康平縣水資源時(shí)空分布特征及其脆弱性評(píng)價(jià)

王瑩瑩

(康平縣水利局，遼寧 康平 110500)

日益發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)與居民生活水平對(duì)水資源供應(yīng)及其數(shù)量和質(zhì)量的保證提出了更高要求，水源污染、氣候變化不確定性增加等情況為水資源供需平衡增加了一系列不利因素[1-2]。厘清區(qū)域水資源的年季變化特性，把握其空間分布格局，可為區(qū)域經(jīng)濟(jì)人口布局調(diào)整、資源開發(fā)與利用提供決策依據(jù)。水資源是動(dòng)態(tài)自然變量，水資源整體質(zhì)量隨著自然環(huán)境、人為干擾強(qiáng)度的變化而改變，長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)鮮有學(xué)者揭示其動(dòng)態(tài)演進(jìn)特征。康平縣地處遼河水土保持功能區(qū)，建立水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開展水環(huán)境、水資源質(zhì)量綜合分析，對(duì)促進(jìn)水資源永續(xù)利用與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。

1 概 述

康平地處遼中南向松嫩地區(qū)過(guò)渡帶，居于遼寧北部沈陽(yáng)境內(nèi)，地理坐標(biāo)介于E122°45′～E123°37、N42°31′～N43°02′，區(qū)域面積為2 175 km2，人口達(dá)37萬(wàn)人(2014年)。區(qū)域?qū)傥茁勆降厍鹆晗蚱皆瓋A向地形，平均海拔381 m，總體地勢(shì)平坦、坡度和緩。由于位居歐亞大陸東岸中緯度沿海地區(qū)，受氣候環(huán)流與熱力效應(yīng)形成溫帶季風(fēng)性氣候，冬寒夏熱、雨熱同期，降水集中度強(qiáng)，年平均氣溫6.9℃，年降水量540 mm，日照時(shí)數(shù)2 867 h，無(wú)霜期150 d。全縣屬渾河流域，主要河流有秀水河，流速平緩、河面寬平，受冰雪融水與夏季降水影響，形成春汛和夏汛，地表水資源量達(dá)2.58×108m3，為該縣生產(chǎn)生活主要用水類型。區(qū)域用地類型以林地(溫帶落葉林和針葉林)、草地(溫帶草原)和耕地為主，森林覆被率達(dá)38%，具有較好的水土涵養(yǎng)能力。隨著該縣城鎮(zhèn)化深入發(fā)展，區(qū)域水資源主要問(wèn)題表現(xiàn)為水源供應(yīng)不足、水土流失惡化、水源污染。

2 研究方法

2.1 水資源時(shí)間性分析

回歸分析(regression analysis)能夠確定變量之間相互依賴性關(guān)系[9]，并能夠?qū)⑦@種關(guān)系量化，一元回歸分析則能夠直觀度量目標(biāo)變量隨解釋變量的變化趨勢(shì)。以年為度量的時(shí)間尺度上，水資源總量的變化具有一維特性，遂采用一元回歸法解析其傾向趨勢(shì)。該分析方法如下：

式中：h為線性趨勢(shì)擬合系數(shù)，若其為正時(shí)，則表明水資源量隨著時(shí)間序列呈增加態(tài)勢(shì)；若其為負(fù)數(shù)，則表明其隨著時(shí)間序列的變化而變??；i為年份序列；n為研究時(shí)域長(zhǎng)度[4]。

2.2 GIS空間插值分析

水資源量的監(jiān)測(cè)往往通過(guò)站點(diǎn)、斷面測(cè)量，尚不能進(jìn)行全域量算。而水資源特別是降水資源具有明顯的空間分布特征，即在不同空間位置上的屬性值存在差異。為了便于觀察其全局空間分布特征，通常采用空間插值法。而Kriging法的理論基礎(chǔ)即是空間變量理論，水資源分布符合這一插值理念。作為一種無(wú)偏最優(yōu)的估計(jì)方法，Kriging 插值定義如下[5]：

式中:λi為對(duì)目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)權(quán)重系數(shù)，當(dāng)估算誤差為最小時(shí)，方可達(dá)到線性無(wú)偏估計(jì)最優(yōu)，此時(shí)的權(quán)重由Ordinary Kriging 方程組分配，公式如下：

2.3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)

Steep1：構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。水資源脆弱性意指水資源本體在為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供必要支撐且維持其再生能力不受損壞條件下的水資源供應(yīng)脆弱性程度。其具有自然、社會(huì)雙重屬性，前者體現(xiàn)在其是生態(tài)環(huán)境要素之一，后者在于其提供必要的生產(chǎn)生活資料。水資源脆弱性的影響因素可劃分為人口因素、經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素、生態(tài)環(huán)境因素、水資源因素，從這些維度構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)框架需要將綜合性問(wèn)題具體化，即將影響因素細(xì)致為某一個(gè)具有獨(dú)立性、可量化的指標(biāo)[6]。遵循完整性、簡(jiǎn)明性、層次性、動(dòng)態(tài)性的準(zhǔn)則，出于對(duì)康平縣水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)基礎(chǔ)的認(rèn)知，構(gòu)建了由14個(gè)指標(biāo)組成的水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖1。

