北票市水資源時空分布及其脆弱性評價(jià)

董艷玲

1 研究理論

1.1 一元回歸分析

水資源數(shù)量隨時間分布具有波動性,可通過一元回歸分析法確定水資源量與時間尺度間的相互依賴性關(guān)。其計(jì)算公式如下[4]：

式中，h為線性回歸擬合斜率，當(dāng)h＞0時，表明隨著時間的變化，水資源量呈增加趨勢，當(dāng)h<0時，表明隨著時間變化，水資源逐漸減少，當(dāng)h=0時，說明水資源量無變化。式中i為年份序列，n為研究時域長度。

1.2 Kriging插值分析

水資源特別是降水資源具有明顯的空間分布特征。為解析其空間格局，通常采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。地統(tǒng)計(jì)學(xué)通過鄰近度觀測檢測空間連續(xù)性變量變量的隨機(jī)不恒定變化與空間位置之間的關(guān)系，進(jìn)而確定臨近位置上水資源空間分布影響因素的重要性即空間權(quán)值，利用空間權(quán)值與觀測值，對目標(biāo)空間于進(jìn)行預(yù)測。Kriging插值的公式如下[5]：

式中，Z(x0)、Z(x0)分別表示變量在 x0、x1處的估計(jì)值、實(shí)測值，λ表示臨近點(diǎn)對其影響程度，即權(quán)值。

1.3 水資源脆弱性評價(jià)框架

關(guān)于其評價(jià)框架的研究，眾多學(xué)者從影響因素出發(fā)，將水資源承載力指標(biāo)框架逐層分解為壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個層次。其中壓力層為水資源本體面臨的壓力，主要是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源的巨大需求；狀態(tài)表示水資源承受壓力后呈現(xiàn)的本底質(zhì)量；響應(yīng)為人們?yōu)楸Ｗo(hù)水環(huán)境而付諸的措施。據(jù)此,建立了北票市水資源脆弱性評價(jià):指標(biāo)體系,其中壓力層為:人口密度（人/km2）、人均水資源量（m3）、需水模數(shù)（萬 m3/km2）；狀態(tài)層為：降水量（mm）、森林覆蓋率（%）、產(chǎn)水模數(shù)（萬 m3/km2）；響應(yīng)層為：污水處理率（%）、節(jié)水率（%）、環(huán)境投資占GDP比重（%）。這9項(xiàng)指標(biāo)綜合反映了北票市水資源的影響因子與多維反饋，具有一定的應(yīng)用性。

1.4 水資源脆弱性量化方案

基于1.2.3部分所述，提取2005～2015年該市水資源脆弱性9個指標(biāo)因子的原始值。由于各因子屬于不同量綱，且其正負(fù)屬性存在差異，不便進(jìn)行直接量算。鑒于此采用極差歸一化法，將各原始值化為0～1之間的數(shù)值，公式如下：

式中x為指標(biāo)原數(shù)據(jù)，i為評價(jià)對象序列，j為指標(biāo)序列，maxxj和minxj分別表示第j個指標(biāo)中最大值和最小值，y為標(biāo)準(zhǔn)化值。其中+指標(biāo)表示指標(biāo)原始值越大，水資源脆弱程度越高，-指標(biāo)表示指標(biāo)原始值越小，水資源脆弱性越小。根據(jù)上式，得出了其熵權(quán)大小：0.094、0.117、0.134、0.118、0.089、0.142、0.099、0.086、0.121。

在水資源脆弱性評價(jià)框架中，各項(xiàng)因子的重要性存在差異，為量化其影響程度，以熵值信息進(jìn)行客觀表達(dá)。其函式如下：

水資源脆弱性指數(shù)E的值域?yàn)閇0,1]，按照等分法將其劃分為5各層次，用以漸進(jìn)評價(jià)水資源脆弱性動態(tài)演替。其劃分標(biāo)準(zhǔn)為：[0,0.2)不脆弱、[0.2,0.4)較不脆弱、[0.4,0.6)臨界、[0.6,0.8)較脆弱、[0.8,1]脆弱。

