广州市水资源承载力的主成分分析

2013-04-19陈雯黄长生王宁涛

华南地质 2013年4期

关键词：用水量广州市承载力

陈雯，黄长生，王宁涛

CHEN Wen，HUANG Chang-Sheng，Wang Ning-Tao

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205）（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205）

广州市水资源承载力的主成分分析

陈雯，黄长生，王宁涛

CHEN Wen，HUANG Chang-Sheng，Wang Ning-Tao

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205）（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205）

水资源承载力是衡量经济社会可持续发展的重要指标。本文以广州市水资源承载力为研究对象，在现有资料的基础上，运用主成分分析法从14个指标中提取出影响水资源承载力动态变化的两个主成分，并对广州市水资源承载力年际变化进行了综合评价。结果表明：2005-2010年，广州市水资源承载力呈现逐年下降的趋势。但就目前情况来看，通过扩展供水工程、加强节水措施等能缓解供需矛盾，水资源承载力还存在一定的提升空间。

主成分分析；水资源承载力；广州市

水资源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。近年来，由于水资源不合理开发利用以及工农业污染造成的水环境恶化等问题，不仅进一步加剧了水资源供需矛盾，也给水资源可持续利用带来威胁。因此，水资源承载力作为衡量区域可持续发展的一项重要指标，成为当前水资源科学领域研究的重点和热点。

广州市地处广东省中南部，珠江三角洲北缘，全市面积7434.4 km2，下辖越秀区、荔湾区、海珠区、天河区、白云区、黄埔区、番禺区、花都区、南沙区、萝岗区10个市辖区及增城市、从化市2个县级市。广州市本地水资源较少，全市多年本地平均水资源总量为79.79亿m3，人均水资源占有量仅为1375 m3，不到全国人均水平的1/2。入境水量相对丰富，多年平均径流量为1141亿m3，为本地水资源的14倍[1]。在城市化进程不断推进的背景下，经济快速增长和人口剧增使得广州市用水需求不断增加，水资源供需矛盾日益突出，已成为制约经济社会可持续发展的“瓶颈”因素。因此，研究广州市水资源承载力，全面分析水资源承载力现状，对促进当地水资源可持续利用以及经济社会可持续发展具有十分重要的现实意义。

自20世纪80年代末以来，我国许多学者在不同流域、区域、城市开展了水资源承载力研究，已有的研究成果主要集中在以下三个方面[2-14]：（1）对水资源承载力评价指标建立的探索；（2）对水资源承载力着重概念、内涵等方面的理论研究；（3）对水资源承载力量化方法、评价模型上的探索。存在的主要问题在于，目前水资源承载力研究理论基础不完善，尚未形成公认的基础理论和研究方法。综合评价水资源承载力的量化方法有很多，常见的包括常规趋势法、系统动力学法、模糊综合评价法等，各种方法的应用中均存在不足之处[13]。主成分分析法基于降维思想，通过线性变换，将多个指标进行最佳综合与简化，通过少数几个主成分来揭示多个指标间的内部结构关系，并尽可能多地保留原始指标的信息。本文采用主成分分析法，把影响广州市水资源承载力的多个因子转化为少数几个综合指标，并综合分析广州市水资源承载力的年际变化趋势。

1 主成分分析法

本次研究运用SPSS16.0统计分析软件进行数据处理。设水资源承载力评价指标体系原来有p个评价指标，用X1、X2、…、Xp表示，经主成分分析后得到m（m＜p）个主成分Z1、Z2、…、Zp，则主成分分析的主要步骤为：（1）原始数据进行标准化处理；（2）计算相关矩阵R；（3）计算R的J个特征根λ1、λ2、…、λJ，以及每个特征根对应的特征向量U1、U2、…、UJ；（4）通过计算累计贡献率，贡献率E＞85%的原则确定主成分个数m；（5）求主成分权重ek；（6）求综合评价指数Z。综合评价指数Z越大，反映了水资源承载力状况越强，反之，评价值越小，水资源承载力越弱。

