李金軒

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

晉中市平川區(qū)水資源承載力分析

李金軒

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

針對晉中市平川區(qū)對水資源需求量越來越大的現(xiàn)實情況,通過構(gòu)建水資源承載力評價指標(biāo)體系,應(yīng)用主成分分析法選取主成分因子,并采用熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán),依據(jù)水資源承載力綜合得分予以分析評價,探討該地區(qū)水資源承載力的主要影響因素，以期使該地區(qū)水資源得到合理利用,為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供支撐。研究結(jié)果表明:該區(qū)的水資源承載力主要受水資源量和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響，且各區(qū)域水資源承載力已經(jīng)接近或超越臨界狀態(tài)，現(xiàn)有的水資源條件將無法滿足未來社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

晉中市平川區(qū)；水資源承載力；主成分分析；熵權(quán)法

1 基本情況

晉中市地處山西省中部，橫跨海河流域和黃河流域，國土面積16 392 km2，轄11個縣（市、區(qū)）、333.6萬人，是山西省108廊帶區(qū)域一體化發(fā)展示范區(qū)和太原都市圈城鎮(zhèn)密集區(qū)的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，是中部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心區(qū)域。由榆次區(qū)、太谷縣、祁縣、平遙縣、介休市和靈石縣（以下簡稱晉中平川區(qū)）組成的晉中市西部平川板塊，地勢平坦、土質(zhì)肥沃，雖然國土面積占全市的40.8%、水資源總量占全市40.9%，但人口占全市的73.1%，地區(qū)生產(chǎn)總值占全市的75.6%，財政收入占全市的79.4%，是晉中市的主要經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)區(qū)，也是省域經(jīng)濟(jì)與社會事業(yè)最為發(fā)達(dá)的核心區(qū)域和最為重要的城鎮(zhèn)密集地區(qū)。隨著城市發(fā)展及工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，晉中市水資源分布不均衡、部分縣區(qū)水資源短缺、供水結(jié)構(gòu)不合理等因素對城市發(fā)展的制約因素越加凸顯。

水資源承載力是指在某一歷史發(fā)展階段，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)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(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，在水資源得到合理的開發(fā)利用情況下，研究區(qū)域內(nèi)人口增長與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大容量。

由于水資源承載力是受水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)活動等許多因子制約的一個有機(jī)體，各因子都有各自的變化規(guī)律，且相互聯(lián)系、相互支持和制約。水資源承載力的復(fù)雜性及其影響因素的多樣性，給水資源承載力的相關(guān)問題研究帶來一定難度。目前對水資源承載力的研究方法有系統(tǒng)動力學(xué)仿真、模糊綜合評價法等。這些方法雖各有特點(diǎn)，但存在參數(shù)變量不易掌握、大量有用信息遺失、權(quán)重確定主觀性較強(qiáng)等局限性。

主成分分析法通過對原有變量進(jìn)行線性變換和取舍，對高維變量系統(tǒng)進(jìn)行簡化與綜合，可在復(fù)雜耦合的各因素間找出影響水資源承載力的主成分因子，用少數(shù)幾個相互獨(dú)立的主成分的線性組合來反映絕大部分信息，表達(dá)不同時段水資源承載力的狀況。

熵權(quán)法利用信息論中熵的概念，對不確定性進(jìn)行度量。信息量越大，不確定性就越小，熵也就越??；信息量越小，不確定性越大，熵也越大。因而，可以借助熵值的大小來判斷各主成分因子的離散程度，因子的離散程度越大，該因子對水資源承載力的影響就越大。

2 基于主成分分析和熵權(quán)的水資源承載力模型

2.1 主成分分析法

主成分分析法主要步驟為：對數(shù)據(jù)進(jìn)行正向化和標(biāo)準(zhǔn)化處理；計算變量的系數(shù)矩陣；計算樣本相關(guān)矩陣特征值、方差以及累積方差貢獻(xiàn)率；根據(jù)方差累計貢獻(xiàn)率≥85%原則確定主成分個數(shù)，并求出主成分因子載荷和各因子的得分。其具體操作可借助spss軟件進(jìn)行統(tǒng)計計算。

