基于因子分析与熵值法的水资源承载力研究_以天津市为例_杨娜

区域发展
《 软科学 》 2010 年 6 月 ・ 第 24 卷 ・ 第 6 期 (总第 126 期 )
基于因子分析与熵值法的 水资源承载力研究
— — — 以天津市为例
杨 娜 ,李慧明 (南开大学 循环经济研究中心 ,天津 300071 )
摘要 : 以天津地区为例 ,运用因子分析法从水资源 、 生态环境 、 社会经济活动等 14 个指标中规整出影响天津市水资 源承载力变化的 4 个主因子 ,并用熵值法对 4 个主因子赋权 ,计算出 1998 ～2007 年天津市水资源承载力的综合得 分 。结果表明 , 10 年间天津市水资源承载力变化相对稳定 ,除 1999、 2002、 2006 年三年水资源承载力出现弱化趋势 外 ,其余各年均稳中有增 ,但增幅缓慢 。随着人口经济社会的不断发展 ,天津市水资源将面临重大考验 。 关键词 : 天津市 ; 水资源承载力 ; 因子分析 ; 熵值法 中图分类号 : F06211 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 8409 ( 2010 ) 06 - 0066 - 05
水资源承载力是承载力概念与水资源领域的自然 结合 , 但与土地承载力相比 , 在国外的专门研究中较 少 。国外往往使用“ 可持续利用水量 ” 、 “ 水资源的生 态限度 ” 或“ 水资源自然系统的极限 ” 、 “ 水资源紧缺程 度指标 ” 等来表述水资源承载力的含义 ,且一般直接指 [4 ] 天然水资源数量的开发利用极限 。在国内 , 随着水 环境问题的日益突出 , 我国学者在 20 世纪 80 年代末 提出水资源承载力的概念 。它是指在一定时间及一定 社会总体技术水平下 , 一定地区的水资源在维持其持 续更新 、 最低的水环境安全标准和生物多样性的要求
m
6
m
dj = 1 )
4 8 常住人口 ( 10 人 ) , X2 国内生产总值 ( 10 元 ) , X3 人均 8 生产总值 (元 ) , X4 固定资产投资 ( 10 元 ) , X5 居民消 3 费水平 (元 /人 ) , X6 水资源总量 ( m /人 ) , X7 人均水资 3 4 3 源量 ( m /人 ) , X8 供用水总量 ( 10 m ) , X9 全市每天水 4 4 消耗量 ( 10 吨 ) , X10 城市生活用水 ( 10 吨 ) , X11 城市 4 4 生产用水 ( 10 吨 ) , X12 工业废水排放量 ( 10 吨 ) , X13
i =1
( 2) ( 3 ) 求各因子的权重 :
wi = di
6
m
(1 ≤ j ≤m )
dj
( 3)
j =1
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式中 d j =
1 - ej
m -
《 软科学 》 2010 年 6 月 ・ 第 24 卷 ・ 第 6 期 (总第 126 期 )
( 0 ≤ d j ≤ 1,
ej
6 6
n
・66・
《 软科学 》 2010 年 6 月 ・ 第 24 卷 ・ 第 6 期 (总第 126 期 )
下 ,实现最优的水资源管理时所能承载的最大人均效 用水平以及相应的人口与社会经济发展规模 , 它是水 [5] 资源和社会经济相互作用关系的综合体现 。 当前 ,作为量度水资源可持续发展水平的指标之 一 ,水资源承载力的研究受到越来越多学者的重视 , 研 究内容主要从两个维度进行展开 。 以区域 、 流域 、 省市为研究的切入点 , 对水资源承 载力进行不同层面上的实证研究 。如在流域层面上 , 李建华等 ( 2009 ) 采用相对水资源承载力测度公式对 山西省水资源承载力状况进行研究 ; 杨广 、 何新林等 ( 2008 ) 通过建立模糊综合评判模型对玛纳斯河流域 不同水平年水资源承载力状况进行了综合评价 。区域 层面上 , 戴洪刚 、 梁虹等 ( 2007 ) 运用多目标决策 — — — 理想区间模型对贵阳地区的枯水资源承载力进行了综 合评价 ; 封志明 、 刘登伟 ( 2006 ) 应用“ 承载人口数 ” 方 法定量研究了京津冀地区水资源供需平衡及其水资源 承载力状况 。省市层面上 , 李建华 ( 2009 ) 等学者分别 对山西 、 包头 、 义乌 、 贵州 、 河北 、 甘肃 、 山东 、 辽宁等地 的水资源承载力状况进行定量分析 。 实证研究之外 , 许多学者还对水资源承载力理论 进行了深入研究 。如赵国华 ( 2007 ) 从传统的水资源 理论 、 社会经济系统理论和可持续发展理论研究了水 资源承载力的概念 ; 从生态属性 、 社会经济属性 、 时空 属性 、 可持续属性 、 技术属性 5 个方面探讨了水资源承 载力的内涵 ; 从水文循环 、 社会经济 、 可持续发展等方 面探讨了水资源承载力的理论体系 。龙腾锐 、 姜文超 ( 2004 ) 等总结了当前水资源承载力认识所存在的主 要问题 ,根据可持续发展理论的可持续原则 、 可持续性 和发展概念等 , 较详细地探讨了水资源承载力在生 态、 技术 、 社会经济和时空等方面的内涵 。此外 , 郭旋 、 文琦等 ( 2008 ) 也对水资源承载力的理论研究进展和 研究方法进行了综述 。 综上所述 ,当前学界对水资源承载力的研究成果 颇丰 ,不同学者对水资源承载力的定义及研究思路不 同 ,承载力的计算方法也各不相同 。本研究采用因子 分析方法筛选合并影响水资源承载力的相关影响因 子 ,同时通过熵值法对主因子进行客观赋权 , 避免了模 糊分析法及多目标决策分析等方法的主观随意性 。选 取天津市作为实证对象 ,综合天津地区水资源 、 生态环 境、 社会经济活动等因子 ,评价天津市水资源承载力状 况 ,试图为天津市水资源耗竭和水环境恶化等综合水 问题作出回应 ,同时为水资源微观管理提供理论和现 实依据 。 2 研究方法 2. 1 因子分析方法 因子分析法是从研究变量内部相关的依赖关系出 发 ,把一些具有错综复杂关系的变量归结为少数几个
