何 祥 章 奇 范創(chuàng)剛 趙 玲

（湖北省鄂州市水文水資源勘測局,湖北 鄂州 436000）

1.研究背景及意義

1.1 研究背景

地球，有72%的面積被水所覆蓋，水資源總量約13.86x1018m3。雖然，地球上水資源很豐富，但是其淡水資源僅占所有水資源的2.53%，并且大部分淡水資源存在于冰川、永久積雪和地下深層，不能直接被人類生產(chǎn)生活所使用，能被人類利用的不到總量的1%。

中國水資源的總量約為27000xl08m3，其水資源總量是世界的6%。雖然，我國水資源總量豐富，但人均占有水資源量較低。目前，中國人均占有水資源量2239m3，僅為世界人均水資源的四分之一。

全球水資源供應(yīng)緊張，但每年用水量卻日益增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1900 年，全球一年水資源消耗量只有4000 億m3，到2000 年，年需水量猛增至60000 億m3，平均每年增加了 560 億m3。目前，隨著許多國家對水的需求進(jìn)一步增加，導(dǎo)致一些地區(qū)出現(xiàn)不同程度的用水危機(jī)，甚至影響到人民正常的生活。預(yù)計(jì)到2025 年，世界上將會有約30 億人面臨缺水的問題，淡水量在40 個國家和地區(qū)將嚴(yán)重不足。水資源不足，已經(jīng)成為人類共同面臨的危機(jī)之一。人類需要大量的水資源和水資源有限已成為不斷尖銳的矛盾，迫使水資源問題及其影響得到有關(guān)組織的重視和探討。

1.2 研究意義

黨的十八大以來，習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)治水的重要意義，提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”新時代治水方針。水是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不可缺少和不可替代的重要自然資源和環(huán)境要素，水安全是涉及國家長治久安和中華民族永續(xù)發(fā)展的大事。

鄂州市位于湖北省東部，長江中游南岸，屬于梁子湖水系。因地處濕潤多雨地區(qū)，且長江臨境而過，客水資源豐富，鄂州市從整體情況來看屬于豐水地區(qū)。鄂州市年內(nèi)降水主要集中在4 ～7 月，汛后易發(fā)生旱情。由于地勢平坦、農(nóng)業(yè)高速發(fā)展和人類對于水資源的影響，鄂州市水體水質(zhì)有逐年下降趨勢，特別是城市和水產(chǎn)養(yǎng)殖集中區(qū)的河湖水質(zhì)明顯惡化。

既有多水的威脅又有季節(jié)性缺水的危機(jī)，還面臨著水污染等問題，同時，又受到最嚴(yán)格水資源管理考核的影響，水資源已成為影響其社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民美好生活需求的重要制約因素。因此，研究鄂州市水資源現(xiàn)狀及可持續(xù)利用，可為探索水資源管理新模式、合理開發(fā)配置水資源、提高水資源利用效率和加強(qiáng)水資源保護(hù)提供科學(xué)可靠的決策依據(jù)。

鄂州市地理位置圖

2.社會經(jīng)濟(jì)

鄂州市位于湖北省東部，長江中游南岸，西與武漢市的江夏區(qū)、洪山區(qū)接壤，東南分別與黃石市的大冶市、鐵山區(qū)、下陸區(qū)、黃石港區(qū)毗連，北臨長江，自西向東分別與武漢市的新洲區(qū)、和黃岡市的團(tuán)風(fēng)縣、黃州區(qū)、浠水縣等地隔江相望；北距首都北京、東距上海、西距重慶、南距廣州均在1000km 左右，地處經(jīng)緯介于東經(jīng)114°32′～115°05′、北緯30°00′～30°06′之間，現(xiàn)轄鄂城區(qū)（包含臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)）、華容區(qū)（包含葛店經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)）和梁子湖區(qū)，轄區(qū)地域總面積1596km2。

根據(jù)湖北省第七次全國人口普查結(jié)果，鄂州市常住人口為107.94 萬人，其中，鄂城區(qū)69.57 萬人，人口密度1327 人/km2；華容區(qū)25.68 萬人，人口密度543 人/km2；梁子湖區(qū)12.68 萬人，人口密度229 人/km2；

2020 年鄂州市完成地區(qū)生產(chǎn)總值1005.23 億元，按可比價計(jì)算，同比下降9.8%。其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值99.2億元，同比下降2.8%；第二產(chǎn)業(yè)增加值435.03 億元，同比下降17%；第三產(chǎn)業(yè)增加值471 億元，同比下降2.4%。

3.水資源現(xiàn)狀

3.1 水資源利用現(xiàn)狀

3.1.1 供水現(xiàn)狀

2020 年，鄂州市總供水量12.9855 億m3，其中蓄水工程供水0.4186 億m3，占總供水量的3.2%；引水工程供水0.1444 億m3，占總供水量的1.1%；提水工程供水12.4225 億m3，占總供水量的95.7%。

3.1.2 用水現(xiàn)狀

2020 年，鄂州市總用水量12.9855 億m3。農(nóng)業(yè)灌溉用水量2.3877 億m3，占總用水量的18.4%；工業(yè)用水量9.2938 億m3，占總用水量的71.6%；生活用水量0.8971億m3，占總用水量的6.9%；生態(tài)環(huán)境用水量0.4069 億m3，占總用水量的3.1%。

