寧夏水環境承載力研究

杜倩萍 唐 蓮

(寧夏大學土木與水利工程學院,寧夏 銀川 750021)

寧夏水資源匱乏、引黃水量有限,經濟社會快速發展加重了水資源污染和水生態受損,影響了區域高質量發展。2019年黃河流域生態保護作為國家重大戰略被提出,寧夏作為黃河上游的典型區域,定量評估其水資源稟賦和環境容量對人口與經濟規模的最大承載能力,具有重要意義。目前涉及的研究指標包括水資源承載力[1-2]、水環境承載力[3-4]和水生態承載力[5-6],其中,水環境承載力是最常被應用的指標。水環境承載力是指在一定時空范圍內,水環境系統能夠支持區域人口、經濟和社會活動的最大能力,同時滿足水質不發生質的改變、水生態環境良性發展[7]。

國內外利用指標體系評價水環境承載力的主要方法有模糊綜合評價法[8-9]、向量模法[7,10]、主成分分析法[11,13-14]等,將三種方法橫向對比,模糊綜合評價法具有操作門檻低、結果準確度高的優勢,但因其對信息利用能力較低導致摻雜較多主觀因素;向量模法雖然簡單易操作,但對水環境承載力的模糊性和向量方向性缺乏定量描述的能力,表現出了較低的可靠性;相比之下主成分分析法能在最大程度上保存研究的數據信息,并對高維變量系統進行優化處理和簡化,避免了因過度考慮單維因素而造成的結果缺陷[11-12]。筆者以寧夏2006—2021年的統計數據為基礎,根據指標在相關文獻中出現的頻率,初步篩選出影響水環境承載力的主要因子,用相關性分析篩選并建立了評價指標體系,最后用主成分分析法綜合評價寧夏水環境承載力。

1 水環境承載力評價模型的建立

1.1 指標選取與數據來源

采用頻率統計法對國內外近10年相關文獻的指標進行頻率統計,得到初選指標,見表1。并用相關性分析[13]剔除強耦合指標以及非相關性指標,得到最終水環境承載力指標體系,見表2。

表1 初選指標體系

本研究數據均來自2006—2021年《寧夏統計年鑒》和2005—2020年《寧夏水資源公報》。

1.2 主成分分析法

主成分分析法的一般計算步驟如下[11,14-16]:

a.為排除量綱的影響,首先對原始數據進行標準化。

b.計算標準化后的樣本相關矩陣R,并求R的特征值λ1,λ2,…,λi。

c.計算累計貢獻率,一般按累計貢獻率不小于85%的原則確定主成分數。

d.計算主成分的特征向量和表達式。

2 寧夏水環境承載力分析

2.1 主成分分析結果

選取14個指標進行分析,KMO取樣適切性量數為0.756,表明變量之間有一定的相關性,適合作主成分分析。表3顯示前兩個主成分的累計貢獻率已達88.141%,可以較全面地反映影響水環境承載力變化的驅動因子。主成分一代表與社會經濟系統和生態環境系統相關的影響因子;主成分二代表與水資源系統相關的影響因子。主成分載荷是主成分與變量之間的相關系數(見表4),主成分一與X4、X5、X6、X7、X8、X10、X11、X12、X13、X14有較強的正相關關系,與X9成負相關,基本涵蓋了社會經濟系統和生態環境系統的主要影響因子。隨著城市化進程的加速,城市人口不斷增長。由于城市水環境承載能力有限,城市用水量和缺水量逐年上升,為了滿足生活和生產需要,可用水資源被優先分配,導致城市河湖水資源逐漸枯竭、水生態系統調節能力降低,同時也加劇了水體污染和自然生態退化等不良后果[17]。

表3 主成分的特征值和貢獻率

表4 因子載荷矩陣

隨著經濟的發展,城市污水處理能力不斷提高;污水再生回用量十年內增長百倍。在農業方面,2021年寧夏全區農業灌溉有效利用系數達到0.561,森林覆蓋率從2006年6.08%提高到2021年16.91%,這些因素的提升均有利于水環境承載力的提高。

