韓 雪

(遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連 116029)

地球上淡水資源僅占水資源總量的0.75%,全球現(xiàn)有12億人面臨中度到高度缺水壓力,80個國家水源不足,20億人飲水得不到保障。我國是一個嚴重缺水的國家,水資源時空分布不均勻,大量淡水資源集中在南方,北方淡水資源只占南方的1/4,從可續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略角度考慮,區(qū)域發(fā)展必須考慮水資源的承載能力。20 世紀末,水資源安全問題已經(jīng)引起世界各國政府的高度重視,水資源安全也隨之成為各國水資源研究的前沿?zé)狳c。20世紀80年代初,聯(lián)合國教科文組織提出了資源承載力的概念[1],80年代中后期水資源承載力的研究作為可持續(xù)發(fā)展研究和水資源安全戰(zhàn)略研究中的一個基礎(chǔ)課題被提出來[2]。國外對水資源承載力研究較少,基本被納入可持續(xù)發(fā)展理論中[3-7]。我國對水資源承載力的研究最早是在1985年,以施雅風(fēng)院士為首的新疆水資源軟科學(xué)課題研究組提出了水資源承載力的概念,對新疆的WRCC和開發(fā)戰(zhàn)略對策進行研究[8],隨后一些學(xué)者從不同角度提出了水資源承載力的概念[9-10]。對水資源承載力的研究主要集中在流域研究[11-12]、地區(qū)研究[13-14]、城市研究[15];對水資源承載力的研究方法主要有常規(guī)趨勢法[16]、模糊綜合評價法[17]、主成分分析法[18]、系統(tǒng)動力學(xué)方法[19]、多目標(biāo)決策法[20]等。目前,已有少數(shù)學(xué)者將水資源承載力與虛擬水理論相結(jié)合進行研究[21-22],但其研究處于探索階段,研究成果較少。

虛擬水由英國學(xué)者Allan[23]于1993年首次提出,并將其定義為生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品所需要的水資源量;1996年他又對這一概念進行了擴展和完善,將其定義為“生產(chǎn)商品或服務(wù)所需要的水資源量”。2003年程國棟院士[24-25]首次將虛擬水理論引入國內(nèi),并以中國西北4省為例探討了虛擬水戰(zhàn)略以及實施虛擬水戰(zhàn)略的對策建議,隨后虛擬水戰(zhàn)略研究在國內(nèi)展開。虛擬水戰(zhàn)略是水資源和水資源安全研究的創(chuàng)新領(lǐng)域,初步應(yīng)用在解決我國水資源短缺與糧食安全及水生態(tài)環(huán)境等問題中。虛擬水和虛擬水戰(zhàn)略的研究在我國尚處于初級階段,虛擬水戰(zhàn)略在我國的實際應(yīng)用還存在許多問題[26],目前將其應(yīng)用到現(xiàn)實并與水資源相關(guān)領(lǐng)域研究的結(jié)合也不多見,多屬于定性論述和概念介紹,亟待進行深入研究。

虛擬水戰(zhàn)略和水資源承載力均是水資源安全與水資源管理研究領(lǐng)域的熱點和難點。水資源承載力評價指標(biāo)一般選取與資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟、生態(tài)等相關(guān)的指標(biāo),在資源中一般選取水資源的自然狀況和開發(fā)利用程度,虛擬水是水資源開發(fā)利用程度的體現(xiàn),因此本文將虛擬水作為水資源承載力的評價指標(biāo),考察虛擬水對水資源承載力的影響程度。