1.5 數(shù)據(jù)來源與處理平臺

本研究以北票市水資源為研究對象，數(shù)據(jù)涉及區(qū)域大氣降水、地表水、地下水等，其中大降水資料由國家氣象局氣候信息中心提供；地表水和地下水?dāng)?shù)據(jù)從《朝陽統(tǒng)計(jì)年鑒》《朝陽統(tǒng)計(jì)年鑒》(1989～2016)中提取。其中水資源脆弱性評價(jià)以全為評價(jià)對象，評價(jià)時域?yàn)?005～2015年。文章從時間/空間維度對北票市水資源變化特征進(jìn)行分析,其時間變化特征在Excel2016軟件的繪圖模塊中完成,其空間分布特征于ArcGIS 10.3平臺的Spatial Analysis模塊的Geostatistics插件完成。北票市水資源脆弱性評價(jià)及其指數(shù)計(jì)算通過Excel進(jìn)行。

2 北票市水資源時空分布特征

2.1 北票市水資源年際變化特征

圖1直觀反映l989～2016年北票市水資源總量動態(tài)特征。就降水量來看，全市年降水量波動較大，觀測期內(nèi)降水量最大值為1996年的686.5 mm，最小值為2013年的384.2 mm，該時期全市降水量平均值為507mm。近28年中，僅有10個年份的降水量高于平均值，其他18個年份的降水量低于平均水平，表明本市降水量變異性較大?；貧w分析顯示，隨著年份增加，北票市降水量呈減少趨勢，年減少量為1.125mm，但不具有統(tǒng)計(jì)顯著性(r2=0.0153，p＞0.5)。

圖1 北票市水資源年級變化特征

地表水資源是溫帶季風(fēng)氣候區(qū)的北票市的重要水資源類型，其年平均量達(dá)1.74×108m3，占區(qū)域水資源總量的7/10。地表水資源為降水經(jīng)地表匯流后在地面上形成的相對穩(wěn)定的水資源體，其年季變化特征與降水量的變化相一致。1989～2016年間，全市代表水資源量波動于0.956～2.386×108m3之間，最大值出現(xiàn)在1989年，最小值出現(xiàn)在1997年。其中于1989～1999年期間，北票市地表水資源量波動性較大，而在2000～2016年其趨于穩(wěn)定，介于1.21～1.65×108m3之間。線性趨勢表明，28年來北票市地表水資源量逐漸減少，年變化量為-0.0208×108m3，在0.05水平上達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著性(r2=0.2455，p<0.05)。

圖1中反映了1989～2016年北票市水資源總量的線性趨勢圖?？芍^測時期內(nèi)該市水資源總量呈減少的特征，年減少量達(dá)到0.0212×108m3，并且達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著性 (r2=0.2433，p<0.05)。這種變化趨勢與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加的社會背景不協(xié)調(diào)，勢必導(dǎo)致水資源脆弱性加大。

2.2 北票市水資源空間分布特征

根據(jù)北票市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)資料，將其轉(zhuǎn)化為點(diǎn)值空間文件，在ArcGIS10.3平臺上進(jìn)行空間化為shp格式，然后采用普通Kriging插值法進(jìn)行全局估計(jì)，得到北票市徑流深度結(jié)果(圖1)。該市徑流深度值介于5～14 mm之間，其中南部低地平原區(qū)的徑流深度最大，達(dá)12～14 mm，主要由于該局部為河流下游地區(qū)，水面廣闊、流量豐富、產(chǎn)流聚集。東部地區(qū)的徑流深徑流深度介于8～12 mm,該地為平原、丘陵交錯分布區(qū),耕地、林地、園地分布密集,灌溉水域分布較多,人工截留利用廣泛。西北徑流深度最小,僅為5～8 mm,局部小于6 mm,這是由于該地地勢較高,徑流流失快、不易匯聚;地形因素決定了該區(qū)修建水利設(shè)施成本大,地表徑流利用率低。全局來看,北票市徑流深度分布呈現(xiàn)自東南向西北遞減的格局,這反映了區(qū)域地表徑流與水文的空間不均勻性。

圖2 北票市水資源空間分布特征

降水是氣候的典型因子，其空間分布格局不僅與海陸位置、地形、下墊面等因素密切相關(guān)，還收大氣循環(huán)過程影響。北票市降水量空間分布特征如圖2所示，可知全區(qū)降水量呈地帶性分布。東南部距離海洋較近的地區(qū)降水量豐富,達(dá)600～645 mm，西北內(nèi)陸山地區(qū)僅為335～400 mm，降水量為全市最低值，其他大部分地區(qū)降水量約在450～550 mm之間。北票市降水量空間分布表現(xiàn)出自東南向西北遞減格局,這與區(qū)域徑流深度空間特征相一致。

