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基于主成分分析的榆林市水资源承载力评价

来源:个人技术集锦
第3O卷第4期 2012年7月 干旱地区农业研究 iltural Research in the Arid Areas Vo1.30 No.4 Ju1.2012 基于主成分分析的榆林市水资源承载力评价 肖迎迎,宋孝玉,张建龙 (西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西西安710048) 摘 要:采用主成分分析法选取人均水资源量、水资源开发利用程度、COD浓度、人均粮食占有量、人均用水 量、人口自然增长率、人均GDP、用水效益、生态环境用水率等9个指标建立评价指标体系,得到影响榆林市水资源 承载力的四大主成分,对榆林市各分区水资源承载力状况进行综合评价。结果表明:榆林市水资源承载力分布不 均,综合评价值差异明显;横山、定边、府谷、榆阳区和神木的综合评价值介于1 365.12—10 447.86之间,水资源承 载力属中等水平;靖边的综合评价值为10 468.962,略大于I级标准值10 447.86,可知其水资源承载力较弱;子洲、 佳县、清涧、绥德、米脂、吴堡各区综合评价值均小于1 365.12的三级标准界限值,说明该六区水资源承载能力较 强,其水资源还具有较大的开发潜力。最后提出提高榆林市水资源承载力的对策。 关键词:水资源承载力;主成分分析法;综合评价;榆林市 中图分类号:TV213 文献标识码:A 文章编号:1000.7601(2012)04—0218—06 水资源承载力是一个国家或地区可持续发展过 种方法丢失信息少,弥补了过多考虑单承载因子的 不足,解决了因参变量难以掌握导致不合理结论的 缺陷。本文采用主成分分析法,根据榆林市2005年 程中各种自然资源承载力的重要组成部分,且往往 是缺水地区制约社会经济发展的”瓶颈”因素,它对 一个地区经济社会发展有着至关重要的影响…。 的统计资料,选取影响水资源承载力的主要因素建 立评价指标体系,对榆林市水资源承载力进行综合 评价。 榆林市位于陕西省北部,总面积43 578 km2,下 辖榆阳、神木、府谷、定边、靖边、横山、佳县、米脂、吴 堡、绥德、清涧、子洲共一区11个县。榆林市水资源 十分缺乏,且开发利用难度大,人均水资源量为946 1水资源承载力评价指标体系的建立 1.1指标的选取 m3,低于人均1 000 m3的国际水资源紧缺标准,属重 度缺水地区。近年来随着榆林市经济的快速发展、 人口的激增以及城市化进程的加快,水资源的需求 量迅速增加,使得水资源成为制约榆林市经济发展 的主要因素。因此,研究榆林市水资源承载能力,全 面分析水资源承载力状况,对当地水资源的可持续 利用及社会的可持续发展都有重要作用。 近年来许多学者L2 J在不同流域或地区展开了 水资源承载力的评价研究,但尚存不足之处,一方面 对量化水资源承载力模型指标体系中定性指标的研 究不够充分,缺乏统一的、易于量化的评价指标体 系 刮;另一方面水资源承载力的研究方法大多具有 局限性,尚无统一和成熟的方法。而主成分分析法 影响水资源承载力的因素是多样的,例如水资 源数量、质量及开发利用程度;消费水平与结构;社 会经济技术条件;生产力水平和社会消费水平;人口 与劳动力;其他资源潜力;政策市场等 。因此,水 资源承载力评价指标体系的建立 l J主要应考虑: (1)选取本质性因素、剔除重复性因素。本文采取 用相对量指标取代绝对量指标的方法,如以人均、百 分比、增长率、效益等综合性指标取代绝对数量指 标,使选取的指标具有较强的综合性、代表性和可比 性;(2)选取指标应能反映区域特性和区域之间的 差异性。如人口密度是反映人口状况的一个重要指 标,但在榆林市土地总量和人口密度不是制约社会 是在保证数据信息损失最小的前提下,对高维变量 经济和生态环境发展的主要因素,所以仅采用人口 自然增长率指标反映人口对水资源系统及生态环境 系统的压力状况;(3)指标的可得性。对于较难得 系统进行最佳综合与简化,采用代表性好、针对性 强、易于量化、便于相互比较的指标,同时客观地确 定各个指标的权重,避免了人为的主观随意性。这 收稿日期:2011-10—27 到准确值的指标,尽量选取其他能够间接反映其特 基金项目:国家自然科学基金“基于生态安全的城市化区域水土资源配置研究”(51079120);陕西省教育厅2010年省级重点实验室项 目“城市河流脆弱性诊断及水源保护分区研究”(2010JS077);国家自然科学基金“渭北旱塬不同种植结构农田绿水的形成、 转化机理及水文生态响应研究”(41171034) 作者简介:肖迎迎(1987一),女,河北石家庄人,硕士研究生,研究方向为干旱水文与雨洪侵蚀。E-mail:xiaoyingying198701@163.com。 第4期 肖迎迎等:基于主成分分析的榆林市水资源承载力评价 219 征的综合性指标来替代,如用生态环境用水率和 人均用水量(X ):总用水量与总人口数之比 COD浓度代替表征生态环境质量状况(草场退化 (m3); 率、河湖面积、河道状况)的指标,用人均GDP反映 人均粮食占有量(X ):粮食总量与总人口数量 社会发达程度等。 