圖1 康平縣水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

Steep2：指標(biāo)歸一化處理。圖1中，各指標(biāo)與水資源脆弱性之間的關(guān)系不同。正向指標(biāo)為指標(biāo)屬性值越大，水資源脆弱程度越高；反之，水資源脆弱性越小。依據(jù)指標(biāo)正負(fù)屬性，將其歸一化為0～1之間的標(biāo)準(zhǔn)值，公式如下：

+指標(biāo)：yij-(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(1)

-指標(biāo)：yij(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(2)

式中：maxxj和minxj分別為第j個(gè)指標(biāo)中最大值和最小值；yij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

Steep3：確定指標(biāo)權(quán)值。當(dāng)進(jìn)行多指標(biāo)綜合決策時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)之間存在競(jìng)爭(zhēng)性。從信息熵的角度，單一之間的差值越小，則其熵值信息越少，表明該項(xiàng)指標(biāo)平穩(wěn)性越高，熵權(quán)越大。作為客觀賦權(quán)法，熵權(quán)計(jì)算公式如下：

Steep4：水資源脆弱性指數(shù)計(jì)算。將水資源脆弱性指標(biāo)矩陣歸一化后與相應(yīng)的權(quán)值進(jìn)行加權(quán)求和，即能量化表達(dá)區(qū)域水資源脆弱性，其得分越高，表明水資源脆弱程度高、水環(huán)境整體質(zhì)量較差；反之，水資源脆弱性程度低，水資源總量與水環(huán)境能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供良好支撐。水資源脆弱性指數(shù)計(jì)算模型如下：

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究涉及到康平縣降水?dāng)?shù)據(jù)(1989～2016年)，通過(guò)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站(http://data.cma.cn/)獲取。徑流深度數(shù)據(jù)、地表水資源和水資源總量數(shù)據(jù)由康平縣水文局提供。水資源時(shí)間變化和水資源脆弱性評(píng)價(jià)通過(guò)Excel 2016軟件計(jì)算得到，水資源空間分布分析通過(guò)ArcGIS10.3完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 唐山市水資源時(shí)間分布特征

水資源總量主要受降雨、地下水資源量影響，本區(qū)地下水資源量相對(duì)較少，故在此不做分析。應(yīng)用一元回歸分析，能夠宏觀描述區(qū)域隨自變量變化特征，并對(duì)未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。由圖2可知，28年間(1989～2016年)，康平縣降水量呈波動(dòng)特征，在1996年達(dá)到峰值，為723.7 mm，1998和2016年為次高峰，依次為689.3和686.2 mm，并在1992、1997和2001年3個(gè)時(shí)間點(diǎn)存在明顯低值，分別為433.06、451.2和424.4 mm。在這一時(shí)期，康平縣降水量總的變化趨勢(shì)為y=-0.235 4x+1 035.4，年變化率為-0.235 4 mm，呈減少趨勢(shì)。經(jīng)5%水平的信度檢驗(yàn)，R2=0.000 6，p>0.05，未通過(guò)統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)，表明該變化趨勢(shì)不顯著。

地表徑流為降水經(jīng)產(chǎn)流、匯流等水文過(guò)程在一定的地表環(huán)境下形成的相對(duì)穩(wěn)定的集水區(qū)域，地表徑流往往是區(qū)域水資源利用的主體。由圖2可知，1988～2016年康平縣地表水資源量由2.72×108m3逐步減少至2.695×108m3，總體為減少趨勢(shì)。其與年際的關(guān)系為y=-0.013 3x+29.301，變化量為0.133×108m3/10 a，在0.05水平上呈顯著性(R2=0.234 8，p<0.05)。觀測(cè)期內(nèi)，康平縣地表水資源量峰值出現(xiàn)在1995和1998年，達(dá)到3.125×108和3.118×108m3，最低值出現(xiàn)在1997年，僅為2.25×108m3。

圖2 康平縣水資源總量動(dòng)態(tài)變化

本區(qū)地表徑流量占水資源總量的80%左右，因而水資源總量的年際變化趨勢(shì)與地表徑流量具有相似特征。由圖3可知，觀測(cè)期內(nèi)康平縣水資源總量呈階段性減少，在1989～1999年間，水資源總量呈現(xiàn)較大波動(dòng)，但其均值為2.982×108m3；在2000～2016年間，該縣水資源總量均值僅為2.71×108m3。回歸分析表明，區(qū)域水資源總量與年際的變化關(guān)系為：y=-0.016 1x+35.381，并通過(guò)5%水平的信度檢驗(yàn)，表明其減少趨勢(shì)明顯。

