水资源分析

课 程 论 文

题 目

浙江省水资源承载能力综合评价研究

学 院 数学与信息科学 专 业 班 级 学生姓名

11统计本 倪楚

学 号 指导教师

温

州

大

学

教

务

处

制

统计 [1**********]

周丽

浙江省水资源承载力综合评价研究

摘要：针对模糊综合评判法在综合评价中存在的主观随意性问题,提出采用主成分分析法聚类法进行区域水资源承载能力综合评价差异研究。此次研究，选取了2011年浙江各各区域的人均水资源量、供水总量、降水量、水资源利用率、万元GDP用水量、人口密度、固定资产投资、城市家庭用水户数(公共供水)、城镇人口比重、耗水量、退水量、有效灌溉面积、旱涝保收面积、城市污水处理总量、城市建成区绿地面积这15个主要因素进行了分析。然后，根据主成分分析法的原理,运用少数几个新的综合指标对原来的15个指标所包含的信息进行最佳综合与简化，研究其在各区域水资源开发利用过程中的不同贡献及综合效应；同时，以评价参数的分级标准为基础,通过主成分关系式,得出相应的主成分评判水资源承载能力的分级标准，据此，对各分区的水资源承载潜力进行了评判。同时也根据15个指标利用聚类法对浙江省11个市进行了聚类，以比较各类之间的水资源承载能力差异。

关键词：水资源承载力；区域差异；主成分分析

1研究背景

水是自然环境的重要组成部分，是维系人类生存与发展的最基本条件之一，人类文明的盛衰变迁无不与水密切相关。水系统与经济社会的关系是构建和谐社会的重要基础。作为国家发展的三大战略资源，水资源的可持续利用己成为我国经济社会发展的战略问题。本世纪水资源问题将关系到我国全面小康社会的建设直至基本现代化的顺利实现。由于人口和经济增长，水资源管理不善和污染物排放所带来的各种水问题已使我国的淡水资源受到了越来越大的压力。一方面，我国人口增长和经济的高速发展导致了工农业和人民生活用水的持续增加，用水浪费严重,用水效率低下，进一步加剧了供需矛盾，另一方面,我国水生态环境也不断恶化。此外，河湖萎缩,森林、草原退化，土地沙化，部分地区地下水超量开采等问题，使水生态环境更加恶化水资源的短缺也威胁到粮食安全，地下水位的下降和灌溉用水的减少将严重影响谷物的收成。

总之，水是人类赖以生存和发展的重要资源,是可持续发展的基础条件，关系到子孙后代的长远利益。水资源是一种可恢复和可更新的再生自然资源，是社会经济持续发展的基础支持系统之一，从长远来看,中国的水资源问题主要是短缺问题,它将成为中国社会经济持续、快速、健康发展的重要制约因素。为保证水资源的可持续利用，在处理水资源的供需问题时，应以水资源的承载能力为前提，以防止处理不当导致环境质量和生态系统的恶化，甚至引发生命支持系统的破坏。

水资源承载能力是随着我国人口的增加和经济社会的迅速发展，水资源与区域的社会需求矛盾日益突出而提出来的，到现在已有近二十年的历史。区域水资源承载能力是指在一定经济技术水平和社会生产条件下，水资源可最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力，的研究对于分析区域的经济发展模式以及布局等宏观区域规划具有重要意义。

2研究意义

研究不同自然资源条件的地区水资源对经济社会发展的支撑作用和承载能力，对于分析区域的经济发展模式以及布局等宏观区域规划具有重要意义。水资源承载能力是区域可持续发展过程中各种自然资源承载能力的重要组成部分，是制定经济社会发展与生态环境保护战略，寻求可持续发展模式的重要依据之一。研究区域经济社会发展过程中的水资源供需平衡与维持生态环境的基本途径，可为经济社会可持续发展和生态环境保护提供水资源保障的决策支持依据和可行性分析信息。

（l）水资源承载能力是可持续发展的基础,开展水资源承载能力的研究对于实施 水资源可持续利用和社会经济可持续发展的宏观规划具有重要意义； （2）对生态环境保护的长远战略规划提供科学依据； （3）对地区经济发展、生活水平提高有重要意义