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法主要步驟為：數(shù)據(jù)指標(biāo)同趨勢處理:為了保證求得的主成分具有相同的趨勢性，需先對評價指標(biāo)進(jìn)行同趨勢化處理，以保證其方向的一致性。公式為計算各主成分因子的信息熵值其中，e（jej＞0）為各主成分因子的信息熵，Sij為第i個樣本的第j個主成分因子的得分，M為評價樣本的數(shù)量；計算各主成分因子的信息效用值和權(quán)重：其中，dj為第j個主成分因子的信息效用值，dj=1-ej，Wj為第j個主成分因子的權(quán)重。計算各樣本的綜合得分：Fi=Sij×Wj，其中，F(xiàn)i為第i個樣本的綜合得分。

樣本的水資源承載力水平由綜合得分體現(xiàn)。綜合得分越高，樣本的水資源承載力越高；綜合得分越低，樣本的水資源承載力越低。綜合得分等于臨界值0時，水資源承載力處在臨界狀態(tài)。

3 “十二五”期間水資源承載力評價與分析

3.1 建立指標(biāo)體系

在建立晉中平川區(qū)水資源承載力指標(biāo)體系的過程中，充分考慮了自然環(huán)境和社會環(huán)境以及技術(shù)水平對水資源承載力的影響，同時綜合考慮到水資源現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的易獲取性以及現(xiàn)有的研究成果，依據(jù)科學(xué)性、區(qū)域性、實用性和規(guī)范性原則，構(gòu)建了包含19項指標(biāo)（見表2）的水資源承載力研究指標(biāo)體系。

3.2 水資源承載力主成分因子的選取

KMO測度是SPSS提供判斷原始變量是否適合作因子分析的統(tǒng)計檢驗方法之一，它比較了觀測到的原始變量間的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的大小，KMO的結(jié)果越接近1，表示變量之間的偏相關(guān)性越好，進(jìn)行主成分分析的效果越好，當(dāng)KMO統(tǒng)計量小于0.5時，就不適于選用主成分分析法；Bartlett球形檢驗是用來判斷相關(guān)矩陣是否為單位矩陣，在主成分分析中，若拒絕各變量獨(dú)立的原假設(shè)，則說明可以做主成分分析，否則不適合做主成分分析。

對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正向化和標(biāo)準(zhǔn)化處理后，應(yīng)用spss23.0軟件進(jìn)行KMO檢驗、Bartlett球型檢驗和主成分分析，計算相關(guān)系數(shù)、樣本相關(guān)矩陣特征值、方差以及累積方差貢獻(xiàn)率（見表1），可見，樣本數(shù)據(jù)的KMO值為0.656，Bartlett球型檢驗顯著性大于0.05，故可以進(jìn)行主成分分析。

表1 主成分的特征根和貢獻(xiàn)率

由表1可以看出，前4個主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了89.06%，大于85%，因此可以選取前4個主成分（分別用C1，C2，C3，C4表示）進(jìn)行分析。對因子荷載作方差最大化旋轉(zhuǎn)，可更清楚地看出各變量在主成分上的荷載，旋轉(zhuǎn)后如表2所示。

由表2可知，第一主成分C1主要代表了農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平；第二主成分C2主要代表了經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和工業(yè)節(jié)水水平；第三主成分C3主要代表了地區(qū)的水質(zhì)情況；第四主成分C4主要代表了地區(qū)水資源量的狀況。這4個主成分比較全面地包括了影響水資源承載力的主要因素，能很好地反映水資源承載力所處的狀況，可用其得分來表達(dá)晉中市平川區(qū)水資源承載力的變化狀況。