1 水資源承載力評價指標(biāo)的選取

通過水資源承載力的概念分析,水資源承載力最終要以一定的人口總量規(guī)模為落腳點,以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù),以可持續(xù)發(fā)展為原則,以維護生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件,經(jīng)過合理優(yōu)化配置,對該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力。因此,可將影響水資源承載力的主要因素歸納為:資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟、生態(tài)等。筆者擬從水資源狀況及開發(fā)利用程度、消費水平與結(jié)構(gòu)、人口和生產(chǎn)力4個方面選取具體評價指標(biāo):由于自然地理條件的不同,水資源的數(shù)量、質(zhì)量及對其開發(fā)利用程度也不同,文中選取水資源總量(X1,108m3)、總供水量(X2,108m3)、年降水量(X3,108m3)、地表水量(X4,108m3)、農(nóng)業(yè)用水量(X5,108m3)、工業(yè)用水量(X6,108m3)、生活用水量(X7,108m3)、虛擬水凈流量(X8,108m3)作為水資源狀況及開發(fā)利用程度具體評價指標(biāo);在社會生產(chǎn)能力確定的前提下,水資源承載能力的大小受消費水平及結(jié)構(gòu)的影響,因此選取城鎮(zhèn)居民消費水平(X9,元)、農(nóng)村居民消費水平(X10,元)作為消費水平與結(jié)構(gòu)的具體評價指標(biāo);人是社會生產(chǎn)的主體,水資源承載能力也包括承載人的能力,因此選取總?cè)丝?X11,104人)作為人口的具體評價指標(biāo);在不同生產(chǎn)力水平下利用單位質(zhì)量的水可生產(chǎn)不同數(shù)量及質(zhì)量的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品,因此,在研究某一地區(qū)或區(qū)域的水資源承載能力時要估測現(xiàn)狀與未來的生產(chǎn)力水平,選取地區(qū)生產(chǎn)總值(X12,108元)和固定資產(chǎn)投資額(X13,108元)作為生產(chǎn)力的具體評價指標(biāo)。

2 水資源承載力評價方法

筆者采用主成分分析法對華北地區(qū)水資源承載力進行客觀評價,主成分分析是將許多相關(guān)性很高的變量轉(zhuǎn)化成彼此相互獨立的或不相關(guān)的變量,可以在盡可能保留原始變量信息的基礎(chǔ)上降低變量的維度。因此,主成分分析法可以把影響水資源承載力的多個因子,用少數(shù)幾個相互獨立的主成分的線性組合來反映原有多個因子的絕大部分信息,表達不同時段水資源承載力的狀況。

運用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)資料進行分析,主成分分析的一般步驟如下:

a.為排除量綱和數(shù)量級的影響,首先對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準化。通過Analyze → Descriptive Statistics → Descriptive 對話框來實現(xiàn)。

b.計算標(biāo)準化后的樣本相關(guān)矩陣,并求相關(guān)矩陣的特征值(取特征值大于0.8),并計算其累計貢獻率,按累計貢獻率大于或等于85%的原則確定主成分數(shù)(利用Analyze →Data Reduction →Factor Analysis來完成)。

c.用主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根得到兩個主成分中每個指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)(利用“Transform → Compute Variable”對話框)，然后將得到的特征向量與標(biāo)準化后的數(shù)據(jù)相乘,就可以得出主成分即得分表達式。

d.以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計算主成分綜合模型。

3 實證研究

3.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

本文以華北區(qū)域為研究區(qū)域。華北區(qū)域包括北京、天津、河北、山西和內(nèi)蒙古,位于我國大陸北部,介于北緯32°～42°之間,東經(jīng)110°～120°。區(qū)域氣候具有明顯的季風(fēng)特征,處于北溫帶。該區(qū)域四季分明,降水集中在夏季,雨量偏低,并且夏季降水量總體呈下降趨勢,但極端降水天氣發(fā)生的次數(shù)并沒有減少,強度也呈增加趨勢。

本文所采用的數(shù)據(jù)資料均來自《中國統(tǒng)計年鑒》(2001—2010年)、《水資源公報》(2000—2009年),并經(jīng)過計算整理獲得;虛擬水凈流量主要參考文獻[27]。

3.2 華北地區(qū)水資源承載力的評價結(jié)果及分析

在主成分分析中載荷值越大說明與該主成分的相關(guān)性越大,由表6可知,第一主成分與X9、X10、X11、X12和X13存在較強的正相關(guān)性,如表7所示,第一主成分與X9、X10、X11、X12、X13之間存在較強的正相關(guān)性,均與X5、X6存在較強的負相關(guān)關(guān)系,兩組數(shù)據(jù)的第一主成分基本涵蓋了經(jīng)濟發(fā)展水平和人口因子;第二主成分均與X1、X3、X4存在較強的正相關(guān)性,第三主成分均與X2存在較強的正相關(guān)性,主要是水資源的自然狀況與開發(fā)能力;第二組數(shù)據(jù)的第四主成分與X8存在較強的正相關(guān)性,即與糧食流動中虛擬水的凈流量存在較強的聯(lián)系。通過對比可以看出,虛擬水的調(diào)入調(diào)出是評價一個區(qū)域水資源承載力主要成分的重要指標(biāo)之一。

表1 華北經(jīng)濟及水資源狀況統(tǒng)計

表2 引入虛擬水前華北水資源承載力變化驅(qū)動因子相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 引入虛擬水后華北水資源承載力變化驅(qū)動因子相關(guān)系數(shù)矩陣