3 区域水资源承载能力综合评价研究方法和评价指标

3.1 研究方法

主要使用的是主成分分析法和聚类分析法。聚类分析法是一种根据“物以聚类”的原理，对样品进行分类的多元统计分析方法。主成分分析法的工作目标，就是要在力保数据信息丢失最小的原则下，对高维变量空间进行降维处理，即在保证数据信息损失最小的前提下，经线性变换和舍弃一小部分信息，以少数的综合变量取代原始采用的多维变量。原变量为X1，X2…，Xj主成分分析后得到的新变量为Z1，Z2,…Zm，均是X1，X2…Xj，的线性组合(m

主成分分析的步骤如下： （1）数据的标准化处理

Yij

XijXj

Sj

i=1，2，…，I， j=1，2，…，J

Xij为第i个分区第j个指标的值,Xj，Sj为第j个指标的样本均值和样本标准差。

（2）计算数据表(Yij)I*J的相关矩阵R。

（3）求R的J个特征值:λ1≥λ2≥…≥λJ，以及对应的特征向量u1，u2，…，uJ，它们标准正交u1，u2，…，uJ称为主轴。 (4)求主成分：

ZkujXj j=1，2，…，J， k=1，2，…，J

j1

J

(5)精度分析

一个m维主超平面究竟以多大的精度来近似替代原变量系统以确保尽可能

多的数据信息？我们可以通过求累计贡献率E来判断：

E



k1Jj1

m

k



，如取

j

E>80%的最小m，则可得主超平面的维数m，从而可对m个主成分进行综合分析。

3.2 评价指标

水资源承载能力通过若干特征，我们把这些变量界定为评价指标，因此，这些评价指标就成为测定水资源承载力的指示器，这里我们选取了人均水资源量、供水总量、降水量、水资源利用率、万元GDP用水量、人口密度、固定资产投资、城市家庭用水户数(公共供水)、城镇人口比重、耗水量、退水量、有效灌溉面积、旱涝保收面积、城市污水处理总量、城市建成区绿地面积这15个主要因素作为评价指标，各指标的含义如下：

表1 浙江省水资源承载能力综合评价指标

4区域水资源承载能力综合评价过程

4.1主成分分析

目前对城市水资源承载力的研究中，研究者大多采用主成分分析法、RBF 神经网络模型、系统动力学方法、多目标和多决策法等。由于区域水资源承载力的影响因素众多，各因素之间关系错综复杂，因此，准确评价区域水资源承载力的关键在于科学合理地确定评价指标体系中各因素的相对重要性以及评价分级的方法。此次研究我们采用主成分分析法。为了消除量纲，我们首先对原始数据进行了标准化，见表2：

说明：B1：杭州市 B2：宁波市 B3：嘉兴市 B4：湖州市 B5：绍兴市 B6：舟山市 B7：温州市 B8：金华市 B9：衢州市 B10：台州市 B11：丽水市 其中yi为标准化的Xi；