之比(kg); 按照上述原则,从反映榆林市水资源数量、水资 人均GDP(X ):GDP总值与总人口数量之比 源质量、供水能力、用水水平与社会经济水平等因素 (元); 中选取易于量化的指标,分别是人均水资源量、水资 用水效益(X ):总效益与总用水量之比 源开发利用程度、COD浓度、人均粮食占有量、人均 (元/m3); 用水量、人口自然增长率、人均GDP、用水效益、生态 生态环境用水率( 。):生态环境用水量与水资 环境用水率,作为水资源承载能力综合评价的基本 源总量之比(%)。 评价指标。各指标的含义如下: ]【_2分级标准 人均水资源量(X ):水资源总量与总人口数量 按照上述9个评价指标对水资源承载力的影响 之比(mj); 程度,将水资源承载力划分为3个等级,用I、Ⅱ、Ⅲ 水资源开发利用程度(X ):不同水平年不同保 表示,对应承载力弱、中、强3种情况。目前水资源 证率供水量与水资源总量之比(%); 承载力评价等级标准的研究成果比较缺乏,本文参 COD浓度(X ):消耗氧化剂的量与水量之比 考了全国水资源评价标准和朱一中等[ 。]关于水 (mg/L); 资源承载力等级的分级标准值,各指标分级标准值 人口自然增长率(X4):人口自然增长数与平均 见表1。 人口数之比(‰); 表1各评价指标界限值 Table 1 Boundary value of each assessment index 指标为正向指标,表示其值越大水资源承载力 空间进行降维处理;即在保证数据信息损失最小的 越强;指标为逆向指标,表示其值越大水资源承载力 前提下,经线性变换和舍弃小部分信息,以少数的综 越弱。指标值在工级区问,说明水资源承载力弱;在 合变量取代原始采用的多维变量。 Ⅲ级区间,说明水资源承载力强;在Ⅱ级区间,说明 设区域水资源承载力的评价系统原来需要 个 水资源承载力属于中等水平。 变量,用 】, 2, , ,来描述,经主成分分析后得到 2主成分分析法原理及步骤 "t(m<J)个新变量zl,z2,£,Z ,且z1,z2,£,Z 均是 1, 2, , ,的线性组合。变量zl,z2, ,z 2.1主成分分析法原理 构成的坐标系是在原坐标系经平移和正交旋转后得 主成分分析法_1 J是一种把多个变量划分为少 到的,称Z】,z2, ,z 组成的空间为m维主超平面。 数几个综合指标的多元统计方法,其工作目标就是 用原样本群点Ⅳ,在主超平面上的投影近似地表达 要在力保数据信息丢失最小的原则下,对高维变量 原样本群点。在主超平面上,第1主分量z 对应于 220 干旱地区农业研究 第30卷 数据变异最大的方向,即原样本群点在第1主轴上 投影的散差 (z1)为最大;对于z2,…,z 依次有 (Z1)≥ (Z2)≥…≥ (Z )。因此,Z1是携带原 成分量Z : J =. ∑ ,=1 =1,2,…,.,;k=1,2,…,m (3) 始数据信息最多的一维变量,z 是携带原始数据信 息次多的变量,依次炎推,而m维主超平面是保留 原始数据信息量最大的m维子空间。 2.2 主成分分析法步骤 式中: ,为特征向量 的第1,个分量。 (5)求主成分权重e : 』 (1)数据的标准化处理: : =e : /∑ J=1 =1,2,…,m; =1,2,…,., (4) l,2,3,…,; =1,2,…., u, (6)综合评价指数z: (1) 式中, ,为第i个样本的第 个指标的原始数据; 、 S,分别为第 个指标原始数值的平均值和样本标准 差。 z:∑ekZ ^=1 (5) 根据综合评价值z与标准综合评价值z 的大 小比较,就可以对区域水资源承载力进行评价。综合 评价值越小,说明水资源承载力越强,水资源开发潜 力越大,反之,评价值越大,水资源承载力越弱,水资 源开发潜力越小。 (2)计算数据表(Y ),×J的相关矩阵 。 (3)求R的.,个特征值: 1≥ 2≥…≥ J,及 对应的特征向量U1≥U2≥…≥ 交,U ,U2,…, 称为主轴。 (4)计算主成分量:主成分量个数可通过累计 贡献率E来确定。 E J ,它们标准正 3榆林市水资源承载力综合评价 3.1数据来源 E:∑ /∑ =(2) 将榆林市划分为12个分区,以便于客观全面地 反映榆林市水资源承载力的实际情况。根据榆林市 l 』=I 一般取当E>85%时的最小m,则可得主超平面维 2005年的统计资料[巧 ,分别计算榆林各分区所 数m,从而可对m个主成分进行综合分析。得到主 选评价指标 。、 2、… 9对应的原始数值,见表2。 表2榆林市及其分区各评价指标的原始数值 Table 2 The value of assessment indexes in each subarea of Yulin 3.2 方法应用 按照主成分分析法原理和步骤对各分区水资源 y : — 一 — 一 ’_ : :1. 65 式中:x,。为第1个分区的第1个指标的原始数据; 、承载力进行计算和评价,首先第一步对表1中数据 进行标准化处理,例如,对第1分区榆阳区的第1个 指标人均水资源量 理,根据公式(1)得 s。分别为第1个指标原始数值的平均值和样本 的原始数据进行标准化处 标准差,从而得到各分区的标准化指标y (i=l,2, ,l2; =1,2,L,9),如表3所示。 第4期 肖迎迎等:基于主成分分析的榆林市水资源承载力评价 221 表4相关系数矩阵 Table 4 Correlation coemcient matrix 第三步计算出相关矩阵R的特征值 、累积方 反映了社会经济水平。第四主成分与人口自然增长 差贡献率E及成分矩阵,见表5、表6。由主成分分 率呈负相关关系,即反映社会水平。 