本文采用的数据资料来自《广州市统计年鉴》、《广东省水资源公报》、《广州市水资源公报》，选取2005-2010年统计数据作为评价的原始数据。

2 广州市水资源承载力分析

2.1 指标选取

水资源承载力既受到自然地理条件的约束，又受到区域人口、社会、经济、生产力水平等多方面的影响。在充分考虑广州市水资源承载力现状及各类影响因素的基础上，指标体系的建立主要包含以下四个方面：（1）反映水资源条件；（2）反映水资源供需关系；（3）反映社会经济发展状况；（4）反映污水排放处理状况。同时，也参考了前人的研究工作，基于科学性、可比性等原则，在2005-2010年基础数据资料中，选取了14个指标（表1）对广州市水资源承载力进行动态综合评价（表1）。具体包括：

表1 广州市水资源承载力评价指标Table 1 Water resources carrying capacity evaluation of Guangzhou City

GDP X1，亿元；固定资产投资额X2，亿元；总人口X3，万人；水资源总量X4，亿m3；全市入境水量X5，亿m3；总供水量X6，亿m3；工业用水量X7，亿m3；农业用水量X8，亿m3；生活用水量X9，亿m3；城镇居民生活人均日用水量X10，L/d；万元GDP用水量X11，m3；万元工业增加值用水量X12，m3；农田灌溉亩均用水量X13，m3；污水处理率X14，%。

2.2 主成分分析

运用SPSS16.0软件进行数据分析计算，得出各评价指标的标准化矩阵、相关系数矩阵、特征值、主成分贡献率和累计贡献率（表2）。

表2 评价指标体系标准化矩阵Table 2 Standardized evaluation system matrix

从表3可以看出，所选取的评价指标如X6和X7、X8存在一定的相关性，相关系数分别为0.953、0.925。指标间的相关性是进行主成分分析的基础，也进一步说明了进行主成分分析的必要性和科学性。

表3 评价指标体系相关系数矩阵Table 3 correlation matrix evaluation system

表4列出了计算之后所有主成分的特征根、主成分贡献率及累计贡献率。前两个主成分的累积贡献率已达到88.328%，根据累积贡献率＞85%的原则，选择前两个主成分进行数据分析。

表4 主成分特征值及贡献率Table 4 Principal component eigenvalues and contribution rates

运用SPSS16.0软件可直接得到主成分荷载矩阵（表5），它是主成分与对应变量的相关系数。

表5 主成分荷载矩阵Table 5 Principal component loading matrix

从表5分析可知，第一主成分与X1、X2、X3、X14之间存在着强负相关关系，与X6、X7、X8、X10、X11、X12之间存在较强的正相关关系；第二主成分与X4、X5之间存在较强的正相关关系。这两个主成分概括了人口、经济社会发展、水资源利用情况和区域水资源条件方面的内容，因此可以用这些因素的变化来反映广州市水资源承载力情况：

（1）社会经济发展与水资源承载力

2005-2010年，广州市GDP总量翻了一番，经济快速增长伴随着城市化进程不断加快，导致用水需求不断增长，但总供水量却总体上逐年下降，使得现有供水能力与经济增长速度不匹配，对水资源承载力构成很大压力。

（2）人口与水资源承载力

广州市人口总量从2005年750.53万增长到2010年1270.96万，在常住人口持续增长，外地务工人员大量涌入的情况下，生活用水量剧增，但实际生活供水能力并未随着人口的增长幅度相应增长。2010年相比2005年，供水能力仅从8.69亿m3增长到9.81亿m3。同时，人类活动造成的水资源污染不断加剧，从而引起水资源承载能力降低。

