年的0.48億m3增加到2020年的0.58億m3，大體呈緩慢增加趨勢，且因當地人民對生態保護愈加重視，生態用水量也同步增加，而水資源需求日益增長勢必對水資源承載能力造成壓力。

第三主成分F3與X3、X11存在正相關關系。11年間，武威市固定資產投資呈先增后減的態勢，經濟增長給企業帶來用水壓力，從而促使企業提高用水效率，對水資源高效利用具有重要意義。綜上所述，影響武威市水資源承載力因子可概括為社會經濟發展水平、水資源有效利用情況和水資源自然條件3個方面。

3.3 水資源承載力分析

根據特征值(表3)和成分荷載矩陣(表4)，令y1代表F1的得分，可將y1、y2、y3表示為以下線性關系：

y1=0.210x1+0.388x2+0.056x3+0.362x4+
0.230x5-0.391x6-0.325x7-0.175x8-0.374x9-
0.136x10-0.057x11+0.148x12+0.381x13

(1)

y2=0.331x1+0.068x2-0.388x3+0.209x4+
0.129x5+0.052x6+0.230x7-0.371x8+0.177x9+
0.429x10+0.423x11-0.277x12+0.106x13

(2)

y3=-0.247x1+0.220x2+0.425x3+0.143x4-
0.499x5-0.145x6+0.260x7-0.040x8-0.001x9+
0.253x10+0.409x11+0.333x12+0.091x13

(3)

將量綱統一后的原始數據帶入(1)(2)(3)式，計算得到主成分得分，再將3個主成分貢獻率(分別為0.46179、0.32163、0.08962)作為權重，得到水資源承載力綜合得分Y的數學函數如下:

Y=0.46179×y1+0.32163×y2+0.08962×y3

(4)

由綜合評價函數可得武威市水資源承載力得分情況見表5，y1、y2、y3為主成分得分，Y代表主成分綜合得分，Y的大小說明了該地區的水資源承載力所在的相應位置，正值代表該年研究區的水資源承載力在平均水資源承載力之上，負值則相反，Y分值越大，水資源承載力越小，開發利用空間越小，反之越大[9]。

表5 2010—2020年武威市水資源承載力綜合得分

由表5可以看出，第一主成分得分逐年增大，2020年有下降趨勢，總體變化與綜合得分變化趨勢一致，且第一主成分的貢獻率達46.179%，可見經濟發展情況對水資源承載力起到關鍵作用，同時水資源自然稟賦和開發利用情況也有一定的影響。第二、三主成分變化波動較大，對整體得分影響較小。武威市水資源承載力在研究年限內呈逐年遞減趨勢，水資源開發利用潛力日益減小。總體來說，武威市近年來經濟發展較快，農業用水有小幅減少，用水效率不高，水資源供需不平衡等因素導致水資源承載負荷逐漸加大。水資源需求雖未減少，但武威市政府配合實施《石羊河流域重點治理規劃》，采取高效節水用水措施，開源節流，這些舉措均促進武威市生態環境向好發展。

4 結論

(1)2010—2020年武威市水資源承載力逐年下降，得分從2010年的-1.8上升至2020年的2.19，開發利用潛力不容樂觀。

(2)武威市水資源承載力主要影響因子總結為：經濟發展水平、水資源有效利用程度、生活生態用水情況，其中經濟發展和水資源利用情況是影響承載力的主導因素。

(3)基于11年間的數據對武威市水資源承載力分析可得，該地區水資源供求矛盾突出，用水結構不合理，發展節水型經濟和建設節水型社會必須合理控制農業用水和優化水資源配置。