晋西北水生态承载力评价范文

随着社会经济的快速发展，水资源的开发利用及污染程度随之增加，导致淡水资源的供应急剧减少，产生了严重的生态环境问题。水资源的供需矛盾致使社会经济用水大量挤占生态用水，土地沙化趋势不断蔓延，尤其是在晋西北干旱地区，水资源成为社会经济发展的主要限制因素之一。水资源供给与社会经济发展间日益激化的矛盾，对区域经济的增长和社会稳定产生了严重的影响，依靠科技创新，大幅度提高水资源对社会经济发展的保障能力已刻不容缓。近年来，水资源以及生态环境问题愈发受到社会的重视，许多学者对资源与环境承载力的概念进行扩展和完善后，提出了水生态承载力的概念，使承载力的研究更加注重生态系统的稳定性、完整性以及协调性，也更加符合生态环境可持续发展原则。水生态承载力的分析和评价研究是晋西北缺水地区实施资源与生态环境可持续发展的重要依据，其相关研究涉及到了水资源、生态环境和社会经济系统等各个方面，已经逐渐成为了现阶段研究的重点与热点问题。主成分分析法可以在数据信息损失最小的情况下，对多指标因子进行合理的简化，采用具有代表性的主成分进行评价研究，可以在很大程度上避免主观随意性。基于构建的评价指标体系，运用主成分分析法对右玉县的水生态承载力进行综合评价，得出水生态承载力的影响因子和变化趋势，旨在为提高晋西北水生态承载力，实现区域生态效益、经济效益和社会效益最大化提供理论依据和数据支撑。

1水生态承载力研究概述

20世纪70年代末，人口、经济、水资源与生态环境问题不断加剧，水环境承载力、水资源承载力、水生态承载力的研究应运而生。国外大都将水生态承载力的研究与可持续发展理论相结合，很少对其进行单独研究，通常将水生态承载力用作衡量可持续发展的标准。我国对水生态承载力的相关研究于20世纪80年代末由新疆水资源软科学课题研究组率先开展。2004年，高吉喜在《可持续发展理论探索———生态承载力理论、方法与应用》一书中详细叙述了生态承载力与可持续发展之间的相互关系；2009年，李靖等将系统动力学模型与隶属度相结合，综合运用构建的水生态承载力系统动力学仿真模型，分析模拟了叶尔羌河流域不同方案下的水生态承载力；2011年，李新等建立了洱海流域水环境承载力多目标优化模型，并运用层次分析法确定不同指标对研究区水环境承载力的权重。由于研究角度和方法的差异性，导致国内外对水生态承载力的研究至今仍未形成一个较为科学、系统的理论体系。随着相关研究的不断拓展和深入，水生态承载力涉及到了很多领域，其研究方法也在不断完善和创新。但迄今为止，能够综合描述水生态承载力复杂性和动态性的模型还比较缺乏，也没有专门研究水生态承载力的方法和模型。由于水生态承载力与水资源承载力、水环境承载力、生态承载力间联系紧密，因此，可以借鉴其方法和模型对水生态承载力进行评价研究。目前，水生态承载力常用的研究方法主要有主成分分析法、多目标优化模型法、系统动力学法、常规趋势法等。

主成分分析法是将多个复杂的相关变量转化为少数具有代表性的主成分的统计方法，可以在数据信息最大保留的情况下，将多个指标科学合理地转化为少数几个综合指标，并客观地给出各指标的权重，极大程度地避免了人的主观随意性，较为符合水生态承载力的评价原则；多目标优化法不追求单个目标的最优化，而追求水资源、社会经济、生态环境整体最优，通过模型确定区域水资源的承载能力。在处理社会经济系统一类的复杂的多目标群决策问题上比较适用，但是该模型方法在求解技术、规划目标的选取上还存在一定的难度；系统动力学法是一种计算机实验仿真法，可以对水生态承载力进行定性与定量有机结合的分析，适合对系统的结构及其动态行为进行分析，但在模拟长期发展状况时的参变量难以掌握，容易产生不合理的结论，因而，其多用于模拟事件的中短期发展；常规趋势法计算简单且直观，可以估算某些承载力因子潜力的大小，但是其不能够很好地考虑到各承载因子之间的相互关系，只能从供水量和需水量方面对供需平衡作简单的分析，不能很好地反映水生态承载力。由于水资源、生态环境与社会经济间关系复杂，且影响因子较多，因此，水生态承载力的各种方法均存在不足之处，还需对其进行进一步的分析研究。本文在权衡各个研究方法后，选取主成分分析法对晋西北水生态承载力进行研究。

