晉西北水生態(tài)承載力評價范文

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隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源的開發(fā)利用及污染程度隨之增加，導(dǎo)致淡水資源的供應(yīng)急劇減少，產(chǎn)生了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。水資源的供需矛盾致使社會經(jīng)濟(jì)用水大量擠占生態(tài)用水，土地沙化趨勢不斷蔓延，尤其是在晉西北干旱地區(qū)，水資源成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要限制因素之一。水資源供給與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展間日益激化的矛盾，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的增長和社會穩(wěn)定產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，依靠科技創(chuàng)新，大幅度提高水資源對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障能力已刻不容緩。近年來，水資源以及生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)受到社會的重視，許多學(xué)者對資源與環(huán)境承載力的概念進(jìn)行擴(kuò)展和完善后，提出了水生態(tài)承載力的概念，使承載力的研究更加注重生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、完整性以及協(xié)調(diào)性，也更加符合生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展原則。水生態(tài)承載力的分析和評價研究是晉西北缺水地區(qū)實施資源與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)，其相關(guān)研究涉及到了水資源、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等各個方面，已經(jīng)逐漸成為了現(xiàn)階段研究的重點與熱點問題。主成分分析法可以在數(shù)據(jù)信息損失最小的情況下，對多指標(biāo)因子進(jìn)行合理的簡化，采用具有代表性的主成分進(jìn)行評價研究，可以在很大程度上避免主觀隨意性。基于構(gòu)建的評價指標(biāo)體系，運用主成分分析法對右玉縣的水生態(tài)承載力進(jìn)行綜合評價，得出水生態(tài)承載力的影響因子和變化趨勢，旨在為提高晉西北水生態(tài)承載力，實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益最大化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1水生態(tài)承載力研究概述

20世紀(jì)70年代末，人口、經(jīng)濟(jì)、水資源與生態(tài)環(huán)境問題不斷加劇，水環(huán)境承載力、水資源承載力、水生態(tài)承載力的研究應(yīng)運而生。國外大都將水生態(tài)承載力的研究與可持續(xù)發(fā)展理論相結(jié)合，很少對其進(jìn)行單獨研究，通常將水生態(tài)承載力用作衡量可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。我國對水生態(tài)承載力的相關(guān)研究于20世紀(jì)80年代末由新疆水資源軟科學(xué)課題研究組率先開展。2004年，高吉喜在《可持續(xù)發(fā)展理論探索———生態(tài)承載力理論、方法與應(yīng)用》一書中詳細(xì)敘述了生態(tài)承載力與可持續(xù)發(fā)展之間的相互關(guān)系；2009年，李靖等將系統(tǒng)動力學(xué)模型與隸屬度相結(jié)合，綜合運用構(gòu)建的水生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，分析模擬了葉爾羌河流域不同方案下的水生態(tài)承載力；2011年，李新等建立了洱海流域水環(huán)境承載力多目標(biāo)優(yōu)化模型，并運用層次分析法確定不同指標(biāo)對研究區(qū)水環(huán)境承載力的權(quán)重。由于研究角度和方法的差異性，導(dǎo)致國內(nèi)外對水生態(tài)承載力的研究至今仍未形成一個較為科學(xué)、系統(tǒng)的理論體系。隨著相關(guān)研究的不斷拓展和深入，水生態(tài)承載力涉及到了很多領(lǐng)域，其研究方法也在不斷完善和創(chuàng)新。但迄今為止，能夠綜合描述水生態(tài)承載力復(fù)雜性和動態(tài)性的模型還比較缺乏，也沒有專門研究水生態(tài)承載力的方法和模型。由于水生態(tài)承載力與水資源承載力、水環(huán)境承載力、生態(tài)承載力間聯(lián)系緊密，因此，可以借鑒其方法和模型對水生態(tài)承載力進(jìn)行評價研究。目前，水生態(tài)承載力常用的研究方法主要有主成分分析法、多目標(biāo)優(yōu)化模型法、系統(tǒng)動力學(xué)法、常規(guī)趨勢法等。

