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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(qū)水資源的可持續(xù)發(fā)展能力，引入虛擬水作為評價華北地區(qū)水資源承載力的評價指標(biāo)，探討虛擬水戰(zhàn)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個因子作為水資源承載力評價指標(biāo)，運用主成分分析法對華北地區(qū)的水資源承載力進行綜合評價。結(jié)果表明：影響水資源承載力的驅(qū)動因子主要為經(jīng)濟、人口和水資源及虛擬水凈流量；華北地區(qū)水資源承載力處于波動上升的趨勢；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(zhàn)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(xiàn)有12億人面臨中度到高度缺水壓力，80個國家水源不足，20億人飲水得不到保障。我國是一個嚴(yán)重缺水的國家，水資源時空分布不均勻，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(xù)發(fā)展戰(zhàn)略角度考慮，區(qū)域發(fā)展必須考慮水資源的承載能力。20世紀(jì)末，水資源安全問題已經(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?zé)狳c。20世紀(jì)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(xù)發(fā)展研究和水資源安全戰(zhàn)略研究中的一個基礎(chǔ)課題被提出來。國外對水資源承載力研究較少，基本被納入可持續(xù)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和開發(fā)戰(zhàn)略對策進行研究，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(qū)研究、城市研究；對水資源承載力的研究方法主要有常規(guī)趨勢法、模糊綜合評價法、主成分分析法、系統(tǒng)動力學(xué)方法、多目標(biāo)決策法等。目前，已有少數(shù)學(xué)者將水資源承載力與虛擬水理論相結(jié)合進行研究，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(nóng)產(chǎn)品所需要的水資源量；1996年他又對這一概念進行了擴展和完善，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(nèi)，并以中國西北4省為例探討了虛擬水戰(zhàn)略以及實施虛擬水戰(zhàn)略的對策建議，隨后虛擬水戰(zhàn)略研究在國內(nèi)展開。虛擬水戰(zhàn)略是水資源和水資源安全研究的創(chuàng)新領(lǐng)域，初步應(yīng)用在解決我國水資源短缺與糧食安全及水生態(tài)環(huán)境等問題中。虛擬水和虛擬水戰(zhàn)略的研究在我國尚處于初級階段，虛擬水戰(zhàn)略在我國的實際應(yīng)用還存在許多問題，目前將其應(yīng)用到現(xiàn)實并與水資源相關(guān)領(lǐng)域研究的結(jié)合也不多見，多屬于定性論述和概念介紹，亟待進行深入研究。
虛擬水戰(zhàn)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)域的熱點和難點。水資源承載力評價指標(biāo)一般選取與資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟、生態(tài)等相關(guān)的指標(biāo)，在資源中一般選取水資源的自然狀況和開發(fā)利用程度，虛擬水是水資源開發(fā)利用程度的體現(xiàn)，因此本文將虛擬水作為水資源承載力的評價指標(biāo)，考察虛擬水對水資源承載力的影響程度。
水資源承載力評價指標(biāo)的選取通過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(guī)模為落腳點，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)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)過合理優(yōu)化配置，對該地區(qū)社會經(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、經(jīng)濟、生態(tài)等。筆者擬從水資源狀況及開發(fā)利用程度、消費水平與結(jié)構(gòu)、人口和生產(chǎn)力4個方面選取具體評價指標(biāo)：由于自然地理條件的不同，水資源的數(shù)量、質(zhì)量及對其開發(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(nóng)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發(fā)利用程度具體評價指標(biāo)；在社會生產(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(jié)構(gòu)的影響，因此選取城鎮(zhèn)居民消費水平（X9,元）、農(nóng)村居民消費水平（X10,元）作為消費水平與結(jié)構(gòu)的具體評價指標(biāo)；人是社會生產(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?cè)丝冢╔11,104人）作為人口的具體評價指標(biāo)；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(shù)量及質(zhì)量的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，因此，在研究某一地區(qū)或區(qū)域的水資源承載能力時要估測現(xiàn)狀與未來的生產(chǎn)力水平，選取地區(qū)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)力的具體評價指標(biāo)。
水資源承載力評價方法筆者采用主成分分析法對華北地區(qū)水資源承載力進行客觀評價，主成分分析是將許多相關(guān)性很高的變量轉(zhuǎn)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(chǔ)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因子，用少數(shù)幾個相互獨立的主成分的線性組合來反映原有多個因子的絕大部分信息，表達不同時段水資源承載力的狀況。
運用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)資料進行分析，主成分分析的一般步驟如下：
a.為排除量綱和數(shù)量級的影響，首先對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化。通過Analyze→DescriptiveStatis-tics→Descriptive對話框來實現(xiàn)。
b.計算標(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?shù)（利用Analyze→DataReduction→FactorA-nalysis來完成）。
