辛朋磊 季曉云 單婷婷 陳瑋瑤

摘要：為科學評價江蘇省水資源承載力，推動水資源與社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，從水資源、人口、經(jīng)濟、效率和環(huán)境5個方面構(gòu)建了包含21個指標的水資源承載力評價指標體系，利用主成分分析法確定影響江蘇省水資源承載力的主要驅(qū)動因子并闡述其影響機理。結(jié)果表明：影響江蘇省水資源承載力的主要驅(qū)動因子是水資源供應因子、人口因子、經(jīng)濟發(fā)展因子和用水效率因子；2003～2020年，江蘇省水資源承載力整體呈下降趨勢，表明區(qū)域用水效率的提升未減輕社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源的承載壓力。建議江蘇省在未來發(fā)展中應進一步強化節(jié)約用水，提升各行業(yè)用水效率。

關鍵詞：水資源承載力評價； 主成分分析法； 生態(tài)環(huán)境； 江蘇省

中圖法分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.004

文章編號：1006-0081（2023）07-0027-06

0 引 言

水資源承載力評價是水資源評價的重要內(nèi)容之一，是可持續(xù)發(fā)展和水資源安全戰(zhàn)略研究的基礎課題，也是當前水資源科學中的重點和熱點研究問題。其目的是揭示水資源與區(qū)域經(jīng)濟和人口之間的關系，合理有據(jù)保護水資源，促進社會經(jīng)濟與水資源可持續(xù)和諧發(fā)展。自20世紀80年代以來，中國已有很多學者開展過水資源承載力的研究，但目前仍處于探索階段，還未形成統(tǒng)一的理論基礎和研究方法［1］。水資源承載力的概念、評價指標的選取以及評價方法的選擇是當前研究的3個主要方面。在水資源承載力的概念方面，目前主要分兩種觀點：一部分學者認為水資源承載力是一個相對固定的值，主要與自然條件有關［2-3］；另一部分學者認為水資源承載力是一個不斷變化的值，不僅與自然條件有關，而且與社會經(jīng)濟發(fā)展、科學技術進步等有關［4-6］，比如通過節(jié)水技術，可以降低用水量，從而提高水資源承載力。在水資源承載力評價方法方面，主要有趨勢分析法［7］、模糊綜合評價法［8-9］和主成分分析法［10］等。其中，主成分分析法可以在損失較少信息的前提下把多個指標轉(zhuǎn)化為幾個綜合指標，因此廣受學者們青睞。在指標篩選方面，受初選指標及指標數(shù)值可靠性等影響，學者們的研究成果有所不同。例如，于釙等［11］提出影響新疆水資源承載力的因子除環(huán)境、社會和水資源狀況外，還有經(jīng)濟貿(mào)易；王秦等［12］提出影響雄安新區(qū)水資源環(huán)境承載力的主要因子是人均水資源量、單位有效灌溉面積、水資源開發(fā)利用率和用水效率；顧文權(quán)等［13］提出影響南方小流域水資源承載力的主要因子是人均水資源量、人口密度、人均供水量、農(nóng)業(yè)灌溉平均用水量等；許朗等［14］提出影響江蘇水資源承載力的因子主要為經(jīng)濟發(fā)展因子、人口因子和水資源狀況因子；程芳芳［15］提出地區(qū)生產(chǎn)總值、總?cè)丝?、城市人口比重、工業(yè)用水量、萬元GDP用水量、農(nóng)業(yè)用水量、人均用水量、生活用水量、有效灌溉面積、廢污水排水量等指標是太原市水資源承載力的主要影響指標；Lu等［16］提出水資源承載力與社會經(jīng)濟發(fā)展、人口、水資源量、農(nóng)業(yè)用水以及工業(yè)用水聯(lián)系密切；Zhang等［17］提出月塘區(qū)水資源水環(huán)境承載力主要受城鎮(zhèn)污水處理率、萬元GDP用水量和人均水資源量的影響。

本文以江蘇省為例，在確保指標數(shù)據(jù)獲取可靠的前提下盡可能將之前學者涉及到的指標納入初選指標，通過主成分分析法開展水資源承載力評價，以期得到影響本地區(qū)水資源承載力的關鍵因素。同時對主成分分析法中標準化后數(shù)值正負、同類型指標數(shù)目對評價結(jié)果的影響等問題進行了探討。

1 研究區(qū)概況

江蘇省地跨江淮，河湖縱橫，是南水北調(diào)東線工程的源頭，承擔著中國生態(tài)保護的重大責任。省內(nèi)水系分屬長江、淮河兩大流域，以通揚運河及儀六丘陵區(qū)為界，南部屬長江流域，北部屬淮河流域。全省氣候具有明顯的季風特征，冬季干冷，夏季濕熱，四季分明。2020年江蘇省水資源總量543.4億m3，人均水資源量673.3 m3，僅為全國人均水資源量的1/3；全省用水總量572.0億m3，位居各省級行政區(qū)首位；人均綜合用水量675 m3，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量55.7 m3/萬元，用水效率低于全國平均水平（2020年《中國水資源公報》）。同時，由于江蘇省工業(yè)廢水和生活污水排放量較高，水中污染物含量不斷增加，加劇了水資源問題的不確定性［18］。為了更好地利用和管理江蘇省的水資源，有必要研究其水資源承載力。

