衡水市水資源時空分布與脆弱性評價

（河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水053000）

水資源不僅是孕育生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是維系地球生態(tài)過程演進(jìn)、人地可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)要素之一［1］。水資源關(guān)系著居民日常生活，也與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、環(huán)境發(fā)展密切相關(guān)，如何有效開發(fā)和利用水資源，以促使水資源的社會經(jīng)濟(jì)效益得到長效發(fā)揮，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑［2-3］，因而理清區(qū)域水資源時空分布特點具有一定的理論和現(xiàn)實意義。水資源脆弱性是對區(qū)域水資源涵養(yǎng)能力及其對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展支持能力的度量，在水資源供需形勢嚴(yán)峻的背景下，研究水資源脆弱性為水環(huán)境保護(hù)和科學(xué)利用提供信息基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

衡水市位于我國華北平原、冀魯交界之地，處于海河中下流沖積平原帶，區(qū)域面積8815km2，占全省總面積的4.67%。區(qū)域位于亞歐大陸東岸中度稍高緯度帶，受信風(fēng)帶和大陸高壓交替控制，形成了大陸性季風(fēng)氣候［4-5］，冬夏分明、春秋短促、雨熱同期，多年平均降水量524.8mm，年平均氣溫12.6℃，年均蒸發(fā)量1557mm，無霜期200d，大于10℃的有效積溫在2400～3500℃之間。由于氣候暖干化發(fā)展及降水和地表徑流缺失，衡水市干旱災(zāi)害時常發(fā)生，區(qū)域水資源供應(yīng)形勢不容樂觀。

1.2 水資源脆弱性評價方法

1.2.1 水資源脆弱性評價指標(biāo)體系

水資源總量在一定時空范圍內(nèi)是有限的，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加、資源破壞等影響，水資源供需逐漸失去平衡［6］。水資源脆弱性反映了區(qū)域水資源產(chǎn)出、利用等綜合情況，參照相關(guān)學(xué)者研究經(jīng)驗［6-8］，從區(qū)域自然環(huán)境、社會環(huán)境、經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平等方面建立水資源脆弱性評價指標(biāo)體系：A1人口密度 （人/km2）、A2人均水資源量（m3）、A3單位GDP耗水量（萬元/m3）、A4產(chǎn)水模數(shù)（萬m3/km2）、A5森林覆蓋率（%）、A6降水量（mm）、A7污水處理率（%）。 其中A1～A3指標(biāo)反映的是區(qū)域水資源供應(yīng)壓力，A4～A6表征水源涵養(yǎng)能力，A7為人為響應(yīng)。就指標(biāo)性質(zhì)來說，A1，A3為正向指標(biāo)，其指標(biāo)值越大，則水資源越脆弱；其余為負(fù)向指標(biāo)，指標(biāo)值越大，水資源錯弱性越小。該指標(biāo)體系具有多維、獨立性、可操作性，能夠反映水資源綜合情勢［6～7］。

1.2.2 水資源錯弱性評價

指標(biāo)體系中各指標(biāo)分屬不同量綱，不能直接進(jìn)行比較計算，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對其歸一化處理。

正向指標(biāo)：

負(fù)向指標(biāo)：

式中 xij為第i年第j個指標(biāo)數(shù)值；max xj和min xj分別為第j個指標(biāo)中最大值和最小值；y為標(biāo)準(zhǔn)化值。

各項指標(biāo)對水資源錯弱性的影響存在差異，為定量描述指標(biāo)重要性，采用熵權(quán)法進(jìn)行客觀賦權(quán)，熵權(quán)法以屬性值信息熵的大小度量指標(biāo)重要性，因而權(quán)值精度更高，對變量維度的解釋更具科學(xué)性［8］。其計算公式：

經(jīng)計算，各指標(biāo)權(quán)值依次為：0.174，0.148，0.142，0.132，0.133，0.139，0.131。 水資源脆弱性的度量用脆弱性指數(shù)E來表示：