表4 引入虛擬水前主成分的特征值和貢獻率

表5 引入虛擬水后主成分的特征值和貢獻率

表6 引入虛擬水前因子載荷矩陣

表7 引入虛擬水后因子載荷矩陣

由表8和表9可以看出,水資源承載力得分既有正值又有負值,正負并不能代表水資源承載力的真實水平,而是表示水資源承載力在所選取時間段內(nèi)的相對位置,正值表示高于該時段內(nèi)的平均水平,負值表示低于該時段內(nèi)的平均水平,綜合得分越高說明水資源承載力越大,反之越小。

表8 引入虛擬水前2000—2009年水資源承載力綜合得分

表9 引入虛擬水后2000—2009年水資源承載力綜合得分

華北地區(qū)在10年內(nèi)的得分呈波動增長趨勢,說明華北地區(qū)水資源承載力狀況有所好轉(zhuǎn)。2003年、2006年、2007年、2008年和2009年水資源承載力總得分均為正值,除2006年外,總得分F均高于F′;而2000年、2001年、2002年、2004年和2005年水資源承載力均為負值,除2004年外總得分F′均高于F。由此可以看出,當(dāng)總得分為正值時,即在水資源壓力逐年轉(zhuǎn)好的情況下,虛擬水的調(diào)入調(diào)出對水資源承載力影響不是很大,而當(dāng)水資源承載力為負,即水資源承載力壓力較大時,虛擬水則成為主要的影響因素之一,調(diào)入量越多水資源承載力越大可以減緩水資源壓力,相反輸出則會增加水資源壓力。由此可以證明,虛擬水戰(zhàn)略在僅考慮水資源的前提下適用于缺水地區(qū),而對水資源富足地區(qū)的水資源承載力影響不大。但由于本文選取的主成分分析法的特性,僅能說明虛擬水凈流量在不同年份對水資源承載力的重要程度,并不能因此說明2005年后虛擬水凈流量就不影響水資源承載力,因此,筆者通過對比分析水資源承載力的主成分數(shù),揭示虛擬水凈流量是其主要的影響因子。

4 結(jié) 論

a.應(yīng)用主成分分析法對華北地區(qū)的水資源承載力進行綜合評價,通過結(jié)果分析,影響水資源承載力的驅(qū)動因子主要為:經(jīng)濟發(fā)展、人口和水資源及虛擬水凈流量,經(jīng)濟發(fā)展因子的貢獻率居各主成分之首,是對當(dāng)?shù)厮Y源承載力影響最為關(guān)鍵的因子。

b.華北地區(qū)水資源承載力處于波動上升的趨勢,水資源的自然屬性維持著資源稟賦的穩(wěn)定性,南水北調(diào)與引黃入晉為華北地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展提供了一定的支撐作用,緩解了區(qū)域內(nèi)的用水矛盾,因此,為緩解水資源的供需矛盾,該地區(qū)必須高效開發(fā)利用水資源。

c.將虛擬水理論引入到水資源承載力評價中,可看出虛擬水也是水資源承載力的重要影響因子,但虛擬水的引入不會改變水資源承載力的總體變化趨勢,只會在水資源承載力低于多年平均水平時,緩解水資源壓力,而在水資源承載力高于多年平均水平時,虛擬水對水資源承載力的影響則不大。并可以證明虛擬水戰(zhàn)略的適用性是有局限性的,在不考慮社會因素的影響下,首先,虛擬水戰(zhàn)略僅適用于缺水地區(qū),可以改善缺水地區(qū)的水資源壓力;其次,在缺水地區(qū)虛擬水戰(zhàn)略的適用性受到水資源承載力的限制,隨著時間段變化,水資源壓力得到緩解,水資源承載力高于多年平均水平時,虛擬水戰(zhàn)略的適用性減弱,虛擬水對水資源壓力的緩解作用減弱,影響水資源承載力的首要因素還是經(jīng)濟發(fā)展因子。因此,在解決我國水資源短缺和時空分布不均時,在實施虛擬水戰(zhàn)略的同時,必須配合節(jié)水措施、調(diào)水戰(zhàn)略、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略等手段,提高用水效率、提高工程蓄水保水能力等措施實現(xiàn)水資源承載能力的提高。

d.亟須建立生態(tài)補償機制,補償缺水地區(qū)虛擬水凈流出的生態(tài)成本,從而促進虛擬水貿(mào)易的可持續(xù)性,避免虛擬水輸出區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展滯后,生態(tài)遭到破壞等問題。

[1]UNESCO,FAO.Carrying capacity assessment with a pilot study of KenYa: a resource accounting methodology for exploring national options for sustainable development[R].Paris and Rome,1985.