析法的步骤可知,主成分量的个数由累计贡献率E 表5特征值及方差贡献率 来确定。由表5得知,当E>85%时的最小m为4, Table 5 Eigenvalue and variance contribution 因此本文取前4个主成分进行分析,对应的4个特 征值分别为: l=4.516, 2=1.970, 3=0.887,|:【4= 0.856。由公式(4)可知,各个特征值的方差贡献率 即为各主成分量的权重:e =50.178%,e,= 21.886%,e3=9.859%,e4=9.513%。 由表6可知,第一主成分在COD浓度、人均水 资源量、人均用水量、人均GDP、人均粮食占有量上 具有较大的荷载,这些变量涉及了水资源数量、质 量、用水水平、社会经济水平,综合性较强。第二主 成分在水资源开发利用程度上具有较大的荷载,在 一定程度上代表着供水能力。第三主成分在用水效 益上有较大的荷载,说明第三主成分在一定程度上 222 表6成分矩阵 Table 6 Component matrix 干旱地区农业研究 第3O卷 Z1=0.415Xl+0.007X2+0.458X3+0.111 4 +0.377X5+0.404X6十0.407X7+0.186X8— 0.317 o Z2:一0.083Xl一0.506X2+0.059X3+0.392X4 —0.319X5—0.076X6+0.237X7+0.584X8+ 0.274X9 Z3=一0.205 l+0.610X2—0.012 3+0.570X4 +0.248X5+0.IOOX6+0.040X7+0.049X8+ 0.430X9 Z4=一0.335 l+0.414X2+0.128X3—0.595 4 —0.201X5+0.056X6+0.346X7+0.421X8+ 第四步计算主成分量。初始因子荷载矩阵中每 一0.070X9 个荷载量表示主成分与对应变量的相关系数,用 即得到第k个主成分量 中每个指标所对应的系 最后由公式(5)计算各分区水资源承载力的综 合评价指数Z,再将本文建立的评价指标分级标准 成分矩阵中第 列向量除以第k个特征值的开根后 数l_1 J,即特征向量 1,U2,U ,U4,见表7。 值代入主成分表达式,得出相应的标准综合评价值 Z ,用此标准值z 与综合评价指数z作对比,对 各分区的水资源承载力状况进行综合评价,结果如 表8所示。 于是四个主成分量z 的表达式如下,将各分区 各指标的原始数据 代入上述表达式,可得各分区 四大主成分量。 表7相关系数矩阵特征向量 Table 7 Eigenvector of correlation coefficient matrix 表8各分区综合评判结果 Table 8 Comprehensive evaluation results of each subarea 第4期 肖迎迎等:基于主成分分析的榆林市水资源承载力评价 223 根据上述评价结果可知各分区水资源承载力状 况,靖边县水资源承载力等级为工级,说明该区水资 源承载力已超载,水资源开发利用已达到其开发容 量,主要原因是该区社会经济发展水平比较高,工业 发展迅速,水资源开发利用程度较高;横山、定边、府 谷、榆阳区和神木的水资源承载力等级为Ⅱ级,表明 这5个分区的水资源开发已有相当规模,但仍有一 定的开发潜力;主要原因是榆林能源化工基地石油 和煤炭工业发展迅速,高耗水产业多,水资源浪费、 污染比较严重,子洲、佳县、清涧、绥德、米脂、吴堡的 水资源承载力等级为Ⅲ级,表明水资源承载力状况 比较乐观,尚有较大的开发利用潜力,主要是这几个 地区社会经济发展水平较低,水资源开发利用程度 较低而导致的。 本文的评价结果与张晓鹏l6 J采用模糊综合评y-0 法得出的评价结果不尽相同,尤其对于靖边的水资 源承载力评价结果差别较大。这主要是因为模糊综 合评判法本身存在一定的缺陷,首先评判过程有信 息的遗漏,评价因素越多时,遗失的有用信息就越 多;其次对于评判指标的选择和指标权重赋值存在 不同程度的偏差。而主成分分析法保证了数据信息 的损失量,同时可以客观地确定各个指标的权重,避 免了人为的主观随意性,从而提高了结果的精度。 4建议与讨论 综上所述,榆林市水资源开发利用已初具规模, 但尚有一定的开发潜力。就靖边、神木、府谷、横山、 定边和榆阳区而言,提高水资源承载力的途径应集 中在以下两个方面:(1)优化产业结构,由耗水型经 济结构向节水型经济结构转变,适当限制高耗水产 业,大力发展低耗水产业;(2)控制水污染,同时提 高污水处理水平,实现污水资源化。就子洲、佳县、 清涧、绥德、米脂、吴堡而言应从控制人口规模,提高 人口素质人手,强化节水意识,提高水资源重复利用 率;同时大力调整农业产业结构和技术改造,以农业 带动工业及其它产业,提高社会经济发展水平。从 长远角度来看,榆林市水资源已不能支撑榆林市人 口、社会经济、生态协调发展,针对榆林市水资源承 载力的总体状况,实施调水工程,从外流域调水可缓 解榆林市内的水资源供需矛盾。 本文的水资源承载力评价结果为今后榆林市水 资源的合理配置及规划利用提供一定的参考依据, 但是由于资料有限,未能对榆林市水资源承载力随 时间的变化趋势进行研究,这将有待于进一步探讨。 :参考文献: [1]汤奇成,张捷斌.西北干旱地区水资源与生态环境保护[J].地 理科学进展,2001,(3):227 233. 2]徐中民.情景基础的水资源承载力多目标分析理论及应用[J]. 