2研究区概况

右玉县位于山西省西北端，隶属于山西省朔州市，境内四周环山，南高北低，主要有苍头河、源子河两大河流。苍头河属于黄河水系，是右玉境内最大的一条河流，主流全长95.5km，流域面积2103km2，多年平均径流量为9.23×107m3，清水流量0.3m3/s；源子河属海河水系，是位于右玉县南部的一条季节性河流，河长110km，流域面积为2083km2，多年平均径流量为1.756×107m3，清水流量为0.2m3/s。右玉县具有半干旱气候特征，属于典型的大陆性季风气候，全县多年（1957—2010年）平均降水量420.15mm，降水多集中在7，8，9月，由于研究区降水集中且强度相对较大，而且径流快，导致区域水土流失严重，该县降水量不仅在空间上分布不均匀，在丰、平、枯水年也有较大差异，一年内差异悬殊。右玉县农业发展较快，属于全国的小杂粮基地县之一，2011年，全县人口总数达到了112782人，其中，农村人口大约为62281人，大约占总人口的1/2以上。右玉县具有“国家水土保持生态文明县”的称号，多年来，全县大力开展退耕还林还草，不仅促进了林草业发展，而且在很大程度上改善了当地的生态环境。

3研究方法

水生态承载力评价指标体系的建立为了更加深入地研究和应用水生态承载力理论，必须对其开展量化研究。总结前人的研究成果，得出应该建立科学的评价指标体系，运用数学理论和方法找出影响水生态承载力的各个因素间的关系，以便对特定时间的水生态承载力进行定量分析。水生态承载力的研究涉及到资源、环境、社会经济等各个方面，因此，其影响因素也是多种多样的，包括水资源的储量、质量及开发利用的水平；科技发展水平；生产力及消费水平；人口和劳动力水平；政策、法律法规和其他资源的开发利用潜力等方面。水生态承载力的评价指标体系是一个相当庞大的体系，它不仅是评价水生态承载力大小的依据，同时也是水生态承载力的决策工具[25]。所以，建立水生态承载力评价指标体系应遵循以下原则：（1）水生态评价指标体系应该既能够很好地反映水生态承载力的理论内涵，又能够度量水生态承载力的大小；（2）水生态承载力的指标体系应该在避免指标之间重叠的基础上，对系统的总体特征有一个全面的概括；（3）水生态承载力指标体系须易于操作，体系中的评价指标应该尽可能地简化，并且数据容易获得，对于准确数据较难获得的，可以用能够间接反映其特性的综合指标来代替；（4）构建的评价指标体系应尽可能地合理、清晰。