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

本文涉及了降水、地表水、地下水3類水資源類型數(shù)據(jù)，其中降水資料來源于國家氣象局氣候信息中心提供的衡水市站點資料；地表水和地下水?dāng)?shù)據(jù)從《衡水市水資源公報》（1989～2016）中提取。水資源脆弱性評價以衡水市各縣域為評價對象，從《衡水統(tǒng)計年鑒》（2011～2016） 中提取2010～2015年的各項指標(biāo)，并取其平均值。

應(yīng)用Excel 2016軟件對水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理，熵權(quán)計算和水資源脆弱性評價；在SPSS 19軟件平臺上對水資源最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等特征進(jìn)行統(tǒng)計。水資源在空間上的分布不均衡，為直觀顯示其空間格局，在ArcGIS 10.3環(huán)境中采用kriging插值法予以空間表達(dá)。

2 衡水市水資源時空分布

2.1 衡水市水資源描述性統(tǒng)計特征

表1為衡水市各縣區(qū)水資源量描述性統(tǒng)計特征。由表1可知，各縣區(qū)水資源總量與人均占有量分配不均，其中阜城縣、景縣水資源最豐富，達(dá)到0.77億，0.75億m3，其次為武邑縣、故城縣、深州市、武強(qiáng)縣，水資源總量依次為0.68億，0.65億，0.63億，0.615億m3，冀州、桃城、饒陽、安平、棗強(qiáng)縣水資源總量最少，為0.56億，0.53億，0.50億，0.465億m3。 就人均水資源占有量來看，武強(qiáng)縣、阜城縣最高，達(dá)到291.11，231.875m3，其次是武邑、饒陽、安平縣和冀州區(qū)，分別為191.55，167.77，156.15，155.61m3，而其他縣區(qū)人均水資源占有量小于全市平均水平。衡水市水資源總量達(dá)6.66億m3，人均水資源量僅153.5m3，遠(yuǎn)低于全國23385m3的平均水平。

表1 衡水市水資源描述性統(tǒng)計特征 單位：億m3

2.2 衡水市水資源時間變化特征

降水為衡水市水資源重要補(bǔ)給來源之一。觀測資料（1989～2016年氣象站點數(shù)據(jù)）顯示，衡水市降水資源年際之間呈波動性，降雨量大于500mm以上的有12年，其中最大值出現(xiàn)在1996年，為656.5mm，最低值出現(xiàn)在2013年，僅353.4mm，最大相差1.86倍。1998～2010年間降雨量趨于穩(wěn)定，于400～550mm之間，而在2012年之后全市降水波動性顯著增強(qiáng)［3-4］，時有干旱或強(qiáng)降雨發(fā)生。新世紀(jì)以來，衡水市降水強(qiáng)度更加集中，干旱和洪澇相間發(fā)生，年際降水穩(wěn)定性較弱，這可能與氣候變化引起的水循環(huán)過程有關(guān)，與其他學(xué)者的研究較為一致［6］。降水產(chǎn)流量年際變化特征與年平均降水量相似，1989～2016年間全市降水資源量平均值為55.7億m3，其變化率為-0.0292億m3/a。衡水地表水資源呈現(xiàn)顯著減少趨勢（P＜0.05）， 其最高值出現(xiàn)在1994年為16.95億m3，最低值僅為2016年的11.12億m3。綜合來看，衡水市降水資源呈現(xiàn)減少趨勢，這將加劇水資源供需不平衡狀態(tài)，如圖1。

圖1 衡水市年降水與地表水資源總量時間變化

2.3 衡水市水資源空間分布特征

衡水市面積廣闊，域內(nèi)雖然地貌形態(tài)差異不大，但是經(jīng)緯度相差略遠(yuǎn)、與海洋距離位置不一，加上市下墊面環(huán)境差異大，這就使得區(qū)域降水量空間分布存在異質(zhì)性。

以縣區(qū)為統(tǒng)計單位，計算了衡水市降水資源空間分布格局，其中安平縣降水量476.2mm，為全市最低，其次為棗強(qiáng)縣，達(dá)481.5mm；冀州區(qū)與武邑縣、饒陽縣的降水量相差不大，在510～515mm之間；而武強(qiáng)縣、故城縣、景縣的降水量明顯高于其他地區(qū)，達(dá)554.2，558.3，552.6mm。總體而言，市降水空間分布不均衡，由東向西遞減［9］。文中應(yīng)用kriging插值法繪制了區(qū)域降水量分布圖，如圖2。