c.用主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根得到兩個主成分中每個指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)（利用“Transform→ComputeVaria-ble”對話框），然后將得到的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘，就可以得出主成分即得分表達式。
d.以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計算主成分綜合模型。
實證研究研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源本文以華北區(qū)域為研究區(qū)域。華北區(qū)域包括北京、天津、河北、山西和內(nèi)蒙古，位于我國大陸北部，介于北緯32°~42°之間，東經(jīng)110°~120°。區(qū)域氣候具有明顯的季風(fēng)特征，處于北溫帶。該區(qū)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(shù)并沒有減少，強度也呈增加趨勢。
本文所采用的數(shù)據(jù)資料均來自《中國統(tǒng)計年鑒》（2001-2010年）、《水資源公報》（2000-2009年），并經(jīng)過計算整理獲得；虛擬水凈流量主要參考文獻。華北地區(qū)水資源承載力的評價結(jié)果及分析在表1中選取了總降水量、人口、消費結(jié)構(gòu)等13個指標(biāo)，并應(yīng)用SPSS19.0軟件進行主成分分析得到水資源承載力驅(qū)動因子的相關(guān)系數(shù)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個主成分累積貢獻率達到90.875%;由表5可以看出，前4個主成分的累積貢獻率已達93.818%.因此，第一組數(shù)據(jù)中，有3個主成分（F1、F2和F3）較全面地反映了影響華北地區(qū)水資源承載力變化的驅(qū)動因子；第二組數(shù)據(jù)中有4個主成分（F'1、F'2、F'3和F'4）體現(xiàn)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(fù)值，正負(fù)并不能代表水資源承載力的真實水平，而是表示水資源承載力在所選取時間段內(nèi)的相對位置，正值表示高于該時段內(nèi)的平均水平，負(fù)值表示低于該時段內(nèi)的平均水平，綜合得分越高說明水資源承載力越大，反之越小。
由表8可知，F(xiàn)1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增強。2005年北京市利用再生水為2.6×108m3,2006年為3.6×108m3,預(yù)計到2020年將利用再生水8×108m3.人口作為持續(xù)增長的外部因素也影響著水資源承載力，但從表7可以看出，人口的增長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‘的得分沒有明顯的規(guī)律性，主要是因為第二個主成分受水資源的自然狀況影響，自然條件沒有固定的規(guī)律，導(dǎo)致降水量與地表水量也沒有固定的規(guī)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(qū)的總供水量，除本地區(qū)水資源供給外，還來源于引黃入晉的外調(diào)水，外調(diào)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(qū)是虛擬水凈調(diào)入?yún)^(qū)，在人口逐年增加，糧食需求隨之增加的狀況下，農(nóng)業(yè)需水卻在逐年減小，主要是虛擬水貿(mào)易的影響，虛擬水的調(diào)入緩解了當(dāng)?shù)氐乃Y源壓力，劉博等認(rèn)為實施虛擬水戰(zhàn)略是提高北京水資源承載力的重要途徑。但事實上虛擬水戰(zhàn)略不會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因子。
華北地區(qū)在10年內(nèi)的得分呈波動增長趨勢，說明華北地區(qū)水資源承載力狀況有所好轉(zhuǎn)。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(fù)值，除2004年外總得分F‘均高于F.由此可以看出，當(dāng)總得分為正值時，即在水資源壓力逐年轉(zhuǎn)好的情況下，虛擬水的調(diào)入調(diào)出對水資源承載力影響不是很大，而當(dāng)水資源承載力為負(fù)，即水資源承載力壓力較大時，虛擬水則成為主要的影響因素之一，調(diào)入量越多水資源承載力越大可以減緩水資源壓力，相反輸出則會增加水資源壓力。
由此可以證明，虛擬水戰(zhàn)略在僅考慮水資源的前提下適用于缺水地區(qū)，而對水資源富足地區(qū)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，筆者通過對比分析水資源承載力的主成分?jǐn)?shù)，揭示虛擬水凈流量是其主要的影響因子。
結(jié)論
a.應(yīng)用主成分分析法對華北地區(qū)的水資源承載力進行綜合評價，通過結(jié)果分析，影響水資源承載力的驅(qū)動因子主要為：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(dāng)?shù)厮Y源承載力影響最為關(guān)鍵的因子。
b.華北地區(qū)水資源承載力處于波動上升的趨勢，水資源的自然屬性維持著資源稟賦的穩(wěn)定性，南水北調(diào)與引黃入晉為華北地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展提供了一定的支撐作用，緩解了區(qū)域內(nèi)的用水矛盾，因此，為緩解水資源的供需矛盾，該地區(qū)必須高效開發(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改變水資源承載力的總體變化趨勢，只會在水資源承載力低于多年平均水平時，緩解水資源壓力，而在水資源承載力高于多年平均水平時，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(zhàn)略的適用性是有局限性的，在不考慮社會因素的影響下，首先，虛擬水戰(zhàn)略僅適用于缺水地區(qū)，可以改善缺水地區(qū)的水資源壓力；其次，在缺水地區(qū)虛擬水戰(zhàn)略的適用性受到水資源承載力的限制，隨著時間段變化，水資源壓力得到緩解，水資源承載力高于多年平均水平時，虛擬水戰(zhàn)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空分布不均時，在實施虛擬水戰(zhàn)略的同時，必須配合節(jié)水措施、調(diào)水戰(zhàn)略、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略等手段，提高用水效率、提高工程蓄水保水能力等措施實現(xiàn)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(qū)虛擬水凈流出的生態(tài)成本，從而促進虛擬水貿(mào)易的可持續(xù)性，避免虛擬水輸出區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展滯后，生態(tài)遭到破壞等問題。
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