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综合因子的一种多变量统计分析方法 。它的基本思想 是将观测变量进行分类 ,将相关性较高 ,即联系比较紧 密的分在同一类中 , 而不同类变量之间的相关性则较 低 ,每一类变量实际上就代表了一个基本结构 , 即公共 因子 。对于所研究的问题就是试图用最少个数的不可 测的所谓公共因子的线性函数与特殊因子之和来描述 [6 ] 原来观测的每一分量 。因子分析的计算步骤如下 : ( 1 ) 将原始数据标准化 , 以消除变量间在数量级 和量纲上的不同 ; ( 2 ) 求标准化数据的相关矩阵 ; ( 3 ) 求相关矩阵的特征值和特征向量 ; ( 4 ) 计算方差贡献率与累积方差贡献率 ; ( 5 ) 确定因子 : 设 F1, F2, …, Fp 为 p 个因子 ,其中 前 m 个因子包含的数据信息总量 (即其累积贡献率 ) 不低于 85%时 , 可取前 m 个因子来反映原评价指标 ; ( 6 ) 利用正交旋转法进行因子旋转 ; ( 7 ) 采用回归分析方法求各因子得分 。 本研究略去因子分析中通过以各因子的方差贡献 率为权 , 由各因子的线性组合来计算水资源承载力综 合得分的方法 ,采用熵值法对主因子进行客观赋权 , 并 计算水资源承载力的综合得分 。 2. 2 熵值法 在信息论中 , 熵是对不确定性的一种度量 。信息 量越大 , 不确定性就越小 , 熵也就越小 ; 反之亦然 。天 津市水资源承载力是受天津地区水资源 、 生态环境 、 社 会经济活动等许多因子制约的一个有机体 , 各影响因 素都有各自的变化规律 ,各因子相互联系 、 相互支持和 制约 , 共同决定天津市水资源承载力这个有机体的运 行和变化 。因而 , 可以借助熵值法来判断各主因子的 离散程度 ,因子的离散程度越大 ,该因子对水资源承载 力变化的影响就越大 。熵值法的计算步骤如下 : ( 1 ) 避免求熵时对数的无意义 , 非负化处理各主 因子数据 :
x′ ij = x ij - m in ( x ij ) +1 m ax ( x ij ) - m in ( x ij )
( i = 1, 2, …, n; j = 1, 2, …, m )
( 1)
式中 xij为某一地区第 i时段水资源承载力第 j个 影响因子的值 。 ( 2 ) 计算第 i 时段第 j 项因子占所有时段因子和 比例 : x′ ij pij = n ( i = 1, 2, …, n; j = 1, 2, …, m ) x ′ 6 ij
R e s e a r c h o n W a t e r R e s o u r c e C a r r y in g C a p a c it y B a s e Байду номын сангаас o n C om p o n e n t A n a lys is M e t h o d a n d E n t r o p y V a lu e M e t h o d - A C a s e S t u d y o f T ia n jin
YANG Na, L I Hui2 m ing
( R esea rch Cen ter for C ircu la r Econom y, N anka i U n iversity, T ianJ in 300071 )
Abstract: Taking Tianjin as an examp le, this article selects four components which influence water resource carry2 ing capacity from 14 indexes ( including water resource, the environment and the society) w ith component analysis method. Then using entropy value method to bestow weights to the four components, the scores of Tianjin’s water resource carrying capacity from 1998 to 2007 are obtained. The result show s that the water resource carrying ca2 pacity of Tianjin keep s stable, and the water resource carrying capacity increases year by year excep t the year of 1999, 2002 and 2006, but the increasing is slow comparatively . Tianjin w ill be faced w ith severe reality of water resource along with the development of the society . Key words: Tianjin; water resource carrying capacity; component analysis; entropy