表2 浙江省各市15项标准化指标

0.25 2.68 0.40 0.07 0.05 -0.75 2.44 1.84 1.70

-0.49 0.14 0.49 -0.10 -1.11 -0.53 0.55 1.77 1.13 0.20

-0.45 0.01 -0.10 -0.50 -0.48 1.40 0.44 0.46 0.82 0.32

-0.99 -0.04 -1.46 2.80 -0.16 -0.47 0.37 -0.20 -0.56 0.30

-0.27 -0.16 -1.53 0.38 1.02 -0.25 -0.51 -0.34 -0.69 -0.14

-0.27 0.13 -0.25 -0.06 -0.33 -1.16 0.29 -0.26 0.01 0.22

0.04 -0.09 0.98 -0.48 -0.06 -0.89 -0.43 -0.72 0.09 0.13

1.29 -0.46 1.33 -0.69 2.00 0.05 -0.89 -0.98 -1.68 -0.48

-0.99 -1.37 -0.54 -0.19 -1.59 1.12 -0.93 -0.55 0.59 -1.95

-0.46 -0.01 1.30 -0.25 -0.20 -0.37 -0.25 0.09 -0.38 0.02

2.35 -0.83 -0.61 -0.98 0.87 1.84 -1.08 -1.11 -1.02 -0.84

y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y8 y9

y10 2.22

y11 2.59 y12 0.60 y13 0.74 y14 2.35 y15 2.56

0.34 1.09 0.99 1.46 1.16

0.24 -0.11 -0.54 0.23 -0.23

-0.33 1.27 1.57 -0.41 -0.22

-0.39 0.06 0.56 -0.47 -0.27

0.12 0.53 0.21 -0.28 -0.22

0.15 0.47 0.36 -0.61 -0.51

-0.48 -0.73 -0.59 -0.62 -0.62

-1.24 -2.26 -1.91 -0.70 -0.70

0.04 -0.08 -0.34 -0.25 -0.08

-1.02 -0.83 -1.05 -0.71 -0.85

计算各指标的协方差cov( yi，yj)，i=1，2，…，15；j=1，2，…，15及相关矩阵R，计算结果见表3，以及主成分的特征值及贡献率（表4）。由表3可知，所选取的因子之间存在一定的相关关系， 这是进行主成分分析的基础和条件， 也进一步验证了对因子做主成分分析的必要性和科学性。

表3 浙江省各市15项指标的相关矩阵

yi y1

y1 1

y2

y3

y4

y5

y6

y7

y8

y9 y10 y11 y12 y13 y14 y15

-0.1 0.2 -0.5 0.7 0.4 -0.3 -0.4 -0.5 -0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.1 -0.2 1

0.2 0.1 0.0 -0.5 0.9 0.7 0.6 1.0 1.0 0.6 0.6 0.8 0.9 1

-0.6 0.1 -0.2 0.1 0.2 0.1 0.2 0.3 0.0 -0.2 0.2 0.2 1

-0.2 -0.4 0.3 0.1 0.0 0.2 0.0 0.5 0.7 0.0 0.1 1

0.0 -0.3 -0.4 -0.7 0.1 -0.1 0.0 0.0 -0.3 -0.2 1

-0.5 -0.3 -0.2 -0.6 -0.5 -0.7 -0.7 -0.3 -0.4 1

0.9 0.7 0.9 0.9 0.6 0.6 0.9 0.9 1

0.8 0.7 0.8 0.5 0.5 1.0 0.9 1

0.5 0.7 0.2 0.2 0.8 0.7 1

0.9 0.8 0.7 0.8 0.8 1

0.6 0.5 0.9 0.9 1

1.0 0.5 0.5 1

0.4 0.5 1

1.0 1

y2 -0.1 y3

0.2 0.2

y4 -0.5 0.1 -0.6 y5 y6

0.7 0.0 0.1 -0.2

0.4 -0.5 -0.2 -0.4 0.0

y7 -0.3 0.9 0.1 0.3 -0.3 -0.5

y8 -0.4 0.7 0.2 0.1 -0.4 -0.3 0.9

y9 -0.5 0.6 0.1 0.0 -0.7 -0.2 0.7 0.8

y10 -0.1 1.0 0.2 0.2 0.1 -0.6 0.9 0.7 0.5

y11 -0.1 1.0 0.3 0.0 -0.1 -0.5 0.9 0.8 0.7 0.9

y12 -0.2 0.6 0.0 0.5 0.0 -0.7 0.6 0.5 0.2 0.8 0.6

y13 -0.3 0.6 -0.2 0.7 0.0 -0.7 0.6 0.5 0.2 0.7 0.5 1.0

y14 -0.1 0.8 0.2 0.0 -0.3 -0.3 0.9 1.0 0.8 0.8 0.9 0.5 0.4

y15 -0.2 0.9 0.2 0.1 -0.2 -0.4 0.9 0.9 0.7 0.8 0.9 0.5 0.5 1.0

一般按累计贡献率≥85%的原则确定主成分数，从表4可得前3主成分的累积

贡献率已经达到了85.661%，能很全面的反映影响各市水资源承载力的驱动因子。

表4 主成分的特征值和贡献率

主成分 1 2 3

特征值 8.123 2.47 2.256

贡献率（%）

54.155 16.468 15.039

累计贡献率（%）

54.155 70.622 85.661

由表5因子载荷矩阵可以看出 ，第一主成分与y8，y9，y11，y12，y13，y14，y15之间存在着较强的正相关关系，与y6，y10存在较强的负相关关系，第二主成分与y1，y2，y3，y4间存在的较强的正相关关系，第三主成分与y5，y7之间存在的较强的正相关关系。

