水资源承载力与其影响因素-软件学院数学实验课程论文

水资源承载力与其影响因素课 程 名 称 数学实验 学 院 软件学院 年级 2016级 专业班 5班 学 生 姓 名 木霖 学 号 20161711 开 课 时 间 2017 至 2017 学年第 1 学期水资源承载力与其影响因素广义的水资源是指地球上所存在的各种形式的水;狭义(即多数人认为的)的水资源是指在当前经济技术条件下可为人类利用的那一部分水,主要包括河流、湖泊、水库、冰雪及地下水等淡水资源。水资源承载力是指一个国家或地区在现有技术和人口素质的基础上,在可预见的时期内,利用本地的可用水资源,在保证人类生物学用水需要、生态良性发展的前提下,保护符合其社会文化准则的生活水平所能持续供养的最大人口数量。研究区域概况X位于北纬32,东经11847,纬度较低,太阳辐射强烈,由于东、西、南三面环山,导致东南沿海季风受阻,使X夏季处于背风面,其最热月平均气温高达28,极端高温高达40.7。地处淮河、长江下游的X,地势平坦,属亚热带季风湿润气候区,雨量充沛,雨热同季,四季分明,年平均降雨量约为1 106 mm。X春秋季短、冬夏长,冬夏温差显著,四季各有特色。每年初夏,受锋面雨带影响,南京进入梅雨季节。梅雨过后,天气晴燥,常会形成伏旱。随着经济的增长和人口规模的扩大,城市化进程加快,X市的用水需求不断增加,水资源承载力的压力越来越大。对X市水资源承载力的影响来自多方面,本文采用主成分分析的方法,把影响X市水资源承载力的多个因子转化为少数的几个指标。水资源承载力主成分分析步骤及数据来源设原始变量为x1,x2,xp,主成分分析后得到的新变量(综合变量)为z1,z2,zm,它们是x1,x2,xp的线性组合(mp)。新变量z1,z2,zm构成的坐标系是在原坐标系经平移和正交旋转后得到的,称z1,z2,zp空间为m维主超平面。在主超平面上,第一主成分z1对应于数据变异(贡献率e1)最大的方向,对于z2,xm,依次有e2e3e4em。因此,z1是携带原始数据信息最多的一维变量,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。主成分分析法的主要步骤如下:(1) 为了排除数量级和量纲带来的误差影响,对原始数据进行了标准化处理,标准化公式为:xij*=(xij-xi)/i(1)式中,xij为原始值,xi*j为标准化值;xi和i分别为第i个指标的样本均值和标准差。(2) 计算相关系数矩阵R=(rij)pp,其中rij=1nnk=1(xki-xi)/ij。(3) 计算特征值和特征向量。根据|R-|=0计算特征值,求出1,2,p,并使其从大到小排列,同时求得对应的特征向量u1,u2,up。(4) 计算贡献率和累积贡献率。贡献率em=i/pi=1i,累积贡献率Em=mj=1j/pi=1i,其中取累积贡献率达到85%以上的作为主成分。n（5）计算主成分载荷。Zm=j=1pi=1uijxij*,主成分载荷即主成分与变量之间的相关系数。参照全国水资源供需分析中的指标体系,并在充分考虑不同区域水资源自然赋存量的差异以及不同开发利用方式的基础上,选择19982008年序列资料作为基础数据,根据科学性原则,参考专家意见从中选取了9个指标,构建X市水资源承载力指标体系。具体包括:总人口X1,万人;固定资产值X2,亿元;人口密度X3,万人/km2;居民消费水平X4,元/人;城市化率X5,用非农人口占总人口比例表示,%;降水量X6,mm;水资源利用率X7,供水总量/总水资源量,%;日供水能力X8,万m3/d;人均水资源量X9,水资源总量/总人口,m3。主成分分析运用SPSS分析软件对样本进行分析计算,得出各评价因素的标准化矩阵、相关系数矩阵、特征值、主成分贡献率和累计贡献率。由表2可看出,9个影响因子之间存在一定相关性,X1(总人口)和X3(人口密度)分别与X2(固定资产值)有着相关性,相关系数分别为0.985和0.986,这就说明了进行主成分分析的必要性。表1水资源各评价因子的标准化矩阵年份X1X2X3X4X5X6X7 X8 X9 19981.3331.0191.2741.1981.4930.6172.1192.2891.15319991.1751.0241.2740.9661.4280.5100.9830.6250.92920000.9460.9640.8790.7851.4280.297 0.756 0.8500.28720010.6950.8830.6820.6380.5291.5720.1500.0980.04920020.3790.6700.4840.5290.6260.1000.3300.247 0.72020030.1030.1300.0900.226 0.6912.4470.1610.3790.2342004 0.247 0.251 0.305 0.0820.6910.5350.4050.6560.2172005 0.623 0.560 0.670 0.262 0.6910.4600.4050.4480.1962006 0.975 0.885 0.897 0.755 0.691 0.0400.3720.5500.7172007 1.281 1.277 1.292 1.187 0.7550.1161.7261.5812.52120081.506 1.717 1.489 2.055 0.7360.5350.607 0 0.442表2水资源承载力影响因子的变量相关系数矩阵X1X2X3 X4X5 X6X7X8X9X1 1 X2 0.985 1 X3 0.998 0.986 1 X4 0.968 0.980 0.964 1 X5 0.843 0.772 0.836 0.731 1 X6-0.1600.1150.1670.187 0.009 1 X7-0.8500.7690.8420.7680.861 0.190 1X80.7530.6590.7420.6320.833 0.114 0.965 1 X9 0.564 0.508 0.561 0.543 0.5170.2170.7950.691 1表3特征值及主成分贡献率主成分特征值贡献率/%累积贡献率/%1 6.556 72.846 72.8462 1.042 11.582 84.4273 0.859 9.542 93.9704 0.394 4.374 98.3445 0.117 1.295 99.6386 0.025 0.279 99.9187 0.006 0.062 99.9808 0.002 0.017 99.9979 0.000 0.003 100.000主成分分析的结果表明:前5个主成分的累积贡献率已经达到99.638%,基本代表了全部因子对X市水资源承载力的影响,完全符合分析的要求。