[2]夏軍.水資源安全的度量:水資源承載力的研究與挑戰(zhàn)(一)[J].海河水利,2002(2):5-7.

[3]姚治君,王建華,江東,等.區(qū)域水資源承載力的研究進展及其理論探析[J].水科學(xué)進展,2002,13(1):111-115.

[4]HARRIS J M.Carrying capacity in agriculture:globe and regional issue [J].Ecological Economics,1999,129(3):443-461.

[5]MUNTHER H.Water issue in Hashemite Jordan[J].Arab Studies Quarterly,2000,22(2):54-67.

[6]FALKENMARK M, LUNDQVIST J.Towards water security:political determination and hunman adaptation crucial [J].Natural Resources Forum,1998,21(1):37-51.

[7]KUYKENDTIERNA J L, BJORKLUND G, NAJLIS P.Sustainable water future with global implications:everyone′s responsibility[J].Natural Resources Forum,1997,21(3):181-190.

[8]新疆水資源軟科學(xué)課題研究組.新疆水資源及其承載力的開發(fā)戰(zhàn)略對策[J].水利水電技術(shù),1989(6):2-9.

[9]許有鵬.干旱區(qū)水資源承載能力綜合評價研究[J].自然資源學(xué)報,1993,8(3):229-237.

[10]崔鳳軍.城市水環(huán)境承載力及其實證研究[J].自然資源學(xué)報,1998,13(1):58-62.

[11]劉昌明,王紅瑞.淺析水資源與人口、經(jīng)濟和社會環(huán)境的關(guān)系[J].自然資源學(xué)報,2003,18(5):635-644.

[12]徐中民.情景基礎(chǔ)的水資源承載力多目標(biāo)分析理論及應(yīng)用[J].冰川凍土,1999,21(2):99-106.

[13]夏軍,朱一中.水資源安全的度量:水資源承載力的研究與挑戰(zhàn)[J].自然資源學(xué)報,2002,17(3):262-269.

[14]陳冰,李麗娟,郭懷成,等.柴達木盆地水資源承載方案系統(tǒng)分析[J].環(huán)境科學(xué),2000(3):16-21.

[15]牟海省,劉昌明.我國城市設(shè)置與區(qū)域水資源承載力協(xié)調(diào)研究芻議[J].地理學(xué)報,1994,49(4):338-343.

[16]施雅風(fēng),曲耀光.烏魯木齊河流域水資源承載力及其合理利用[M].北京:科學(xué)出版社,1992:132-176.

[17]許有鵬.干旱區(qū)水資源承載能力綜合評價研究[J].自然資源學(xué)報,1993,8(3):229-237.

[18]傅湘,紀昌明.區(qū)域水資源承載能力綜合評價:主成分分析法的應(yīng)用[J].長江流域資源與環(huán)境,1999,8(2):168-173.

[19]魏斌,張霞.城市水資源合理利用分析與水資源承載力研究:以本溪市為例[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),1995,8(4):19-24.

[20]翁文斌,蔡喜明,史慧斌,等.宏觀經(jīng)濟水資源規(guī)劃多目標(biāo)決策分析方法研究及應(yīng)用[J].水利學(xué)報,1995(2):1-11.

[21]張志芬,劉東.基于虛擬水理論區(qū)域水資源承載力評價方法[J].內(nèi)蒙古水利,2010(1):15-17.

[22]劉博,康紹忠.虛擬水引入對北京市水資源承載能力的影響研究[J].中國水利,2007(8):8-11.

[23]ALLAN J A.Fortunately there are substitutes for water otherwise our hydro-political futures would be impossible[C]//Hoekstra A Y.In Priorities for Water Resources Allocation and Management.London:ODA,United Kingdom,1993:13-26.

[24]程國棟.虛擬水:中國水資源安全戰(zhàn)略的新思路[J].中國科學(xué)院院刊,2003(4):260-265.

[25]程國棟.虛擬水:水資源與水安全研究的創(chuàng)新領(lǐng)域[N].中國水利報,2003-11-22(2).

[26]孫才志,陳麗新.我國虛擬水及虛擬水戰(zhàn)略研究[J].水利經(jīng)濟,2010,28(2):1-4.

[27]韓雪.我國農(nóng)產(chǎn)品虛擬水流動格局分析及其應(yīng)用[J].水利經(jīng)濟,2011,29(6):1-6.