第一主成分主要体现了人口和生态环境系统影响因子且该因子是主要因子，人口作为水资源承载力的客体，既是动力因素也是压力因素，随着人口的不断增多，需水量也不断增加，同时人类活动也导致水污染加重，给水资源承载力造成更大的压力，。耗水量指的是用水过程中所消耗的、不可回收利用的净用水量，耗水量越大，说明该地区的水的利用率越低，水资源承载能力压力越大。生态环境即体现了水资源与城市经济发展的协调程度，它一方面对城市水资源承载力起支撑作用，另一方面也对其产生压力。第二主成分体现了水资源系统影响因子，人均水资源量，供水量总量，降水量，水资源重复利用率都是保障一个地区水资源支撑人民生活的基础。第三主成分体现了社会经济系统影响因子，各地区经济发展程度不同，随着经济发展和科学技术的进步，经济用水效益的将会不断提高，对水的重复利用以及污水处理等各方面能力也会提高，这又将对各市水资源承载力的提高起到积极的促进作用。

表5 因子载荷矩阵

变量 1

2

3

利用因子载荷矩阵和特征值，计算得到对应的特征向量，见表6： 表6 相关矩阵的特征向量 特征向量 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12

u1 -0.114 0.323 0.049 0.101 -0.088 -0.209 0.339 0.314 -0.252 0.319 0.327 0.252

u2 0.342 0.115 0.389 0.557 0.064 0.235 0.038 0.102 0.153 0.023 0.167 -0.293

u3 0.425 0.153 0.148 -0.029 0.604 -0.198 -0.036 -0.188 -0.411 0.223 0.095 0.224

X13 X14 X15

0.247 0.318 0.328

-0.370 0.200 0.150

0.220 -0.076 -0.026

由表6，我们可以写出各指标与主成分的关系：

Z1=-0.114X1+0.323X2+0.049X3+0.101X4-0.088X5-0.029X6+0.330X7+0.314X8+0.252 X9+0.319X10+0.327X11-0.252X12+0.247X13+0.318X14+0.328X15

Z2=0.342X1+0.115X2+0.389X3+0.557X4+0.064X5+0.235X6+0.038X7+0.10X8+0.153X9+0.023X10+0.167X11-0.293X12-0.370X13+0.200X14+0.150X15

Z3=0.425X1+0.153X2+0.148X3-0.029X4+0.604X5-0.198X6-0.036X7-0.188X8-0.411X

9+0.233X10+0.095X11+0.224X12+0.220X13-0.076X14-0.026X15

由主成分Z1，Z2，Z3与客观权重

*

3

e1=8.123/（8.123+2.47+2.256)=0.63，

e2=0.19，e3=0.18之积，ZejZj，各分区水资源承载能力的综合评判结果，

j1

见表7。

表7 浙江省各地区水资源承载能力的综合评判结果 地区 Z1

Z2

Z3 Z 排序

通过综合评判结果我们可以看出，杭州市的水资源承载能力是排在首位，其次是宁波市，温州市，台州市水资源承载能力也相对靠前排在了第4，排在最后的是丽水市和衢州市，金华市也较为靠后，排在了倒数第三。其中杭州市，宁波市，嘉兴市，湖州市，绍兴市，舟山市属于浙东北，温州市，金华市，衢州市，台州市，丽水市属于浙西南，其中浙西南的大多数城市排名都靠后，浙东北的地区排名大多是靠前。浙东北的地区其地貌多为平原，地表水边界水流交换频繁，水利交通发达，经济发展好，科技进步，人们生活水平高，城市布局合理，浙西南的地区多为丘陵山地为主，多是以发展工业为主，排水排污较多，且城市污水处理能力不够。

4.2 聚类分析

利用统计分析软件SPSS对浙江省评价指标进行聚类分析。聚类结果见表8：

表8 离差平方和法聚类结果

地区

杭州市

宁波市

温州市

嘉兴市

湖州市

绍兴市

金华市

衢州市

舟山市

台州市

丽水市 所属类别 1 1 2 2 2 2 2 3 2 2 3

浙江省水资源承载能力分为3 类：第1 类是杭州市，宁波市，第2 类是嘉兴市、绍兴市、湖州市、台州市、舟山市、温州市，第3 类是衢州市、金华市、丽水市。

杭州市，宁波市是浙江省的中心城市，区域优越，开放程度高，融资能力强，创新水平突出，产业分布广，结构竞争力强，这两个城市生产总值、出口总额，城乡发展水平等均走在前列，靠着强有力的经济背景和科技的创新，供水设备，