冰川冻土,1999,21(2):100—106. [3]赵西宁,吴普特,王万忠,等.水资源承载力研究现状与发展趋 势分析[J].干旱地区农业研究,2004,22(4):173—177. :4]傅湘,纪昌明.区域水资源承载能力综合评价[J].长江流域 资源与环境,1999,8(2):168—172. :5] 陈冰,李丽娟,郭怀成,等.柴达木盆地水资源承载力方案系 统分析[J].环境科学,2000,21(3):l6—21. :6]任高珊,李援农,蒋耿民.基于模糊综合评判法的榆林水资源承 载力评价[J].人民黄河,2010,32(5):56.57. [7]张晓鹏,张鑫.基于模糊综合评价法的区域水资源承载力研 究[J].中国农村水利水电,2009,(7):18—21. [8]王美霞,任志远,王永明,等.基于GIS的关中一天水经济区水 资源承载力评价[J].干旱地区农业研究,2010,28(6):222.227. [9]王顺久,侯玉,张欣莉,等.流域水资源承载能力的综合评价 方法[J].水利学报,2003,(1):85 92. [10]张鑫,李援农,王纪科.水资源承载力研究现状及其发展趋 势[J].干旱地区农业研究,2001,19(2):117.121. [11] 惠泱河,蒋晓辉,黄强,等.水资源承载力评价指标体系研究 [J].水土保持通报,2000,21(1):30.34. [12]朱一中,夏军,谈戈.西北地区水资源承载力分析预测与 评价[J].资源科学,2003,(4):43.48. [13] 刘树锋,陈俊合.基于神经网络理论的水资源承载力研究[J]. 资源科学,2007,29(1):99.105. [14]傅湘,纪昌明.区域水资源承载力综合评价一主成分分析法 的应用[J].长江流域资源与环境,1999,8(2):168.172. [15]榆林市统计局.榆林市统计年鉴[M].北京:中国统计出版社, 2006. [16]西北农林科技大学水利与建筑工程学院.榆林市水资源综合 规划报告[R].杨凌:西北农林科技大学,2007. [17]林海明,张文霖.主成分分析与因子分析详细的异同和SPSS 软件[J].统计研究,2005,(3):65.68. (英文摘要下转第235页) 第4期 陈利云等:紫穗槐种子内生根瘤菌数量分布与种类特征 235 Amount distribution and category characteristics of endogenous rhizobium in Amorpha fruticosa seeds CHEN Li—vun ,ZHOU Zhi—vu (1.School of,J -Science and Chemistry,Tianshui Normal University,Tianshui,Gansu 741000,China; 2.College of Pastoral Agriculture Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730020,China) Abstract:To determine the amount distirbution and cate-g:ory characteristics in seed capsule,pericarp,cotyledon and embryo of rhizobium in Amorpha fruticosa seeds,amount and category of endogenous rhizobium in different parts seed of Amorpha fruticosa were analyzed.The result indicated that there was significant discrepancy in amount distribution and category characteristics in endogenous rhizobium.Most endogenous rhizobia were distirbuted in seed capsule(6.663 x 10。cfu/pod),which accounted for 50 percent of the total strains,and then pericarp(3.335×10。cfu/pod).Only small amount of endogenous rhizobium was present in cotyledon and embryo(2.087 x 106 cfu/pod,1.250×106 efu/pod).32 strains of rhizobium,isolated from different parts seed of Amorpha fruticosa,were divided into 5 types based on the char— acteristic maps of RAPD—PCR groups(A,B,C,D and E).Most of the stains were B type,accounting for 40.62%of the tota1.8 strains belonged to C type,and the number of stains belonging to D,A and E types were 6,4 and 1. nacre