圖2 區(qū)域降水量分布

圖3 年徑流分布規(guī)律

衡水市年徑流的分布規(guī)律與年平均降水量分布一致，如圖3，但經(jīng)過下墊面調(diào)節(jié)作用，各區(qū)域地表徑流量發(fā)生一定變化，全市各縣區(qū)徑流深度相差較大，其中阜城縣最高，為19.68mm。究其原因該縣居于河流下游，河湖較多、水面寬闊，徑流量居于首位；而棗強(qiáng)縣縣域狹小，且居于河流上流，徑流流失嚴(yán)重，僅有2.68mm，為全市最低；景縣、武邑縣、深州市 徑 流 量 相 對 較 豐 富 ， 分 別 為17.42，15.03，13.85mm，而饒陽縣、安平縣、桃城區(qū)、冀州區(qū)等縣區(qū)水源涵養(yǎng)能力差，徑流深度依次為3.73，5.48，6.22，7.33mm。kriging差值圖表明，衡水市徑流量分布由東北向西部遞減。

2.4 衡水市水資源脆弱性評價

2.4.1 桃城區(qū)

水資源最脆弱，脆弱性指數(shù)達(dá)0.684。從社會經(jīng)濟(jì)條件來看，桃城區(qū)人口密度達(dá)281人/km2，居衡水首位，其污水處理率達(dá)65.32%，高于其他縣區(qū)，然而其人均水資源量僅112.92m3，另外其產(chǎn)生模數(shù)、森林覆蓋率等自然狀態(tài)均較差。

2.4.2 深州、安平、冀州

水資源脆弱性次之，脆弱性指數(shù)分別為0.665，0.630，0.604，主要由于這3個縣區(qū)產(chǎn)水模數(shù)等指標(biāo)均較低，且人口密度較大，水資源壓力也較大。

2.4.3 饒陽縣

水資源脆弱性指數(shù)達(dá)0.584，雖然其人口密度較小，僅113人/km2，然而其降水資源不足，僅514.6mm，且其污水處理率落后于全市平均水平，故而水資源能力仍較脆弱。

2.4.4 武邑縣

產(chǎn)水模數(shù)、降水量等自然指標(biāo)狀態(tài)較好，其水資源能力弱勢在于森林覆蓋率較低和單位GDP耗水量較高。

2.4.5 衡水市東南部阜城、故城、景縣、棗強(qiáng)

水資源脆弱性較低，且降水量較高介于530～550mm，森林覆蓋率較好，高于全省29.2%的平均水平，加之區(qū)域人口密度相對較小，水資源面臨的壓力小于其他縣區(qū)，故而水資源脆弱性指數(shù)最低，如表2。

表2 衡水市各縣區(qū)水資源脆弱性指數(shù)

圖4為衡水市水資源指數(shù)空間分布，顏色越深表示脆弱性指數(shù)越高，則水資源能力越脆弱。其分布特征表明，東部地區(qū)水資源脆弱性較小，西部脆弱性較高，這與衡水市降水資源、地表水資源空間分布特征一致。

圖4 水資源脆弱性指數(shù)空間分布

3 結(jié)語

（1）衡水市地處我國北方半干旱地帶上，作為華北地區(qū)重要的糧食生產(chǎn)基地，水資源數(shù)量與質(zhì)量對全市經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展起著基礎(chǔ)支撐作用。

（2）衡水市水資源總量為6.46億m3，人均占有量153m3，遠(yuǎn)低于全國平均水平。

（3）水資源呈現(xiàn)年際變化大和逐漸減少趨勢，空間上由東向西遞減分布，這對衡水市經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展造成一定隱患。

（4）通過對水資源脆弱性評價，結(jié)果表明東部縣區(qū)水資源整體質(zhì)量較高，西部縣區(qū)水資源較為脆弱。

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