水壓力綜合指數(shù)在區(qū)域水資源時空演變定量評估中的應(yīng)用

劉士霞

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

1 概述

當(dāng)前，水利部頒布最嚴格的水資源管理制度已逐步得到實施[1]。區(qū)域水資源量較為有限的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)最優(yōu)配置是當(dāng)前水資源學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點[2]，進行最優(yōu)配置最主要的前提是對區(qū)域水資源進行有效評估，在評估的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，才能達到最優(yōu)效果[3]。遼寧東部屬于遼寧地區(qū)水資源相對豐富的區(qū)域，但由于城鎮(zhèn)化以及工業(yè)化的快速發(fā)展，早期農(nóng)業(yè)、生活用水為主的水資源結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐步向多元化水資源結(jié)構(gòu)并向發(fā)展，急需要對區(qū)域水資源進行有效評估，從而解決新時期下水資源量與供需之間日益增長的矛盾。近年來，水壓力指數(shù)被許多研究學(xué)者用于對區(qū)域水資源壓力的定量評估[4- 10]，但是大都針對于水資源的質(zhì)量和數(shù)量進行評估，而新時期下水資源壓力的影響因素已經(jīng)不是單純的水資源供需矛盾，水資源承載能力[11- 12]以及水生態(tài)壓力[13- 15]也需要進行重點探討。為此本文提出一種新的水壓力綜合指數(shù)，構(gòu)建基于水資源承載力-水資源供需壓力-水生態(tài)壓力為一體的水壓力綜合指數(shù)，對遼寧東部地區(qū)水資源壓力進行綜合評估。研究成果對于遼寧東部水資源優(yōu)化配置及最嚴格管理具有重要參考價值。

2 水資源綜合壓力指數(shù)原理

水資源綜合壓力指數(shù)是從農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)、水生態(tài)、水資源承載能力角度出發(fā)，構(gòu)建綜合水壓力指數(shù)，結(jié)合水壓力指數(shù)對其水資源壓力進行綜合評估，其基礎(chǔ)原理在于構(gòu)建不同壓力指數(shù)的綜合方程，其計算方程為：

WEF=γW(Wa+Wi+We+W1+We)/Pw

(1)

式中，WEF—生態(tài)足跡值，hm2；Wa、Wi、WC、W1、We—農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)用水、生活、生態(tài)用水資源量，m3；γw—水壓力系數(shù)；Pw—水資源生產(chǎn)的能力值。在綜合壓力指數(shù)計算時，需要計算區(qū)域的水資源承載能力壓力指數(shù)，計算方程為：

WEC=0.4γWφWW/PW

(2)

式中，WEC—計算區(qū)域水資源開發(fā)利用所能承載的最大量，m3；ψW—壓力系數(shù)；W—計算區(qū)域總的水資源數(shù)量，m3。

在水資源承載能力壓力指數(shù)計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合水生態(tài)壓力指數(shù)計算方程進行區(qū)域水生態(tài)壓力指數(shù)，計算方程為：

(3)

式中，WEP—水生態(tài)壓力指數(shù)；其他變量同上述方程中的變量含義。

結(jié)合Moran指數(shù)對水壓力綜合指數(shù)進行聚集特性的表征，其計算方程為：

(4)

其中：

(5)

(6)

綜合考慮不同水資源計算單元的相關(guān)程度，采用局部相關(guān)Moran指數(shù)來表示水資源綜合壓力指數(shù)的聚集特征，其計算方程為：

(7)

式中，Ii—計算的水資源綜合壓力指數(shù)；其他變量同上述方程中的變量含義。

3 水資源綜合壓力指數(shù)時空演變分析結(jié)果

3.1 遼寧東部水資源概況

以遼寧東部區(qū)域8個水資源分區(qū)為主要分析區(qū)域，遼寧東部主要包括的城市為本溪和撫順兩個城市，水資源主要分為8個區(qū)域，區(qū)域多年地表水資源量總和為35.4億m3，區(qū)域主要用水結(jié)構(gòu)為農(nóng)業(yè)和工業(yè)，但進入2000年以后，由于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，居民生活用水呈現(xiàn)明顯遞增變幅，其用水結(jié)果逐步向多元化、城鎮(zhèn)化發(fā)展。多年平均水資源開發(fā)利用率在21.6%～67.2%之間，平均開發(fā)率為38.5%，屬于中等開發(fā)現(xiàn)狀。區(qū)域地表水資源情況見表1。地下水資源相比起遼寧西部、中部屬于相對豐富的區(qū)域，多年地下水資源量為16.8億m3，各水資源分區(qū)平均開采量在0.1042～9.3772億m3之間，各分區(qū)地下水資源開采率不同，這主要和各水資源分區(qū)的用水結(jié)構(gòu)相關(guān)，各水資源分區(qū)地下水資源量情況見表2。

3.2 各壓力指數(shù)時間演變結(jié)果

基于遼寧東部二次、三次以及水利普查數(shù)據(jù)，收集區(qū)域1960年—2018年水資源數(shù)據(jù)系列，分別結(jié)合水資源承載力、水資源供需、水生態(tài)壓力指數(shù)計算方程，對各年份不同壓力指數(shù)進行分析，并設(shè)定不同壓力權(quán)重得到水壓力綜合指數(shù)，計算結(jié)果如圖1所示，并分析各類壓力指數(shù)和綜合指數(shù)的相關(guān)性，相關(guān)性分析結(jié)果如圖2所示。