（3）水资源利用情况与水资源承载力

广州市用水结构以工业、农业、生活用水为主。近年来，通过调整产业结构，逐渐由耗水型向节水型转变，取得了一定效果，万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、农田灌溉亩均用水量等指标都逐年有所下降（表1），但与全国平均水平相比（2005-2010年中国水资源公报），仍存在一定的节水空间。

（4）水资源条件与水资源承载力

广州市入境水量的补给在一定程度上缓解了水资源承载压力。目前，全市过境河流主要有东江、西江、北江。东江水质有局部恶化现象，枯水期不能满足用水需求。西江、北江水质较好。西江开发利用率较高，且入境水量大，整个流域尚存在较大开发利用空间；北江全流域开发利用率小于20%，尚有一定的开发潜力[15]。

2.3 主成分综合评价分析

根据公式（4）、（5）、（6）利用SPSS16.0计算出广州市水资源承载力主成分单因子得分，再根据单因子与其特征根贡献率来确定两个主成分的综合得分，由此分析广州市水资源承载力的变化情况（表6，图1）。从表6和图1可以看出，主成分得分有正有负，正负值并不代表水资源承载力的真实水平，而是反映其所处的相对位置，负值表示该年份处于平均水平之下，正值说明该年份处于平均水平之上。综合指数Z值越大，说明水资源承载力越大，反之越小。总体而言，2005-2010年广州市水资源承载力基本呈现逐年下降的趋势，但在2007年出现波动，主要是由于当年入境水量相对偏少。

表6 2005-2010年水资源承载力综合得分Table 6 Water Resources Carrying Capacity composite score in 2005-2010

从图1可以看出，第一主成分的变化趋势与水资源承载力变化总体趋势基本一致。第二主成分则波动较大，经历了先上升再下降再上升的过程，说明广州市水资源条件具有不稳定性。

图1 主成分趋势图Fig.1 Main components of Trend

3 结论与讨论

（1）运用主成分分析法，在保证原始数据信息损失最小的情况下，通过线性变换，用少数几个具有代表意义的新变量代替原有变量，避免了主观随意性，能够比较客观全面地反映当地水资源承载力现状。

（2）通过主成分分析，确定了人口、社会经济发展状况、水资源利用情况以及水资源条件为影响广州市水资源承载力的主要因素。

（3）从单个因子分析，GDP和固定资产投资额的荷载数值分别为0.984、0.985，可见经济高速发展对水资源承载力造成了巨大压力。广州市作为广东省的省会城市和经济重镇，经济一直处于高速发展状态，那么在扩展供水工程（地表水、地下水）的同时加强节水措施，走“集约”型用水道路能很好地延缓供需矛盾加剧问题，促进水资源可持续利用。

（4）本次研究由于资料有限，选取的评价指标不够全面，为了更加全面、客观地掌握广州市水资源承载力状况，还需要进一步收集数据资料分析研究，尤其是水资源污染相关数据资料，并开展不同评价方法所得结果的对比分析。

（5）本次研究仅仅对广州市2005-2010年水资源承载力的年际变化情况进行了初步评价，未能深入分析各影响因素对水资源承载力的具体影响，这有待进一步研究。

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Evaluation on water resources carrying capacity in Guangzhou City using principal components analysis.

Chen W,Huang C S and Wang N T.

Water resources carrying capacity is an important indicator to measure sustainable economic and social development.In this paper,by taking the water resources carrying capacity of Guangzhou City as the research object,based on the available data,using principal components analysis to extract two principal components that affect the dynamic changes of water resources carrying capacity,and making a comprehensive evaluation of annual variation of Guangzhou City.The results show that Guangzhou water resources carrying capacity from 2005 to 2010 was declining,but so far as the status,by extending the water supply project and strengthening water saving measures to relieve the imbalance between supply and demand,the water resources carrying capacity of Guangzhou still exists some rising space.

principal components analysis;water resources carrying capacity;Guangzhou City

P641.1

1007-3701(2013)04-322-05

10.3969/j.issn.1007-3701.2013.04.008