3 北票市水資源脆弱性分析

3.1 北票市水資源脆弱性影響因素分析

圖3為北票市水資源脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系各因子熵值權(quán)重雷達(dá)圖。9個指標(biāo)因子的權(quán)值不一,表明其對水資源脆弱性的影響存在差異。具體來看,產(chǎn)水模數(shù)(萬m3/km2)的權(quán)值最大,達(dá)到0.142,其是該評價(jià)方案中對水資源脆弱性起關(guān)鍵作用的因子。產(chǎn)水模數(shù)為區(qū)域水資源在單位土地面積上的總量分布,其值越大,表明水資源越豐富。需水模數(shù) (萬m3/km2)的權(quán)值次之,達(dá)到0.134,其表征用水需求壓力,在其他條件一致的情況下,需水模數(shù)越大,水資源脆弱性越大。環(huán)境投資占GDP比重(%)的權(quán)值達(dá)到0.121,表明水環(huán)境改善行動對水資源脆弱性具有重要影響。4降水量(mm)、人均水資源量(m3)的權(quán)值分別達(dá)到0.118、0.117,而人口密度(人/km2)、森林覆蓋率(%)、節(jié)水率(%)、污水處理率(%)的熵權(quán)依次為 0.094、0.089、0.086、0.099；雖然其權(quán)值不大,但其對水資源脆弱性具有一定影響。綜合來看,產(chǎn)水模數(shù)、需水模數(shù)、環(huán)境投資占GDP比重是北票市水資源脆弱性的關(guān)鍵影響因子。

圖3 北票市水資源脆弱性影響因素雷達(dá)圖

3.2 北票市水資源脆弱性動態(tài)評價(jià)

依據(jù)前述熵權(quán)綜合指數(shù)法對2005～2015年北票市水資源脆弱性進(jìn)行動態(tài)評價(jià),結(jié)果如圖4所示。可知,11年間北票市水資源脆弱性指數(shù)有2005年的0.270波段升高至2015年的0.737,相應(yīng)地,脆弱性等級由較不脆弱 (2005～2007)演變至臨界 (2008～2010)、較脆弱等級(2011～2016)，表明北票市水資源承載狀況逐漸惡化。線性分析表明，水資源脆弱性指數(shù)逐年升高，增加率達(dá)到0.0348，在5%水平上達(dá)到顯著(r2=0.875，p<0.05)。北票市水資源脆弱性演變趨勢是經(jīng)濟(jì)社會壓力、水環(huán)境狀態(tài)、環(huán)境保護(hù)響應(yīng)等維度綜合作用的結(jié)果。就具體指標(biāo)因素來看，近10年來，該市人口逐年增加，人口密度由106(人/km2)升高至135(人/km2)，相應(yīng)地人均水資源量由405 m3降低至376(m3);一方面經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求對用水量需求增大,需水模數(shù)由874(萬m3/km2)增加至1263(萬m3/km2)；另一方面居民環(huán)保意識增強(qiáng),污水處理率由10%提高至35%,節(jié)水率由5.6%升高至23.7%,環(huán)境投資占GDP比重由0.25%增高到1.26%,森林覆蓋率由26.78%擴(kuò)展為31.68%。而降水量降水量(mm)、產(chǎn)水模數(shù)(萬m3/km2)具有較強(qiáng)的不確定性，不具有穩(wěn)定線性趨勢。綜合而言,近年來北票市經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，人類活動強(qiáng)度加大、水環(huán)境遭受破壞,水資源數(shù)量及其自生能力退化，人水矛盾凸顯，水資源脆弱性加大。

圖4 北票市水資源脆弱性動態(tài)趨勢圖

4 結(jié)論

北票市水資源量在1989～2016年間呈線性減少趨勢,這與本區(qū)氣候干化、降水量減少等自然因素以及人口增加、城鎮(zhèn)化推進(jìn)等社會因素密切相關(guān)，從長遠(yuǎn)來看這不利于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。北票市水資源呈自東南向西北減少的空間格局，這與本區(qū)經(jīng)濟(jì)和人口布局相匹配。2005～2016年水資源脆弱性綜合演變呈惡化發(fā)展，表明區(qū)域水資源書質(zhì)量及其自生能力難以為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供良好支撐,故而,加強(qiáng)區(qū)域水環(huán)境調(diào)配與水環(huán)境生態(tài)治理是極有必要的。

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