主成分分析法是將多個復(fù)雜的相關(guān)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)具有代表性的主成分的統(tǒng)計方法，可以在數(shù)據(jù)信息最大保留的情況下，將多個指標(biāo)科學(xué)合理地轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)，并客觀地給出各指標(biāo)的權(quán)重，極大程度地避免了人的主觀隨意性，較為符合水生態(tài)承載力的評價原則；多目標(biāo)優(yōu)化法不追求單個目標(biāo)的最優(yōu)化，而追求水資源、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境整體最優(yōu)，通過模型確定區(qū)域水資源的承載能力。在處理社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)一類的復(fù)雜的多目標(biāo)群決策問題上比較適用，但是該模型方法在求解技術(shù)、規(guī)劃目標(biāo)的選取上還存在一定的難度；系統(tǒng)動力學(xué)法是一種計算機(jī)實驗仿真法，可以對水生態(tài)承載力進(jìn)行定性與定量有機(jī)結(jié)合的分析，適合對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其動態(tài)行為進(jìn)行分析，但在模擬長期發(fā)展?fàn)顩r時的參變量難以掌握，容易產(chǎn)生不合理的結(jié)論，因而，其多用于模擬事件的中短期發(fā)展；常規(guī)趨勢法計算簡單且直觀，可以估算某些承載力因子潛力的大小，但是其不能夠很好地考慮到各承載因子之間的相互關(guān)系，只能從供水量和需水量方面對供需平衡作簡單的分析，不能很好地反映水生態(tài)承載力。由于水資源、生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)間關(guān)系復(fù)雜，且影響因子較多，因此，水生態(tài)承載力的各種方法均存在不足之處，還需對其進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。本文在權(quán)衡各個研究方法后，選取主成分分析法對晉西北水生態(tài)承載力進(jìn)行研究。

2研究區(qū)概況

右玉縣位于山西省西北端，隸屬于山西省朔州市，境內(nèi)四周環(huán)山，南高北低，主要有蒼頭河、源子河兩大河流。蒼頭河屬于黃河水系，是右玉境內(nèi)最大的一條河流，主流全長95.5km，流域面積2103km2，多年平均徑流量為9.23×107m3，清水流量0.3m3/s；源子河屬海河水系，是位于右玉縣南部的一條季節(jié)性河流，河長110km，流域面積為2083km2，多年平均徑流量為1.756×107m3，清水流量為0.2m3/s。右玉縣具有半干旱氣候特征，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，全縣多年（1957—2010年）平均降水量420.15mm，降水多集中在7，8，9月，由于研究區(qū)降水集中且強(qiáng)度相對較大，而且徑流快，導(dǎo)致區(qū)域水土流失嚴(yán)重，該縣降水量不僅在空間上分布不均勻，在豐、平、枯水年也有較大差異，一年內(nèi)差異懸殊。右玉縣農(nóng)業(yè)發(fā)展較快，屬于全國的小雜糧基地縣之一，2011年，全縣人口總數(shù)達(dá)到了112782人，其中，農(nóng)村人口大約為62281人，大約占總?cè)丝诘?/2以上。右玉縣具有“國家水土保持生態(tài)文明縣”的稱號，多年來，全縣大力開展退耕還林還草，不僅促進(jìn)了林草業(yè)發(fā)展，而且在很大程度上改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