3.2 康平縣水資源空間分布特征

康平縣降水量主要受西方環(huán)流帶來(lái)的西太平洋水汽影響，同我國(guó)東北地區(qū)降水空間分布特征一致，康平縣年降水量呈現(xiàn)自東向西遞減格局?？h域東西狹長(zhǎng)、南北稍短，來(lái)自日本海上空的海洋氣流自東向西輸入歐亞大陸東北岸，隨著距離增加而逐漸衰減，由此本縣降水量東多西少。其中，東南端降水量最多，局部達(dá)到700 mm，東部和東北部地區(qū)次之，介于550～600 mm，西部地區(qū)降水量最少，局部少于500 mm。

將氣象站點(diǎn)降雨量數(shù)據(jù)結(jié)合區(qū)域地表徑流斷面數(shù)據(jù)，采用格網(wǎng)法測(cè)算其徑流深度，結(jié)果見圖3。該縣東南端為河流流域下游、地勢(shì)低平，便于徑流匯集，加之本區(qū)降水量集中于東部地區(qū)，故而該地徑流深度最大，達(dá)60 mm，表明局域水資源豐富。該縣北部地區(qū)為水庫(kù)、湖泊和河網(wǎng)聚集區(qū)，地表產(chǎn)流豐富，徑流深度次之，約為30～50 mm。中西部地區(qū)徑流深度最小，僅為18～30 mm。縣域中部為人口、經(jīng)濟(jì)密集區(qū)，而水資源量相對(duì)較少，因此有必要加強(qiáng)區(qū)域水源空間調(diào)配。

3.3 康平縣水資源脆弱性評(píng)價(jià)

依據(jù)水資源脆弱性量化模型,得到2005～2015年康平縣水資源脆弱性指數(shù)變化趨勢(shì)圖，見圖4。

圖4 康平縣水資源脆弱性指數(shù)動(dòng)態(tài)特征

由圖4可知，近12年來(lái)該縣水資源脆弱性指數(shù)呈起伏上升，由2005年的0.263增加至2015年的0.574，其年際變化關(guān)系為：y=0.016 7x-33.209，在5%水平上通過(guò)了信度檢驗(yàn)(R2=0.435 5，p<0.05)，表明水資源脆弱性指數(shù)上升趨勢(shì)明顯，康平縣水資源整體質(zhì)量與承載能力下降。其中，2004～2008年全縣水資源承載力指數(shù)升高較快，增加了0.202，這期間該縣人口密度由136人/km2升高至147人/km2，人均用水量與需水量增加迅速，而單位GDP耗水量高達(dá)51元/m3，并且水資源利用效率依然不高，污染徑流比重達(dá)20%～35%，因此該期間水環(huán)境惡化明顯，水資源脆弱性呈線性增加。2009～2011年，該縣水資源脆弱性指數(shù)增速平緩，主要由于期間人口增加速度放緩，水資源的需求量呈低速增加，相應(yīng)森林覆蓋率由28%升高至 33%，區(qū)域污水處理逐漸正規(guī)化，這在一定程度上緩和了水資源脆弱性。2012年后，康平縣水資源脆弱性仍處于較高水平。從各項(xiàng)指標(biāo)演進(jìn)趨勢(shì)來(lái)看，主要由于需水模數(shù)增加、產(chǎn)水模數(shù)下降、水資源總量減少導(dǎo)致的。依據(jù)上文分析可知，康平縣水資源總量呈線性減少趨勢(shì)特征，而其水資源脆弱性呈增加態(tài)勢(shì)，表明水資源總量是水資源脆弱性的主要影響因素之一。

4 結(jié) 論

對(duì)康平縣水資源特性分析可知，該縣降水量與徑流深度呈自東向西減少的地帶性分布規(guī)律，其空間不均勻性與該縣的經(jīng)濟(jì)人口布局不匹配，這是區(qū)域水資源空間調(diào)配的必然性所在。線性分析表明，1989～2015年全縣降水量呈波動(dòng)性趨勢(shì)，反映了氣候變化對(duì)本區(qū)降水存在不確定性影響，而地表水和水資源總量總體呈線性減少趨勢(shì)，對(duì)供水平衡和環(huán)境演變存在不利。近期以及未來(lái)一段時(shí)期，康平縣水資源整體狀況較為脆弱，應(yīng)注重開源節(jié)流，即一方面加強(qiáng)以生態(tài)環(huán)境建設(shè)為核心的水土保持、水源涵養(yǎng)、水環(huán)境保護(hù)工程，另一方面推廣節(jié)水技術(shù)，節(jié)約水資源，提高水的利用率。