虛擬水視角下的水資源承載力分析論文
摘要：為研究華北地區水資源的可持續發(fā)展能力，引入虛擬水作為評價(jià)華北地區水資源承載力的評價(jià)指標，探討虛擬水戰略的適用性及與水資源承載力的關(guān)系。以水資源總量、總供水量、年降水量等13個(gè)因子作為水資源承載力評價(jià)指標，運用主成分分析法對華北地區的水資源承載力進(jìn)行綜合評價(jià)。結果表明：影響水資源承載力的驅動(dòng)因子主要為經(jīng)濟、人口和水資源及虛擬水凈流量；華北地區水資源承載力處于波動(dòng)上升的趨勢；虛擬水是影響水資源承載力的重要因子，但虛擬水的引入不會(huì )改變水資源承載力的總體變化趨勢。
關(guān)鍵詞：水資源承載力；虛擬水；虛擬水戰略；主成分分析法
地球上淡水資源僅占水資源總量的0.75%,全球現有12億人面臨中度到高度缺水壓力，80個(gè)國家水源不足，20億人飲水得不到保障。我國是一個(gè)嚴重缺水的國家，水資源時(shí)空分布不均勻，大量淡水資源集中在南方，北方淡水資源只占南方的1/4,從可續發(fā)展戰略角度考慮，區域發(fā)展必須考慮水資源的承載能力。20世紀末，水資源安全問(wèn)題已經(jīng)引起世界各國政府的高度重視，水資源安全也隨之成為各國水資源研究的前沿熱點(diǎn)。20世紀80年代初，聯(lián)合國教科文組織提出了資源承載力的概念，80年代中后期水資源承載力的研究作為可持續發(fā)展研究和水資源安全戰略研究中的一個(gè)基礎課題被提出來(lái)。國外對水資源承載力研究較少，基本被納入可持續發(fā)展理論中。我國對水資源承載力的研究最早是在1985年，以施雅風(fēng)院士為首的新疆水資源軟科學(xué)課題研究組提出了水資源承載力的概念，對新疆的WRCC和開(kāi)發(fā)戰略對策進(jìn)行研究，隨后一些學(xué)者從不同角度提出了水資源承載力的概念。對水資源承載力的研究主要集中在流域研究、地區研究、城市研究；對水資源承載力的研究方法主要有常規趨勢法、模糊綜合評價(jià)法、主成分分析法、系統動(dòng)力學(xué)方法、多目標決策法等。目前，已有少數學(xué)者將水資源承載力與虛擬水理論相結合進(jìn)行研究，但其研究處于探索階段，研究成果較少。
虛擬水由英國學(xué)者Allan于1993年首次提出，并將其定義為生產(chǎn)農產(chǎn)品所需要的水資源量；1996年他又對這一概念進(jìn)行了擴展和完善，將其定義為“生產(chǎn)商品或服務(wù)所需要的水資源量”.2003年程國棟院士首次將虛擬水理論引入國內，并以中國西北4省為例探討了虛擬水戰略以及實(shí)施虛擬水戰略的對策建議，隨后虛擬水戰略研究在國內展開(kāi)。虛擬水戰略是水資源和水資源安全研究的創(chuàng )新領(lǐng)域，初步應用在解決我國水資源短缺與糧食安全及水生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題中。虛擬水和虛擬水戰略的研究在我國尚處于初級階段，虛擬水戰略在我國的實(shí)際應用還存在許多問(wèn)題，目前將其應用到現實(shí)并與水資源相關(guān)領(lǐng)域研究的結合也不多見(jiàn)，多屬于定性論述和概念介紹，亟待進(jìn)行深入研究。
虛擬水戰略和水資源承載力均是水資源安全與水資源管理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。水資源承載力評價(jià)指標一般選取與資源、環(huán)境、社會(huì )、經(jīng)濟、生態(tài)等相關(guān)的指標，在資源中一般選取水資源的自然狀況和開(kāi)發(fā)利用程度，虛擬水是水資源開(kāi)發(fā)利用程度的體現，因此本文將虛擬水作為水資源承載力的評價(jià)指標，考察虛擬水對水資源承載力的影響程度。
水資源承載力評價(jià)指標的選取通過(guò)水資源承載力的概念分析，水資源承載力最終要以一定的人口總量規模為落腳點(diǎn)，以可預見(jiàn)的技術(shù)、經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展水平為依據，以可持續發(fā)展為原則，以維護生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件，經(jīng)過(guò)合理優(yōu)化配置，對該地區社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力。因此，可將影響水資源承載力的主要因素歸納為：資源、環(huán)境、社會(huì )、經(jīng)濟、生態(tài)等。