3研究方法

水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系的建立為了更加深入地研究和應(yīng)用水生態(tài)承載力理論，必須對其開展量化研究。總結(jié)前人的研究成果，得出應(yīng)該建立科學(xué)的評價指標(biāo)體系，運用數(shù)學(xué)理論和方法找出影響水生態(tài)承載力的各個因素間的關(guān)系，以便對特定時間的水生態(tài)承載力進(jìn)行定量分析。水生態(tài)承載力的研究涉及到資源、環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)等各個方面，因此，其影響因素也是多種多樣的，包括水資源的儲量、質(zhì)量及開發(fā)利用的水平；科技發(fā)展水平；生產(chǎn)力及消費水平；人口和勞動力水平；政策、法律法規(guī)和其他資源的開發(fā)利用潛力等方面。水生態(tài)承載力的評價指標(biāo)體系是一個相當(dāng)龐大的體系，它不僅是評價水生態(tài)承載力大小的依據(jù)，同時也是水生態(tài)承載力的決策工具[25]。所以，建立水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系應(yīng)遵循以下原則：（1）水生態(tài)評價指標(biāo)體系應(yīng)該既能夠很好地反映水生態(tài)承載力的理論內(nèi)涵，又能夠度量水生態(tài)承載力的大小；（2）水生態(tài)承載力的指標(biāo)體系應(yīng)該在避免指標(biāo)之間重疊的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的總體特征有一個全面的概括；（3）水生態(tài)承載力指標(biāo)體系須易于操作，體系中的評價指標(biāo)應(yīng)該盡可能地簡化，并且數(shù)據(jù)容易獲得，對于準(zhǔn)確數(shù)據(jù)較難獲得的，可以用能夠間接反映其特性的綜合指標(biāo)來代替；（4）構(gòu)建的評價指標(biāo)體系應(yīng)盡可能地合理、清晰。

4結(jié)果與分析

4.1水生態(tài)承載力的主成分分析在整理了右玉縣水利局提供的數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，查閱《朔州市水資源公報》、《右玉統(tǒng)計年鑒》得到人口、水資源及社會經(jīng)濟(jì)狀況等相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)計算和研究需要對其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。選取右玉縣水生態(tài)承載力17個指標(biāo)，其相應(yīng)數(shù)值如表1所示。運用SPSS21.0軟件對右玉縣水生態(tài)承載力評價指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到驅(qū)動因子的相關(guān)系數(shù)矩陣（表2）、水生態(tài)承載力評價指標(biāo)的主成分的特征值和貢獻(xiàn)率（表3）。從表2可以看出，選取的17個水生態(tài)承載力指標(biāo)間具有一定的相關(guān)性，并且許多指標(biāo)間都具有高度相關(guān)，這是進(jìn)行主成分分析的基本條件，也表明了進(jìn)行主成分分析非常必要。由表3可知，根據(jù)累計貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的原則，前3個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)88.89%，超過了85%，認(rèn)為3個主成分可以較好地反映右玉縣水生態(tài)承載力變化的驅(qū)動因子，基本可以代表全部因子對右玉縣水生態(tài)承載力的影響，因此，選擇前3個主成分進(jìn)行分析。主成分載荷表示主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù)，右玉縣水生態(tài)承載力主成分載荷矩陣如表4所示。第一主成分主要與總?cè)丝凇鴥?nèi)生產(chǎn)總值GDP、工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量、城鎮(zhèn)生活用水量之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與地表水資源開發(fā)利用率和地表供水量之間具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系；第1主成分基本包含了人口、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和地表水資源開發(fā)利用水平的主要因子；第2主成分主要與地下水供水量和地下水資源開發(fā)利用率有較強(qiáng)的正相關(guān)，可以認(rèn)為第2主成分主要代表地下水資源開發(fā)利用水平，可見地下水開發(fā)利用水平也是影響右玉縣水生態(tài)承載力的關(guān)鍵因子之一，因此，應(yīng)提高地下水的開發(fā)利用水平；第3主成分主要與工業(yè)產(chǎn)值用水量有較大正相關(guān)關(guān)系，可以代表工業(yè)用水效率。3個主成分包含了需水主體、供水和用水等主要指標(biāo)，能較好地代表晉西北右玉縣的水生態(tài)承載力驅(qū)動因子。隨著人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對水資源的需求量也急劇增加，同時在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中會產(chǎn)生大量污水，對水生態(tài)承載力產(chǎn)生了很大的影響。但經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技創(chuàng)新的出現(xiàn)使得水資源的開發(fā)利用率大大增加，污水處理及回用能力也得到增強(qiáng)，這些發(fā)展和進(jìn)步將會在一定程度上提高研究區(qū)的水生態(tài)承載力。2003—2011年右玉縣人口呈現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)定增長的狀態(tài)，對生活用水的需求量不斷增加，同時人口的增加又加劇了水污染程度，對水生態(tài)承載力產(chǎn)生很大的影響。