2 研究步驟

研究步驟如下：① 獲取原始數(shù)據(jù)并將原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，排除量綱影響；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 以主成分的方差貢獻率為權(quán)重，綜合評價對水資源承載力的影響［19］。

3 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)資料從《城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》（2003～2020）、《江蘇省統(tǒng)計年鑒》（2003～2020）和《江蘇省水資源公報》（2003～2020）中獲取，原始數(shù)據(jù)資料具有可靠性。

4 江蘇省水資源承載力評價

4.1 指標選取

從水資源承載力的概念出發(fā)，結(jié)合前人研究經(jīng)驗［10-15］，初步確定以水資源系統(tǒng)、人口系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、效率系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)共5個子系統(tǒng)21個具體指標構(gòu)成本次江蘇省水資源承載力評價指標體系，見表1。

按照因子分析，篩選出以下10個指標為本次水資源承載力評價的指標體系，分別為降雨量（X1）、水資源總量（X2）、總?cè)丝冢╔3）、城市人口比重（X4）、GDP（X5）、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重（X6）、有效灌溉面積（X7）、單位面積糧食產(chǎn)量（X8）、萬元GDP用水量（X9）、萬元工業(yè)增加值用水量（X10）。其KMO值為0.807，說明選擇的指標間具有相關性，Bartlett球體檢驗sig值為0.000（小于0.05），說明各個指標不是相互獨立的，符合主成分分析要求。本次未篩選出城鎮(zhèn)污水處理率、廢污水排放量指標，可能是因為江蘇近年來污水處理情況基本穩(wěn)定。

4.2 結(jié)果分析

嚴格按照特征值大于1的原則，篩選出2種主成分。第1、第2主成分貢獻率（方差貢獻率）分別為71.540%和19.611%（表2），累積貢獻率達到91.151%，滿足主成分累積方差貢獻率大于85%的標準，說明用這2個主成分能夠很好反映江蘇省水資源承載力。

主成分荷載矩陣見表3。用表3中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應特征值的平方根后可得兩個主成分中每個指標所對應的系數(shù)（主成分的權(quán)系數(shù)，見表4），從而得到第1主成分得分Y1和第2主成分得分Y2的公式，見式（1）、（2）。

Y1=-0.049X1-0.029X2-0.363 X3-??? 0.365 X4-0.354 X5-0.356X6-0.337 X7-0.319 X8+0.367 X9+0.360 X10（1）

主成分的權(quán)系數(shù)絕對值越大，表明對應的指標對主成分的作用越大。其中，第1主成分是最重要的，其方差貢獻率最大，為71.540%。從權(quán)系數(shù)絕對值的大小來看，對第1主成分作用較大的有總?cè)丝凇⒊鞘腥丝诒戎?、GDP、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、有效灌溉面積、單位面積糧食產(chǎn)量、萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量這幾個指標，相關系數(shù)分別為-0.363，-0.365，-0.354，-0.356，-0.337，-0.319，0.367，0.360。其中，總?cè)丝诤统鞘腥丝诒戎伢w現(xiàn)了人口對水資源承載力的影響。人口越多，特別是城市人口越多，水資源承載壓力越大；GDP和第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重體現(xiàn)了經(jīng)濟發(fā)展和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)對水資源承載力的影響，經(jīng)濟體量越大，水資源承載壓力越大。在經(jīng)濟發(fā)展結(jié)構(gòu)中，第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重和工業(yè)占GDP比重未成為影響江蘇省水資源承載力的重要指標，主要是因為農(nóng)業(yè)單位面積GDP產(chǎn)出小，影響農(nóng)業(yè)用水的關鍵因素是有效灌溉面積和單位面積糧食產(chǎn)量而非產(chǎn)業(yè)增加值。而由江蘇省工業(yè)增加值和工業(yè)用水量歷年變化曲線圖（圖1）可知，近年來，江蘇省工業(yè)增加值逐年增加，但工業(yè)用水量整體保持穩(wěn)定，主要原因是工業(yè)用水效率不斷提升所致。因此，影響江蘇水資源承載力的主要因素是工業(yè)用水效率而非工業(yè)增加值。用水效率方面主要篩選出單位GDP用水量和單位工業(yè)增加值用水量，人均生活用水量指標未成為主要影響因素，主要是因為生活用水量在江蘇省總用水量中占比很小，僅為總用水量的10.0%左右。

第2主成分中，降雨量和水資源總量指標作用最大，相關系數(shù)分別為0.702和0.704，體現(xiàn)了水資源條件對水資源承載力的影響。但因第2主成分方差貢獻率較小，僅為19.611%，說明對江蘇省而言，影響區(qū)域水資源承載力的主要因素是社會經(jīng)濟和用水效率，而非水資源先天條件。