由此,进一步得出主成分载荷矩阵(表4),它是主成分与变量之间的相关系数。从表中可以看出X1,X2,X3,X4,X5与第一主成分有很大的正相关,X9与第二主成分有较大的正相关,X6与第三主成分有较大的正相关。因此,X水资源承载力的主要影响因子可以归纳为经济发展和人口因素、水资源开发利用因素等两大类。表4主成分载荷矩阵变量第一主成分第二主成分第三主成分总人口X1 0.908 0.410-0.064固定资产值X2 0.946 0.296-0.042人口密度X3 0.910 0.400-0.073居民消费水平X4 0.924 0.298-0.127城市化率X5 0.681 0.593 0.170降水量X6-0.070-0.088 0.979水资源利用率X7-0.564-0.816 0.071日供水能力X8-0.453-0.838-0.025人均水资源量X9 0.218 0.852-0.198 2.3.1社会、经济因素第一主成分包含了72.846%的变化率,是主控因子,组成第一主成分的有X2(固定资产值)、X4(居民消费水平)。2008年全市完成全社会固定资产投资额2 154.17亿元,比上年增长15.3%。全市实现地区生产总值3 775亿元,按可比价格计算,比上年增长12.1%。全年居民消费价格指数为106.2,比上年上升6.2%。由此得出,X市经济在高速增长,固定资产额在不断增长和全社会消费水平在提高,水资源的消耗以及需求也都在不断增加。人口作为一种持续的外界压力,是影响X市水资源承载力最关键的因子之一。X市人口总量从1998年的532.31万增加到2008年的624.46万人,年均增长率1.61%。在固定人口持续增长、外来务工人员大量涌入的情况下,城市化进程加快,居民消费水平提高,导致生活用水量迅速增加,对水资源承载力造成很大压力。另一方面,由于人类活动的加剧,破坏了水资源系统的完整性,使水资源的再生能力降低,从而引起水资源承载能力降低。2.3.2水资源开发利用因素第二、三主成分包含了21.124%的变化率,构成第二、三主成分的主要因子有X6(降水量)、X9(人均水资源量)。通过开源节流等水利工程建设,充分挖掘水资源开发潜力,在一定程度上提高了供水能力。2008年全市日供水为340.962万m3,人均日供水量0.546 m3。水资源开发利用水平的提高,也可以在一定程度上缓解南京市用水紧张的局面。但受地理位置和自然条件的限制,也极易造成洪涝灾害,给水资源开发利用带来难度。2.4综合评价值由SPSS处理得到3个主成分的因子得分为H1、H2、H3,再根据综合得分=因子得分方差贡献率,计算得出综合得分Z。Z值越高说明该年的水资源承载力越小。具体的水资源承载力综合评判结果及排序见表5。表5水资源承载力综合评价值年份H1H2H3Z排序19980.6541.832 0.2850.661 419990.9820.614 0.3260.756 320000.9200.4430.5590.775220010.962 0.2771.5390.815 120020.894 1.088 0.0500.521 520030.080 0.418 2.552 0.234 72004 0.225 0.2640.271 0.169 62005 0.6370.0150.2530.438 82006 1.2200.491 0.239 0.855 102007 0.437 1.9810.215 0.527 92008 1.9740.6340.615 1.306 11为了直观看出波动情况,画出了主成分趋势图(图1)。从图1可以看出:19982008年,X市的水资源承载力随时间变化呈下降趋势,第一主成分的变动趋势和总趋势相一致,而第二、三主成分波动较大;第二主成分经历了先下降再上升、再下降的过程,而2007年开始呈现上升的趋势;第三主成分经历了先上升再下降、再上升的过程,这就说明水资源总量及年水资源开发率具有不稳定性。图1主成分趋势3结论与讨论(1)应用主成分分析法对水资源承载力影响因子进行评判,是因为主成分分析可以在保证原始数据信息丢失最小的情况下,经过线性变换和舍弃部分信息,使原始变量减少为具有代表意义的少数几个新的变量,能比较客观全面地反映当地的水资源承载力。这既避免了主观随意性,又简化了评价工作。(2)通过主成分分析,把影响X市水资源承载力的因子分为:社会经济因素、人口和水资源开发利用因素。（3)从单个因子来看,固定资产值X2和降水量X6对水资源承载力的影响尤为显著,其因子载荷量为0.946和0.979,可见经济的快速发展对水资源承载力造成了巨大的压力。作为省会城市,其经济一直处于高速发展状态,那么要在改变原有经济增长模式的同时,推行循环经济,加速技术的进步,大力推广节水技术,建立节水型社会,实现经济增长向可持续利用型发展。(4)19982008年X市水资源承载力随时间变化呈下降趋势,随着社会经济发展的不断扩展和深入,生产和生活对水的需求都在不断增长,在当今可持续发展要求的大背景下,也要求人们寻求水资源的可持续发展,提高水资源的利用率。因此,站在一个战略高度来认识这个问题,必须坚持开源与节流结合,