筆者擬從水資源狀況及開(kāi)發(fā)利用程度、消費水平與結構、人口和生產(chǎn)力4個(gè)方面選取具體評價(jià)指標：由于自然地理條件的不同，水資源的數量、質(zhì)量及對其開(kāi)發(fā)利用程度也不同，文中選取水資源總量（X1,108m3）、總供水量（X2,108m3）、年降水量（X3,108m3）、地表水量（X4,108m3）、農業(yè)用水量（X5,108m3）、工業(yè)用水量（X6,108m3）、生活用水量（X7,108m3）、虛擬水凈流量（X8,108m3）作為水資源狀況及開(kāi)發(fā)利用程度具體評價(jià)指標；在社會(huì )生產(chǎn)能力確定的前提下，水資源承載能力的大小受消費水平及結構的影響，因此選取城鎮居民消費水平（X9,元）、農村居民消費水平（X10,元）作為消費水平與結構的具體評價(jià)指標；人是社會(huì )生產(chǎn)的主體，水資源承載能力也包括承載人的能力，因此選取總人口（X11,104人）作為人口的具體評價(jià)指標；在不同生產(chǎn)力水平下利用單位質(zhì)量的水可生產(chǎn)不同數量及質(zhì)量的工農業(yè)產(chǎn)品，因此，在研究某一地區或區域的水資源承載能力時(shí)要估測現狀與未來(lái)的生產(chǎn)力水平，選取地區生產(chǎn)總值（X12,108元）和固定資產(chǎn)投資額（X13,108元）作為生產(chǎn)力的具體評價(jià)指標。
水資源承載力評價(jià)方法筆者采用主成分分析法對華北地區水資源承載力進(jìn)行客觀(guān)評價(jià)，主成分分析是將許多相關(guān)性很高的變量轉化成彼此相互獨立的或不相關(guān)的變量，可以在盡可能保留原始變量信息的基礎上降低變量的維度。因此，主成分分析法可以把影響水資源承載力的多個(gè)因子，用少數幾個(gè)相互獨立的主成分的線(xiàn)性組合來(lái)反映原有多個(gè)因子的絕大部分信息，表達不同時(shí)段水資源承載力的狀況。
運用SPSS19.0統計軟件對數據資料進(jìn)行分析，主成分分析的一般步驟如下：
a.為排除量綱和數量級的影響，首先對原始數據進(jìn)行標準化。通過(guò)Analyze→DescriptiveStatis-tics→Descriptive對話(huà)框來(lái)實(shí)現。
b.計算標準化后的樣本相關(guān)矩陣，并求相關(guān)矩陣的特征值（取特征值大于0.8），并計算其累計貢獻率，按累計貢獻率大于或等于85%的原則確定主成分數（利用Analyze→DataReduction→FactorA-nalysis來(lái)完成）。
c.用主成分載荷矩陣中的數據除以主成分相對應的特征值開(kāi)平方根得到兩個(gè)主成分中每個(gè)指標所對應的系數（利用“Transform→ComputeVaria-ble”對話(huà)框），然后將得到的特征向量與標準化后的數據相乘，就可以得出主成分即得分表達式。
d.以每個(gè)主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重計算主成分綜合模型。
實(shí)證研究研究區域概況及數據來(lái)源本文以華北區域為研究區域。華北區域包括北京、天津、河北、山西和內蒙古，位于我國大陸北部，介于北緯32°~42°之間，東經(jīng)110°~120°。區域氣候具有明顯的季風(fēng)特征，處于北溫帶。該區域四季分明，降水集中在夏季，雨量偏低，并且夏季降水量總體呈下降趨勢，但極端降水天氣發(fā)生的次數并沒(méi)有減少，強度也呈增加趨勢。
本文所采用的數據資料均來(lái)自《中國統計年鑒》（2001-2010年）、《水資源公報》（2000-2009年），并經(jīng)過(guò)計算整理獲得；虛擬水凈流量主要參考文獻。華北地區水資源承載力的評價(jià)結果及分析在表1中選取了總降水量、人口、消費結構等13個(gè)指標，并應用SPSS19.0軟件進(jìn)行主成分分析得到水資源承載力驅動(dòng)因子的相關(guān)系數矩陣（表2,表3）及其特征值和貢獻率（表4,表5）。由表4和表5可知，所選取的因子均存在一定的相關(guān)性。由表4可以看出，前3個(gè)主成分累積貢獻率達到90.875%;由表5可以看出，前4個(gè)主成分的累積貢獻率已達93.818%.因此，第一組數據中，有3個(gè)主成分（F1、F2和F3）較全面地反映了影響華北地區水資源承載力變化的驅動(dòng)因子；第二組數據中有4個(gè)主成分（F'1、F'2、F'3和F'4）體現水資源承載力的年際變化趨勢。
由表8和表9可以看出，水資源承載力得分既有正值又有負值，正負并不能代表水資源承載力的真實(shí)水平，而是表示水資源承載力在所選取時(shí)間段內的相對位置，正值表示高于該時(shí)段內的平均水平，負值表示低于該時(shí)段內的平均水平，綜合得分越高說(shuō)明水資源承載力越大，反之越小。