表1 遼寧東部各水資源分區(qū)地表水資源量情況

表2 遼寧東部各水資源分區(qū)地下水資源量情況

從圖1中可看出，各類壓力指數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的遞增變化趨勢，這主要是受到社會經(jīng)濟發(fā)展，水資源供需矛盾突出，使得各方面用水壓力不斷遞增，從水資源承載能力壓力指數(shù)變化過程可看出，在1990年以后其遞增變化最為明顯，總體過程中水資源承載力壓力指數(shù)增幅為0.005/a，而水資源供需壓力指數(shù)在2000年以后指數(shù)呈現(xiàn)明顯浮動，這主要是因為2000年以后，遼寧東部用水結(jié)構(gòu)逐步從農(nóng)業(yè)向工業(yè)及生活用水發(fā)生轉(zhuǎn)變，水資源供需壓力指數(shù)從2000年以后其增幅達到0.007/a。而水生態(tài)壓力從1990年開始受到工業(yè)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，其壓力指數(shù)快速增長，到2000年以后，其增幅達到0.006/a。從其水壓力綜合指數(shù)看，受到各類壓力指數(shù)綜合變化的影響，從1960年—2018

圖1 各壓力指數(shù)年尺度變化特征

圖2 不同壓力指數(shù)與綜合指數(shù)相關(guān)分析結(jié)果

年，遼寧東部水壓力指數(shù)呈現(xiàn)明顯遞增變化，年增幅為0.04。從相關(guān)性分析結(jié)果可看出，水資源供需壓力指數(shù)和水壓力綜合指數(shù)相關(guān)程度最高，達到0.7681，水生態(tài)相關(guān)度最低，為0.6184，水資源供需壓力指數(shù)和水資源承載能力之間相關(guān)系數(shù)為0.3413，相關(guān)度較低，表明水資源供需壓力指數(shù)對水資源承載能力指數(shù)影響程度不高。

3.3 各壓力指數(shù)突變特征分析結(jié)果

在遼寧東部地區(qū)各類壓力指數(shù)年尺度變化特征分析的基礎(chǔ)上，考慮各壓力指數(shù)變幅較為明顯，采用突變分析方法對各類水壓力指數(shù)的突變特征進行分析，分析結(jié)果如圖3所示。

從突變特征分析可看出，各水資源壓力指數(shù)突變特征較為相似，在95%置信區(qū)間內(nèi)水資源承載力的突變點為1980年，水資源供需壓力指數(shù)的突變點為1979年，水生態(tài)壓力指數(shù)突變點發(fā)生在1980年，而水壓力綜合指數(shù)突變點發(fā)生在1979年，總體看，遼寧東部地區(qū)水壓力指數(shù)突變點發(fā)生在

圖3 各壓力指數(shù)突變特征分析結(jié)果

1980年左右。這和遼寧東部區(qū)域水資源結(jié)構(gòu)變化時間節(jié)點較為吻合，從1980年開始，區(qū)域農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量出現(xiàn)明顯遞增變化，而進入90年代以后，工業(yè)和城鎮(zhèn)用水的增加，使得區(qū)域水生態(tài)壓力指數(shù)呈現(xiàn)明顯變化，2000年后，受工業(yè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展，其綜合指數(shù)經(jīng)過二次突變。總體而言，水生態(tài)壓力指數(shù)突變年份較其他壓力指數(shù)有所延緩。

3.4 各壓力指數(shù)空間演變結(jié)果

結(jié)合空間分析方法對區(qū)域不同年代際水壓力綜合指數(shù)的空間演變特征進行分析，其空間演變特征分析結(jié)果如圖4所示。

從各年代際水壓力綜合指數(shù)的空間變化過程可看出，在1960—1969年，水壓力低壓區(qū)占比為70%，且大部分集中在南部區(qū)域，這也是因為遼寧東部區(qū)域其南部水資源較為豐富，因此其壓力指數(shù)較低，在1970年—1979年，其低壓占比明顯減少，中低壓區(qū)域遞增明顯，其占比為45%，部分區(qū)域出現(xiàn)中高壓變化。進入1980年代以后，隨著農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，區(qū)域中低壓指數(shù)區(qū)域進一步有所縮減，中低壓占比為30%，而較高壓力指數(shù)區(qū)域從70年代遞增到80年代的35%，進入1990年以后，其高壓區(qū)域相比有所縮減，但是較高及中壓指數(shù)區(qū)域都較80年代增幅較大。而進入2000年以后，從2000—2009年，其水壓力綜合指數(shù)的高壓區(qū)域明顯增加，占比為50%，進入2010年以后，由于受到最嚴格水資源管理制度的影響，區(qū)域高壓呈現(xiàn)縮減變化，總體占比為30%?？傮w而言，受水資源量分布影響，區(qū)域各年代際水資源壓力空間分布規(guī)律性明顯，總體呈現(xiàn)從東向西遞減變化，高壓區(qū)域主要位于中部，占比20%，南部和北部區(qū)域低壓分布占比35%。

4 結(jié)論

(1)本文構(gòu)建的水壓力綜合指數(shù)可全面考慮區(qū)域水資源承載能力、供需能力以及水生態(tài)指標，適合區(qū)域水壓力綜合評估，在區(qū)域水資源評價中可推廣應(yīng)用。

(2)遼東水資源供需壓力指數(shù)與水壓力綜合指數(shù)相關(guān)度最高，對區(qū)域水資源利用影響度最高，應(yīng)重點解決高壓區(qū)域水資源供需關(guān)系。

(3)遼東水資源壓力綜合指數(shù)突變節(jié)點主要在1980年左右，其突變主因是農(nóng)業(yè)發(fā)展，水資源利用度增加，2000年后，受工業(yè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展，其綜合指數(shù)經(jīng)過二次突變。

(4)研究成果對于區(qū)域水壓力時空演變特征進行初步探討和分析，但對區(qū)域水資源安全利用相關(guān)措施還未研究，還需進一步完善和探討。

圖4 不同年代際水壓綜合指數(shù)空間分布特征