主成分二主要包括水資源系統因子,寧夏地處內陸干旱半干旱地帶,干旱少雨,多年平均降水量僅298mm,不足全國平均水平的1/2,2021年人均水資源量只有128.82m3,僅占全國人均值的1/12,天然基礎條件較差。寧夏是沿黃九省區中唯一全境屬于黃河流域的省區,引黃灌區范圍達到8600km2,引黃水在水資源中占比近九成,保證了寧夏供水安全以及經濟社會的可持續發展[18]。充分說明了水資源系統在區域承載力中的重要地位及作用,同時也體現出區域的缺水狀態對水環境承載的強約束作用。

2.2 基于主成分得分對寧夏水環境承載力的評價

通過計算,得到各主成分得分(見表5)。由圖1可知,綜合得分與主成分一得分趨勢基本一致,這主要是由主成分一的貢獻率65.766%決定的。

圖1 主成分得分趨勢

表5 水環境承載力綜合得分

2014—2015年綜合得分出現明顯下降,歸因于主成分二,其中降雨量、人均水資源量、產水模數都出現了下降,而人均水資源量為主成分二的最高權重因子,受當時水資源量的影響,人均水資源量的大幅度減少是影響2014—2015年水環境承載力下降的主要原因。在水資源總量不變的情況下,為應對人口增加和城市化率提高,寧夏需加速提高水資源利用效率,如針對占比較大的農業用水,推進精細化管理、控制新增灌溉地、限制高耗水作物的種植面積等。2018—2021年綜合得分下降的原因同樣歸于主成分二。人均水資源量、產水模數、降雨量的減少是影響2018—2021年水環境承載力下降的主要原因。因全球氣候變暖,2021年寧夏平均氣溫高達21.9℃,平均降水量降低到26.3mm,發生了嚴重的旱災,直接導致了水環境承載力的下降。說明該區域的水環境狀態與水資源的條件息息相關,水資源狀態是影響水環境狀態的關鍵前提。所以寧夏應重點關注區域性抗旱應急保供能力;其次在跨區域調水工程建設方面,加快構建現代水網體系也尤為重要。

分析可知,社會經濟系統與生態環境系統對水環境承載力具有關鍵的影響,但這兩個系統隨時間變化的波動較小,一直處于提升階段;而水資源系統隨時間變化發展不穩定,極易出現大幅度升降,是當前寧夏水環境承載力提升過程中需要重點關注的主要矛盾點之一。

綜合來看,水環境承載力總體呈上升趨勢,主要因為主成分一的持續上升態勢,其主要體現為社會經濟指標和污水再生回用量指標的變動。而污水再生回用量與水環境承載力的相關系數為0.863,污水再生回用的持續改善是保持水環境承載力上升的重要因素。建議積極創造條件,進一步加大寧夏污水處理及再生利用規模,并提升再生水出水水質,以擴大再生水使用途徑,提高水資源利用率。同時也說明寧夏雖然氣候干旱,水資源自然儲蓄量少,生態環境較為脆弱,但是隨著人口增長和城鎮化率提高,寧夏一直在采取措施進行水污染防治以及生態保護修復,人為干預效果較為顯著。

3 結 語

a.通過頻度統計法與相關性分析篩選指標,得到最終評價指標,利用主成分分析方法結合SPSS軟件,將14個基礎指標凝練成兩個主成分,影響水環境承載力的主成分一主要涵蓋社會經濟系統與生態環境系統的影響因子,主成分二主要代表水資源系統的相關因子。

b.利用特征向量與標準化后的指標數據,計算得出各主成分因子得分與綜合得分,并將綜合得分與兩個主成分進行相關性分析,結果表明綜合得分的變化趨勢主要和主成分一強相關,但隨時間變化主成分一較為穩定而主成分二波動較大,綜合得分值容易因主成分二的波動發生變化?？傮w來看,在2006—2021年,寧夏水環境承載水平總體呈上升態勢,這說明寧夏推行的生態治水措施起到了顯著作用,進一步提升了該地區的水環境承載水平。

c.基于數據分析以及定量得出的對寧夏水環境承載力的最大影響因素,建議通過優先發展節水控水,如進一步加大寧夏污水處理及再生水利用規模,提升再生水出水水質,擴大再生水使用途徑來提高再生水回用量以及水資源利用率;可以通過嚴格劃定水生態紅線,并落實最嚴格的水資源管理制度來提高人均水資源量。