4.2主成分綜合得分分析根據(jù)各主成分貢獻(xiàn)率和主成分得分對2003—2011年的水生態(tài)承載力進(jìn)行了綜合評價，計算可以得出各年水生態(tài)承載力綜合得分，變化趨勢如圖1所示。對于水生態(tài)承載力的綜合得分而言，其綜合得分值越大，說明水生態(tài)承載狀況相對越好，反之承載狀況較差，綜合得分出現(xiàn)波動狀態(tài)可以展現(xiàn)水生態(tài)承載力的動態(tài)變化情況。由圖1可知，2003—2007年水生態(tài)承載力存在明顯的波動變化，對表1中右玉縣水資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)加以分析得出，統(tǒng)計年份中2004年總用水量最大，且農(nóng)村生活用水量明顯高出其他年份2倍左右，而研究區(qū)2007年地下水開發(fā)利用率和地下水總供水量在所有統(tǒng)計年份中最低，對水生態(tài)承載力產(chǎn)生較大的影響，因此，2004，2007年水生態(tài)承載力出現(xiàn)明顯的降低；2008—2011年研究區(qū)水資源承載力基本呈現(xiàn)逐漸增長的態(tài)勢，由數(shù)據(jù)資料可知，右玉縣的人口和經(jīng)濟(jì)逐年增長，但其總用水量明顯低于前5a，說明隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，水資源開發(fā)利用率大大增加。

5結(jié)論

晉西北右玉縣水生態(tài)承載力影響因子眾多，運用主成分分析得出影響右玉縣水生態(tài)承載力的三大主成分，其中包括人口數(shù)量、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r以及水資源開發(fā)利用水平等各方面因子，且人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模是影響水生態(tài)承載力的關(guān)鍵因子。三大主成分涵蓋了需水主體、供水和用水等主要指標(biāo)，能較好地代表右玉縣水生態(tài)承載力驅(qū)動因子。近年來，隨著科技進(jìn)步，工農(nóng)業(yè)用水效率有了很大程度的提升，加之節(jié)水措施的普及和節(jié)水觀念的深入人心，右玉縣水生態(tài)承載力總體呈現(xiàn)出增長的態(tài)勢，但是隨著人口的增加和社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水、生活用水也隨之增加，水資源的供需矛盾將會日益嚴(yán)重，因此，應(yīng)在嚴(yán)格控制水污染的同時，不斷提高水資源的開發(fā)利用率和節(jié)水水平。考慮到右玉縣屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)縣，必須將科技創(chuàng)新融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大力推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，最大程度地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水效率。基于主成分分析法得出的右玉縣水生態(tài)承載力狀況，合理優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使其逐步向節(jié)水型經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。加快建設(shè)高效節(jié)水技術(shù)體系，大力提高污水處理及回用水平；科學(xué)合理地確定植被比例、結(jié)構(gòu)、空間配置和分布密度，研發(fā)切合實際的最優(yōu)用水比例和水資源高效利用的喬、灌、草優(yōu)化配置技術(shù)。根據(jù)右玉縣水生態(tài)承載力狀況，尋求水資源的最優(yōu)管理模式，為晉西北地區(qū)提供充分的技術(shù)儲備和示范樣板。

作者：胡晉飛 楊永剛 秦作棟 李晉昌 孟志龍 單位：山西大學(xué)黃土高原研究所 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心