水资源利用率，污水处理能力等都有很是排在浙江省首位的。所以将这两个市归为一类较为合理。

金华地理位置优越，临近杭州，且是浙江省较为重要的交通要道，经济发展较快，同时金华市是中国十大宜居城市之一，资源环境较好。温州市开拓意识最强的城市，创造了享誉海内外，且为很多重要国家经济政策的试点城市，虽然其经济规模不大，但是温州长期经济增长率较高，使之成为全国富得最快的城市之

一。台州得益于温州和宁波的经济影响力，又较好的利用了自己的经济体制，且其因地制宜，较好较快地发展出了块经济，从而台州的综合竞争力有了很大地飞跃。绍兴由于毗邻宁波与杭州，文化竞争力强，产业特色明显，发放程度较高，有较强的资本实力，发展较快，城市竞争力提升迅速，嘉兴临近上海和长江三角洲，有较好的区位条件，交通发达，有一定的经济基础，发展潜力大。湖州，临近上海和长江三角洲，近年来省政府和市政府的领导下，利用地理优势，发展较快。舟山地处舟山群岛，渔业资源丰富，舟山依托渔业发展，经济发展迅猛。所以把金华，台州，温州，湖州，绍兴，嘉兴，舟山归为一类是合理的。

衢州，丽水因受地域限制，城市基础设施落后，结构竞争力较弱，且人才质量，科技发展水平均不高，城市污水排放量大且污水处理能力落后。其中丽水市如今经济合理的可开发资源越来越少，全市经济、合理、生态的可开发水利项目以不多，且由于旅游，林业的需要，很多水利项目无法实施，这对丽水市供水供电问题提出了挑战。故把衢州和丽水归为一类也算合理。

5 建议

尽管浙江省多年平均年水资源总量较为丰富，位居全国前列，但全省人均年水资源占有量低。2009年浙江水资源公报显示，全省年水资源总量为931.35亿立方米，人均年水资源量为l800立方米，低于联合国2000立方米的贫水警戒线标准。而且浙江省水资源受到时空分布不均匀的限制，人口分布、经济布局与水资源条件不匹配。浙江省水资源具有以下一些特点：1、降水和河川径流的地区分布不均，水土资源组合很不平衡，80%的水资源分布在山区，而经济发达、人口集中的平原和滨海地区不到20%；2、降水及河川径流的年内分配集中，年际变化大；3、河川源短流急，丰枯相差悬殊；4、水污染日趋严重，全省八大水系，运河和主要湖（库）主体水域中，符合《地面水环境质量标准》一、二、三类水标准的占74.3%；符合四类标准的占22.6%；其余为五类或劣于五类水质，大部分平原河网地区的江河污染仍在发展，城市饮用水普遍受到威胁。

随着地方工业经济的发展．水资源不足将越来越制约经济的发展，为了保持

经济持续快速发展，解决水资源不足的问题已经刻不容缓。在资源短缺问题的解决中，开源节流是最为有效的途径，所以水资源承载能力的提高也可以从开源节流入手。

1 通过资源性手段来推动水资源承载能力的提高

在实现水资源承载能力提高的过程中，资源性手段属于开源范畴，其具体措施包括发展水利工程、海水淡化、虚拟水资源以及污水资源化等。

2 通过结构性手段来推动水资源承载能力的提高

（1）对产业结构做出调整

产业结构配置直接关系着水资源利用量，所以在推动水资源承载能力提高的过程中要在确保社会发展和产业发展目标得以实现的基础上对产业机构作出调整，以流域水资源状态为依据来对高耗水行业作出限制而给予低耗水行业支持，从而实现水资源承载力以及利用率的。

（2）保护生态环境

虽然减少在生态环境方面的水资源投入能够实现节水的目的，但是如果不能在生态环境保护中给予足够的资金支撑和技术支撑，则生态环境很容易受到破坏，在此背景下所造成的水资源承载力损失将可能使用更多的投资以及更多的时间也难以恢复，所以通过保护生态资源来涵养水源是在在降低成本基础上有效提高水资源承载能力的有效措施。

3 通过经济和政策性手段来提高水资源承载能力

提倡节水是有效提高水资源承载能力的重要手段，同时也是浙江省在水源管理中的重要任务。对水资源进行统一的管理与调度是确保水资源得以合理开发、治理、利用、节约、配置以及保护的关键途径。当然强化水资源管理法规制定与宣传也是必不可少的。

5 参考文献

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