從指標正負值來看，社會經(jīng)濟對水資源承載力呈負影響，而用水效率對水資源承載力呈正影響。

按照主成分分析方法，以貢獻率作為權(quán)重，得到水資源承載力綜合得分Y的表達式：

Y=0.71540Y1+0.19611Y2（3）

由綜合得分表達式計算江蘇省水資源承載力得分情況，見表5和圖2。由圖2可見，近幾年江蘇省水資源承載力呈整體下降趨勢，說明區(qū)域用水效率的提升未減輕社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源的承載壓力。2020年，江蘇省萬元GDP用水量55.7 m3，低于全國平均水平57.2 m3，與先進地區(qū)北京市11.2 m3還有44.5 m3的差距；萬元工業(yè)增加值用水量62.8 m3，約為全國平均值32.9m3的兩倍，為先進地區(qū)北京市7.1 m3的8.8倍?？梢?，江蘇省整體用水水平仍偏低。因此，江蘇省未來若要保持現(xiàn)有的社會經(jīng)濟發(fā)展速度，必須著力加強節(jié)約用水工作。

5 討 論

5.1 標準化后數(shù)值正負問題

將主成分分析法用于實際問題方面，已有學者對特征值的正負號、主成分荷載、主成分得分、主成分標準化等問題做過研究［20-22］。本次在計算主成分得分時發(fā)現(xiàn)，標準化后的數(shù)值正負問題也需要關注。

主成分分析法一般按照Z-score法對樣本數(shù)據(jù)進行標準化處理［20-22］，計算公式如下：

X′ij=Xij-XjSj（i=1，2，…，n；j=1，2，…，p）（4）

式中：Xij為第i 個樣本的第j個評價指標的原始值；X′ij為原始指標值標準化后的值；Xj，Sj 分別為第j個指標的樣本均值和樣本標準差。

標準化后數(shù)值的正負取值僅反映了數(shù)值與平均值的大小關系。萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量這兩個指標應該隨著用水效率的不斷提升，指標得分逐年增加。但本次將主成分分析法用于江蘇省水資源承載力評價時發(fā)現(xiàn)，雖然原始數(shù)據(jù)的萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量逐年降低，但主成分分析法計算得到第1主成分中萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量歷年指標得分也逐年降低，見圖3（a），與實際意義不符。因此，本次主成分分析時根據(jù)指標的具體意義對這兩個指標的標準化后的數(shù)值統(tǒng)一取負，修正后兩個指標的得分見圖3（b），可見，修正后的指標得分與實際相符。

圖3 第1主成分用水效率指標得分曲線

Fig.3 Water use efficiency index score? curve of first principal component

5.2 同類型指標個數(shù)問題

本次參與評價的指標中，水資源系統(tǒng)有降雨量和水資源總量2個指標，人口系統(tǒng)有總?cè)丝诤统鞘腥丝诒戎?個指標，經(jīng)濟系統(tǒng)有GDP、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、有效灌溉面積、單位面積糧食產(chǎn)量4個指標，效率系統(tǒng)有萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量2個指標。根據(jù)公式（1），第1主成分中除降雨量和水資源總量這兩個主成分權(quán)系數(shù)絕對值較小的指標外，其他8個指標中有6個指標對水資源承載力呈負影響，只有2個指標對水資源承載力呈正影響?？梢妳⑴c評價的同類型指標數(shù)目越多，對綜合得分產(chǎn)生的影響將越大，從而導致綜合評價結(jié)果不夠客觀。因此，在主成分分析時建議消除同類型指標數(shù)目對評價結(jié)果的影響。本次將公式（1）和公式（2）作修正如下：

Y1=（-0.049X1-0.029X2）/2+（-0.363X3-0.365X4）/2+（-0.354X5-0.356X6-0.337X7-0.319X8）/4+（0.367X9+0.360X10）/2（5）

Y2=（0.702 X1+0.704 X2）/2+（-0.000X3-0.008X4）/2+（-0.002X5+0.038X6-0.031X7-0.066X8）/4+（0.022X9+0.068X10）/2（6）

修正后的水資源承載力評價得分見圖4。由圖4可見，修正后江蘇省水資源承載力雖仍呈下降趨勢，但下降趨勢較圖2更為緩和，評價結(jié)果更具客觀性。

圖4 江蘇省水資源承載力評價得分（修正后）

Fig.4 Score of water resources carrying capacity evaluation of Jiangsu Province （modified）

6 結(jié) 論

通過對江蘇省2003～2020年水資源承載力主成分進行分析，得出以下結(jié)論：

（1） 影響江蘇水資源承載力的主要驅(qū)動因子包括水資源系統(tǒng)、人口系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、效率系統(tǒng)等共10個指標，其中，人口系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、效率系統(tǒng)為第1主成分，是主要影響因素；水資源系統(tǒng)是第2主成分，是次要影響因素。

（2） 經(jīng)綜合評價，近年來江蘇省水資源承載力整體呈下降趨勢，說明區(qū)域用水效率的提升未減輕社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源的承載壓力。未來，江蘇省應進一步強化節(jié)約用水，提升各行業(yè)用水效率。

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（編輯：江 文）