4结果与分析

4.1水生态承载力的主成分分析在整理了右玉县水利局提供的数据资料的基础上，查阅《朔州市水资源公报》、《右玉统计年鉴》得到人口、水资源及社会经济状况等相关数据，根据计算和研究需要对其中的部分数据进行相应的处理。选取右玉县水生态承载力17个指标，其相应数值如表1所示。运用SPSS21.0软件对右玉县水生态承载力评价指标进行统计分析，得到驱动因子的相关系数矩阵（表2）、水生态承载力评价指标的主成分的特征值和贡献率（表3）。从表2可以看出，选取的17个水生态承载力指标间具有一定的相关性，并且许多指标间都具有高度相关，这是进行主成分分析的基本条件，也表明了进行主成分分析非常必要。由表3可知，根据累计贡献率达到85%的原则，前3个主成分累计贡献率达88.89%，超过了85%，认为3个主成分可以较好地反映右玉县水生态承载力变化的驱动因子，基本可以代表全部因子对右玉县水生态承载力的影响，因此，选择前3个主成分进行分析。主成分载荷表示主成分与变量之间的相关系数，右玉县水生态承载力主成分载荷矩阵如表4所示。第一主成分主要与总人口、国内生产总值GDP、工业产值、农业产值、工业用水量、农业用水量、城镇生活用水量之间具有较强的正相关关系，与地表水资源开发利用率和地表供水量之间具有较强的负相关关系；第1主成分基本包含了人口、社会经济发展状况和地表水资源开发利用水平的主要因子；第2主成分主要与地下水供水量和地下水资源开发利用率有较强的正相关，可以认为第2主成分主要代表地下水资源开发利用水平，可见地下水开发利用水平也是影响右玉县水生态承载力的关键因子之一，因此，应提高地下水的开发利用水平；第3主成分主要与工业产值用水量有较大正相关关系，可以代表工业用水效率。3个主成分包含了需水主体、供水和用水等主要指标，能较好地代表晋西北右玉县的水生态承载力驱动因子。随着人口和经济规模的不断扩大，对水资源的需求量也急剧增加，同时在经济发展过程中会产生大量污水，对水生态承载力产生了很大的影响。但经济发展、科技创新的出现使得水资源的开发利用率大大增加，污水处理及回用能力也得到增强，这些发展和进步将会在一定程度上提高研究区的水生态承载力。2003—2011年右玉县人口呈现出持续稳定增长的状态，对生活用水的需求量不断增加，同时人口的增加又加剧了水污染程度，对水生态承载力产生很大的影响。

4.2主成分综合得分分析根据各主成分贡献率和主成分得分对2003—2011年的水生态承载力进行了综合评价，计算可以得出各年水生态承载力综合得分，变化趋势如图1所示。对于水生态承载力的综合得分而言，其综合得分值越大，说明水生态承载状况相对越好，反之承载状况较差，综合得分出现波动状态可以展现水生态承载力的动态变化情况。由图1可知，2003—2007年水生态承载力存在明显的波动变化，对表1中右玉县水资源统计数据加以分析得出，统计年份中2004年总用水量最大，且农村生活用水量明显高出其他年份2倍左右，而研究区2007年地下水开发利用率和地下水总供水量在所有统计年份中最低，对水生态承载力产生较大的影响，因此，2004，2007年水生态承载力出现明显的降低；2008—2011年研究区水资源承载力基本呈现逐渐增长的态势，由数据资料可知，右玉县的人口和经济逐年增长，但其总用水量明显低于前5a，说明随着科学技术的进步和发展，水资源开发利用率大大增加。

5结论

晋西北右玉县水生态承载力影响因子众多，运用主成分分析得出影响右玉县水生态承载力的三大主成分，其中包括人口数量、社会经济发展状况以及水资源开发利用水平等各方面因子，且人口和经济规模是影响水生态承载力的关键因子。三大主成分涵盖了需水主体、供水和用水等主要指标，能较好地代表右玉县水生态承载力驱动因子。近年来，随着科技进步，工农业用水效率有了很大程度的提升，加之节水措施的普及和节水观念的深入人心，右玉县水生态承载力总体呈现出增长的态势，但是随着人口的增加和社会经济的不断发展，工农业用水、生活用水也随之增加，水资源的供需矛盾将会日益严重，因此，应在严格控制水污染的同时，不断提高水资源的开发利用率和节水水平。考虑到右玉县属于农业生产强县，必须将科技创新融入农业生产，大力推广农业节水技术，最大程度地提高农业生产的用水效率。基于主成分分析法得出的右玉县水生态承载力状况，合理优化产业结构，使其逐步向节水型经济结构转变。加快建设高效节水技术体系，大力提高污水处理及回用水平；科学合理地确定植被比例、结构、空间配置和分布密度，研发切合实际的最优用水比例和水资源高效利用的乔、灌、草优化配置技术。根据右玉县水生态承载力状况，寻求水资源的最优管理模式，为晋西北地区提供充分的技术储备和示范样板。

作者：胡晋飞 杨永刚 秦作栋 李晋昌 孟志龙 单位：山西大学黄土高原研究所 中国科学院生态环境研究中心