表2 旋轉(zhuǎn)后的因子荷載矩陣

3.3 水資源承載力評價及分析

按照熵權(quán)法的步驟，將2011—2015年各年水資源承載力4大主成分因子的得分代入Matlab軟件，按照2.2中公式進(jìn)行計算，最終得到四大主成分因子的權(quán)重和各地區(qū)各年水資源承載力的綜合得分（見表3，表 4）。

表3 各主成分權(quán)重

表4 水資源承載力歷年綜合得分

從表4中可以看出，“十二五”期間，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源的需求不斷提高，導(dǎo)致綜合得分呈下降趨勢。靈石綜合得分較高，歷年得分均大于0，可以認(rèn)為靈石水資源承載力可以滿足社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展；太谷、祁縣、平遙、介休綜合得分在臨界值附近波動，處于平均水平，但總體呈下降趨勢，水資源承載力勉強(qiáng)可以滿足社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展；榆次綜合得分最低，均低于-0.5，水資源已嚴(yán)重超載。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因分析如下。

首先，由于“十二五”期間，靈石特有的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，單位生產(chǎn)總值耗水量、單位工業(yè)增加值耗水量均低于榆次、太谷、祁縣、平遙、介休，這在一定程度上減輕了工業(yè)生產(chǎn)對水資源承載力造成的壓力。

其次，榆次、太谷、祁縣、平遙、介休的播種面積和糧食產(chǎn)量高，農(nóng)業(yè)用水量較大。農(nóng)業(yè)用水量、糧食產(chǎn)量、播種面積與第一主成分C1均呈負(fù)相關(guān)（見表2），且第一主成分C1的權(quán)重較大，為0.398（見表3）這對水資源承載力造成了較大壓力。因此，農(nóng)業(yè)節(jié)水水平對水資源承載力意義重大。

其三，各地區(qū)水資源總量和人均生活用水量大致相同，但人均水資源量靈石最高、榆次最低，因此一定程度上提高了靈石水資源承載力，而榆次較低的人均水資源量使得綜合得分遠(yuǎn)低于臨界水平，對水資源承載力造成較大的壓力。

最后，靈石縣河流水質(zhì)較差，但并未對綜合得分造成較大影響，這得益于代表河流水質(zhì)的第三主成分C3權(quán)重較小，僅為0.204（見表3），對水資源承載力的影響有限。可見，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和節(jié)水水平的提高對提高地區(qū)水資源承載力有較大幫助。

另外，各地區(qū) 2012—2014年綜合得分較高，2011和2015年綜合得分較低，總體呈下降趨勢。2015年榆次、太谷、祁縣、平遙、介休的綜合得分均小于0。這是因為2011和2013年晉中市平川地區(qū)降水量較大（見表5），2012和2014年水資源總量受上一年降水影響，也維持較高水平（見表5）。而2014和2015年連續(xù)兩年降水偏少，導(dǎo)致2015年水資源總量處在較低水平。

表5 歷年降雨量和水資源總量 單位：mm、104m3

4 結(jié)語

通過主成分分析得出水資源承載力變化的4大主成分，其中包括了農(nóng)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，人口、水資源量和水質(zhì)的變化情況，能較全面地表現(xiàn)水資源承載力的狀況。通過分析“十二五”期間水資源承載力的變化可知，在經(jīng)濟(jì)生活水平穩(wěn)定變化時期，水資源總量對水資源承載力的變化趨勢起到了至關(guān)重要的作用。

總體來看，目前晉中市平川水資源承載力已接近飽和。榆次水資源已嚴(yán)重超載，不堪重負(fù)；太谷、祁縣、平遙、介休水資源承載力已達(dá)到臨界狀態(tài)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)有水資源條件將無法滿足晉中市平川地區(qū)部分縣市社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，在今后的發(fā)展過程中，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高工業(yè)和農(nóng)業(yè)節(jié)水水平，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，開展跨流域調(diào)水工程，提高地區(qū)的水資源承載力。

TV211.1

C

1004-7042（2017）04-0008-03

李金軒（1995-），男，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院在讀。

2017-02-03；

2017-03-15