3.1.3 耗水量

2020 年，鄂州市用水的消耗量達(dá)到2.3855 億m3（消耗量占總用水量的百分比）14.9%。其中農(nóng)業(yè)的耗水量為1.3804 億m3占總耗水量的57.9%；工業(yè)的耗水量0.6166億m3，占總耗水量的25.9%；城鎮(zhèn)生活耗水為0.3502 億m3，占總耗水量的14.6%；生態(tài)環(huán)境耗水為0.0383 億m3，占總耗水量的1.6%。

3.2 水質(zhì)現(xiàn)狀

隨著，河湖長制的推行，近年來，大部分河流水質(zhì)有所提升。2020 年在鄂州市主要江河湖泊上布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測斷面45 處，監(jiān)測河長161.4km。在2020 年內(nèi)，鄂州市全年期II 類水質(zhì)河長為87.6km，占監(jiān)測總河長的54.2%；Ⅲ類水質(zhì)河長為73.8km，占監(jiān)測總河長的45.8%。鄂州市全年期Ⅳ類湖泊個數(shù)為23 個，Ⅴ類湖泊個數(shù)為2 個。

2020 年，鄂州市一共監(jiān)測和評價水功能區(qū)18 個，其中Ⅲ類水質(zhì)的有14 個，其中Ⅳ類水質(zhì)的有3 個，Ⅴ類有1 個。

4.水資源現(xiàn)狀評價

第一，科學(xué)性原則

在最大程度上保證評價指標(biāo)科學(xué)合理，能最大程度反映研究區(qū)域水資源的特性；選用科學(xué)客觀的評價方法得出真實(shí)的評價結(jié)果。

第二，區(qū)域性原則

鄂州市有3 個行政區(qū)，不同的地域之間水資源情況具有差異，這種差異很大程度上決定了區(qū)域間在水資源分布情況上的不同。同時各區(qū)在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀不同。因此，應(yīng)根據(jù)選定研究區(qū)域的實(shí)際狀況來建立評價指標(biāo)體系。

第三，可行性和準(zhǔn)確性相結(jié)合

為了更好地研究鄂州市水資源現(xiàn)狀評價，選取指標(biāo)時不能與指標(biāo)本身所具有的信息條件的實(shí)際情況相背離，并且應(yīng)該以數(shù)據(jù)獲取的難易程度為前提，最好盡可能地選取簡單的、易于理解的指標(biāo)。

第四，全面性和層次性相結(jié)合

水資源現(xiàn)狀評價指標(biāo)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，要求選取的指標(biāo)應(yīng)體現(xiàn)其全面性，且具有足夠的涵蓋面，能全面反映鄂州市水資源現(xiàn)狀的情況內(nèi)涵。同時，又要求各個指標(biāo)盡量地簡單清晰、簡潔和易于明了，能將簡潔明朗的、層次感較強(qiáng)的指標(biāo)體系代替較復(fù)雜的問題。

4.1 主成分分析方法介紹

主成分分析方法就是一個用少量的新變量來代替原來較多的變量，并且能保留原來變量的絕大部分信息的研究方法。

主成分分析步驟如下：

4.1.1 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣

Rab（a，b=1，2…，p）為原變量與的相關(guān)系數(shù)，rab=rba，其計(jì)算公式如下：

4.1.2 計(jì)算特征值與特征向量

首先，解特征方程，│λi–R │=0 求出特征值，并使其按大小順序排列λ1 ≥λ2 ≥…≥λp ≥0。

其次，分別求出特征值λi 對應(yīng)的特征向量(1，2，…，p)，要滿足│ei │=1，，其中，表示向量的第j 個分量。

再次，計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率：

然后，計(jì)算主成分載荷。

最后，

4.2 計(jì)算步驟

4.2.1 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)上述指標(biāo)體系擬定的評價指標(biāo)，對鄂州市各市州水資源現(xiàn)狀評價共選取了9 個指標(biāo)建立指標(biāo)體系，將2020 年鄂州市各地評價指標(biāo)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為此次主成分分析的原始數(shù)據(jù)表，如表4-1 所示。

表4-1 鄂州市各行政區(qū)主成分分析原始數(shù)據(jù)

一般不同的數(shù)據(jù)擁有不同的計(jì)量單位和不同的變異水平，因此在分析數(shù)據(jù)前，先要對各指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，消除各個數(shù)據(jù)單位對結(jié)果的影響。將鄂州市各區(qū)水資源分布情況原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，標(biāo)準(zhǔn)化處理后結(jié)果表4-2 所示。

表4-2 鄂州市各行政區(qū)水資源系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

4.2.2 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣

為了除去一些指標(biāo)數(shù)據(jù)具有重復(fù)的信息，確保評價的結(jié)果具有科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，本文使用軟件SPSS 將有重復(fù)的信息剔除，可求得相關(guān)性矩陣、因子荷載矩陣等。相關(guān)性矩陣是反映變量之間相互關(guān)系的方陣，標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)計(jì)算出相關(guān)系數(shù)矩陣見表4-3。