were 5 groups in seed capsule of 16 strains,3 groups in pericarp and only 3 species of cotyledon and embryo.These showed the partiality and diversity of endogenous rhizobium in different parts of seed of Amorpha fruticosa with amount distribution position and category characteristics. Keywords:seed of Amorpha fruticosa;endogenous rhizol ̄lium;amount distribution;category characteristics …一-._¨….-.….-.…¨-.H~….-.- +_._+-4p--. ̄--o-…¨…●- (上接第223页) Assessment of water resources carrying capacity in Yulin based on principal component analysis XIAO Ying・ying,SONG Xiao—yu,ZHANG Jian—long (Key Laboratory for Northwest Water Resources and Ecological Environment of Ministry fo Education, Xi’an UniversityofTechnology,Xi’ ,Shaanxi 710048,China) Abstract:This paper established an evaluation index system with nine indicators,such as water quantity per capi- ta,water resources development and utilization level,COD concIentration,per capita grain possession,water consumption per capita,natural growth rate of population,per capita GDP,water-use efficiency and environmental water use rate.A comprehensive evaluation of water resources carrying capacity in Yulin was carried out by principal component analysis, through which four principal components were Ven.The results show that:water resources carrying capacity is in unbal- anced distribution in Yulin and the comprehensive evaluation value is different.The comprehensive evaluation values of Hengshan,Dingbian,Fugu,Yuyang and Shenmu are between 1 365.12 and 10 447.86,which are in the middle leve1. Water resources carrying capacity is limited in Jingbian and its comprehensive evaluation value is 10 468.962 (>10 447.86),which is slightly larger than Grade工standard.In other divisions,such as Zizhou,Jiaxian,Qingjian, Suide,Mizhi and Wubu,they have a great exploitation potentiality and their evaluating values are lower than 1 365.12, the GradeⅢstandard.At last countermeasures are proposed to improve the water resources carrying capacity.which have important practical signiifcance for optimizing water resources allocation and promoting sustainable development of the social economy in Yulin. Keywords:water resources carrying capacity;principal component analysis;comprehensive assessment;Ynlin 

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