由表8可知，F1與F'1的得分在2000-2009年呈逐年增加的趨勢，表明影響水資源承載力的主要因素是經(jīng)濟發(fā)展水平，隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，科技水平逐漸提高，對污水回收處理能力得到顯著(zhù)增強。2005年北京市利用再生水為2.6×108m3,2006年為3.6×108m3,預計到2020年將利用再生水8×108m3.人口作為持續增長(cháng)的外部因素也影響著(zhù)水資源承載力，但從表7可以看出，人口的增長(cháng)使得生活需水不斷增加，水資源污染不斷加劇，給水資源承載力造成了更大的壓力。
F2與F‘的得分沒(méi)有明顯的規律性，主要是因為第二個(gè)主成分受水資源的自然狀況影響，自然條件沒(méi)有固定的規律，導致降水量與地表水量也沒(méi)有固定的規律，因此，第二主成分主要受自然條件影響。
F3與F’的得分主要受總供水量影響，總供水量多的年份分值較高，總供水量低的年份分值相對較低。華北地區的總供水量，除本地區水資源供給外，還來(lái)源于引黃入晉的外調水，外調水對該成分也有較大的影響。
F'4的得分主要是受虛擬水凈流量的影響，華北地區是虛擬水凈調入區，在人口逐年增加，糧食需求隨之增加的狀況下，農業(yè)需水卻在逐年減小，主要是虛擬水貿易的影響，虛擬水的調入緩解了當地的水資源壓力，劉博等認為實(shí)施虛擬水戰略是提高北京水資源承載力的重要途徑。但事實(shí)上虛擬水戰略不會(huì )因水資源承載力的大小而發(fā)生變化，僅是水資源承載力的評價(jià)因子。
華北地區在10年內的得分呈波動(dòng)增長(cháng)趨勢，說(shuō)明華北地區水資源承載力狀況有所好轉。2003年、2006年、2007年、2008年和2009年水資源承載力總得分均為正值，除2006年外，總得分F均高于F';而2000年、2001年、2002年、2004年和2005年水資源承載力均為負值，除2004年外總得分F‘均高于F.由此可以看出，當總得分為正值時(shí)，即在水資源壓力逐年轉好的情況下，虛擬水的調入調出對水資源承載力影響不是很大，而當水資源承載力為負，即水資源承載力壓力較大時(shí)，虛擬水則成為主要的影響因素之一，調入量越多水資源承載力越大可以減緩水資源壓力，相反輸出則會(huì )增加水資源壓力。
由此可以證明，虛擬水戰略在僅考慮水資源的前提下適用于缺水地區，而對水資源富足地區的水資源承載力影響不大。但由于本文選取的主成分分析法的特性，僅能說(shuō)明虛擬水凈流量在不同年份對水資源承載力的重要程度，并不能因此說(shuō)明2005年后虛擬水凈流量就不影響水資源承載力，因此，筆者通過(guò)對比分析水資源承載力的主成分數，揭示虛擬水凈流量是其主要的影響因子。
結論
a.應用主成分分析法對華北地區的水資源承載力進(jìn)行綜合評價(jià)，通過(guò)結果分析，影響水資源承載力的驅動(dòng)因子主要為：經(jīng)濟發(fā)展、人口和水資源及虛擬水凈流量，經(jīng)濟發(fā)展因子的貢獻率居各主成分之首，是對當地水資源承載力影響最為關(guān)鍵的因子。
b.華北地區水資源承載力處于波動(dòng)上升的趨勢，水資源的自然屬性維持著(zhù)資源稟賦的穩定性，南水北調與引黃入晉為華北地區的經(jīng)濟發(fā)展提供了一定的支撐作用，緩解了區域內的用水矛盾，因此，為緩解水資源的供需矛盾，該地區必須高效開(kāi)發(fā)利用水資源。
c.將虛擬水理論引入到水資源承載力評價(jià)中，可看出虛擬水也是水資源承載力的重要影響因子，但虛擬水的引入不會(huì )改變水資源承載力的總體變化趨勢，只會(huì )在水資源承載力低于多年平均水平時(shí)，緩解水資源壓力，而在水資源承載力高于多年平均水平時(shí)，虛擬水對水資源承載力的影響則不大。并可以證明虛擬水戰略的適用性是有局限性的，在不考慮社會(huì )因素的影響下，首先，虛擬水戰略?xún)H適用于缺水地區，可以改善缺水地區的水資源壓力；其次，在缺水地區虛擬水戰略的適用性受到水資源承載力的限制，隨著(zhù)時(shí)間段變化，水資源壓力得到緩解，水資源承載力高于多年平均水平時(shí)，虛擬水戰略的適用性減弱，虛擬水對水資源壓力的緩解作用減弱，影響水資源承載力的首要因素還是經(jīng)濟發(fā)展因子。因此，在解決我國水資源短缺和時(shí)空分布不均時(shí)，在實(shí)施虛擬水戰略的同時(shí)，必須配合節水措施、調水戰略、經(jīng)濟結構調整戰略等手段，提高用水效率、提高工程蓄水保水能力等措施實(shí)現水資源承載能力的提高。
d.亟須建立生態(tài)補償機制，補償缺水地區虛擬水凈流出的生態(tài)成本，從而促進(jìn)虛擬水貿易的可持續性，避免虛擬水輸出區域經(jīng)濟發(fā)展滯后，生態(tài)遭到破壞等問(wèn)題。
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