表4-3 相關(guān)系數(shù)矩陣

4.2.3 確定主成分

運(yùn)用SPSS 軟件對標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到總方差分析表，見表4-4。

表4-4 總方差分析表

由總方差分析表可知，兩二個成分方差大于1，且第一個主成分特征值為6.146， 貢獻(xiàn)率為68.292%；第二個主成分的特征值為2.854，貢獻(xiàn)率為31.708%。前2 個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)100%， 說明取前2 個主成分變量就能提取到原來9 個變量的大部分信息，能充分反映鄂州市水資源系統(tǒng)的基本情況。提取載荷矩陣可知：第一主成分在年降水量上的載荷最大，可以命名為年降水量主成分。同理，第二主成分為地表水資源量。

4.2.4 確定主成分矩陣的特征向量

利用主成分分析法，運(yùn)用SPSS 軟件得到主成分矩陣見表4-5。

將因子1 和因子2 的載荷向量分別除以各自的主成分特征值的算術(shù)平方根即可得到各主成分的系數(shù)。那么第一主成分的各個系數(shù)是向量（0.904，0.968，0.984，0.960，0.928，0.963，-0.772，-0.341，-0.054）除以后得到，即（0.3646，0.3904， 0.3968，0.3872，0.3742，0.3884，-0.3115，-0.1377，-0.0218），這才是主成分1 的特征向量，滿足系數(shù)的平方和等于。以此類推可得另外一個特征向量，計(jì)算結(jié)果見表4-6。

表4-5 主成分矩陣

?

表4-6 成分特征向量

4.2.5 綜合得分

將得到的成分特征向量分別乘以原始變量標(biāo)準(zhǔn)化之后的變量即可得到各成分的分值。將初始的9 個指標(biāo)轉(zhuǎn)換2個指標(biāo)來反映鄂州市各行政區(qū)水資源情況，各主成分的函數(shù)表達(dá)式為：

Y1=0.3646*XI+0.3904*X2+0.3968*X3+0.3872*X4+0.3742*X5+0.3884*X6-0.3115*X7-0.1377*X8-0.0218*X9

Y2=-0.2 5 3 1*XI-0.1 4 9*X2+0.1 0 6 7*X3-0 . 1 6 6 1 * X4+ 0 . 2 2 1 1 * X5+ 0 . 1 5 9 7 * X6-0.379*X7+0.5564*X8+0.5911*X9

計(jì)算主成分綜合得分。公式為：

將2 個特征值帶入上式，

K1=λ1/(λ1+λ2)=6.146/(6.146+2.854)=0.683

K2=λ3/(λ1+λ2)=2.854/(6.146+2.854)=0.317

得到主成分綜合分計(jì)算公式：

Y=0.683Y1+0.317Y2

按照公式，鄂州市行政區(qū)水資源情況分析結(jié)果見表4-7。

表4-7 鄂州市各行政區(qū)水資源情況綜合得分

5.水資源可持續(xù)利用對策

5.1 實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度和落實(shí)雙控行動

嚴(yán)格執(zhí)行用水總量控制和定額管理。以縣級行政區(qū)域用水總量控制指標(biāo)為基礎(chǔ)，實(shí)施用水定額管理，逐級將用水指標(biāo)細(xì)化落實(shí)到各用水主體和具體水源，明晰初始水權(quán)，倒逼水資源剛性約束作用。

嚴(yán)格落實(shí)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率控制目標(biāo)。對于未劃定水功能區(qū)的河流，采用水質(zhì)類別指標(biāo)替代水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，管控水體水質(zhì)，確保水資源質(zhì)量不持續(xù)向好。

5.2 強(qiáng)化水資源監(jiān)控能力建設(shè)

提高水資源取用水在線計(jì)量、監(jiān)測能力，形成與實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度基本適應(yīng)的水資源監(jiān)控能力，基本滿足水資源定量管理和最嚴(yán)格水資源管理制度考核的信息化支撐需要。

5.3 全面推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)

加大城鄉(xiāng)節(jié)水器具推廣。加快城鄉(xiāng)生活輸配水管網(wǎng)提質(zhì)改造，減少輸配水、用水環(huán)節(jié)的跑、冒、滴、漏，加強(qiáng)漏水檢測，降低供水管網(wǎng)漏損率，構(gòu)建城鎮(zhèn)高效供用水系統(tǒng)。

6.結(jié)論

2020 年，鄂城區(qū)水資源總量7.7167 億m3，人均水資源量1109m3/人；梁子湖區(qū)6.0581 億m3，人均水資源量4778m3/人；華容區(qū)5.6559 億m3，人均水資源量2202m3/人。根據(jù)水質(zhì)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，梁子湖區(qū)水功能區(qū)水質(zhì)狀況優(yōu)良，鄂城區(qū)和華容區(qū)水質(zhì)狀況次之。

根據(jù)選取的9 個指標(biāo)構(gòu)建的體系，鄂州市3 個縣級行政區(qū)按得分從高到低排列分別為：鄂城區(qū)、梁子湖區(qū)和華容區(qū)。